5.2Гидросфера

Моря и океаны занимают 2/3 поверхности планеты, а плотность выпадения искусственных радионуклидов на океаническую поверхность выше, чем на континентальную.

По существу, морская вода является хлоридно-сульфатно-натриево-магниевым раствором, в котором в виде следов и примесей находятся все остальные химические элементы, в том числе и радиоактивные. Основные компоненты этого раствора находятся в нем в постоянных концентрациях, но для большинства микроэлементов характерны пространственные и временные колебания их абсолютного и относительного содержания. Это связано со специфическим сложным поведением микроколичеств вещества в растворе (когда начинают сказываться специфические законы адсорбции, коллоидообразования и др.), а также влиянием растворимого и коллоидного органического вещества, бактерий, гидробионтов и различных взвесей.  Взвешенное вещество включает планктон, минеральные частицы терригенного и вулканического происхождения, детрит (тонкие минеральные и органические остатки отмерших организмов).  Взвеси имеют полудисперсный состав с размерами частиц от 0,01 мкм до 1 мкм, причем основная часть взвеси представляет собой тончайший материал. Удельная поверхность взвеси и коллоидов в морской воде исключительно велика – при среднем содержании взвеси в океане около 1 г/см³ удельная ее поверхность составляет 10 - 40 м²/г. На границе раздела взвесь-раствор непрерывно происходят обменные процессы адсорбционного накопления ионов и атомов, изоморфного их замещения и другие физико-химические процессы. Хотя адсорбция на поверхности живых организмов существенно ниже адсорбции на неорганической взвеси, ее влияние на геохимию океана исключительно велико из-за высокой избирательной способности гидробионтов к поглощению отдельных элементов и накоплению их в количествах, существенно больших их содержания в растворе. Типичные величины коэффициентов распределения содержания некоторых радионуклидов между твердой и жидкой фазой в морских водах следующее: р/н йода К_d=10; р/н стронция К_d=10²; р/н цезия К_d=2´10³; р/н плутония К_d=5´10⁴ и ряда лантаноидов К_d=5´10⁵.

В результате этих и других процессов многие параметры морской среды тесно связаны с биомассой морских организмов, их жизнедеятельностью, составом и миграцией.

Время нахождения радионуклидов определяются формой, в которой они поступают в морскую среду, а также механизмом его миграции в морской среде (19).

Основным источником поступления искусственных радионуклидов в моря и океаны являются атмосферные выпадения (глобальные и локальные) на их поверхность, а также перенос радионуклидов с загрязненной земной поверхности водосборных бассейнов через гидрографическую сеть. Большие объемы воды используются для охлаждения ядерно-энергетических установок, при этом в воду попадают радиоактивные продукты коррозии. При появлении протечек промконтура, системы охлаждения конденсаторов турбин эти радионуклиды могут попасть в жидкие сбросы АЭС. Не исключено и попадание искусственных радионуклидов в водную среду при авариях, поскольку АЭС сооружают, как правило, на берегах морей, океанов и крупных водоемов (111, 51). В основном влияние АЭС на увеличение радиоактивности воды просле­живается в сбросных каналах и прилегающей к ним акватории водоема-охладителя, который больше всего загряз­нен тритием.

Разгерметизация емкостей хранилищ радиоактивных отходов и нарушения гидроизоляции также могут привести к попаданию радиоактивных веществ в грунтовые воды. Например, зафикси­ровано загрязнение грунтовых вод тритием, кобальтом-60, цезием-134, цезием-137 вбли­зи хранилища радиоактивных отходов Но­воворонежской АЭС (111).

Естественно, выпадения первоначально в наибольшей степени концентрируются в поверхностном слое морей и океанов.

Темпы насыщения искусственными радионуклидами поверхностного слоя океана существенно меньше темпов увеличения их запаса на поверхности континентов (для ⁹⁰S отмечено различие примерно в 5 раз). Уровень содержания искусственных радионуклидов в поверхностных водах определяется и скоростью обмена поверхностных вод с водами нижних слоев. Среднее время пребывания ⁹⁰S в слое перемешивания в Тихом океане 3 года, в Атлантическом - 3,5 года. Уровни загрязнения зависят от особенностей гидрологического режима рассматриваемого водоема и степени изолированности его вод. Наибольшие отличия будут иметь место для мелководных и внутренних бассейнов. Так, воды Черного моря отличаются значительно большим содержанием ⁹⁰S как из-за повышенной интенсивности выпадений на его акватории, так и из-за затрудненного водообмена между поверхностным и глубинным слоями. В Бал­тийском море концентрация Sr и Cs в 6—10 раз выше, чем в Атлантическом океане на тех же широтах.

Несмотря на сокращение числа ядерных взрывов в север­ном полушарии, уменьшения радиоактивного загряз­нения поверхностных вод океана и морей почти не происходит, а в южном по­лушарии оно растет.

Особый интерес представляет изучение поведения радионукли­дов в прибрежной зоне Мирового океана, куда может поступать радиоактивный сток рек. Эти районы характеризуются быстрым перемещением вещества, интенсивным задерживанием поступающего сюда стока, значительной биологической активностью и большим количеством биогенной и литогенной взвеси. Большая часть радиоактивных ве­ществ, поступающих в эти районы с твердым материковым стоком, выпадает здесь в донные отложения (4,24).

Прибрежные экосистемы морей (дельты рек, эстуарные акватории) отличаются относительно высокой способностью к фильтрации радионуклидов из морской воды в донные отложения, макрофаги и зообионты. В таких зонах зафиксированы максимальные уровни загрязнения морей. Для многих морей в этом ключевую роль играет аккумулирующие свойства глинистых отложений и водорослей. Фильтрационные способности таких зон определяются насыщенностью речных и талых вод искуственными радионуклидами, темпами седиментации и биологической продуктивности, скоростью стоковых течений, условиями перемешивания морских и пресных речных вод.

В зонах дельты и эстуарной акватории крупных рек темпы осадконакопления на много порядков выше, чем в открытом море. В условиях высокой скорости седиментации в зоне смешивания речных и морских вод происходит активное накопление в донных отложениях таких радионуклидов, как ¹³⁷Cs, ^239,240Pu, ⁶⁰Со и, отчасти ⁹⁰Sr, который достаточно устойчив в водной фазе и для которого не характерно эффективное накопление в донных отложениях.

Определенная часть искусственных радионуклидов из речных вод вовлекается в процесс биологической сорбции, которая также заканчивается в донных осадках. В этой биофильтрации вод важную роль играют заросли прибрежной растительности (от земных нитчатых водорослей до макрофагов), при отмирании которых накопленные в их тканях ИРН переходят в грунты.

Наиболее интенсивное загрязнение российских морей происходило в 1960-1970 гг. Источниками загрязнения являлись ядерные взрывы, предприятия ядерного топливного цикла, судостроительные и судоремонтные заводы и базы атомного флота, захоронения РАО и силовые ядерные установки. Большинство этих источников загрязнения характерны для арктических морей. С речными стоками в 1961-1990 гг в эти моря поступило ⁹⁰Sr:  в Белое и Баренцево моря: - 3,8 ^. 10¹⁴ Бк; в море Лаптевых – 4,6 ^. 10¹⁴Бк; в Восточно-Сибирское – 1,7 ^. 10¹⁴ Бк; в Карское – 1,4 ^. 10¹⁵ Бк. В последующие годы загрязнения уменьшились на порядок за счет сокращения сбросов радионуклидов, их естественного радиоактивного распада и процессов самоочищения.

Открытый океан отно­сительно беднее живыми организмами и твердым вещест­вом в поверхностных слоях, а также здесь ниже общее содержание питательных веществ. Хорошо выраженная стратификация в от­крытом океане препятствует крупномасштабному перемешиванию и вертикальному подъему глубинных вод. Инертные вещества не задерживаются в прибрежной части океана, а мигрируют в открытый океан. Биологически активные нуклиды, наоборот, усваива­ются живыми организмами в прибрежной зоне и затем выпадают на дно. Радионуклиды, длительно пребывающие в океанической среде, накапливаются в открытом океане.

Для морских экосистем основной вклад в выведение радионуклидов из воды дают литодинамическая и биологическая адсорбция.

Литодинамическая адсорбция состоит в поглощении радионуклидов поверхностью взвешенных частиц и илов и осаждении их на дно. Основное значение в этом процессе принадлежит глинистым минералам, органическому углероду, железу, марганцу и алюминию. Они обладают огромной сорбирующей емкостью по отношению к содержащимся в жидкой фазе радио­нуклидам, что приводит к отложению радиоактивных веществ на дно. Аккумуляция радионуклидов в донных отложениях мо­жет обусловливать накопление их в организмах, обитающих в илах, а это может привести к поступлению радионук­лидов с продуктами моря в организм человека.

Сорбционная способность донных отложений зависит от размера частиц илов, физико-хими­ческих свойств радионуклидов и состава жидкой фазы.

Геохимическая роль донных отложений двояка – они могут как депонировать радионуклиды (и тем способствовать самоочищению воды), так и десорбировать из (загрязнять воду).Так, например,  донные отложения являются основным источником радионуклидов радия (²²⁶Ra, ²²⁸Ra) в воде. Кроме того, перемещение радионук­лидов, находящихся в донных илах, может быть вызвано непосред­ственным передвижением донных осадков (4,19).

Наиболее важную роль в миграции радионуклидов в морской среде иг­рают живые организмы. Их значение особенно велико в участках водной среды с большой био­массой гидробионтов. Концентрация радиону­клидов в гидробионтах значительно выше, чем в во­де, а кроме того, живые организмы могут перемещаться в иных направлениях чем водные массы. Все это определяет их значение в пере­носе радионуклидов в водной среде. Вследствие аккумуляции радионуклидов водными организмами (особенно водными растениями) техногенные радионуклиды обнаруживаются в них чаще, чем в воде, а для большинства рыб концентрация техногенных радионуклидов не превышает нескольких процентов от уровня естественного радиоактивного фона.

Биологическая адсорбция происходит непрерывно в процессе солевого обмена водными организмами с внешней средой (водой) и обусловлена проницаемостью для ионов покрова тела всех видов гидробионтов. Для конкретного организма она заканчивается либо трансформацией по пищевым цепям, либо вовлечением его в донные осадки (после отмирания). Скорость сорбирования и коэффициенты поглощения радионуклидов из воды определяются индивидуальными особенностями того или иного вида (морфологические черты организма, возраст, площадь адсорбционной поверхности тела).

Концентрация радионуклидов в гидробионтах зависит не толь­ко от концентрации радиоактивных веществ в воде, но и от степе­ни ее минерализации. Так, содержание Sr и Cs в морских гидробионтах существен­но ниже, чем в обитателях пресноводных водоемов. С уменьшени­ем степени минерализации воды в местах впадения в моря и океа­ны рек, несущих более пресные воды, концентрация искусственных радионуклидов в гидробионтах увеличивается. Например, содержание Sr в костях рыб в заливах Балтийского моря примерно в пять раз выше, чем в рыбах Атлантического океана (4,5).

В водных пищевых цепях радионуклиды мигрируют иначе, чем в наземных цепях: некоторые гидробионты не только лишены механизма, защищающего их от накопления радионуклида, но и наоборот, энергично их аккумулируют. Для гидробионтов вода - единствен­ная среда обитания. В их организм радионуклиды поступают через жабры и поверхность тела, т.е. минуя кишечник, при этом некоторые удерживают их лишь самым по­верхностным слоем (морские водоросли).

Гидробионты фиксируют прежде всего те радионуклиды, которые легко осаждаются с органическими веществами и образуют с ними комплексы, уже мало участвующих в обмене ве­ществ.

В организме рыб радионук­лиды распределяются избирательно. Критическим органом является костный скелет, плавники и чешуя, т.е. ткани, содержащие Са. В мышцах же его концентрация значительно ниже. Цезий, напротив, накапливается в мышечной ткани и коже рыб.

Аккумуляцию радионуклидов гидробионтами оценивают с помощью коэффициентов накопления – отношения концентрации радионуклида в гидробионте и в окружающей его среде в равновесии. Это относительный показатель, т.к. водные организмы могут усваивать радионуклиды одновременно из нескольких источников (например, из воды и донных отложений). Как правило, радионуклиды усваиваются гидробионтами из воды двумя путями: по пищевой цепи и непосредственно из воды в процессе минерального питания. В период эмбрионального и раннего постэмбрионального развития рыба усваивает радионуклиды только из воды, а после перехода на активное питание основное количество радио­активных веществ поступает в ее организм из кормов и частично из воды. Даже у многощетинковых червей, обитающих в донных отложениях, вода как источник радионуклидов играет более важную роль, чем илы. Хотя вода может быть и не единственным (а иногда и не основным) источником радионуклидов, определение коэффициента накопления радионук­лидов по отношению к водной фазе оправдано тем, что это - пер­вое звено, куда поступают искусственные радионуклиды (19).

Положение упрощается для водных организмов, населяющих поверхностные слои водной среды и играющих наи­более важную роль в переносе радиоактивных веществ в гидросфе­ре. Главным и в большинстве случаев единственным источником радионуклидов для планктона и нектона является вода, и в этом случае коэффициент накопления однозначно соотносит концентрацию радионуклида в гидробионте и воде (5).

Коэффициент накопления радионуклидов одними и теми же организмами может варьировать в достаточно широких пределах. Травоядные организмы по сравнению с хищными характе­ризуются более высокой аккумуляцией некоторых радионуклидов. Накопление выше на низших тро­фических уровнях, чем на более высоких, т.е. коэффициент на­копления водными организмами уменьшается по мере перехода к более высоким трофическим уровням (105). Различна и интенсивность усвоения радионуклидов различными видами животных. Например, морскими бес­позвоночными (Carcinus) радионуклиды усваиваются из пищи с интенсивностью до 20—60%, тогда как у млекопи­тающих этот показатель равен десятым и сотым долям процен­та (5,19).

Пресноводные водоемы. В пресноводной среде накопление радионуклидов гидробионтами существенно отличаются от морской. Это объясняется физико-химическими, гидрологическими, гидродинами­ческими и гидрохимическими особенностями пресноводной воды. Пресные водоемы содержат меньше солей, что обеспе­чивает большее накопление радионуклидов в пресноводных расте­ниях и животных по сравнению с морскими и океаническими. Пресноводные органзмы для поддержания нужного осмотического давления, гипертонического по отношению к окружающей пресной воде поглощают из нее соли, а морские для саморегуляции их, наоборот, выделяют (5).

В природных условиях основное количество осевших из возду­ха на зеркало пресноводного водоема или сброшенных в эти водо­емы искусственных радионуклидов довольно быстро переходило в донные отложения, а в биомассе накапливалось незначительно. Например, содержание Sr и Сs в биомассе одного из пресноводных озер зоны умеренного климата равно соответствен­но 0, 85 и 0, 3% общего количества радионуклидов в водоеме. Эффект трофических уровней проявляется только для хищных видов рыб и характеризуется повышенным накоплением радиоактивного цезия в тка­нях хищных видов рыб по сравнению с растительноядными (5,46).

Средние коэффициенты накопления Sr в различных частях сети питания для озерной воды, составляет (5):

Озерная вода –1

донные осадки-200

Водные растения-100

Моллюски-750

Мелкая рыба-1000

кости окуня-1000

ондатра - 1500

бобр-1400

При попадании радионуклидов в водоемы возникает проблема радиационной безопасности в двух аспектах:

- биологическом — влияние повышенного фона ионизирующих излучений на гидробионты.

- санитарном-гигиеническом - водная продукция (рыба и морепродукты), может быть использована как компонент рациона человека, а водоем - как источ­ник воды для человека и животных. Кроме того, вода может быть использована как источник орошения. Тогда радионуклиды могут попасть в организм человека с продуктами, выращенными на орошаемых землях (5).