Тяжелые металлы в окружающей среде
ГЕОХИМИЯ ЯДЕРНОГО ТЕХНОГЕНЕЗА, ЕГО БИОГЕОХИМИЧЕСКОЕ
жүктеу/скачать 6.49 Mb. Pdf көрінісі
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Ключевые слова
| ГЕОХИМИЯ ЯДЕРНОГО ТЕХНОГЕНЕЗА, ЕГО БИОГЕОХИМИЧЕСКОЕ
ОТРАЖЕНИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СЛЕДСТВИЯ Л.П. Рихванов, Н.В. Барановская Национальный исследовательский Томский политехнический университет г. Томск, Россия Ключевые слова: техногенез, радионуклиды, плутоний, живое вещество, биогеохимия, ре- акция организма. В статье рассмотрены особенности ядерного техногенеза и его влияние на биосферу и человека. Среда обитания второй половины ХХ века стала другой по геохимическому соста- ву. В ней появились чуждые биосфере химические элементы и изотопы. Термин «техногенез», понимается как специфическая геохимическая система, особен- ности которой обусловлены геохимической деятельностью человека (Ферсман, 1937). Ещѐ ранее Александр Евгеньевич в своей работе «Химические проблемы промышленности» (Ферсаман, 1924) употребил термин «антропохимия», понимая под этим химические преоб- разования, вносимые «промышленностью и народным хозяйством». В этих и других публи- кациях, характеризуя геохимическую деятельность человека, учѐный, прежде всего, выделял пять типов геохимических реакций и десять основных геохимических особенностей, обу- словленных деятельностью человека. И во всех случаях речь не шла о создании новых хими- ческих элементов, их накоплении и концентрировании. Естествоиспытатели того времени не могли предположить, что биологический вид, наделѐнный разумом, создает химические элементы или их изотопы, которые будут чужды- ми человеку и биосфере. Некоторые современные исследователи под техногенезом понимают историю атомов химических элементов и веществ, вовлеченных в хозяйственную деятельность человека. Геохимию техногенеза, основы которой заложили А.Е. Ферсман и В.И. Вернадский, развили Л.В. Таусон, А.И. Перельман, М.А. Глазовская, А.А. Кист, Л.Н. Овчинников, А.А. Алексеен- ко, В.А. Ермаков, которые исследуют закономерности этой истории, или, как "говорят гео- химики, техногенной миграции. Объем понятия «техногенная миграция химических веществ и элементов» в геохимии техногенеза трактуется неоднозначно. Одни геохимики обозначают им миграцию химиче- ских веществ и элементов, испытавших те или иные трансформации, в природных средах (горных породах, почвах, подземных и поверхностных водах, атмосфере, живых организ- мах). Другие считают, что понятие техногенной миграции должно быть расширено за счет включения в него самих технологических преобразований химических веществ и элементов в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте. На термин «техногенез» существует ГОСТ 17.5.1.01.-78, который даѐт следующее определение, которого надо придерживаться при использовании этого термина: техногенез – процесс изменения природных комплексов под воздействием производственной деятельно- сти человека. Заключается в преобразовании биосферы, вызываемом совокупностью геохи- мических процессов, связанных с технической и технологической деятельностью людей по извлечению из окружающей среды, концентрации и перегруппировке целого ряда химиче- ских элементов, их минеральных и органических элементов, их минеральных и органических соединений. Наиболее ярким примером этой геохимической деятельности является разработка и со- здание ядерной энергетики, в том числе, в наихудшем еѐ варианте, создания ядерного оружия массового уничтожения. На этом примере можно рассмотреть многие особенности геохимиче- ской деятельности человека: 1) извлечение элементов (U, Th) из недр; 2) концентрирование элементов; 3) перевод из одной формы в другую; 4) получение новых химических элементов (Pu, Am и др.); 5) рассеяние элементов в окружающей среде. В результате этих процессов про- исходит ядерный техногенез. Ядерный техногенез – это весьма специфический тип воздей- ствия на природные компоненты и человека, обусловленные использованием человеком ра- диоактивных элементов для удовлетворения тех или иных своих потребностей. И на всех этих этапах создания и использования ядерной энергии происходит поступление радиоактивных и некоторых сопутствующих им элементов во все компоненты природных сред. Следует напомнить, что все существующие радиоактивные элементы следует разде- лить на три группы: 1. Естественные (природные) радиоактивные элементы (ЕРН). 2. Искусственные (техногенные или антропогенные) радиоактивные элементы (ТРН). 3. Радиоактивные элементы, образующиеся при взаимодействии нейтронов космиче- ского излучения (космогенные радионуклиды), а также нейтронов, образующихся при ядер- ных реакциях деления U 235 или Pu 239 c нерадиоактивными элементами (техногенные радио- нуклиды того же состава, что и космогенные). Их нередко называют «бомбовыми» (КТРН). ЕРН присутствуют во всех природных объектах, как писал В.И. Вернадский, они яв- ляются «всюидными» с момента формирования Вселенной. Главными их представителями в биосфере на сегодняшний день являются U и про- дукты его распада, Th и продукты его распада, и радиоактивный изотоп калия - К 40 , на долю которого приходится около 0,012 % от общего содержания К. Именно эти компоненты определяют общую радиоактивность среды обитания чело- века и являются главными источниками внутренней энергии нашей планеты. Кроме этих трѐх основных ЕРН, в природе существуют и некоторые другие радиоактивные изотопы естественных химических элементов (Rb 87 , Sm 147 и некоторые другие), но их крайне мало, и они не играют важной радиоэкологической роли. Они служат метками при определении аб- солютных возрастов горных пород и минералов. Испытывая радиоактивный распад, изотопы U и Th превращаются в изотопы нерадиоактивного Рb. В цепочках распада этих элементов на определѐнных этапах возникают дочерние радиоактивные элементы. Так, в ряду U таковыми являются Ra, Rn и Po, представляющие главную радиоэкологическую опасность для биосфе- ры. Прежде всего это относится к радиоактивному газу без запаха и цвета – радону, испус- кающему альфа-излучение и имеющему период полураспада 3,7 суток. Этот газ присутству- ет абсолютно везде, и он определяет развитие рака лѐгочной системы (второй по значимости, после курения, фактор этого заболевания). Содержание этого компонента в воздухе жилых зданий строго нормируется. Не менее опасен для человека и альфа-излучающий Ро, имею- щий свойство избирательно накапливаться в табаке и, соответственно, создавать повышен- ную радиационную дозовую нагрузку на внутренние органы человека-курильщика и его некурящих коллег. Следует отметить, что первоначальное содержание ЕРЭ на планете было существенно много выше, чем в настоящее время, и радиационный фактор от них был весьма значителен. 92 93 А.И. Опарин высказал точку зрения, что этот фактор имел большое влияние на первоначаль- ном этапе зарождения белковых тел и, возможно, его наличие предопределяло возникнове- ние специфических мутаций, определивших эволюционное развитие приматов и появление человека. П.П. Лазарев и В.П. Казначеев высказывали мысль о том, что бета-излучение K 40 является источником энергетического питания клетки. С.Г. Неручев, изучая эволюцию живо- го вещества на планете Земля, отметил, что эпохи интенсивного накопления урана, а их было около десятка только за последние 550 млн. лет, играют особую революционную роль в раз- витии биоты, значительно убыстряя темпы эволюции, обусловливая исчезновение одних и появление новых видов и принципиально новых типов строения организмов. Значительные концентрации ЕРЭ, представляющие реальную опасность, в биосфере встречаются крайне редко и в силу этого животные и человек в своей жизни сталкивались с этим фактором воздействия крайне редко. Но в тех случаях, когда это имело место, наблюда- лись определѐнные биогеохимические и биологические эффекты. Так, в растениях и живот- ных происходило избыточное накопление природных радионуклидов, прежде всего U и Ra, и в таких количествах, что от них можно было получить отчѐтливую радиографию (провинция Посус ди Калвес, Бразилия). Было также, например, отмечено, что стареющие слоны стре- мятся к радиоактивному источнику или минеральной залежи, где радиация благотворно воз- действует на их больные суставы. К этим местам идут проторенные тропы со всей Африки (Э. Хейнрих, 1962 со ссылкой на газету «Детройт Ньюс» от 31.03.1957). В печати также от- мечалось, что многие туземные африканские племена использовали высокорадиоактивную грязь в медицинских целях, применяя еѐ для лечения ран и для общего оздоровления орга- низма (Хейнрих,1962). В настоящее время в местах компактного проживания человека, кото- рые характеризуются аномально высокой радиоактивностью (штат Керал, Индия, провинция Гуандунг, Китай и др.) отмечаются проявление специфических цитогенетических отклоне- ний от нормы (аномальные хромосомные аномалии, врождѐнные пороки развития и др.). В районах добычи радиоактивных руд и их первичной переработки ЕРЭ в избыточных количествах поступают в атмосферу, гидросферу, педосферу, биосферу, где они вступают в кругооборот. Так, при разработке урановых руд в Забайкалье, содержание урана в почвах района увеличилось в 3-4 раза за 35 лет функционирования комбината (рис.1). Рис. 1. Изменение содержания уран в почвах Приаргунского горно-химического комбината за 35 лет его деятельности (Величкин, Чуднявцева, 2009). 92 93 А.И. Опарин высказал точку зрения, что этот фактор имел большое влияние на первоначаль- ном этапе зарождения белковых тел и, возможно, его наличие предопределяло возникнове- ние специфических мутаций, определивших эволюционное развитие приматов и появление человека. П.П. Лазарев и В.П. Казначеев высказывали мысль о том, что бета-излучение K 40 является источником энергетического питания клетки. С.Г. Неручев, изучая эволюцию живо- го вещества на планете Земля, отметил, что эпохи интенсивного накопления урана, а их было около десятка только за последние 550 млн. лет, играют особую революционную роль в раз- витии биоты, значительно убыстряя темпы эволюции, обусловливая исчезновение одних и появление новых видов и принципиально новых типов строения организмов. Значительные концентрации ЕРЭ, представляющие реальную опасность, в биосфере встречаются крайне редко и в силу этого животные и человек в своей жизни сталкивались с этим фактором воздействия крайне редко. Но в тех случаях, когда это имело место, наблюда- лись определѐнные биогеохимические и биологические эффекты. Так, в растениях и живот- ных происходило избыточное накопление природных радионуклидов, прежде всего U и Ra, и в таких количествах, что от них можно было получить отчѐтливую радиографию (провинция Посус ди Калвес, Бразилия). Было также, например, отмечено, что стареющие слоны стре- мятся к радиоактивному источнику или минеральной залежи, где радиация благотворно воз- действует на их больные суставы. К этим местам идут проторенные тропы со всей Африки (Э. Хейнрих, 1962 со ссылкой на газету «Детройт Ньюс» от 31.03.1957). В печати также от- мечалось, что многие туземные африканские племена использовали высокорадиоактивную грязь в медицинских целях, применяя еѐ для лечения ран и для общего оздоровления орга- низма (Хейнрих,1962). В настоящее время в местах компактного проживания человека, кото- рые характеризуются аномально высокой радиоактивностью (штат Керал, Индия, провинция Гуандунг, Китай и др.) отмечаются проявление специфических цитогенетических отклоне- ний от нормы (аномальные хромосомные аномалии, врождѐнные пороки развития и др.). В районах добычи радиоактивных руд и их первичной переработки ЕРЭ в избыточных количествах поступают в атмосферу, гидросферу, педосферу, биосферу, где они вступают в кругооборот. Так, при разработке урановых руд в Забайкалье, содержание урана в почвах района увеличилось в 3-4 раза за 35 лет функционирования комбината (рис.1). Рис. 1. Изменение содержания уран в почвах Приаргунского горно-химического комбината за 35 лет его деятельности (Величкин, Чуднявцева, 2009). Радиоэкологическая ситуация в биосфере принципиально изменилась с лета 1945 го- да, когда в 16 июля была взорвана первая атомная бомба, а в августе две атомные бомбы бы- ли сброшены на японские города. С этого времени геохимический состав биосферы, по большому счѐту, стал принципиально иным. В ней появились и включились в биологический кругооборот новые (антропогенные, техногенные) радиоактивные химические элементы (Рu, Аm и др.) и радиоактивные изотопы (Cs 137 , Sr 90 , Kr 85 , I 131,139 и др. осколочные изотопы; Co 60 и другие радионуклиды активационной природы), которых никогда не было в биосфере, а так- же резко увеличилось в среде обитания человека количество H 3 , C 14 , ранее присутствующих только в следовых количествах как продуктов ядерных реакций с космическими нейтронами и др. элементарными частицами. На сегодняшний день, остаточные концентрации ТНР и КТРН от испытания ядерного оружия в атмосфере в том или ином количестве практически можно обнаружить в любой части планеты. Количество КТРН увеличилось во многие десятки раз, и они стали статистически зна- чимыми факторами повышенного риска тератогенного, канцерогенного и генетического ха- рактера. Биологическая опасность радиоактивных водорода (H 3 ) и углерода (C 14 ) заключает- ся в том, что они встраиваются в живую клетку организма, замещая в ней нерадиоактивные их аналоги. Избыточные количества КТРН обнаруживается вокруг любого предприятия ядерно-топливного цикла (ЯТК). Они достаточно хорошо картируются. Яркий пример их из- быточного количества в биосфере можно видеть в Южно-Уральском регионе (Уткин и др., 2004; и др.). Особое отношение в радиоэкологическом аспекте должно быть уделено поступлению Pu, Am и других трансурановых элементов, по своей химической и радиационной природе чуждых биосфере. В своѐм большинстве они являются трудно диагностируемыми альфа- излучателями со значительным периодом полураспада (для Pu 239 он составляет 24 390 лет). Сегодня Pu может быть обнаружен во всех биологических объектах, в том числе в человеке в том или ином количестве, особенно в зонах техногенеза предприятий ЯТК и в районах испы- тания ядерного оружия (рис. 2). Он способен образовывать весьма тонкодисперсные систе- мы, что делает его чрезвычайно проникающим и далеко мигрирующим материалом. Рис. 2. Схематический график изменения удельной активности Pu в лѐгочной ткани человека за последние 70 лет (по единичным данным из литературных источников). Уровень накопления делящихся альфа-излучающих техногенных радионуклидов за последние 150 лет по нашим данным (Рихванов и др., 2002) увеличилось более чем в три раза (рис. 3). Насколько комфортнее стало от этого биоте и человеку должны ответить биологи. 94 95 Рис. 3. Изменение глобального фона делящихся альфа излучающих радионуклидов ( 235 U, Pu, Am и др.) за последние 150 лет по данным осколочной (f) радиографии. Сегодня долгоживущие (вечные) ТРН и КТРН включились в биологический круго- оборот и обнаруживаются в тех или иных количествах в любом ЖВ. В этом плане, чрезвы- чайно интересны материалы, полученные нами по изучению уровня активности Pu в расти- тельной продукции, с использованием в качестве исходного фонового материала гербарных коллекций растений из музея ТГУ (рис. 4), отобранных до начала испытания ядерного ору- жия (Черненькая и др., 2015). Обращает на себя внимание, что в современный временной период изотопы Pu обнару- живаются только в Томском регионе на уровне 0,15 Бк/кг 239 Pu и 0,06 Бк/кг 238 Pu, что, с высокой долей вероятности, объясняется функционированием в этой местности плутониевых произ- водств на Сибирском химическом комбинате, т.е. связано с проявлением локального ядерного техногенеза. Рис. 4. Динамика удельной активности 239 Pu и 238 Pu в составе черники (Vaccinium myrtillus), отобранной в районе п. Тимирязево Томской области в разные годы, Бк/кг сухого вещества. 1933; 239 Pu; 0,02 1933; 238 Pu; 0,02 1962; 239 Pu; 0,29 1962; 238 Pu; 0,47 2012; 239 Pu; 0,15 2012; 238 Pu; 0,06 жүктеу/скачать 6.49 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|