Обнинский институт атомной энергетики – филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (г.Обнинск)

Научно-исследовательская работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Эта статья опубликована сборнике научных трудов "Фундаментальные науки и практика" с материалами Третьей Международной Телеконференции "Проблемы и перспективы современной медицины, биологии и экологии" - Том 1 - №4. - Томск - 2010.

Для исследования был выбран г. Обнинск, основными направлениями реализации научно-технического потенциала которого являются атомная энергетика, ядерная техника и радиационные технологии, медицинская радиология, метеорология, а также развитие предприятий химической и нефтехимической промышленности, машиностроения и металлообработки и ряда других [И.И. Силин, 2003]. Особенностью города является расположение на его территории предприятия атомной энергетики ГНЦ РФ Физико-Энергетического Института (ФЭИ) и первой в мире атомной электростанции, построенных около 60 лет назад с функционирующими до 2000 г. атомным реактором мощностью 30 МВт, исследовательским реактором на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем БР-10 мощностью 8 МВт и сопутствующими научно-исследовательскими производственными корпусами. В настоящее время эксплутационный срок АЭС полностью исчерпан, реактор БР-10 остановлен. В ФЭИ до настоящего времени основными производствами являются импульсный реактор, «горячие» лаборатории для материаловедческих исследований ядерного топлива, конструкционных и поглощающих материалов, ускорители заряженных частиц, химико-лабораторный корпус для проведения исследований химических и радиохимических свойств материалов и процессов, производство радиозотопной продукции (в том числе радиофармпрепаратов) на базе циклотрона, реакторных установок и «горячей» лаборатории, станции спецводоочистки, хранилище твердых радиоактивных отходов объемом около 3·10⁴ м³, хранилища жидких радиоактивных концентратов объемом около 15 м³, хранилище свежего и облученного ядерного горючего [И.И. Силин, 2003]. В городе работают еще несколько НИИ, проводящие радиационные исследования на имеющихся у них реакторах радиоактивных изотопов малой мощности. Анализ многолетних данных за радиоактивностью воздушной среды в центре г.Обнинска показал, что при отсутствии крупных аварий долговременное загрязнение приземной атмосферы определяется выбросами цезия-137, а наибольшие уровни загрязнения воздуха связаны с периодическим выбросами короткоживущих радиоизотопов йода, период полураспада которых не превышает 8,04 суток [Ежегодники по радиационной безопасности…, 1999-2009].

Кроме этого в атмосферу города поступает более 120 загрязняющих веществ, выбрасываемых из 1177 источников, соответствующих широкому спектру решаемых задач и сложившейся инфраструктуре [В.И. Вайзер, 2001; И.И. Силин, 2003]. Зарегистрировано около 32 тыс. автомобилей, на долю которых приходится более 80% всех выбросов. Достаточно высока интенсивность движения по железной дороге на участке Москва-Калуга. Ежегодно из пассажирских поездов сливается до 200 м³ неочищенных сточных вод и выбрасывается   до 12 т твердых бытовых отходов
 [И.И. Силин, 2003]. В целом, экологическая ситуация в г.Обнинске оценивается как удовлетворительная, однако проведение ежегодного мониторинга является актуальной задачей. Поиск и разработка комплекса высокоинформативных методов биоиндикации является чрезвычайно важным для обеспечения экологической стабильности урбанизированных территорий.

Целью работы было выявление изменений биологического состояния почвенных экосистем в условиях загрязнения ТМ и радионуклидами.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1.        Оценить экологическую ситуацию по ежегодным отчетам НПО «Тайфун» и ГНЦ РФ ФЭИ, проводящих химический и радиационный мониторинг территории г. Обнинска и сопредельных районов.

2.        Провести анализ биологической активности почв по дегидрогеназной, каталазной, уреазной и инвертазной ферментативной активности почв.

3.        Оценить пространственно-временную изменчивость исследуемых показателей биологической активности почв.

 Рандомизированный отбор проб почв производили методом «конверта» с площади в 60-ти точках в г. Обнинске и его окрестностях, вдоль основных улиц и лесопарковой зоне, на территории санитарно-защитной зоны (СЗЗ) ФЭИ, вблизи могильника радиоактивных отходов в поверхностном слое на глубине 0 – 10 см в середине июня 2002 –2010 г.г. Образцы почв были условно разделены нами на три зоны по территориальному признаку («промышленная» – зона 1, «придорожная» – зона 2 и «парковая» – зона 3). В пробах почв анализировали кислотность, содержание ТМ: (Cd, Cu, Pb), радионуклидов (⁴⁰K, ²³²Th, ¹³⁷Cs) и биологическую активность микробоценоза по восьми показателям: каталазной, инвертазной, уреазной, дегидрогеназной активностям, эмиссии СО₂, азотфиксации, денитрификации и метаногенности. В 2008 г были дополнительно исследованы еще два показателя: содержание гумуса и механический состав.

       Для измерения содержания тяжелых металлов использовали электрохимический метод инверсионной вольтамперометрии  с линейной развёрткой потенциала на твердом индикаторном электроде на установке «Буревестник-1» (Россия) согласно (ГОСТ P S. 563-96), а также атомно-абсорбционный метод в пламени ацетилен-воздух согласно (МУК по определению ТМ в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства).

Измерение содержания радионуклидов (¹³⁷Cs,  ²³²Th) в образцах почв методом g-спектрометрии проводили на полупроводниковом g-спектрометре. Идентификацию радионуклидов осуществляли по пикам полного поглощения энергии g-излучения и расчёта активности по площади фотопика с учётом выхода g-квантов на акт распада согласно «Методике выполнения измерений содержания гамма-излучающих радионуклидов» (1994).

 Каталазную активность определяли газометрическим методом, основанным на измерении скорости разложения перекиси водорода при ее взаимодействии с почвой, по объему выделившегося кислорода [Ф.Х. Хазиев, 1991]. Для количественного определения дегидрогеназной активности в качестве субстрата использовали бесцветные соли 2,3,5–трифенилтетразолия хлористого, который, акцептируя мобилизованный дегидрогеназой водород, превращается в 2,3,5-трифенилформазан, имеющий красную окраску. По интенсивности окраски колориметрическим способом измеряли количество формазана [Ф.Х. Хазиев, 1991]. Фотоколориметрическое определение активности инвертазы основано на учете восстанавливающих сахаров, образующихся при расщеплении сахарозы [Ф.Х. Хазиев, 1991]. Фотоколориметрический метод определения уреазной активности в почве основан на измерении количества аммиака, образующегося при гидролизе мочевины, путем образования окрашенных компонентов с реактивом Несслера и фенолятами, а также остатка негидролизованной части субстрата – мочевины [Ф.Х. Хазиев, 1991]. Кислотность почв определяли потенциометрическим методом [В.И. Белолипецкая, 1999]. Для оценки содержания гумуса в исследуемых образцах почв использовали метод прокаливания, а гранулометрический анализ образцов проводили отмучиванием по методу Рутковского.

Методы статистического анализа массива биологических данных. Экспериментальные данные обработаны статистическими методами, основанными на математической теории обнаружения корреляционной зависимости между изменением исследуемых показателей биологической активности почв в условиях загрязнения. Для изучения связи между биологическими показателями и содержанием в почве ТМ и радионуклидов применяли корреляционный и регрессионный анализ. Для изучения совместного влияния ТМ и радионуклидов на биологическую активность исследуемых почв использовали регрессионный анализ. Вычисления проводили с использованием следующих статистических пакетов программ: SPSS (компания-разработчик SPSS Incorporated), JMP[A1]  (компания-разработчик SAS Institute Incorporated, SYSTAT (компания-разработчик Software Incorporated).

По результатам анализа содержание Cd превышает ОДК Cd для дерново-подзолистых почв (2 мг/кг) в точке, которая расположена в промзоне ФЭИ (6,61 мг/кг). На рис.1 показаны точки пробоотбора, в которых обнаружено превышение содержания Pb и Cu относительно ПДК (ОДК). Содержание Cu превышает ПДК в шести точках пробоотбора, расположенных в районе промплощадок ФЭИ (т.т. 6, 20, 22), очистных сооружений города (т.т. 24, 28), железнодорожного и авто- вокзалов (т. 31). Превышение содержания Pb в почвах обнаружено в районе городского пляжа (т. 4), железнодорожного и авто- вокзалов (т.т. 31, 48), очистных городских сооружений (т.т. 28, 30) и вблизи с автостоянкой в районе новостроек (т. 51) (всего 6 точек).

Рис.1. Точки пробоотбора с превышением ПДК (ОДК) (-----) по содержанию Cu (a) и Pb (б)

В табл.1 представлены результаты g-спектрометрического определения содержания основных радионуклидов в некоторых точках пробоотбора. За период наблюдения аварийных выбросов радионуклидов в атмосферу г.Обнинска от деятельности ФЭИ не отмечено (Ежегодники по радиационной обстановке 2002-2009 г.г.). Из табл.1 видно, что радиоактивность исследуемых образов почв не превышает средней активности γ-излучения естественных радионуклидов земного происхождения.

Активность ¹³⁷Cs в точках пробоотбора варьирует от (1,8−17,0) Бк/кг на территории города (точки 5, 18, 33, 34, 45-47) до (1,6−33,0) Бк/кг в СЗЗ ФЭИ и районе городского пляжа (т.4), СЗЗ ФЭИ и могильника радиоактивных отходов (точки 7−9, 11, 12, 22, 23, 31, 48), что, однако, не превышает допустимых значений для районов расположения предприятий атомной энергетики.

Анализ актуальной и потенциальной кислотности почв показал, что в 36 образцах почв (40% от исследованных) обнаружено смещение значений рН в щелочную область (рН>7,0). Такие значения кислотности в пробах почв г.Обнинска и его окрестностей, в том числе расположенных в пойме р.Протвы, объясняются смывом Са с поверхности водораздела, близостью грунтовых вод и карбонатными подстилающими породами. В остальных 60% исследуемых почв показатель кислотности меньше 7 в связи с выбросами в атмосферу кислых соединений химических веществ от деятельности ФЭИ.

Найдена корреляционная связь (r=0,37) изменения рН почв и варьированием показателей дегидрогеназной активности почв, что  не позволяет использовать данный биологический показатель в качестве биомаркера состояния городских почв на данной территории.

Таблица 1

Данные по активности основных радионуклидов в выборочных образцах исследуемых почв

* погрешность измерений не превышала 15%

Среднее содержание гумуса в почвах г. Обнинска – 7,16%. Результаты гранулометрического анализа показали, что почвы города в основном дерново-подзолистые супесчаные и дерново-подзолистые легкосуглинистые.

В работе получены и проанализированы результаты динамики изменения показателей биологической активности почв г. Обнинска и его окрестностей, во времени и в пространстве. Анализ изменения исследуемых показателей биологической активности почв за весь период наблюдения (2002-2010 г.г.) выявил четкие временные тренды.  Средние по району значения каталазной, инвертазной, уреазной активности сообщества почвенных микроорганизмов со временем снижаются, а дегидрогеназная активность повышается. Полученные четкие временные тренды сохраняются и при делении на зоны. Построение временных трендов изменения биологической активности почв по трем зонам выявило устойчивую и существенную перестройку функционирования сообщества почвенных микроорганизмов на всей исследуемой территории. Следует отметить, что перестройка идет более активно в зонах 1 и 2, и менее выражено в зоне 3, причем особенно это заметно по снижению каталазной, инвертазной, уреазной активности. Полученные данные  дают основание говорить о некоторой стабилизации биологической активности почв в зоне 3. Таким образом, почвы зоны 3 демонстрируют большую стабильность ферментативной активности, чем почвы зон 1 и 2, находящиеся под антропогенной нагрузкой.

С помощью регрессионного анализа была проведена оценка связи ферментативной активности с характеристиками почв. Использовали метод множественной пошаговой линейной регрессии. Результаты выявили следующие зависимости:

1)            содержание органических веществ оказывает положительное влияние на активность всех рассматриваемых ферментов, особенно на щелочных почвах, на кислых почвах эффект ослабевает для дегидрогеназы и даже становится отрицательным для инвертазы и уреазы (их активность на кислых почвах падает с ростом содержания органики);

2)            отрицательное влияние частиц крупных фракций (>0,5 мм) на каталазную активность и глинистых фракций на дегидрогеназную;

3)            влияние суммарного содержания ТМ на активность всех рассматриваемых ферментов достоверно отрицательно, кроме каталазной активности;

4)            все коэффициенты множественной корреляции достаточно высоки, полученные регрессионные модели объясняют от 20 до 47% общей пространственной вариации активности ферментов. Следовательно, для выявления эффекта низких (ниже ПДК) концентраций ТМ необходимо учитывать особенности почвенного покрова в точках отбора проб;

исследованная территория характеризуется низким уровнем загрязнения тяжелыми металлами (Cu, Pb и Cd) и радионуклидами (¹³⁷Cs, ²³²Th ),  такой низкий уровень загрязнения оказывает слабое, не всегда достоверное влияние на биологическую активность почв.