Россия
Россия
Торфяники Арктических территорий являются хранилищами радиоактивных загрязнений. Изучены физико-химические свойства торфа, удельная активность и особенности вертикальной миграции 90Sr в торфяном профиле Мурманской области. Составлена корреляционная матрица по изученным показателям. Установлен фактор, определяющий локализацию 90Sr в торфе. Определены источники изотопа для региона. Реакция среды торфа кислая (4.2 ≤ pHwater ≤ 4.9; 3.6 ≤ pHsalt ≤ 4.1). Зольность торфа средняя и высокая (5.2 % ≤ Аsh ≤ 28 %). Доля органического вещества в торфяном профиле более 70 %. Верхняя часть профиля засолена (soluble salts > 0.3 %). Доля карбонатов в торфяном профиле незначительная (0.42–0.83 %). В каждой пробе торфа зафиксирована активность 90Sr (0.55–7.7 Бк/кг). Активность техногенного радионуклида находится ниже установленной допустимой нормы и в пределах интервала, типичного для всех почв России. Изотоп 90Sr локализуется в верхних слоях профиля и на глубине более 16 см. Локализация 90Sr в торфяных слоях обусловлена содержанием водорастворимых солей (r = 0.85). Основными источниками изотопа для Мурманской области являются прошлые глобальные выпадения от ядерных испытаний, чернобыльской аварии и текущие локальные выпадения от объектов ядерно-топливного комплекса.
торфяник, физико-химические свойства, стронций-90 (90Sr), вертикальная миграция, Мурманская область
Введение
Арктические территории, к которым относится Мурманская область, при освоении атомной энергии подверглись существенному воздействию техногенной радиоактивности в результате глобальных и локальных ядерных испытаний, поступлений в арктические моря техногенных радионуклидов от западноевропейских радиохимических заводов Великобритании и Франции, чернобыльской катастрофы [10].
Торфяные отложения являются ценным объектом для долговременной ретроспективной оценки радиационной обстановки [11]. В Мурманской области болота занимают значительную площадь (~ 3048,9 тыс. га) [7]. Наиболее развиты аапа-болота, залегающие в сильно обводненных местах и получающие водно-минеральное питание за счет атмосферных осадков, подземных вод и поверхностного стока с прилегающих территорий. При питании торфяники аапа-болот депонируют загрязнители и представляют собой их хранилище, в том числе радиоактивных изотопов как прошлых, так и текущих загрязнений, создавая опасность для биоты и человека. Источниками текущих радионуклидов на данной территории могут быть объекты ядерно-топливного комплекса, атомного ледокольного флота, Северного флота России [10].
В настоящее время сведения об уровне загрязнения торфяников арктических территорий техногенным изотопом 90Sr отсутствуют. В связи с этим цель данного исследования — выявить уровень активности и особенности вертикальной миграции 90Sr в профиле торфяника, отобранного на территории Мурманской области.
Объекты и методы
Объектом исследования являлись торфяные отложения Мурманской области. Место взятия торфяной колонки — в 12 км юго-восточнее города Мурманска (координаты точки взятия колонки: N68.87057°, E33.19594°). Шифр колонки — ТМ-1, глубина — 36 см. Торфяную колонку отбирали согласно государственному стандарту [5] в летний период 2019 года. После отбора колонка торфа была разделена на 17 слоев (интервал деления 2 см за исключением двух верхних горизонтов 0–3.5 см и 3.5–6.0 см).
В лабораторных условиях в каждом слое торфа были определены физико-химические свойства: актуальная (pHwater) и обменная (pHsalt) кислотность; зольность (Аsh); массовая доля органического вещества (Organic Matter); содержание водорастворимых солей (Soluble salts); массовая доля карбонатов (СО32-) и удельная активность радионуклида 90Sr согласно государственным стандартам и актуальным методикам [1–4, 6].
Актуальную и обменную кислотность определяли потенциометрическим методом [3] в водной и солевой (раствор КСl с концентрацией 1 моль/дм3) вытяжках. Значение pH измеряли на анализаторе жидкостей «Эксперт 001-3» с применением комбинированного стеклянного электрода ЭСК-10603.
Путем прокаливания сухих проб торфа получали зольные остатки (200 °C ≤ t ≤ 525 °C), потери (525 °C ≤ t ≤ 900 °C). Определение зольности, массовой доли карбонатов проводили гравиметрическим методом. Массовую долю органического вещества определяли расчетным методом, учитывая зольность [2, 4].
Водорастворимые соли из торфа извлекали дистиллированной водой. Почвенную суспензию фильтровали. Фильтрат выпаривали на водяной бане, плотный остаток водной вытяжки сушили при 105 °С. Содержание водорастворимых солей определяли гравиметрическим методом [1].
Для определения зольности, массовой доли органического вещества, содержания водорастворимых солей, массовой доли карбонатов применяли сушильный шкаф Memmert UF75plus, муфельную печь ЭКПС-10 и аналитические весы ВЛ-224В.
Удельную активность радионуклида определяли бета-радиометрическим методом с радиохимической подготовкой [6]. Методика основана на измерении бета-излучения счетного образца, содержащего селективно выделенный из пробы иттрий-90 (90Y), являющийся дочерним продуктом распада стронция-90 и находящийся с ним в радиоактивном равновесии в пробе, и расчете удельной активности 90Y (90Sr) в пробе. Радиохимический выход иттрия-90 контролировали весовым методом при добавлении в пробу определенного количества стабильного иттрия. Мешающее влияние радионуклидов с энергиями бета-частиц, близкими к энергии бета-излучения иттрия-90, устраняли радиохимическим способом при двойном осаждении оксалатов и хроматографическом отделении иттрия-90. Готовый осадок переносили в предварительно взвешенную подложку радиометра. Измерение счетных образцов выполнялось с применением альфа-бета-радиометра РСК-01А «Абелия».
Результаты и обсуждение
Характеристика физико-химических свойств торфяника. Актуальная кислотность, связанная с содержанием свободных H+ и OH- в почвенном растворе, и обменная, связанная с содержанием Н+ и Al3+ в почвенном поглощающем комплексе, находятся в пределах значений 4.2–4.9 и 3.6–4.1 соответственно. Почвенный раствор и твердая фаза исследуемого торфа имеют кислую реакцию среды. С глубиной профиля кислотность уменьшается (рис. 1).
Профиль представляет собой высокозольный и среднезольный торф (5.2 % ≤ Аsh ≤ 28 %), (рис. 1). Повышенная зольность (Аsh > 10 %), обусловленная наличием песка, глины и минеральными веществами, характерна для верхних (1, 4–7 слоев) и нижнего слоя; средняя зольность (5.0 % < Аsh < 10 %) — для 2–3, 8–16 слоев.
Доля органического вещества, основного компонента торфяника, находится в интервале от 72 до 95 % (рис. 1). Максимальное значение показателя наблюдается в слое 20–22 см.
Содержание водорастворимых солей варьирует в диапазоне 1.0–9.8 мг/г (рис. 1). Верхние слои торфяника (глубина менее 17 см) имеют слабую и среднюю степени засоленности (количество водорастворимых солей более 0.3 %), что, возможно, обусловлено длительным и постоянным избыточным увлажнением. На глубине 17 см и более засоленность отсутствует (количество водорастворимых солей составляет менее 0.3 %). Торфяник по глубине залегания водорастворимых солей характеризуется как солончаковый.
Массовая доля карбонатов составляет 0.42–0.83 %. В слое 10–12 см наблюдается максимальное значение показателя, возможно обусловленное выщелачиванием из верхних слоев. Массовая доля карбонатов с глубиной профиля снижается (рис. 1).
Для физико-химических свойств торфа наблюдаются значимые корреляционные связи (рис. 3): прямые — pHwater – pHsalt (r = 0.94), Ash – (CO32-) (r = 0.77); обратные — pHwater – (CO32-) (r = –0.55), pHsalt – (CO32-) (r = –0.50), pHsalt – Soluble salts (r = –0.61), Ash – Organic Matter (r = –1.0), Organic Matter – (CO32-) (r = –0.77).
Удельная активность радионуклида 90Sr. Во всех пробах торфяного профиля наблюдается присутствие радионуклида (рис. 2). Удельная активность 90Sr находится в интервале 0.55–7.7 Бк/кг (типичный интервал для всех почв России 0.80–8.6 Бк/кг). Среднее значение составляет 1.8 ± 0.02 Бк/кг, что не превышает установленный минимально значимый норматив [8] и ниже среднего параметра для всех почв России (4.7 Бк/кг). Наибольшая удельная активность 90Sr фиксируется в верхней части профиля до глубины 8–10 см, максимум активности (7.7 Бк/кг) отмечается в самом верхнем слое 0–3.5 см, что, возможно, обусловлено поступлением радионуклида при текущих локальных выпадениях от объектов ядерно-топливного комплекса и его биогенным накоплением. Удельная активность 90Sr в снеге, выпавшем в 2018–2019 годах в Мурманской области, составляет 0.30–0.40 Бк/л [7].
Радионуклид неравномерно распределяется по всему торфяному профилю (рис. 2). Ниже глубины 10 см наблюдается три пика активности радионуклида. Пик на глубине 16–18 см, вероятно, связан с аварией на Чернобыльской АЭС (1986 год), а более глубокие (20–22 см и 30–32 см), возможно, свидетельствуют о прошлых глобальных выпадениях в результате ядерных испытаний до 1963 года.
Содержание водорастворимых солей играет важную роль в накоплении радионуклида (r = 0.85), (рис. 3). Sr является щелочно-земельным элементом, и по своим химическим свойствам Sr2+ подобен NH4+, K+, Na+, карбонаты и фосфаты которых растворимы в воде и обусловливают присутствие анионов СО32-, РО43-,
увеличивающих поглощение (адсорбцию) Sr2+ [9].
Выводы
На основании полученных результатов можно отметить отличительное физико-химическое свойство торфяного профиля Мурманской области — засоленность, связанную с условиями формирования торфа. Одновременно установлено, что засоленные слои торфа являются накопителями 90Sr. Удельная активность 90Sr находится в рамках интервала, типичного для всех почв России. Среднее значение удельной активности 90Sr ниже установленного минимально значимого норматива [8] и среднего параметра для всех почв России. Радионуклид в основном локализуется в самом верхнем слое и неравномерно мигрирует вниз по профилю. Вертикальный миграционный путь 90Sr показал, что основными его источниками для региона являются прошлые глобальные выпадения из-за ядерных испытаний, чернобыльской аварии и текущие локальные выпадения на объектах ядерно-топливного комплекса.
1. ГОСТ 26423-85. Почвы. Методы определения удельной электрической проводимости, рН и плотного остатка водной вытяжки. М.: Стандартинформ, 2011. 7 с.
2. ГОСТ 27784-88. Почвы. Метод определения зольности торфяных и оторфованных горизонтов почв. М.: Изд-во стандартов, 1988. 6 с.
3. ГОСТ 11623-89. Торф и продукты его переработки для сельского хозяйства. Методы определения обменной и активной кислотности. М.: Изд-во стандартов, 1990. 5 с.
4. ГОСТ 26213-91. Почвы. Методы определения органического вещества. М.: Изд-во стандартов, 1992. 6 c.
5. ГОСТ 17.4.3.01-2017. Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. М.: Стандартинформ, 2018. 8 с.
6. Методика измерений удельной активности стронция-90 (90Sr) в пробах почв, грунтов, донных отложений и горных пород бета-радиометрическим методом с радиохимической подготовкой. М.: ВИМС, 2013. 19 с.
7. О состоянии и об охране окружающей среды Мурманской области в 2020 году. Доклад. URL: https://gov-murman.ru/region/environmentstate (дата обращения: 04.03.2022).
8. Об утверждении СанПиН 2.6.1.2523-09 «Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009). Постановление главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 07.07.2009 № 47: URL: https://docs.cntd.ru/document/902170553 (дата обращения: 01.04.2022).
9. Путилина В. С., Галицкая И. В., Юганова Т. И. Сорбционные процессы при загрязнении подземных вод тяжелыми металлами и радиоактивными элементами. Стронций. Аналитический обзор. Новосибирск: ГПНТБ СО РАН, 2013. 95 с.
10. Телелекова А. Д., Евсеев А. В. Радионуклиды в природной среде Кольского полуострова // Эволюция и динамика геосистем. 2014. № 5. С. 89-94.
11. Яковлев Е. Ю., Орлов А. С., Очеретенко А. А., Дружинин С. В., Дружинина А. С. Радионуклиды атмосферных выпадений в торфяно-болотных экосистемах Европейской Субарктики России // Западно-Сибирские торфяники и цикл углерода: прошлое и настоящее: Междунар. материалы Шестого полевого симпозиума. Томск, 2021. С. 214-216.
