ПРИРОДНЫЕ И АНТРОПОГЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ПОСТУПЛЕНИЯ 210 Pb И 210 Po В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ И ПРОЦЕССЫ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ В БИОСФЕРЕ
В настоящее время поступление радионуклидов 210 Pb и 210 Po 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 210 Pb и 210 Po 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].
Рисунок 1 – Перераспределение продуктов распада U-238 в биосфере
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 Fe 2+ природных минералов превращаются в ионы Fe 3+ , 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 226 Ra 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 210 Pb( 210 Po) и 226 Ra в почвах, как правило, отсутствует, о чем свидетельствует отношение 210 Pb/ 226 Ra ( 210 Po/ 226 Ra) 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 210 Pb в пределах погрешности определения не отличается от активности 226 Ra, а в верхних горизонтах – превышает его.
Накопление избыточного по сравнению с 226 Ra количества 210 Pb в верхних горизонтах почв может быть обусловлено:
– поступлением 210 Pb из атмосферы;
– накоплением продуктов распада радона, связанным с уменьшением выхода радона в атмосферу при выпадении атмосферных осадков;
– накоплением 210 Pb 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 210 Pb и содержанием 226 Ra в почвах указывает на вероятное преобладание внешнего источника, скорее всего, атмосферных выпадений. Влияние этого источника на содержание 210 Pb 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 238 U и 232 Th. Концентрация урана в фосфоритах достигает промышленных величин, и он извлекается из руды в качестве побочного продукта. Радиоактивность фосфоритов месторождений для ряда 238 U достигает 5 кБк/кг, для ряда 232 Th – 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 226 Ra 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 210 Pb и 210 Po 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 210 Pb и 210 Po 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 210 Pb и 210 Po в наземные экосистемы является его осаждение из атмосферного воздуха. Являясь дочерними продуктами распада 222 Rn, радионуклиды 210 Pb и 210 Po 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 210 Pb и 210 Po 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 210 Рb и 210 Po 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 210 Рb и 210 Po, сорбированные аэрозолями, оседают под действием сил гравитации на земную поверхность и выносятся с атмосферными осадками. Содержание 210 Рb в дождевой и снеговой воде изменяется в диапазоне (4 – 600)×10 –3 Бк/л, а 210 Po – (7 – 50)×10 –3 Бк/л [16]. Отношение между активностями 210 Pb и 210 Po в атмосферных осадках практически совпадает с соответствующим отношением в воздухе и составляет в среднем 0,3 [17].
Исследование скорости очищения приземного слоя воздуха от 210 Рb дождевыми осадками показало, что в первых порциях дождевой воды содержание пыли и 210 Pb максимально [18]. При этом содержание 210 Рb 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 210 Po практически одинаковы. В пылевой фракции дождя, содержащей частицы размером около 0,22 мкм, присутствует примерно половина 210 Po и только 2 – 3 % от общего количества 210 Рb [19].
По данным авторов работ [19, 20] «сухие» выпадения радионуклидов 210 Рb и 210 Po 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 210 Po в приземном слое атмосферы и атмосферных осадках, вероятно, происходит из атмосферной пыли.
Содержание 210 Рb в приземном слое атмосферы зависит от высоты местности над уровнем моря, подстилающей поверхности (земля, океан), а также от географической широты. Наибольшее содержание 210 Рb 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 210 Рb 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 210 Рb и 210 Po в атмосферном воздухе северного и южного полушарий примерно равно отношению площадей суши этих полушарий. Из этого следует, что основным источником 210 Рb и 210 Po 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.