ПРИРОДНЫЕ И АНТРОПОГЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ПОСТУПЛЕНИЯ ²¹⁰Pb И ²¹⁰Po В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ И ПРОЦЕССЫ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ В БИОСФЕРЕ

В настоящее время поступление радионуклидов ²¹⁰Pb и ²¹⁰Po в биосферу происходит в основном из четырех источников:

– горные породы и почвы, которые подвергаются выщелачиванию, выветриванию и эрозии;

– твердые, жидкие и газообразные отходы предприятий ядерного топливного цикла;

– фосфорные и другие минеральные удобрения, продукты переработки фосфатного сырья;

– твердые, жидкие и газообразные отходы энергетических установок и тепловых электростанций, использующих природное органическое топливо.

Природные процессы выщелачивания и выветривания горных пород и деятельность человека – основные причины непрерывной миграции и рассеяния радионуклидов ²¹⁰Pb и ²¹⁰Po в окружающей среде. В результате развития энергетики, промышленности и сельского хозяйства появляется большое количество твердых, жидких и газообразных отходов, с которыми в окружающей среде рассеиваются радионуклиды.

Поступающие в окружающую среду радионуклиды в той или иной форме включаются в круговорот веществ в биосфере. В этом круговороте участвуют и живые организмы [1, 2].

Минералы интенсивно растворяются под влиянием кислых растворов, образующихся в результате жизнедеятельности определенных видов бактерий (например, Thiobacillus ferrooxidans) [3]. Бактерии всегда присутствуют в горных породах и в определенных условиях могут развиваться как в природной воде, так и в самой горной породе. При участии бактерий практически все ионы Fe²⁺ природных минералов превращаются в ионы Fe³⁺, которые являются хорошими природными окислителями восстановленных минералов, а входящая в состав некоторых минералов сера превращается в серную кислоту. В результате создаются благоприятные условия для активного выщелачивания радионуклидов из горных пород. Процесс протекает непрерывно, необходимый кислород усваивается бактериями из растворенного в воде атмосферного кислорода.

Хотя в природной воде концентрация выщелоченных радионуклидов незначительна, в количественном отношении общее рассеяние радионуклидов водными путями существенно. По оценкам автора работы [4] ежегодно с водою рек перемещается около 27 000 т урана. Во время миграции растворенные радионуклиды находятся состоянии динамического равновесия с окружающей горной породой и почвой. Однако равновесие может быть нарушено под влиянием сорбционных процессов, изменения рН и окислительно-восстановительного потенциала водной среды, в результате чего происходит частичное выделение радионуклидов из раствора в виде осадков и тонких взвесей, которые также могут мигрировать с водой.

Выветривание горных пород также приводит к рассеянию радионуклидов в биосфере. Под воздействием атмосферных осадков, кислорода воздуха и изменений температуры происходит постепенное разрушение минералов горной породы с образованием различных фракций твердого материала. При этом обнажаются радиоактивные включения, которые частично смываются атмосферными осадками и поверхностными водами в ближайшие ручьи и реки, а частично распыляются.

Природное выщелачивание и выветривание горных пород протекают непрерывно, однако интенсивность рассеивания естественных радионуклидов этим путем ограничена и зависит от состава и растворимости горных пород, рН и окислительно-восстановительного потенциала природных вод, характера распределения радиоактивных минералов во вмещающих породах, их агрегатного состояния, а также от климатических условий.

Высвободившись из горных пород, естественные радионуклиды поступают в водные бассейны, почву и нижние слои атмосферы, усваиваются растениями и животными. Из-за различий химических свойств пути миграции радионуклидов могут существенно отличаться. Поэтому во вторичных природных образованиях таких, как почва и природные воды, равновесие между предшественником и дочерними нуклидами часто нарушено [5]. Так, из-за эманирования радона нарушается равновесие в почвах между ²²⁶Ra и продуктами его распада [6]. Согласно данным, приведенным в работе [7], содержание радона в почвенном воздухе зависит от глубины: на глубине 240 см оно в 20 раз больше, чем на глубине 50 см. Количество эманирующего радона зависит от содержания в почве радия, структуры почвы, метеорологических условий, времени года и других факторов.

Из анализа литературных данных следует, что равновесие между ²¹⁰Pb(²¹⁰Po) и ²²⁶Ra в почвах, как правило, отсутствует, о чем свидетельствует отношение ²¹⁰Pb/²²⁶Ra (²¹⁰Po/²²⁶Ra) по активности, составляющее в среднем 0,4. Согласно данным, приведенным в работе [8], в течение лета и осени содержание радона в (0–15)-см слое почвы составляет лишь 70 % от равновесного. В нижних горизонтах почв активность ²¹⁰Pb в пределах погрешности определения не отличается от активности ²²⁶Ra, а в верхних горизонтах – превышает его.

Накопление избыточного по сравнению с ²²⁶Ra количества ²¹⁰Pb в верхних горизонтах почв может быть обусловлено:

– поступлением ²¹⁰Pb из атмосферы;

– накоплением продуктов распада радона, связанным с уменьшением выхода радона в атмосферу при выпадении атмосферных осадков;

– накоплением ²¹⁰Pb растениями из почвы.

Однозначно выявить роль того или иного процесса не позволяет ограниченность экспериментальных данных, приведенных в литературных источниках. Однако отсутствие явной связи между избытком ²¹⁰Pb и содержанием ²²⁶Ra в почвах указывает на вероятное преобладание внешнего источника, скорее всего, атмосферных выпадений. Влияние этого источника на содержание ²¹⁰Pb в верхних горизонтах почв может быть завуалировано последующими процессами миграции радионуклида в почвенно-растительном покрове.

За последние годы установлено, что корневое усвоение играет важную роль в миграции радионуклидов из почвы в растения. Поэтому внесение в почву значительных количеств химических удобрений, содержащих естественные радионуклиды, может существенно повлиять на их накопление в растительной продукции, а, следовательно, и на их поступление в организм человека по пищевым цепям. В научной литературе в наибольшей степени рассмотрены вопросы, связанные с производством и употреблением фосфорных удобрений.

Природные фосфориты, используемые для производства фосфорных удобрений, как правило, отличаются повышенной концентрацией радионуклидов естественных радиоактивных рядов ²³⁸U и ²³²Th. Концентрация урана в фосфоритах достигает промышленных величин, и он извлекается из руды в качестве побочного продукта. Радиоактивность фосфоритов месторождений для ряда ²³⁸U достигает 5 кБк/кг, для ряда ²³²Th – 0,16 кБк/кг [9].

Перераспределение урана и его продуктов распада в процессе переработки фосфатной руды зависит от технологической схемы. При мокрой переработке фосфатное сырье обрабатывается серной кислотой. Конечными продуктами являются фосфорная кислота, в которую переходят уран и значительная часть тория, и гипс (фосфогипс), в котором остается радий. При переработке фосфатной руды сухим отжигом с коксом и силикатом основная часть ²²⁶Ra остается в шлаке с силикатом кальция, а уран переходит в фосфорные и фосфористые кислоты. Удобрения, которые получают из фосфорной кислоты (аммофос), содержат изотопы урана и тория, но свободны от радия. Тройной суперфосфат производят путем соединения фосфорной кислоты с коммерческой рудой. Поэтому он отличается повышенным содержанием урана и тория (за счет фосфорной кислоты), а также радия с продуктами распада (за счет руды). Фосфоритная мука, получаемая измельчением руды, содержит естественные радионуклиды в таких же концентрациях.

Общее содержание радионуклидов уранового ряда в фосфорсодержащих удобрениях различных стран мира колеблется в пределах 70 – 2 400 Бк/кг. В зависимости от вида удобрений (технологии переработки сырья), радионуклиды могут поступать в почву в различных по своей подвижности формах. По данным авторов работы [11] доля естественных радионуклидов в подвижной форме в фосфоритной муке близка к доле естественных радионуклидов в такой форме в неудобренных почвах. В аммофосе, напротив, доля естественных радионуклидов в подвижной форме выше. Контакт удобрений с почвой может приводить к существенному изменению форм нахождения радионуклидов и увеличению содержания радионуклидов в подвижных (доступных для растений) формах [11].

Результаты полевого эксперимента Тео Т. с соавторами по изучению содержания ²¹⁰Pb и ²¹⁰Po в почве табачных плантаций до и после внесения минеральных удобрений показали, что после внесения минеральных удобрений содержание радионуклидов в почве увеличилось, а после снятия урожая уменьшилось до первоначальных или более низких уровней [12]. Уменьшение содержания ²¹⁰Pb и ²¹⁰Po в почве после снятия урожая обусловлено поглощением радионуклидов растениями вместе с элементами питания, необходимыми для роста и развития растительных организмов.

Один из возможных путей поступления ²¹⁰Pb и ²¹⁰Po в наземные экосистемы является его осаждение из атмосферного воздуха. Являясь дочерними продуктами распада ²²²Rn, радионуклиды ²¹⁰Pb и ²¹⁰Po оказываются в атмосфере в результате эманирования радона из почвы [7, 8, 13].

Еще в начале 20 столетия Э. Резерфорд и Дж. Аллен доказали, что содержание радона и его дочерних продуктов распада в атмосферном воздухе в 1 000 раз меньше, чем в почвенном [9].

Содержание ²¹⁰Pb и ²¹⁰Po в атмосфере зависит от различных метеорологических факторов. Сезонные колебания могут достигать нескольких порядков величины. Максимальный уровень удельной активности радона и продуктов его распада у поверхности земли наблюдается в зимний, а минимальный – в летний период года. При этом сезонные колебания удельной активности приземного слоя атмосферы не совпадают с сезонными колебаниями эманирования радона из почвы [14]. Образующиеся в воздухе из радона радионуклиды ²¹⁰Рb и ²¹⁰Po быстро сорбируются аэрозольными частицами с эффективным радиусом 50–80 мкм. Увеличение размеров частиц аэрозолей вследствие конденсации и коагуляции не приводит к высвобождению радионуклидов [15]. Так как количество аэрозольных частиц в атмосфере примерно на порядок превышает количество атомов продуктов распада радона, радиоактивные аэрозоли обычно содержат не более одного атома радионуклида.

Постепенно образующиеся из радона в атмосферном воздухе радионуклиды ²¹⁰Рb и ²¹⁰Po, сорбированные аэрозолями, оседают под действием сил гравитации на земную поверхность и выносятся с атмосферными осадками. Содержание ²¹⁰Рb в дождевой и снеговой воде изменяется в диапазоне (4 – 600)×10^–3 Бк/л, а ²¹⁰Po – (7 – 50)×10^–3 Бк/л [16]. Отношение между активностями ²¹⁰Pb и ²¹⁰Po в атмосферных осадках практически совпадает с соответствующим отношением в воздухе и составляет в среднем 0,3 [17].

Исследование скорости очищения приземного слоя воздуха от ²¹⁰Рb дождевыми осадками показало, что в первых порциях дождевой воды содержание пыли и ²¹⁰Pb максимально [18]. При этом содержание ²¹⁰Рb в дождевой воде не зависит от промежутков времени между двумя дождями, т.е. воздушный резервуар быстро пополняется радионуклидом.

Удельные активности дождевой и снеговой воды по ²¹⁰Po практически одинаковы. В пылевой фракции дождя, содержащей частицы размером около 0,22 мкм, присутствует примерно половина ²¹⁰Po и только 2 – 3 % от общего количества ²¹⁰Рb [19].

По данным авторов работ [19, 20] «сухие» выпадения радионуклидов ²¹⁰Рb и ²¹⁰Po в четыре раза превышают выпадения с атмосферными осадками. Сухим путем ежегодно в почву попадает 81,4 МБк/км^{2 210}Рb и 22,2 МБк/км^{2 210}Po. Исследователи полагают, что весь 210Рb и ²¹⁰Po в приземном слое атмосферы и атмосферных осадках, вероятно, происходит из атмосферной пыли.

Содержание ²¹⁰Рb в приземном слое атмосферы зависит от высоты местности над уровнем моря, подстилающей поверхности (земля, океан), а также от географической широты. Наибольшее содержание ²¹⁰Рb в этом слое атмосферы наблюдается в умеренных широтах. В северном полушарии содержание радионуклида в приземном слое атмосферы обычно выше, чем в южном полушарии [20].

Радон поступает в атмосферу с поверхности суши и практически не выделяется с водной поверхности, поэтому удельная активность радона и ²¹⁰Рb в приземном слое воздуха зависит от отношения площадей суши и океана, а также от направления зонального переноса воздушных масс [21].

Результаты исследований [19–21] показали, что отношение содержания ²¹⁰Рb и ²¹⁰Po в атмосферном воздухе северного и южного полушарий примерно равно отношению площадей суши этих полушарий. Из этого следует, что основным источником ²¹⁰Рb и ²¹⁰Po в воздушной среде является поверхностный покров континентов. Однако, воздушная среда выполняет лишь транспортную роль, способствуя распространению и проникновению радионуклидов во все компоненты биосферы, прямо или косвенно участвующие в круговороте веществ на Земле.

ЛИТЕРАТУРА

1. Persson, B. Polonium-210 and lead-210 in the terrestrial environment: a historical review / B. Persson, E. Holm // Journal of Environmental Radioactivity. – Elsevier Ltd. – 2011. – Р. 420–429.
2. Алексахин, Р. М. Ядерная энергия и биосфера / Р. М. Алексахин. –М.: Энергоиздат. – 1982. – 216 c.
3. Caudill, M. The Effects of Arsenic on Thiobacillusferrooxidans / M. Caudill // Earth and Environmental Engineering Department, master’s thesis / – Columbia University. – 2003. – 55 p.
4. Голубев, В. С. Динамика геохимических процессов / В. С. Голубев. –М.: Недра. – 1981. – 208 с.
5. Баранов, В. И Поведение естественных радионуклидов в почвах / В. И. Баранов, Н. Г. Морозова – В. кн. Радиоэкология. – М.: Атомиздат. – Т. 2. – 1971. – С 13–41.
6. Давыдов, М. Г. Радиоэкология: учебник для вузов / М. Г. Давыдов [и др.]. – Ростов н/Д: Феникс. – 2013. – 635 с.
7. Климшин А. В. Закономерности переноса радона в приповерхностном слое грунтов и в подземных горных выработках: автореф. дис. канд. техн. наук: 25.00.10 / А. В. Климшин; Рос.акад. наук ИГФ УрО РАН. – Екатеринбург, 2012 – 19 с.
8. Коваленко, В. В. Введение в прикладную радиогеологию. / В. В. Коваленко, З. Г. Холостова – Красноярск: Наука. – 1998. – 108 с.
9. UNSCEAR (2000). United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation, Ionizing (2000). Sources and effects of ionizing radiation, New York: Report to the General Assembly with Annex.
10. Дричко, В. Ф. Вопросы нормирования концентраций изотопов уранового и ториевого рядов в фосфорных удобрениях / В. Ф. Дричко, Э. М. Крисюк, Э. П. Лисаченко, Т. М. Поникарова// ReptStaatleAmtesAtomsicherhe: t und Strahlenschutz DDR. – 1981. – № 28. – OSI 42 – 147.
11. Алексахин, Р.М. Тяжелые естественные радионуклиды в биосфере./ Коллективная монография под ред. Алексахина Р.М. – М.:  Наука. – 1990. – 368 с.
12. Watson, A.P. Polonium-210 and Lead-210 in food and tobacco products: transfer parameters and normal exposure and dose / A.P. Watson // Nucl. Saf.; (United States); Journal Vol: 26. – № 2. – рр. 179 – 191.
13. Бекман, И. Н. Радиохимия: учеб. пособие в 7 т. / И. Н. Бекман. – М.: Издатель Мархотин П.Ю., 2015. – Т. VI Экологическая радиохимия и радиоэкология: учеб. пособие; редкол.: Бекман Э.М. Полонская-Буслаева О.А. – 2015. – 400 с.
14. Persson, B.R.R Polonium-210 and lead-210 in the terrestrial environment: a historical review / B.R.R Persson, E Holm // Journal of environmental radioactivity. – Elsevier. – 2011. – рр 420 – 429.
15. Lev, S Aerosols Handbook: Measurement, Dosimetry, and Health Effects / Lev S .Ruzer and Naomi H . Harley // CRC Press. – SecondEdition. – 2012. Р. 728.
16. Дружинин, С. В. Изотопы бериллий-7, полоний-210, свинец-210 в атмосферных осадках и аэрозолях г. Архангельска / С. В. Дружинин, Г. П. Киселев // Вестн. Помор.ун-та. Сер.: Естеств. науки. — 2010. — № 4. — С. 15-19.
17. Persson, B. R. R. Transfer analysis of ²¹⁰Po and ²¹⁰Pb in the terrestrial environment / B. R. R Persson // Acta Scientiarum Lundensia.– 2013.–Vol. – 002. – pp. 1-42.
18. Olszewski, G. The radiological impact of phosphogypsum stockpile in Wiślinka (northern Poland) on the Martwa Wisła river water / G. Olszewski, A. Boryło, B. Skwarzec // J Radioanal Nucl Chem.: Springer. – 2016. – 307. – pp. 653–660.
19. Ugur, A. Determination of ²¹⁰Po and ²¹⁰Pb concentrations in atmospheric deposition in Izmir (Aegean sea‐Turkey) / Ugur A., Ozden, B., I. Filizok / Atmospheric Environment. – 2011. – Vol. 45. – pp. 4809‐4813.
20. Peck, G. A. Determination of ²¹⁰Po and ²¹⁰Pb in rainwater using measurement of ²¹⁰Po and ²¹⁰Bi / G. A. Peck, J.D. Smith // Analytica Chimica Acta.: Elsevier. – 2000. – Vol. 422. – Issue 1. – pp. 113–120.
21. Piliposian, G. T A simple model of the origin and transport of Rn‐222 and Pb‐210 in the atmosphere / Piliposian G. T., Appleby, P. G. // Continuum Mechanics and Thermodynamics. – 2003. – Vol. 15. – pp. 503‐ 518.

---

© Екатерина Клементьева, научный сотрудник лаборатории радиоэкологии

e-mail: katya-klem@outlook.com