Радиоэкологическая и физиологическая характеристика хвои сосны обыкновенной на Кольском Севере

Введение

На территории Мурманской области находятся различные объекты ядерной энергетики (Кольская атомная электростанция - КАЭС, атомный флот), представляющие потенциальную радиационную опасность для природной среды [1]. Наличие источников радиоактивного загрязнения позволяет предполагать активную миграцию радионуклидов из атмосферы и почвы в лесные биогеоценозы, которые весьма чувствительны к техногенным поллютантам и ксенобиотикам. В связи с этим, особую актуальность приобретает радиационно-экологический мониторинг состояния лесов на Кольском полуострове, поскольку сохранение биосферных функций лесных сообществ на Севере является важнейшей международной проблемой.

Целью данной работы было изучение влияния радиационного фактора на эколого-физиологические характеристики сосны обыкновенной, произрастающей в индустриально развитых районах центральной части Кольского полуострова.

объекты и методы

Объектом исследований послужила хвоя сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), которая у вечнозеленых растений несет основную фотосинтетическую нагрузку и является донором фотоассимилятов для репродуктивных и запасающих органов.

Отбор растительных образцов проводили в течение вегетационного периода с 2004-по 2008 гг. по стандартным методикам [8], на стационарных пробных площадках, которые были приурочены к 30-километровой зоне действия Кольской АЭС (г. Полярные Зори), а также к зонам влияния медно-никелевого комбината «Североникель» (г. Мончегорск) и ОАО «КАЗ-СУАЛ» (алюминиевый завод, г. Кандалакша) (табл. 1).

Пробные площадки стандартного размера 25х25 м характеризовались доминированием сосняков кустарничково-лишайниковых V и Vа класса бонитета, произрастающих на подзолистых Al-Fe-гумусовых почвах [6,7]. Древесная растительность на данных площадках была типизирована в зависимости от степени ее повреждения выбросами комбината «Североникель» (табл. 1). Отбор проб хвои производили из верхней третьей части кроны деревьев. Объем выборки на каждой пробной площадке составлял не менее 10 деревьев 60-80-летнего возраста.

Таблица 1. Местоположение стационарных пробных площадок в сосновых лесах центральной части Кольского полуострова

Примечание. *ТП – техногенная пустошь с единичными живыми деревьями; ТР – стадия техногенного редколесья; ИД – стадия интенсивной дефолиации; НД – стадия начальной дефолиации [4].

Измерение удельной α-β-активности хвои (Бк/кг) и определение наиболее радиотоксичных нуклидов (Бк/кг: ⁷Be, ⁴⁰K, ²²⁶Ra, ²²⁸Th, ²³⁸U, ^{137, 134}Cs, ⁹⁰Sr и др.) проводили с помощью сертифицированной аппаратуры – радиологического комплекса «Прогресс-АБГ», а также α-β- радиометра УМФ-1500Д. Наряду с этим проводили определение физиологических показателей (содержание пигментов и интенсивность фотоиндуцируемой хемилюминесценции) [2,3].

Результаты и обсуждение

В результате проведенных исследований было установлено, что удельная радиоактивность в ассимилирующих органах сосны обыкновенной существенно варьировала в зависимости от местоположения пробных площадок. Отмечена тенденция к накоплению радиоактивности в хвое с увеличением возраста: радиоактивность хвои второго года жизни была существенно выше по сравнению с радиоактивностью хвои текущего и первого годов жизни.

Максимальные значения удельной радиоактивности были обнаружены в хвое деревьев в непосредственной близости от комбината «Североникель», а также в Кандалакшском районе. Повышенные значения удельной активности были выявлены в ассимилирующих органах сосны в районе реки Пиренга, а минимальные - в районе г. Полярные Зори (табл. 2).

Таблица 2. Влияние местоположения пробных площадок на удельную α- и β-активность, радионуклидный состав и состояние пигментного комплекса хвои сосны обыкновенной в техногенном градиенте Мончегорск-Кандалакша

На всех этих площадках была зарегистрирована достаточно высокая интенсивность фотоиндуцированной хемилюминесценции хвои сосны, что указывает на отсутствие выраженных структурно-функциональных нарушений в состоянии ее пигментного комплекса. Пространственное распределение вариаций интенсивности хемилюминесценции вдоль техногенного градиента было обусловлено преимущественно воздействием на ассимиляционные органы сосны a-излучения (коэффициент парной линейной корреляции между ними составил - r = - 0.84), которое превосходило по своей биологической эффективности b-излучение (r = - 0.41).

Рассматриваемая активность была обусловлена содержанием в хвое сосны естественных радионуклидов рядов урана-238 и тория-232. Содержание тория-232 в хвое изменялось от 5 до 200 Бк/кг в расчете на абсолютно сухую массу. Содержание урана-238 (радия-226) варьировало в зависимости от расстояния до источников потенциального загрязнения радионуклидами в интервале 5 - 200 Бк/кг. Наибольшие концентрации радия-226 и тория-232 были обнаружены в хвое сосны, произрастающей в районах рек Чуна и Пиренга. Источником поступления радиоактивных элементов урана-238 и радия-226 в ассимилирующие органы сосны в исследуемых районах могла быть почва, в которую они попадают из почвообразующих пород, а также из грунтовых или поверхностных вод, стекающих из мест с избыточным содержанием природных радионуклидов [3].

Необходимо также отметить, что в хвое сосны на всех пробных площадках в большом количестве содержался природный ⁴⁰К (от 250 до 800 Бк/кг сухой массы), вносящий наибольший вклад в бета-активность исследуемых проб. Техногенные радионуклиды (²²Na, ⁶⁰Co, ¹⁰⁶Ru, ¹³³Ba, ¹⁴⁰La и др.) в измеримых количествах в хвое не обнаружены.

Проведенные исследования показали, что наибольший вклад в удельную активность хвои сосны вносил цезий-137 (коэффициент корреляции между этими показателями был равен 0.83). Его содержание в ассимилирующих органах находилось в пределах от 15 до 50 Бк/кг.

Любопытно, что сравнительно высокие концентрации ¹³⁷Cs были обнаружены в хвое сосны на площадке 1, расположенной на расстоянии 8-9 км к югу от комбината «Североникель». Это было связано, очевидно, с большой подвижностью радионуклидов в кислой среде, которой характеризуются почвы этого района. Интенсивность фотохемилюминесценции хвои сосны на данной пробной площадке характеризовалась пониженными значениями, что свидетельствует об определенных нарушениях энергопреобразующей функции хлоропластов в ассимилирующих органах сосны, произрастающей в зоне техногенного редколесья.

Значительные концентрации ¹³⁷Cs были выявлены также в сосновой хвое в районе реки Пиренга. Однако в окрестностях г. Полярные Зори концентрации ¹³⁷Cs в хвое были минимальными. Столь различное пространственно-локализованное распределение цезия-137 в ассимилирующих органах сосны можно, по-видимому, объяснить неоднородностью вторичного загрязнения лесных биоценозов в результате неравномерного осаждения из верхних слоев атмосферы на поверхность почвенно-растительного покрова продуктов деления от проводившихся ранее испытаний ядерного оружия и от аварийных выбросов Чернобыльской АЭС [3]. В хвое сосны, произрастающей в районе реки Пиренга, наблюдалось значительное снижение удельного содержания зеленых пигментов, что свидетельствует о повреждениях пигментного аппарата радионуклидами.

Минимальное содержание цезия-137 в хвое сосны отмечено на пробных площадках, расположенных на расстоянии 22 и 42 км к северо-западу, а также на расстоянии 10 и 22 км к юго-западу от Кольской АЭС. В этих районах содержание зеленых пигментов в хвое было сравнительно высоким, что может указывать на отсутствие деструктивных процессов в ассимилирующих органах тестируемых объектов.

Необходимо отметить, что максимальное содержание цезия-137 в исследованных сосняках в техногенном градиенте Мончегорск-Кандалакша не превышало 22.5 Бк/кг и не выходило за пределы природного радиационного фона, а содержание его в воздухе было значительно ниже допустимой среднегодовой объемной активности для населения (ДОА_нас.). Согласно НРБ-99 (СП 2.6.1.758-99), ДОА_нас. для ¹³⁷Cs не должна превышать 27 Бк/м³ [5]. Тем не менее, результаты комплексного радиоэкологического и физиологического мониторинга показали, что даже в этих (фоновых) количествах ¹³⁷Cs оказывал существенное влияние на пигментный комплекс хвои в процессе формирования неспецифического адаптационного синдрома у изученного объекта к радиационному фактору.

В хвое сосны был также обнаружен природный радионуклид космического происхождения ⁷Be, который поступает с атмосферными осадками и аэрозолями из стратосферы [3]. Это было связано, очевидно, с интенсивным перемешиванием воздушных масс на открытых площадях в сосновых лесах, находящихся на стадиях интенсивной и затухающей дефолиации. Вследствие этого, Ве-7 может служить трассером при определении максимальных расстояний переноса техногенных радионуклидов при возможных аварийных выбросах на КАЭС.

Приведенные материалы свидетельствуют о том, что накопление радионуклидов природного и техногенного происхождения в хвое сосны обыкновенной на стационарных пробных площадках, где проводился радиоэкологический и физиологический мониторинг, было обусловлено их поступлением в растения из самых разных источников: атмосферного воздуха, почвы и подстилающей породы.

Заключение

В результате проведенных исследований было установлено влияние низких уровней радиоактивности на состояние пигментного комплекса хвои сосны обыкновенной, произрастающей в центральной части Кольского полуострова. Показано, что содержание зеленых пигментов пластид может служить высокочувствительным индикатором (маркером) степени загрязнения лесных биогеоценозов радионуклидами даже в тех ситуациях, когда максимальные значения радиологических показателей не выходят за пределы природного фона.

Дальнейшие исследования, опирающиеся на интегрированный эколого-физиологический и радиоэкологический подходы к оценке состояния древесных пород, позволят более объективно описывать состояние и прогнозировать устойчивость лесных экосистем Крайнего Севера к радиационным факторам.

Литература

1.                  Довгуша В.В., Тихонов М.Н., Егоров Ю.Н., Киселев М.Ф., Решетов В.В., Рузанкин А.Д. Радиационная обстановка на Северо-западе России. - СПб. – Мурманск, 1999. - 224 с.

2.                  Кизеев А.Н., Никанов А.Н. Накопление радионуклидов в древесной растительности в индустриально развитых регионах Кольского полуострова // Экология человека. – 2006. - №1. – С. 38-41.

3.                  Кизеев А.Н., Жиров В.К., Никанов А.Н. Влияние промышленных эмиссий предприятий Кольского полуострова на ассимиляционный аппарат сосны // Экология человека. – 2009. - №1. – С. 9-14.

4.                  Лукина Н.В., Никонов В.В. Питательный режим лесов северной тайги: природные и техногенные аспекты. Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 1998. 316 с.

5.                  Нормы радиационной безопасности (НРБ-99): Гигиенические нормативы СП 2.6.1.758-99. - М.: Центр санитарно-эпидемиологического нормирования, гигиенической сертификации и экспертизы Минздрава России, 1999. - 116 с.

6.                  Раменская М.Л. Анализ флоры Мурманской области и Карелии. Л.: Наука, 1983. 216 с.

7.                  Цветков В.Ф., Семенов Б.А. Сосняки Крайнего Севера. М.: Агропромиздат, 1985. 116 с.

8.                  Черных Н.А., Сидоренко С.Н. Экологический мониторинг токсикантов в биосфере. - М.: Изд-во РУДН, 2003. – 430 с.