Физико-химические формы стронция-90 и цезия-137 в двустворчатых моллюсках водоема-охладителя Чернобыльской АЭС
К. Д. Ганжа, В. Г. Кленус, Д. И. Гудков
Институт гидробиологии НАН Украины, Киев
Двустворчатые моллюски играют важную роль в процессах перераспределения и биоаккумуляции техногенных, долгоживущих радионуклидов в пресноводных экосистемах, а также относятся к видам-индикаторам радионуклидного загрязнения водоемов. Двустворчатым моллюскам свойственна значительная биомасса среди представителей водной фауны, а поскольку они относятся к фильтраторам по способу питания, это во многом способствует очищению воды от коллоидов и взвесей, на поверхности которых концентрируются значительные количества радионуклидов [1]. Это обуславливает необходимость исследований накопления радионуклидов и их физико-химических форм двустворчатыми моллюсками, а также выявление сезонных различий их распределения в раковинах и мягких тканях моллюсков.
Основной целью данной работы было выполнить количественный анализ физико-химических форм 90Sr и 137Cs в раковинах и мягких тканях моллюсков Dreissena polymorpha.
Материал и методы исследований.
Для исследований отбирали двустворчатых моллюсков Dreissena polymorpha в водоеме-охладителе Чернобыльской зоны отчуждения в период 2008–2010 гг. Распределение физико-химических форм в тканях двустворчатых моллюсков анализировали методами последовательной экстракции радионуклидов.
Экстракцию радионуклидов из раковин проводили в следующей последовательности:
1) водорастворимая форма – экстракция раствором H2Oдист;
2) обменная форма – экстракция раствором CH3COONH4;
3) кислоторастворимая форма – экстракция раствором HCl (0,1 М);
4) форма связанная с органическим веществом – экстракция раствором 35% H2O2 + HNO3;
5) минеральный остаток – разложение остатка концентрированной HCl.
Экстракцию из мягких тканей проводили в следующей последовательности:
1) обменная форма – экстракция CH3COONH4 (1M);
2) внутриклеточная – экстракция раствором H2SO4 (1 М);
3) органическое вещество биомассы – экстракция раствором 35% H2O2 + HNO3;
4) минеральный остаток – разложение остатка концентрированной HCl.
Активность 137Cs определяли на гамма-спектрометре SBS-30, 90Sr – радиохимически на установке малого фона УМФ-2000.
Результаты исследований
Было проведено сравнение различий распределения физико-химических форм радионуклидов в раковинах дрейссены, отобранных в мае и октябре 2008 г., а также в мае 2010 г. (рис. 1, 3, 5). В распределении водорастворимой и обменной формы 90Sr не было найдено достоверных различий, которые колебались в пределах 1–5%. Существенно различалось содержание 90Sr в кислоторастворимой и органической фракциях. В весенний период содержание радионуклида в органической форме почти в 2 раза было выше по сравнению с осенним периодом, а в кислоторастворимой – наоборот такое преобладание зафиксировано в осенний период года. В минеральном остатке наблюжали практически одинаковое содержание 90Sr для двух исследуемых сезонов, с разницей не более 1,5%.
Такое распределение форм 90Sr могло быть обусловлено более высокой интенсивностью метаболических процессов в весенний, по сравнению с осенним периодом, что также могло быть связано с подготовкой моллюсков к процессу размножения. Увеличение содержания 90Sr в минеральном остатке в осенний период можно объяснить активным запасанием моллюсками питательных веществ при подголовке к зимнему периоду [3, 4].
Сравнение количественного содержания физико-химических форм 90Sr в весенний период 2008 и 2010 гг. показало стабильность распределения радионуклида в водорастворимой и обменной формах (рис. 1, 5). В кислоторастворимой и минеральной формах, а также минеральном остатке отмечены различия в два и более раз. Содержание в этих фракциях радионуклидов предположительно могло варьировать в зависимости от интенсивности питания, особенностей метаболизма и природных условий в различные периоды.
Сравнение распределения физико-химических форм 137Cs в раковинах дрейссены полиморфы показало, что в водорастворимой и обменной формах содержание радионуклида было минимальным и не превышало 2% (рис. 1, 3, 5). Содержание кислоторастворимой формы в мае было в четыре раза выше по сравнению с октябрем. В органической форме содержание 137Cs в октябре почти в три раза превосходило накопление радионуклида в мае. В минеральном остатке содержание 137Cs было одинаково велико для обоих исследуемых сезонов.
Сравнение накопления физико-химических форм 137Cs в весенний период показало рост содержания радионуклида в водорастворимой фракции в 4,5 раза в 2010 г. (рис. 5). В кислоторастворимой форме количество 137Cs почти в 3 раза превосходило аналогичные показатели для 2008 г., а в органической форме – наоборот преобладание отмечено для 2010 г. В минеральном остатке содержание 137Cs в 2008 г. почти в 2 раза было выше по сравнению с 2010 г.
Выполнен анализ распределения физико-химических форм радионуклидов в мягких тканях дрейссены, а также сезонных различий на протяжении периода исследований (рис. 2, 4, 6). Были проанализированы мягкие ткани моллюсков, отобранных в мае и октябре 2008 г. В весенний период содержание 90Sr в обменной форме преобладало в 2,5 раза содержание радионуклида по сравнению с осенним периодом. В водорастворимой фракции преобладание радионуклида в 1,6 раза отмечено в осенний период. Во внутриклеточной форме было отмечено практически одинаково содержание 90Sr для обоих исследованных сезонов, с различием, не превышающим 1,2%. Осенью содержание 90Sr в минеральном остатке почти в 9 раз превышало содержание радионуклида в сравнении с весенним периодом.
Описанное распределение форм 90Sr может быть обусловлено интенсивным накоплением в организме моллюсков в осенний период химического аналога радионуклида – кальция, являющегося активным метаболитом. Существенное увеличение содержания 90Sr в минеральном остатке можно объяснить активным запасанием и концентрированием радионуклида для укрепления раковины и обеспечения ее жизнедеятельности в зимний период [5].
Накопления физико-химических форм 90Sr на протяжении весеннего периода 2008 и 2010 гг. показало определенную стабильность распределения радионуклида во всех исследуемых формах, с различием не более 2%. Такое распределение подтверждает устойчивое накопление 90Sr в весенний период, которое, очевидно, продолжается на протяжении последующих сезонов.
Сравнение сезонного распределения физико-химических форм 137Cs в мягких тканях моллюсков показало, что различия в содержании радионуклида во всех формах не превышает 2%. В весенний период 137Cs преобладает в органической форме и минеральном остатке. Осенью преобладание зафиксировано для обменной и внутриклеточной форм. Различие в накоплении физико-химических форм 137Cs в весенние периоды 2008 и 2010 гг., также не превысило 2%.
Обсуждение результатов исследований
Исследование распределения радионуклидов в раковинах дрейссены в мае 2008 г. показало неравномерное распределение физико-химических форм радионуклидов (рис. 1). Для 90Sr характерно незначительное накопление в водорастворимой и обменной формах (1 и 4%, соответственно). В кислоторастворимой форме содержание радионуклида несколько возрастало – до 10%. Максимальное накопление 90Sr наблюдали в органической форме – 54%. Минеральный остаток составил 31%. Содержание 137Cs в водорастворимой и обменной форме было незначительным (1 и 2% соответственно). В кислоторастворимой форме находится 34% радионуклида и существенно меньшее количество в органической форме – 15%. В минеральном остатке наблюдали максимальное количество 137Cs – до 48%.
Рис. 1 Распредиление физико-химических форм радионуклидов в раковинах Dreissena polymorpha (май 2008 г.):
1 – водорастворимая; 2 – обменная; 3 – кислоторастворимая; 4 – органическая; 5 –минеральный остаток*.
Рис. 2 Распредиление физико-химических форм радионуклидов в мягких тканях Dreissena polymorpha (май 2008 г.):
1 – обменная; 2 – внутриклеточная; 3 – органическая; 4 –минеральный остаток**.
Анализ форм радионуклидов в мягких тканях моллюсков показал, что в обменной форме находится 20% 90Sr, во внутриклеточной форме – максимальное количество радионуклида – до 49%, а в органической форме – 28% (рис. 2). Минимальное количество 90Sr зарегистрировано в минеральном остатке – 3%. В обменной форме находится минимальная доля 137Cs – 13%. Во внутриклеточной форме доля радионуклида составляет 21%. Основное количество 137Cs сосредоточено в органической форме и в виде минерального остатка, соответственно, 32 и 33%.
Исследование физико-химических форм радионуклидов в раковинах дрейссены в октябре 2008 г. показало, что радионуклиды распределились по мере увеличения от 1 до 5 формы (рис. 3). Так, в обменной форме находится 6% 90Sr, а в кислоторастворимой количество радионуклида составило 17%. Основная часть 90Sr оказалась сосредоточена в органической форме и минеральном остатке, соответственно, 31 и 45%. Незначительное количество 137Cs находилось в обменной и кислоторастворимой формах – 3 и 8%, соответственно. Основная доля радионуклида распределилась между органической формой и минеральным остатком, соответственно, 43 и 45%.
Рис. 3 Распредиление физико-химических форм радионуклидов в раковинах Dreissena polymorpha (октябрь 2008 г.)*.
Анализ форм радионуклидов в мягких тканях моллюсков показал, что в обменной форме находится основная доля 90Sr – 32%, во внутриклеточной форме – 19%, а в органической форме и минеральном остатке наблюдали примерно одинаковое количество радионуклида – 23 и 26%, соответственно (рис. 4). В обменной форме доля 137Cs составляла 22%. Во внутриклеточной форме находится максимальная доля радионуклида – 45%. Для органической формы и минерального остатка доля 137Cs составляла 14 и 19%.
Рис. 4 Распредиление физико-химических форм радионуклидов в мягких тканях Dreissena polymorpha (октябрь 2008 г.)**.
Исследование распределения радионуклидов в раковинах дрейссены в мае 2010 г. (рис. 5) показало незначительную долю радионуклидов в водорастворимой и обменной формах (137Cs – 9 и 2%, 90Sr – 1 и 2%, соответственно). Подавляющая доля радионуклидов сосредоточена в органической форме, минеральном остатке и кислоторастворимой форме (90Sr – 38, 39, 21%, 137Cs – 43, 27, 18%, соответственно).
Рис. 5 Распредиление физико-химических форм радионуклидов в раковинах Dreissena polymorpha (май 2010 г.)*.
Результаты анализа мягких тканей свидетельствуют о существенном преобладании 137Cs в форме связанной с органическим веществом – 47% (рис. 6). Большая часть 90Sr зарегистрирована во внутриклеточной форме – 54%.
Рис. 6 Распредиление физико-химических форм радионуклидов в мягких тканях Dreissena polymorpha (май 2010 г.)**
Анализ полученных данных показал, что основная доля физико-химических форм 90Sr и 137Cs в организме двустворчатого моллюска Dreissena polymorpha в водоеме-охладителе Чернобыльской АЭС находится в органической форме и минеральном остатке. Преобладание радионуклидов в названных формах связано с тем, что раковины двустворчатых моллюсков состоят из двух слоев – наружного органического слоя – периостракума и основной части, которая образована CaCO3 с небольшим содержанием органических веществ. Минеральная и органическая часть раковины образуется в экстрапалиальной жидкости, которая находится между мантией моллюска и его раковиной. На внутренней поверхности раковины образуется органическая матрица, которая является комплексом органических веществ. Высокое содержание 90Sr можно объяснить, тем, что данный элемент входит в состав неорганической фазы раковины, в отличие от 137Cs. Также, 90Sr способен изоморфно замещать кальций в кристаллической решетке карбоната. Различное процентное содержание радионуклидов, в исследуемые периоды, можно объяснить сезонными колебаниями условий среды, которые могут вызвать минералогические и структурные изменения раковин моллюсков. Обнаруженный 137Cs в раковинах, очевидно, может быть связан с органической частью раковины двустворчатых моллюсков. Поскольку изучаемые радионуклиды являются лиофильными элементами, их основная доля сосредоточена в органической форме и минеральном остатке.
Литература
1. Паньков И.В. Накопление долгоживущих радионуклидов моллюсками рода Dreissena в условиях днепровских водохранилищ / Паньков И.В. // Гидробиол. журн. – 1994. – Т. 30, №2. – С. 93 – 98.
2. Активность бета-излучающих радионуклидов в счетных образцах. Методика проведения измерений с использованием сцинтилляционных спектрометров и программного обеспечения АК-1 / В. В. Бабенко, О. С. Казимиров, О. Ф. Рудик. Утверждено: ген. директор ГНПП “Метрология” Г. С. Сидоренко, Главный государственный сан. доктор Украины Л. С. Некрасова, ген. директор НПП “Атом Комплекс Прилад” О. С. Казимиров. — НПП “Атом Комплекс Прилад”, 1998. — 27 с. (на укр.)
3. Особенности метаболизма черноморской мидии (Mytilus galloprovincialis Lam.) из различных биотопов карадагского заповедника / [Трусевич В. В, Столбов А. Я., Вялова О. Ю. и др.] // Морський екологічний журнал. № 1, Т. III. – Севастополь. 2004. С. 86 – 79.
4. Флейшман Д. Г. Щелочные элементы и их радиоактивные изотопы в водных экосистемах. / Флейшман Д. Г. – Л.: Наука, 1982. – 160 с.
5. Золотарев В. Н. Склерохронология морских двустворчатых моллюсков / Золотарев В.Н. // Отв. ред. Зайцев Ю.П.; АН УССР. Ин-т биологии юж. морей им. А.О.Ковалевского. - Киев: Наук, думка, 1989. - 112 с. |
