Critical analysis of data on thorium migration parameters in the soil–plant system

全文:

Торий повсеместно распространен в природной среде. Концентрация изотопов тория в объектах окружающей среды в районах с обычным радиационным фоном, как правило, невелика, хотя и варьирует в широких пределах [1–3]. Присутствие природных минералов, содержащих естественные тяжелые радионуклиды, обуславливает повышение естественного радиационного фона [1]. В таких районах содержание тория в объектах окружающей среды достигает значительных величин, что может приводить к радиационным и токсикологическим эффектам [1, 2]. Наиболее существенными глобальными источниками изотопов тория в биосфере являются извержения вулканов, пожары, а также ветровой захват частиц почвы и их перенос в атмосфере из зон с повышенным содержанием тория в почве к территориям, где концентрация тория в окружающей среде относительно невелика [3–7]. Антропогенная активность, особенно в регионах с повышенным радиационным фоном, в районах добычи урана, тория, редкоземельных руд, олова и некоторых других металлов, фосфатов также может приводить к формированию очагов локального высокого загрязнения. Существенным может быть поступление в окружающую среду тория в местах размещения энергогенерирующих мощностей, использующих ископаемое топливо [4].

К числу основных параметров, характеризующих биологическую доступность радионуклидов в системе почва растения относятся коэффициент распределения радионуклида в почве (K_d) и коэффициент накопления радионуклида растениями (К_н). Коэффициент распределения радионуклида в почве определяется как отношение массы (активности) радионуклида, содержащегося в твердой фазе, к массе (активности) радионуклида, содержащегося в почвенном растворе [8]. Коэффициент накопления обычно рассчитывается как отношение концентрации радионуклида в растениях к концентрации радионуклида в почве. Для оценки степени доступности радионуклидов для корневого поглощения также используют формы нахождения радионуклидов в почве.

На протяжении последних пятидесяти лет Международное Агентство по Атомной Энергии (МАГАТЭ) систематически публикует документы, направленные на ограничение радиационного облучения населения в результате различных видов ядерной деятельности [9]. В частности, в 2009 г. МАГАТЭ опубликовало документ серии технических докладов МАГАТЭ № 472 “Справочник параметров для прогнозирования переноса радионуклидов в регионах умеренного климата” [10]. За эти годы он зарекомендовал себя как ценный источник информации для радиоэкологов, специалистов по моделированию и органов, регулирующих использование ядерной энергии, широко цитировался в научных и технических публикациях. Поскольку документ был предназначен для регулирующих органов и был достаточно кратким, он сопровождался Техническим документом МАГАТЭ № 1616 ¹, который содержит параметры миграции для более чем 100 радионуклидов, включая обобщение опубликованных значений K_d и К_н для изотопов тория. Наряду с этими документами МАГАТЭ опубликовало документ [10], включающий параметры накопления радионуклидов в природных организмах.

Подвижность и биологическая доступность тория в почве во многом зависят от ее характеристик. В природе существует множество почв, которые отличаются по механическому составу, содержанию органического вещества, pH почвенного раствора и т.д. Очевидно, что доступность существующих данных не позволяет получить оценки для каждой из существующих почв, что определяет необходимость их кластеризации и обобщение данных, относящихся к каждому такому кластеру. МАГАТЭ была предложена радиоэкологическая классификации почв для обобщения данных по коэффициентам накопления и коэффициентам распределения радионуклидов между твердой и жидкой фазами почвы [8]. Почвы были разделены на минеральные (с содержанием органического вещества <20%) и органические (с содержанием органического вещества ≥20%), с последующим подразделением на подгруппы на основе процентного содержания песчаной и глинистой фракций. Для минеральных почв были выделены дополнительно три группы в соответствии с процентным содержанием песка и глины в минеральном веществе. К “песчаным почвам” отнесены почвы, доля песчаной фракции в которых более 65%; а доля глинистой фракция менее 18%. К группе “глинистые почвы” отнесены почвы, в которых фракция глины была больше или равна 35% и группа “суглинистые почвы”, которая включала оставшиеся случаи. Для почв с неизвестным содержанием песка и глины была создана группа “другие почвы” [8]. Вследствие этого значительная часть исследований, посвященных поведению радионуклидов в почве и поступлению их в растения учитывает этот подход к классификации полученных данных [9].

Коэффициенты накопления из почвы в растения обычно приводятся на основе сухого веса, как для растений, так и для почвы, чтобы уменьшить неопределенность, связанную с измерением массы отобранных растений и содержанием в них влаги. Для расчета доз облучения биоты коэффициенты накопления обычно пересчитываются на сырой вес природных организмов, что позволяет дать более корректную оценку радиационного воздействия [11]. В то же время оба подхода к обработке данных имеют одинаковое значение, а коэффициенты перехода на сухой вес и обратно можно пересчитать на основе справочных таблиц, приведенных в работе [8].

Данные, характеризующие параметры переноса тория в окружающей среде очень ограничены, что определяет необходимость обобщения и критический анализ этих данных. В наших предыдущих статьях [12–15], были представлены данные, характеризующие распределение изотопов тория в различных средах: атмосфере, литосфере и гидросфере, а также содержание тория в растениях и животных. Целью настоящей статьи являлся анализ информации о параметрах миграции тория в почве и его поступлении в растения.

ПОДВИЖНОСТЬ ТОРИЯ В ПОЧВЕ

Коэффициенты распределения тория в почве

Обобщение данных K_d тория для почв, сгруппированных на основе механического состава, представлено в табл. 1 [16, 17]. Данные, приведенные в этой таблице, включают 46 значений K_d, полученных для различных почв. Значения K_d, выраженные в л/кг, сгруппированы в зависимости от содержания органического вещества и механического состава минеральных почв.

 

Таблица 1. Коэффициенты распределения тория в почвах, сгруппированных в соответствии с классификацией почв по механическому составу и содержанию органики в почвах [16, 17]

Table 1. Thorium distribution coefficient values grouped according to the classification of soils by texture and organic matter content in soils [16, 17]

Группа почв	N	Геом. среднее	Геометр. стат. откл.	Среднее	Станд. откл.	Min–Max
Все почвы	46	1.9 × 103	1.0×101	1.6× 104	4.2×104	1.8×101–2.5×105
Песчаные	12	7.0×102	1.1×101	1.0×104	2.8×104	3.5×101–1.0×105
Суглинистые	6	1.8×104	4 ×100	5.3×104	9.7×104	5.0×103–2.5×105
Глинистые	7	4.5×103	3 ×100	7.4×103	8.0×103	8.0×102–2.4×104
Органические	5	7.3×102	4.4×101	1.9×104	3.5×104	1.8×101–8.0×104
Другие	16	1.5×103	5.0 ×100	8.9×103	2.5×104	2.1×102–1.0×105

 

Наименьшие значения геометрического среднего (7.0–7.3)×10² л/кг) отмечены для песчаных и органических почв. В то же время диапазон колебаний K_d тория очень широк и максимальные значения этого параметра даже для песчаных и органических почв достигают 1.0×10⁵ л/кг, что близко к значениям для суглинистых и глинистых почв [16, 17].

В ряде работ показано, что K_d тория в почве зависит от pH почвенного раствора (в диапазоне pH между 4 и 8) и оксиды железа и марганца, являются важными адсорбентами тория. При этом следует отметить и роль в сорбции тория гуминовых кислот, которые представляют собой основную фракцию органического вещества почвы и имеют большую адсорбционную поверхность [16–20].

Формы нахождения тория в почве

Формы нахождения радионуклидов часто используются при характеристике доступности радионуклидов в загрязненных почвах [20–22]. Последовательные экстракции различными реагентами позволяют выделить обменную и необменную фракции радионуклида в почве, а также оценить их динамику изменения с течением времени [21].

В зависимости от свойств почвы, таких как окислительно-восстановительный потенциал, pH, содержание органического углерода, торий находится в различных химических формах, отличающихся по своим характеристикам. Данные по формам нахождения тория в почве довольно редки и соответствующие исследования проводились в ограниченном числе районов с повышенным содержанием тория. Так, при изучении поведения тория в регионе Фен (Норвегия), показано, что до 94% ²³²Th в почвах находится в недоступной форме и может выщелачиваться только концентрированной азотной кислотой (HNO₃) и только несколько процентов ²³²Th присутствует в легкодоступных формах, включая водорастворимую, обменную и карбонатную фракции. На участках, затронутых горными работами, фракция легкодоступных форм была ниже (менее 0.4%) чем на участках, не затронутых горными работами [23]. Близкие значения нахождения тория в легкодоступных формах отмечены в районах добычи урана в центральной Азии — Казахстане, Киргизстане и Таджикистане [24].

Выветривание тория из подстилающих пород

Выветривание относится к группе процессов, в результате которых породы распадаются на более мелкие частицы (физическое выветривание), либо растворяются в воде или вступают в реакцию с химическими веществами (химическое выветривание). Процессы выветривания происходят в течение сотен и тысяч лет. Существует несколько видов физического выветривания: истирание, смачивание и высушивание, замораживание и оттаивание, тепловое расширение и сжатие минералов, разгрузка под давлением или соединение под давлением, кристаллизация, физическое воздействие организмов и корней растений [1, 3]. В отличие от физического выветривания, химическое выветривание приводит к изменению минерального состава самой породы. Вода является доминирующим агентом, определяющим процессы гидратации, гидролиза, окисления и восстановления, а также комплексообразования. При растворении силикатных минералов торий выделяется в раствор. В целом, его концентрация в растворе недостаточна для прямого осаждения Th(OH)₄, но торий в почвенном растворе взаимодействует в той или иной степени с поверхностью минералов, содержащихся в почве [18–20].

В природных условиях количество тория в почвенном растворе определяется его выветриванием из материнской породы. При поступлении из атмосферы или с поверхностными водами сорбция тория в почвенно-поглощающем комплексе (или со-осаждение на твердой фракции почвы) приводит к определенному смещению равновесия между радионуклидами, содержащимися в почве и почвенном растворе. В этих условиях равновесие носит динамический характер, и смещается со временем в сторону накопления радионуклидов в твердой фазе почвы. Соответственно, могут изменяться и значения коэффициентов накопления тория растениями.

ПЕРЕХОД ТОРИЯ ИЗ ПОЧВЫ В РАСТЕНИЯ: ОБЗОР ДАННЫХ МЕЖДУНАРОДНЫХ ПРОЕКТОВ

Накопления тория сельскохозяйственными растениями

Данные обзора коэффициентов накопления тория растениями в условиях умеренного климата, приведены в табл. 2 [25, 26]. Наибольшие значения коэффициентов накопления 9.9×10^–2 (2.9×10^–3–2.7) кг/кг отмечены для естественной травянистой растительности. Высокие значения К_н наблюдаются и для соломы зерновых на легких почвах. Низкие значения К_н растениями получены для нелистовых овощей и зерна кукурузы при выращивании на тяжелых почвах. Отмечена тенденция к уменьшению К_н тория растениями в ряду песчаные почвы> суглинистые> глинистые почвы. В то же время вариабельность данных, полученных для каждой группы растений достаточно велика, вследствие влияния на переход тория других кофакторов, таких как pH, содержание органики и оксидов Al/Fe и Mn.

 

Таблица 2. Коэффициенты накопления тория растениями в зоне умеренного климата [25, 26]

Table 2. Thorium soil to plant concentration ratio values in the temperate environment [25, 26]

Группа растений	Часть растения	Группа почв	N	Геометр. среднее	Геометр. стат. откл.	Min–Max
Зерновые	Зерно	Все почвы	36	2.1×10–3	3.4	1.6×10–4– 2.2×10–2
		Песчаные	4	4.4×10–3	1.4	3.0×10–3– 6.0×10–3
		Суглинистые	18	2.7×10–3	3.4	2.1×10–4– 2.2×10–2
		Глинистые	9	1.2×10–3	1.6	7.0×10–4– 2.6×10–3
	Солома	Все почвы	28	6.1×10–3	2.4	1.6×10–3– 3.7×10–2
		Песчаные	4	1.4×10–2	1.3	1.1×10–2– 1.8×10–2
		Суглинистые	11	6.6×10–3	1.9	2.4×10–3– 1.3×10–2
		Глинистые	8	3.6×10–3	1.6	2.0×10–3– 6.0×10–3
		Органические	3	2.0×10–3	1.5	1.6×10–3– 3.2×10–3
Кукуруза	Зерно	Все почвы	18	6.4×10–5	9.2	1.2×10–6– 1.1×10–2
		Песчаные	10	2.0×10–4	9.3	1.4×10–5 — 1.1×10–2
		Суглинистые	7	1.5×10–5	3.7	1.2×10–6– 5.4×10–5
Листовые овощи	Листья	Все почвы	24	1.2×10–3	6.0	9.4×10–5– 2.1×10–1
		Суглинистые	13	8.6×10–4	3.3	9.4×10–5– 5.8×10–3
		Глинистые	7	4.9×10–4	2.8	1.9×10–4– 4.1×10–3
Нелистовые овощи	Плоды	Все почвы	17	7.8×10–4	6.8	6.2×10–5– 1.6×10–2
		Суглинистые	10	2.0×10–4	9.3	1.4×10–5– 1.1×10–2
		Глинистые	7	1.5×10–5	3.7	1.2×10–6– 5.4×10–5
Бобовые овощи	Бобы	Все почвы	22	5.3×10–4	9.4	2.5×10–5 — 4.8×10–1
		Суглинистые	14	1.8×10–3	3.9	1.7×10–4 — 2.4×10–2
		Глинистые	10	4.1×10–4	23	2.5×10–5– 4.8×10–1
		Органические	4	4.5×10–4	7.6	8.0×10–5– 4.0×10–3
Корнеплоды	Корни	Все почвы	33	8.0×10–4	13	8.2×10–6– 9.5×10–2
		Суглинистые	14	1.1×10–3	16	8.2×10–6– 5.3×10–2
		Глинистые	14	2.6×10–4	5.4	4.5×10–5– 2.3×10–2
Клубнеплоды	Клубни	Все почвы	24	2.0×10–4	9.9	1.3×10–5– 1.8×10–2
		Суглинистые	10	2.5×10–4	6.4	1.3×10–5– 3.6×10–3
		Глинистые	12	9.6×10–5	11	1.3×10–5– 1.8×10–2
Луговые травы	Биомасса	Все почвы	64	9.9×10–2	5.5	2.9×10–3– 2.7
Бобовые	Биомасса	Все почвы	36	2.6×10–3	1.6	1.5×10–3– 4.6×10–3

 

Коэффициенты накопления тория растениями в условиях тропического климата приведены в табл. 3. В тропических районах органические материалы, попадающие на поверхность почвы, быстро разлагаются, поэтому накопление органического вещества в поверхностных горизонтах почвы невелико [27] и происходит быстрая рециркуляция питательных веществ в системе почва–растения.

 

Таблица 3. Коэффициенты накопления тория растениями в зоне тропического климата [27]

Table 3. Thorium soil to plant concentration ratio values in tropical environments [27]¹

Группа растений	Часть растения	Группа почв	N1	Геометр. среднее	Геометр. стат. Откл.	Min–Max
Травы	Листья	нет данных	3	5.8×10–2	1.1	1.2×10–2–9.2×10–1
Травы	Стебли	нет данных	9	1.8×10–1	5.5	1.8×10–2–1.2
Бобовые овощи	Зерно	Суглинистая	4	6.3×10–5	2.5	2.6×10–5–2.1×10–4
Нелист. овощи	Плоды	Суглинистая	2	5.3×10–6		3.3×10–6–7.3×10–6
Корнеплоды	Корни	Суглинистая	5	1.9×10–5	1.7	9.0×10–6–3.9×10–5
Клубнеплоды	Клубни	Суглинистая	13	8.9×10–6	2.6	2.9×10–6–3.5×10–5
Листовые овощи	Листья	Суглинистая	6	3.4×10–5	1.9	1.8×10–5–7.6×10–5
Кукуруза	Зерно	Суглинистая	6	1.2×10–5	3.5	1.9×10–6–5.0×10–5

¹ Арифметическое среднее и стандартное отклонение если N<3.

 

Кроме того, из-за высокой скорости выветривания минералов, глины с довольно низкой обменной активностью, такие как каолинит, встречаются в тропиках чаще, чем в умеренной зоне. Это приводит к образованию почв с низкой обменной способностью, несмотря на высокое содержание глины [27]. Вследствие этого можно ожидать, что корневое поступление тория в тропических регионах может быть выше по сравнению с районами с умеренным климатом. В то же время вследствие более низкого поступления тория на поверхность растений из атмосферы и более интенсивного смыва пылевых частиц эффект более высокого корневого поступления нивелируется, а статистически достоверных различий между коэффициентами накопления, приведенными в табл. 2 и 3 не отмечается.

Рис определяет рацион питания наиболее населенных стран на планете. Первоначальным продуктом, получаемом при выращивании риса является коричневый рис. Распределение радионуклидов в коричневом рисе неоднородно, поскольку отруби обогащены многими микроэлементами и содержат высокие концентрации тория. Переработка коричневого риса включает шелушение и удаление отрубей, что позволяет получить белый (шлифованный) рис, который и используется для приготовления пищи. Данные по коэффициентам накопления тория как в коричневом, так и в белом рисе, полученные в 50 районах Японии приведены в табл. 4 [28, 29].

Оценивая влияние факторов, определяющих накопление тория в рисе следует отметить, что статистически значимого влияния типа почвы на К_н тория в рисе не выявлено, в отличие от переработки, после которой содержание тория в переработанном продукте существенно снижалось [28, 29].

Накопление тория природными растениями

Данные, представленные в табл. 2–4, предназначены для оценки поступления тория в рацион питания человека, и, как следствие, для оценки доз внутреннего облучения населения. Аналогичные данные (без выделения групп почв) были получены для оценки доз облучения природных организмов (табл. 5) [11]. Кроме отличий в свойствах культурных и природных растений, особенностью подхода, использованного для оценки К_н природными растениями, является то, что коэффициенты накопления природными видами обобщались на сырой вес и рассчитывались как средние концентрации для всего организма.

 

Таблица 4. Коэффициенты накопления тория зерном риса [28, 29]

Table 4: Thorium soil to plant concentration ratio values for rice grain [28, 29]

Тип продукта	Группа почв	N	Геометр. среднее	Геометр. стат. откл.	Min–Max
Шлифованный рис	Все	26	2.2×10–4	2.0	1.6×10–4– 4.3×10–5
Шлифованный рис	Суглинистые	10	2.1×10–4	1.9	1.4×10–4 — 6.7×10–5
Шлифованный рис	Глинистые	14	2.4×10–4	2.1	1.8×10–4 — 5.1×10–5
Коричневый рис	Все	31	1.3×10–3	4.5	5.4×10–3 — 2.2×10–5
Коричневый рис	Суглинистые	12	4.6×10–4	4.1	1.1×10–3 — 2.2×10–5
Коричневый рис	Глинистые	17	1.9×10–4	2.7	2.2×10–4 — 2.6×10–5
Коричневый рис	Органические	1	3.0×10–2

 

Данные табл. 5 дополняют информацию, содержащуюся в табл. 2–4, обеспечивая полный набор данных по параметрам накопления тория в травянистых и древесных растениях, а также мхах и лишайниках Следует отметить, что значения К_н травами, представленные в табл. 5, существенно выше, чем аналогичные данные, приведенные в табл. 2 и 3. Отмеченные различия объясняются тем, что данные табл. 5 даны для природного травостоя, тогда как данные табл. 2 и 3 включают данные и для сеяных трав.

 

Таблица 5. Коэффициенты накопления тория природными растениями [11]

Table 5. Thorium soil to plant concentration ratio values for natural plants [11]

Вид растений	N	Среднее	Стат. откл.	Геом. среднее	Геометр. стат. откл.	Min–Max
Кустарнички	341	2.4×10–1	5.1×10–1	9.9×10–2	3.7	2.2×10–4–2.7
Травы	193	3.6×10–1	6.4×10–1	1.7×10–1	3.3	1.6×10–3–2.7
Лекарств. растения	49	5.1×10–2	9.6×10–2	2.4×10–2	3.4	2.2×10–4–5.1×10–1
Лишайники и мхи	228	9.7×10–1	2.1×100	4.1×10–1	3.7	1.2×10–2–1.5×101
Кустарники	403	2.5×10–1	5.6×10–1	9.9×10–2	3.9	1.2×10–3–3.9
Деревья	85	1.1×10–3	1.1×10–3	7.6×10–4	2.3	1.0×10–5–3.1×10–3

 

Видно, что наибольшие коэффициенты накопления отмечаются для мхов и лишайников, являющихся природными фильтрами радионуклидов, существенно меньшие коэффициенты накопления наблюдаются для трав и кустарников и минимальные значения характерны для деревьев, для которых преобладающим путем поступления тория является корневое поступление [11].

ПЕРЕХОД ТОРИЯ ИЗ ПОЧВЫ В РАСТЕНИЯ: ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Данные проектов МАГАТЭ, описанных в предыдущей главе, охватывают период времени до начала 2007 г. Несмотря на то, что число данных по торию, приведенных в этих обзорах, было ограничено, материалы этих обзоров позволили сформулировать важные выводы по закономерностям поведения радионуклидов в системе почва–растения. При этом следует отметить, что при оценке коэффициентов перехода из почвы в растения в этих работах использовалась линейная концепция, т. е. предполагалось, что К_н не зависит от концентрации радионуклида в почве. В то же время для тория линейная зависимость К_н от концентрации радионуклида в почве не является подтвержденным фактом, что должно учитываться при обобщении и обработке данных [1]. Многие из публикаций, формирующих современный базис информации по этой проблеме, были опубликованы в последние 10–20 лет. Вследствие этого одной из задач настоящей публикации являлся анализ современных материалов, касающихся накопления тория как природными, так и сельскохозяйственными растениями с акцентом на природные условия, для которых эти данные были получены.

Накопление тория травянистыми растениями

Травянистая растительность являлась объектом многочисленных исследований, посвященных поступлению тория в растения (табл. 6). Исследования проводились как в областях нормального радиационного фона, так и в регионах с повышенным содержанием тяжелых естественных радионуклидов в почвах.

 

Таблица 6. Коэффициенты накопления тория травянистой растительностью

Table 6: Thorium soil to plant concentration ratio values for herbaceous vegetation

Страна	Кн тория растениями			Ссылка
	228Th	230Th	232Th
Испания	(4.4±2.5)×10–2	(6.6±5.6)×10–2	(4.1±2.8) ×10–2	[30]
Испания	1.7 (0.5–4.3)	5.6 (0.8–25)×10–2	5.8 (1.3–27) ×10–2	[31]
Хорватия			(5.6±3.8) ×10–2	[32, 33]
Словения		(6.4±3.9)×10–3		[35]
Канада	0.06			[35]
США (фон)	0.22	0.19	4.3×10–2	[36]
США1		(1.5–4.3)×10–3	(1.5–4.1)×10–3	[37]
США2			1.1×10–2	[37]
Малайзия			(0.58–10.0)×10–4	[38]
Китай3			(0.6–2.2)×10–2	[39]
Китай4			(0.4–1.4)×10–2	[39]
Thailand3,5			(2.6–5.8)×10–4	[40]
Thailand4,5			(1.3–3.5)×10–4	[40]
Thailand3,6			(1.7–2.2)×10–3	[40]
Thailand4,6			(1.1–1.4)×10–3	[40]

¹ Люцерна.

² Пастбищная растительность.

³ Концентрация тория в почве 312 Бк/кг.

⁴ Концентрация тория в почве 605 Бк/кг.

⁵ Базилик, лимонное сорго.

⁶ Фасоль, нут, табак, сладкая кукуруза, индийская горчица, китайская горчица.

 

В работе [30] представлены данные по коэффициентам накопления основных изотопов тория растительностью (Spartina denszjlora) солончакового болота, расположенного на юго-западе Испании, недалеко от г. Уэльв, в котором находится завод по производству фосфатов и отвалы фосфогипса. Образцы почвы и субстрата (глубина 5 см) отбирались в 22 точках. Коэффициенты накопления ²³²Th варьировали в достаточно узком диапазоне от 0.014 до 0.131 кг/кг (сухой вес), тогда как концентрация тория варьировала от 4.4 до 103 Бк/кг. Коэффициенты накопления других изотопов тория, ²²⁸Th и ²³⁰Th были довольно близки к К_н, рассчитанному для ²³²Th. Значения К_н для тория уменьшались с ростом концентрации соответствующего изотопа тория в почве в соответствии с выражением:

$K=a\times Q^b$,

где Q — концентрация тория в почве.

Коэффициенты накопления для изотопов тория (²³²Th, ²³⁰Th и ²²⁸Th) были также определены для пастбищной растительности, произрастающей на гранитных и аллювиальных почвах вокруг бывшего уранового производства, в регионе Эстремадура на юго-западе Испании [31]. Средние значения К_н для ²³²Th (0.056) и для ²³⁰Th (0.058) статистически не отличались, тогда как коэффициент накопления ²²⁸Th (1.7) был на два порядка величины больше. Возможной причиной высокого накопления ²²⁸Th в растениях является то, что содержание в них ²²⁸Th определяется как распадом ²²⁸Ra в растении, так и накоплением ²²⁸Th из почвы. Таким образом более высокое значение К_н ²²⁸Th в растительности по сравнению с ²³²Th можно объяснить поступлением в растения ²²⁸Ra с последующим его распадом до ²²⁸Th.

Данные по коэффициентам накопления тория травами (Piptatherum miliaceum, Dittrichia viscosa, Phragmites australis, Juncus acutus) были получены для района Kastela Bay (Хорватия) с концентрацией ²³²Th в почве 47 Бк/кг и участка, где почва была смешана с угольной золой и шлаками ² с концентрацией ²³²Th 58 Бк/кг [32, 33]. Среднее значение К_н природными травами, отобранными на контрольном участке, составило (2.8±1.9)×10^–2, тогда как на территории отвалов значения коэффициентов перехода (6.0±4.0)×10^–3 были существенно меньше. Отмеченные отличия возможно связаны с фитотоксическим эффектом ²³⁸U, содержание которого на территории этих отвалов варьировало от 500 до 1600 Бк/кг [33].

Концентрации ²³⁸U, ²³⁰Th, ²²⁶Ra и ²¹⁰Pb были определены в пробах почвы и природных трав (Lolium, Festuca, Dactylis and Alopecurus), отобранных на поверхности хвостохранилища бывшего уранового рудника в Словении [34]. Концентрация ²³⁰Th в почве изменялась от 109±14 до 540±48 Бк/кг (сухой вес). Близкие величины были получены и для других радионуклидов. Средние значения коэффициентов накопления ²³⁰Th, рассчитанных для точек отбора, находились в диапазоне от (3.9±0.53) ×10^–3 до (1.24±0.22) ×10^–2 (кг/кг). Отмечена тенденция к уменьшению К_н с ростом концентрации ²³⁰Th в почве.

Близкие значения коэффициентов накопления ²³²Th в смешанных травах семейств: Agropyron, Loeleria, Hordeum, Oryzopsis; Melilotus, Kochia, Salsola и Artemisia, были получены в результате обследования территории, на которой проводилась добыча и обогащение урана, в штате Вайоминг (США) [36]. Пробы отбирались: 1) непосредственно на открытых хвостохранилищах, подвергавшихся на момент исследований эрозии; 2) на краю хвостохранилища 3) на территории, расположенной в направлении преобладающих ветров от хвостохранилища; 4) на реабилитированных участках и 5) территории за пределами площадки с фоновыми уровнями содержания радионуклидов в почве.

Наименьшие значения коэффициентов накопления ²²⁸Th, ²³⁰Th и ²³²Th (0.22±0.8, 0.19±0.7 и (4.3±0.9)×10^–2) отмечены для территории с фоновым содержанием изотопов тория и для участка, на котором была проведена реабилитация (0.17±0.6, (1.2±0.7)×10^–2 и (3.6±1.5)×10^–2). При этом стоит отметить довольно высокий эффект реабилитации, обеспечившей снижение К_н ²³⁰Th в растительность более чем в 10 раз. Коэффициенты накопления ²³²Th растительностью, определенные для поверхности хвостохранилища, были примерно в полтора раза выше, чем измеренные для фоновой территории, тогда как К_н ²³⁰Th на этих участках (1.9±0.6) был больше фоновых значений более чем в 10 раз. Наиболее высокие значения коэффициентов накопления ²³⁰Th — (2.9±0.6) отмечены на подверженных эрозии краях хвостохранилища. Возможным объяснением этого эффекта может являться то, что из-за нарушения изолирующего слоя в этих местах отмечается повышенная влажность и кислотность субстрата (почвы), содержащего естественные радионуклиды в повышенных количествах, тогда как низкое значение коэффициента перехода ²³⁰Th в траву, отобранную на реабилитированной территории, можно объяснить эффектом проведенных работ. Также необходимо отметить более высокие значения К_н ²²⁸Th, по сравнению с ²³²Th, что можно объяснить особенностями поступления и образования ²²⁸Th в растениях.

Исследования, проведенные в зоне размещения бывшего уранового предприятия в штате Вайоминг, также показали, что внекорневое загрязнение растений частицами пыли, содержащими торий, может иметь определяющее значение с точки зрения поступления тория в растения. При этом также показано, что в условиях этой климатической зоны промывка растений позволяет почти в 3 раза снизить суммарное содержание тория в растениях [36].

Более низкие значения коэффициентов накопления ²³⁰Th и ²³²Th люцерной –для второго (4.3±0.3)×10^–3 и (4.1±0.5)×10^–3 кг/кг и третьего укосов (1.5±0.2)×10^–3 и (1.5±0.3)×10^–3 кг/кг приведенные в работе [37] получены для района ториевого фона, при средней концентрации ²³²Th тория в почве 37.7 Бк/кг (сухой вес). Невысокие значения коэффициентов накопления могут объясняться тем, что объектом исследований являлись сеяные травы, характеризующиеся менее интенсивным поступлением тория по сравнению с естественной растительностью. В работе [37] также отмечено, что влажная обработка проб растительности приводила к существенному (около 3 раз) снижению К_н. Значения К_н ²³⁰Th и ²³²Th пастбищной растительностью, составляющие до промывки проб (9.8±0.4)×10^–3 и (1.1±0.2)×10^–2 кг/кг после обработки снизились до (2.9±0.3)×10^–3 и (3.8±0.4)×10^–3 кг/кг.

Наиболее низкие значения коэффициентов накопления — от 3.6×10^–5 при концентрации ²³²Th в почве 1200 Бк/кг до 1.0×10^–3 кг/кг для концентрации 60 Бк/кг приведены в работе [38]. Исследования выполнены в зоне муссонного климата на территории с высоким градиентом тория в почве. Это позволило установить достаточно четкую зависимость изменения К_н от концентраций тория в почве. Важной причиной, способствующей низким значениям коэффициентов накопления, являлось незначительное поверхностное загрязнение трав, вследствие незначительного ветрового подъема, а также смыва радионуклидов, поступающих из атмосферы, с поверхности растений.

Коэффициенты накопления для почв со сходными характеристиками, но отличающихся по содержанию ²³²Th (312±10 и 605±14 Бк/кг на сухую массу), приведены в работе [39]. Исследовано накопление тория надземной биомассой и корнями фасоли (Vicia faba), горчицы китайской (Brassica Chinensis), горчицы индийской (Brassica juncea), люпина (Lupinus albus), кукурузы (Zea mays), нута (Cicer arietinum), табака (Nicotiana tobacum), райграса (Lolium perenne) и клевера (Trifolium pratense).

Показано, что на основе величины К_н рассматриваемые виды растительности можно представить в виде: райграс > клевер > люпин ≈ фасоль≈ нут ≈ та- бак ≈ сладкая кукуруза ≈ индийская горчи- ца > китайская горчица. В табл. 6 результаты этих исследований были объединены, выделяя сильно накапливающие ²³²Th виды (райграс и клевер) и остальные виды.

Коэффициенты накопления растениями с низким накоплением варьировались в диапазоне (2.6–5.8)×10^–4 кг/кг при выращивании на почве с более низким содержанием ²³²Th (312 Бк/кг) и с 1.3×10^–4 до 3.5×10^–4 кг/кг при выращивании в почве с более высоким содержанием ²³²Th (605 Бк/кг). Для клевера и райграса эти диапазоны составили (1.7–2.2) ×10^–3 и (1.1–1.4) ×10^–3 кг/кг. Коэффициенты накопления корнями растений были во всех случаях примерно в десять раз выше, чем К_н наземной биомассой растений. Значения К_н для ²³²Th, существенно (1.5–2 раза) были выше для почв с низким загрязнением, что означает, что наблюдаемые коэффициенты накопления ²³²Th растениями увеличивались с уменьшением концентрации тория в почве.

Данные по К_н ²³²Th травянистой растительностью, представленной в этом разделе, изменяются от 5.8×10^–5 кг/кг (зона высокого содержания тория в почве, культурные растения, влажный климат) до 0.27 кг/кг, пастбищная растительность в зоне существенного ветрового подъема. В случае, если данные для стран с тропическим климатом рассматривать отдельно, этот диапазон составляет от 1.5×10^–3 кг/кг до 0.27 кг/кг. Коэффициенты накопления других изотопов тория существенно выше и варьируются от (4.4±2.5) ×10^–2 до 4.7 кг/кг для ²²⁸Th и от (1.5–4.3) ×10^–3 до 2.9 кг/кг для ²³⁰Th.

Диапазон К_н ²³²Th травянистой растительностью меньше аналогичного диапазона, приведенного в работе [11]. Отмеченные различия связаны в первую очередь с тем, что в этой публикации торий рассматривался как элемент, а различия в накоплении изотопов тория не рассматривались. Кроме того, в настоящей работе рассмотрены сценарии загрязнения растений, выращиваемых на участках с высоким содержание тория в почве в условиях влажного климата, когда поверхностное загрязнение растений не было значительным.

Верхняя граница данных для К_н травостоем, приведенных в табл. 2 совпадает с максимальным значением К_н в табл. 6, отражая накопление пастбищной растительностью в условиях сухого климата. Среднее значение К_н ²³²Th, представленных в табл. 6, составляет (2.0±2.3)×10^–2 кг/кг (среднее геометрическое 2.9×10^–3 кг/кг), что примерно в 10 раз ниже значений, приведенных в обзорах МАГАТЭ [10–11]. Это связано с тем, что в настоящем обзоре при оценке средних значений использованы данные, полученные на территориях с высоким содержанием тория в почве.

Накопление тория в зерновых культурах

Коэффициенты накопления тория зерновыми культурами, приведенные в табл. 2, характеризуются большим размахом, поскольку проводились в различных регионах, при использовании различных технологий выращивания зерна.

Исследования по оценке вклада естественных радионуклидов в облучение населения, выполненные в Бразилии [42], включали оценку концентраций ²³⁰Th и ²³²Th в зерновых и овощах. Полученные данные позволяют оценить величины коэффициентов накопления ²³⁰Th и^,232Th зерном в размере 8.72×10^–3 и 8.8×10^–3 кг/кг.

Данные по накоплению естественных радионуклидов растениями озимой пшеницы при использовании различных технологий ее выращивания, представлены в работе [41]. Коэффициенты накопления были рассчитаны для корней, стеблей и зерна. Рассмотрено влияние на накопление ²²⁸Th растениями органической и традиционной систем земледелия. Хотя наблюдались довольно большие различия в концентрациях тория в растениях, существенных отличий между К_н зерном, полученном с помощью традиционных и органических технологий не выявлено (табл. 7). Наибольшие значения К_н ²²⁸Th от (1.2±0.7) × 10^–2 до (1.4±0.6)×10^–2 кг/кг получены для накопления тория корнями, промежуточное значение занимают коэффициенты накопления в соломе ((0.6±0.03)×10^–2 кг/кг) и наименьшие значения характерны для генеративных органов.

 

Таблица 7. Коэффициенты накопления ²³²Th в зерне

Table 7. Thorium soil to plant concentration ratio values for grain of cereals

Страна	Культура	Кн	Ссылка
Бельгия	Пшеница	2.4 ×10–3 (3.3×10–4–1.7×10–2)	[41]
Бразилия	Пшеница	8.8 ×10–3	[42]
Индия	Пшеница	1.0×10–2 (0.6–2.4) ×10–2	[43]
Япония	Пшеница	8.5 ×10–3	[44]
Таиланд	Рис (белый)	(2.5±1.4) ×10–4	[40]
Россия	Пшеница	(0.7±0.2) ×10–3	[45]
Россия	Кукуруза	(0.4±1.4) ×10–3	[45]
Россия	Гречиха	(2.6±1.0) ×10–3	[45]
Россия	Просо	(1.0±1.2) ×10–3	[45]
Россия	Горох	(0.2±0.1) ×10–3	[45]
Россия	Овес	2.0×10–3	[45]
Россия	Овес	0.25×10–3	[45]

 

Влияние применения повышенных доз удобрений на накопление тория в зерне изучалось на аллювиальных почвах штата Пенджаб (Индия) [43]. Отмечено, что внесение — 300 кг/га фосфорно-аммиачных удобрений обеспечило снижение коэффициентов накопления ²³²Th в зерно от 1.9×10^–2 до 9.6×10^–3 кг/кг. Эти исследования также проводились в штате Махабалешвар на латеритной почве, сформированной из исходной базальтовой породы с содержанием ²³²Th от 10.4 до 19.6 Бк/кг. Статистически значимых различий между К_н зерном на этих почвах не выявлено, хотя коэффициенты накопления тория в зерне, отобранном в штате Пенджаб, были несколько ниже.

Большинство данных по накоплению тория в рисе получено в исследованиях, проведенных в Японии [28, 29, 43]. Данные, полученные в Таиланде [44] в регионе с низким содержание ²³²Th в почве находятся достаточно близко к геометрическим средним коэффициентов накопления тория специфичных для Японии, отражая различия в почвенно-климатических условиях этих регионов.

Диапазон изменения К_н тория зерновыми по данным табл. 2 составляет 2.0×10^–4 — 1.0×10^–2 кг/кг, что хорошо согласуется с данными таблицы 7 для яровой пшеницы. К_н озимой пшеницей, выращиваемой на высоком агрофоне в Бельгии, имеет тенденцию к более низким значениям коэффициентов накопления.

Накопление тория мхами, лишайниками и грибами

Известно, что мхи и лишайники являются природными аккумуляторами многих радионуклидов [11]. Данные по накоплению ²³²Th мхами, приведенные в настоящем обзоре, подтверждают эту тенденцию (табл. 8). Видно, что средние коэффициенты накопления тория этими организмами изменяются от 3.3×10^–3 кг/кг до 0.48 кг/кг. Наибольшие значения ²³²Th получены для условий сухого средиземноморского климата. Так, Драгович [46] представила большой набор данных для 42 точек отбора, которые включали средние геометрические и геометрические стандартные отклонения коэффициентов накопления тория в различных видах мхов, а именно — Scleropodium purum (0.18±1.56 кг/кг), Pleurozium schreberi (0.19±1.61, кг/кг), Hylocomium splendens (0.17±1.90 кг/кг), Hypnum cupressiforme (0.26±1.33, кг/кг) и Thuidium delicatulum (0.26 кг/кг).

 

Таблица 8. Коэффициенты накопление тория мхами, лишайниками и грибами

Table 8. Thorium concentration ratio values for mosses, lichens and mushrooms

Страна	Вид организмов	Кн на сухой вес			Ссылка
		228Th	230Th	232Th
Сербия	Мох			0.21±0.09	[46]
Канада	Мох	0.02	0.023	0.03	[33]
Малайзия	Мох			(2.7±1.6)×10–2	[38]
Норвегия	Мох			3.3×10–3	[47]
Норвегия	Лишайник			4.9×10–3	[47]
Канада	Грибы	0.033			[35]

 

Более низкие значения коэффициентов накопления тория во мхах 3.3×10^–3– 2.7×10^–2 кг/кг получены для регионов с достаточно высокой влажностью почв — в Таиланде, Норвегии и Канаде.

Накопление тория деревьями и кустарниками

На протяжении последних лет накоплен определенный материал по накоплению тория древесными растениями (табл. 9). Значительная часть этих исследований проводилось в районах расположения предприятий уранового наследия, что предопределило особое внимание оценке накопления ²³⁰Th в органах древесных растений (листьях и плодах).

 

Таблица 9. Коэффициенты накопления тория древесными растениями

Table 9: Thorium soil to plant concentration ratio values for woody plants

Страна	Вид растений	Кп тория в растения			Ссылка
		228Th	230Th	232Th
Испания	Пробковый дуб (листья)		(1.6±1.1)×10–2		[48]
Испания	Дуб остролистный (листья)		9.9×10–3		[48]
Испания	Красный эвкалипт (листья)		1.4×10–3		[48]
Испания	Ракитник (листья)		3.0×10–2		[48]
Испания	Пробковый дуб (плоды)		2.3×10–2		[48]
Испания	Дуб остролистный (плоды)		1.8×10–4		[48]
Испания	Красный эвкалипт (плоды)		2.2×10–3		[48]
Канада	Деревья (Хвойные)	0,02	0.1		[35]
Канада	Деревья (Лиственные)	0,03			[35]
Норвегия	Деревья (Сосна)			1,8×10–4	[47]
Норвегия	Деревья (Ель)			4,6×10–5	[47]
США	Сосна Лоблолли (Листья)		1.0×10–4		[49]
США	Красный клен (листья)		2.0×10–3		[49]
США	Сладкое дерево (листья)		2.6×10–2		[49]
США	Tupelo (листья)		3.1×10–2		[49]
США	Водяной дуб (листья)		8.0×10–3		[49]
Хорватия	Кустарник			(1,5±2,0)×10–2	[32]
Хорватия	Деревья			(5,0±2,4)×10–3	[32]
Таиланд	Ананас (листья)			9,6×10–4	[40]

 

При проведении исследований в районе залива Кастела (Хорватия) получены значения коэффициентов накопления для древесных растений, характерных для климата Средиземноморья [32]. Коэффициенты накопления были определены для пяти видов кустарников: Pistacia lentiscus L, Spartium junceum L., Rubus heteromorphus Ripart eX Genev, Pittosporum tobira (Thunb.), Aiton, Nerium oleander L. и четырех видов деревьев: смоковницы (Ficus carica L.), сосны иерусали́мской (Pinus halepensis Mill), кипариса (Cupressus sempervirens L.) и тамарикса долматинского (Tamarix dalmatica Baum). Исследования проводились как на ненарушенных почвах, типичных для региона, так и на участке захоронения золы, образующейся в результате работы угольной теплоэлектростанции. Показано, что накопление тория кустарниками в 1.5–3.0 раза выше, чем деревьями. Средние значения К_н кустарником и деревьями на контрольном участке (концентрация ²³²Th в почве — 47 Бк/кг) составили (1.5±2.0)×10^–2 и (5.0±2.4)×10^–3 кг/кг, а на поверхности хранилища (при концентрации ²³²Th в почве 58 Бк/кг) — (0.9±1.1)×10^–2, (7.0±5.0)×10^–3 кг/кг. Отмечены статистически значимые различия в коэффициентах накопления ²³²Th кустарниками, произрастающими на участках с отличными уровнями содержания его в почве, однако различий в накопления тория деревьями, произрастающими на этих участках не выявлено.

Коэффициенты накопления ²³⁰Th из почвы, листьями и плодами видов древесных растений, характерных для средиземноморского региона, также были представлены для района уранового наследия в работе [48]. Значения К_н ²³⁰Th листьями деревьев варьировались от 1.4×10^–3 до 0.03 кг/кг (на сухой вес), а для плодов — от (1.4±0.2) ×10^–4 до (2.2±0.3) ×10^–3 кг/кг (сухого вещества). Наибольшие коэффициенты накопления отмечены для красного эвкалипта, а наименьшие — для дуба остролистного. Коэффициенты накопления ²³⁰Th в листьях деревьев примерно на порядок величины выше, чем в плодах. Отмеченные различия могут объясняться как экофизиологическими особенностями транслокации тория в деревьях, так и поверхностным загрязнением листьев пылевыми частицами, содержащими торий.

Отличия в накоплении тория хвойными и лиственными деревьями отмечены Шепардом на основе широкомасштабного обследования лесов в Канаде [35], а в исследованиях, выполненных в Норвегии, отмечены существенные, до четырех раз, отличия в накоплении ²³²Th в сосне и ели [49].

В США в рамках проведения исследований по фитореабилитации, т. е. использовании растений для очищения почв, определены К_н урана и тория из заболоченных земель в районе Национальной Лаборатории США — Саванна Ривер. Показано, что существуют значительные различия в накоплении тория различнымивидами деревьев, при этом листья тупело и батат характеризовались наиболее высокими концентрациями ²³²Th в листьях [49].

В работе [50] представлены геометрические средние коэффициентов накопления тория из почвы корнями пушистой березы (Betula pubescens), папоротника узколистного (Dryopteris carthusiana) и скандинавского мелкосемянника (Calamagrostis purpurea ssp. Phragmitoides): 0.09(4.45)³ 0.58(2.74) 0.18(2.39). Данные были получены в ходе эксперимента в микрокосме. Коэффициенты накопления листьями были измерены только для мелкосемянника, поскольку концентрации тория в листьях березы и папоротника были ниже предела обнаружения. Коэффициенты накопления тория, измеренные для растений, произрастающих на почвах с 5-кратным превышением концентрации урана, были близки к значениям, приведенным выше, и составили 0.08 (5.16) ³, 0.54 (1.70), 0.15 (3.29) и 0.02 (6.61) для корней березы пушистой, папоротника узколистного, камыша малого и листьев камыша малого, соответственно.

Полученные данные подтверждают вывод о том, что К_н тория на влажных, болотных угодьях могут быть больше по сравнению с сухими районами, расположенными в этой же зоне [49]. Другой причиной более высокой доступности тория на болотных угодьях может быть образование комплексов с почвенной органикой, так как значительная часть тория на таких участках может входить в состав органических комплексных соединений, становясь более доступной для поглощения растениями [30].

Накопление тория фруктами и овощами

Целью исследований, проведенных в Австралии в районе реки Аллигатор (тропическая зона), была оценка накопления тория в овощах и фруктах, составляющих рацион питания местных жителей [51]. В регионе ведется добыча урана, что определяет возможность изучения поведения в системе почва–растения не только ²³²Th и ²²⁸Th, но и ²³⁰Th, являющегося продуктом распада ²³⁸U. В рамках этих исследований рассматривались восемь видов фруктов и шесть видов овощей. Значения К_н ²³⁰Th изменялись в широком диапазоне. Наиболее высокие значения К_н — 5.1×10^–2 кг/кг (сухой вес) отмечены для ²³⁰Th в черной сливе (Vitex accuminata) и самые низкие <6.0×10^–5 для накопления ²³²Th в зеленой сливе (Buchanania obovata).

Для многих видов фруктов коэффициенты накопления, рассчитанные для ²³⁰Th, существенно отличались от коэффициентов для ²³²Th, особенно значительными были эти отличия для накопления в черной сливе, К_н ²³²Th в которой был более, чем в 30 раз ниже по сравнению с К_н ²³⁰Th.

Район плоскогорья Пакос де Калдас в Бразилии известен как область высокого природного радиационного фона. Для коэффициентов накопления початками кукурузы и 8 видами овощей (картофель, морковь, капустная зелень, маниока, кабачки и коричневые бобы) отмечены довольно близкие значения в диапазоне от 3.4×10^–5 (зерно кукурузы) до 1.2×10^–4 кг/кг (сухой вес) (листовые овощи — капустная зелень) [42]. Более высокие значения для листовых овощей, выращиваемых на территории Бразилии, представлены в работе [52] (табл. 10).

 

Таблица 10. Коэффициенты накопления тория в овощах и фруктах

Table 10. Thorium soil to plant concentration ratio values for fruit and vegetables¹

Страна	Вид растений	Кн тория в растения		Ссылка
		230Th	232Th
Овощи
Австралия	Картофель (дикий)1	(3.3±1.4)×10–3	(4.2±1.2)×10–3	[51]
Бразилия	Овощи сводные данные	–	(1.1±0.2)×10–4	[52]
Бразилия	Листовые овощи	3.4×10–4	3.2×10–4	[42]
Бразилия	Нелистовые овощи	4.5×10–5	4.1×10–5	[42]
Бразилия	Картофель	2.8×10–5	2.6×10–5	[42]
Бразилия	Бобы	2.8×10–4	2.9×10–4	[42]
Таиланд	Мелинжо (Гнемон)	–	1.5×10–3	[40]
Таиланд	Перец чили	–	2.9×10–3	[40]
Таиланд	Галангал (листья)	–	7.0×10–3	[40]
Россия	Картофель	–	3.3×10–3	[53]
Россия	Морковь	–	7.1×10–3	[53]
Россия	Помидоры	–	6.7×10–3	[53]
Россия	Огурцы	–	8.0×10–3	[53]
Россия	Листовые овощи	–	1.1	[53]
Плоды (фрукты, ягоды)
Испания	Деревья (плоды)	(8.4±8.3)×10–4		[48]
Малайзия	Масличная пальма		(1.4±0.3)×10–2	[38]
Таиланд	Манго	–	1.1×10–3	[40]
Таиланд	Ананас	–	2.6×10–4	[40]
Австралия	Зеленая слива	(3.6±0.3)×10–3	(5.6±0.6)×10–3	[51]
Австралия	Молочная слива	(2.4±0.17)×10–3	-	[51]
Австралия	Козья слива	(7.0±2.7)×10–3	(8.3±1.3)×10–3	[51]
Австралия	Белое яблоко	(2.4±0.17)×10–3	(1.1±0.3)×10–3	[51]
Сауд. Аравия	Пальмовые косточки	–	0.27±0.21	[54]
Россия	Арбуз1		7.1×10–3	[53]
Россия	Дыня1		1.6×10–3	[53]

¹ В оригинале данные указаны на сырую массу, пересчитаны на сухой вес.

 

Пальмовые косточки используются в различных продуктах, потребляемых людьми и животными в регионах с сухим климатом. На основе исследований, проведенных в трех районах Саудовской Аравии, показано, что коэффициенты накопления ²³²Th в этих плодах изменяются от 0.13 до 0.83 кг/кг сухой вес [54].

ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ВЕЛИЧИНУ К_Н ТОРИЯ РАСТЕНИЯМИ

Поступление тория в растения определяется большим числом факторов, связанных как с характеристиками почв, так и растений. Большая вариабельность данных далеко не всегда позволяют определить их значимость и влияние в конкретных ситуациях. В то же время данные, представленные в этой статье, позволяют выделить некоторые общие закономерности, отражающие влияние этих факторов на биологическую доступность тория в системе почва-растение.

Роль внекорневого пути загрязнения

Торий хорошо сорбируется в почвах и коэффициенты накопления его растениями довольно низки. Отмечается, что К_н Th более чем в 10 раз меньше, чем коэффициенты накопления урана и радия теми же растениями в аналогичных условиях [1]. Вследствие этого возрастает значимость внекорневого загрязнения растений, особенно тех тканей растений, которые непосредственно подвержены аэральному загрязнению [31, 36, 37, 46, 52]. Значимость этого пути загрязнения может быть особенно существенной в регионах с сухими климатом, в которых ветровой подъем приводит к существенным концентрациям тория в приземном слое атмосферы [12]. Данные, приведенные в работах [36, 37], показывают, что даже в условиях средней полосы около 75% суммарного содержания тория в растениях определяется поверхностным загрязнением. Учет поверхностного загрязнения особенно необходим в районах расположения существующих и бывших предприятий по добыче ядерного топлива [55].

Влияние характеристик почвы

Катион тория Th⁴⁺ является четырехвалентным катионом с ионным радиусом около 1 Å, что предопределяет высокие значения сорбции в почвенно-поглощающем комплексе и, соответственно, большие значения коэффициентов распределения (K_d) между твердой фазой почвы и почвенным раствором. В этих условиях особое значение приобретает перенос тория в форме коллоидных, почвенных и аэрозольных частиц. Выявлено, что K_d тория в почве достигает максимума при реакции почвенного раствора близкой к нейтральной. Влияние содержания органического вещества и оксидов Al/Fe и Mn на величину сорбции тория в почвах выражено меньше. Возможным объяснением этих закономерностей является то, что при pH больше 6.5 значительное количество нейтральных или анионных комплексов тория снижает способность тория к сорбции в почве вследствие снижения электростатического притяжения к отрицательно заряженной твердой фазе почвы [15–20].

Накопление тория различными группами растений

Растения обладают различной способностью накапливать радионуклиды, что определяет отличия в коэффициентах накопления (рис. 1 и 2). На рисунках представлена информация для территорий с умеренным и тропическим климатом, обобщенные данные, приведенные в работе Шеппарда [56], также результаты исследований, которые анализировались в настоящей работе.

 

Рис. 1. Сравнительный анализ данных по коэффициентам накопления ²³²Th сельскохозяйственными растениями.

Fig. 1. Comparative analysis of data on ²³²Th concentration ratios to agricultural plants.

 

Рис. 2. Сравнительный анализ данных по коэффициентам накопления ²³²Th природными растениями.

Fig. 2. Comparative analysis of data on ²³²Th concentration ratios to natural plants.

 

Видно, что во всех случаях наблюдаются близкие тенденции в накоплении тория растениями. Максимальные значения коэффициентов накопления отмечаются для естественной травянистой растительности, минимальные значения для кукурузы и клубнеплодов. Обобщение данных, приведенных на рис. 1 и 2 позволяет оценить геометрические средние значений К_н для рассматриваемых групп растительности, которые можно использовать для приближенных оценок содержания ²³²Th (²³⁰Th) в растениях: кукуруза (3.0×10^–5) < рис (2.5×10^–4) ≅ клуб- неплоды (2.3×10^–4 ) < корнеплоды 1.6×10^–3) ≅ ово- щи (1.9×10^–3) < зерновые (2.6×10^–3) ≅ фрукты (2.6×10^–3) ≅ культурные сеяные травы (2.5×10^–3 ) < ес- тественные травы (3.1×10^–2 ).

Отмеченные различия определяются как особенностями растений в накоплении тория из почвенного раствора, так и архитектоникой растений, определяющей аэральное загрязнение тканей растений, потребляемых человеком. Так, зерно кукурузы защищено початком, а употребляемый человеком “белый” рис получается в результате удаления верхнего слоя, содержащего большую часть радионуклидов. И, наоборот, естественные травы наиболее сильно подвержены внешнему загрязнению, которое составляет до 70% от суммарного содержания тория в естественной растительности.

Изотопные различия в накоплении тория растениями

Несмотря на то, что работы, в которых приведена информация, позволяющая оценить коэффициенты перехода трех наиболее важных изотопов тория — ²²⁸Th, ²³⁰Th, ²³²Th для одной и той же местности довольно редки, имеющееся данные позволяют сделать определенные выводы, важные с точки зрения обобщения и использования этой информации.

Данные, представленных в табл. 6–10, показывают, что коэффициенты перехода ²²⁸Th в растения существенно (в 7–8 и более раз) превышают значения К_н ²³²Th. Основной причиной различий в накопления этих изотопов тория является то, что ²²⁸Th поступает в ткани растений не только из почвы, но и в результате распада ²²⁸Ac с периодом 6.25 ч, который находится в растениях в равновесии с ²²⁸Ra. Учитывая то, что ²²⁸Ra является продуктом распада ²³²Th, а коэффициенты накопления ²²⁸Ra существенно превышают К_н ²²⁸Th, можно сделать вывод о том, что образовавшееся таким образом в тканях растений дополнительное (по сравнению с прямым поступлением тория из почвы) количество ²²⁸Th вносит вклад в увеличение суммарной концентрации этого изотопа в растениях, а следовательно и в величину К_н ²²⁸Th, который зависит от соотношения между К_н ²²⁸Ra и ²³²Th.

²³⁰Th принадлежит цепочке распада ²³⁸U, а его предшественником в этой цепочке является ²³⁴U с периодом полураспада 2.45×10⁵ лет. Несмотря на то, что в растениях кроме непосредственно тория содержатся дочерние продукты распада ²³⁸U их вклад в формирование дополнительного количества в тканях растений незначителен. Оценки, сделанные по данным работ, где имеются достаточно большие наборы данных для ²³⁰Th и ²³²Th, показывают, что отношения коэффициентов перехода, рассчитанные для этих изотопов в фруктах (район р. Аллигатор, Австралия) составили 1.1±0.45 [51], тогда как аналогичное соотношение, рассчитанное при изучении накопления изотопов тория в овощах [53], составило 1.0±0.05. В то же время определенные отличия в коэффициентах перехода могут отмечаться поскольку ²³⁰Th (как дочерний продукт ²³⁸U) и ²³²Th могут входить в состав различных минералов, отличающихся по своей устойчивости к действию факторов окружающей среды.

Концентрация тория в почве

Зависимость коэффициентов перехода тория в растения от его концентрации в почве является явлением, которое отмечается во многих публикациях [1, 30, 31, 38, 39, 56]. В критическом обзоре коэффициентов накопления для урана, тория и свинца отмечено, что коэффициенты накопления растениями природных радионуклидов часто отклоняются от линейной зависимости [57]. Этот эффект может усложнить оценку коэффициентов накопления, поскольку каждая комбинация почва–растение может иметь уникальную зависимость.

Для оценки зависимости К_н от концентрации тория в почве Шеппард предложил простое уравнение, описывающее К_н как функцию вида растений и характеристик почвы (мелкодисперсной, крупнодисперсной и органической) [57]:

$\begin{array}{c}L{g}_{10}\left(K_{\text{н}}\right)–L{g}_{10}\left(K_{\text{н}}^{\text{реф}}\right)-\mathrm{0,277}\times \\ \times \left(L{g}_{10}\left(Q_s\right)-\mathrm{0,819}\right),\end{array}$ (1)

где Q_s — концентрация тория в почве (мг/кг), для которой оценивается К_н, К_н^реф –референтный коэффициент накопления для концентрации тория в почве, равной 7 мкг/г для древесных и травянистых растений, зерновых, фруктов, овощей, корнеплодов и кормов для животных (табл. 11). Производя потенцирование обоих частей уравнения (1) его можно привести к степенной функции, то есть к виду:

$K_{\text{н}}–K_{\text{н}}^{ref}\times \mathrm{1,9}\times {\left(Q_s\right)}^{-\mathrm{0,277}}$. (2)

 

Таблица 11. Референтные коэффициенты накопления для концентрации тория в почве, равной 7 мкг/г [56]

Table 11. Reference concentration ratios for thorium concentration in soil equal to 7 µg/g [56]

Растения	Почвы
	мелкодисперсные	крупнодисперсные	органические
Природные виды
Деревья	2.2×10–3	2.4×10–2	2.2×10–2
Кустарники	—	9.5×10–3	2.2×10–2
Однолетние травы	7.6×10-3	—
Культурные растения
Зерновые	1.4×10–3	3.0×10–2
Фрукты	2.5×10–3
Овощи	8.2×10–3	5.0×10–4
Корнеплоды	2.5×10–3	2.0×10–2
Кормовые травы	8.4×10–3	5.3×10–4

 

Данные, представленные в настоящей статье, позволяют оценить адекватность этого подхода и предложить варианты его совершенствования.

Зависимость К_н ²³²Th дикорастущими травами от концентрации радионуклида в почве приведена на рис. 3. Из представленных данных видно, что рассматриваемая зависимость с высокой степенью достоверности (R²–0.8) может быть описана экспоненциальной функцией. Использование степенной функции также дает хороший результат, хотя качество аппроксимации данных (R²–0.68) ниже. На рис. 3 также показано уравнение, описывающее К_н тория однолетними травянистыми растениями от концентрации его в почве, предложенное в работе [56]. Видно, что в области концентраций Th в почве меньших 1000 Бк/кг, кривая, соответствующая уравнению (1), лежит существенно ниже данных, представленных в настоящем обзоре. На рис. 3 также выделены данные, относящиеся к пробам дикорастущих растений, которые были отмыты, и культурным травам (люцерне). Видно, что эти значения лежат вне (существенно ниже) доверительных интервалов, но довольно близки к кривой, предложенной в работе [56].

 

Рис. 3. Зависимость коэффициентов накопления ²³²Th природными травами от концентрации ²³²Th в почве. Данные работы [36] для люцерны и отмытой пастбищной растительности выделены кругами.

Fig. 3: Variations of the concentration ratios of ²³²Th to natural grasses with concentrations of ²³²Th in the soil. The data of [36] for alfalfa and washed pasture grass are highlighted by the circles.

 

Представленные данные также показывают, что более высокие значения коэффициента перехода в травы наблюдаются в странах с сухими климатическими условиями, в то время как в странах с влажным климатом эти значения довольно низки.

Зависимость коэффициентов накопления ²³²Th мхами от его концентрации в почве показана на рис. 4. Данные о коэффициентах накопления тория мхами включают информацию, полученную на территориях с фоновым содержанием тория [45], в регионе ториевой провинции в Норвегии [45] и в зоне с промежуточными концентрациями тория в Малайзии [38]. Видно, что данные хорошо описывается степенной функцией, причем параметры соотношений, описывающих снижение К_н тория с ростом его содержания в почве, рассчитанные на основе всех данных, приведенных в настоящей публикации (рис. 4, А), и включающих только данные исследований в регионе с фоновыми концентрациями тория в почве (рис. 4, Б), довольно близки.

 

Рис. 4. Зависимость коэффициентов накопления ²³²Th мхами от концентрации ²³²Th в почве. А – все данные, Б — данные только работы [37]

Fig. 4. Variations of the concentration ratios of ²³²Th to mosses with concentrations of ²³²Th in the soil. A — all data, B — data from [37]

 

Информации для корректной оценки аналогичных зависимостей для других видов растений недостаточно, а имеющиеся в литературе данные в большинстве случаев ограничиваются диапазоном фоновых концентраций тория в почве. В качестве примера имеющихся данных на рис. 5 приведены зависимости К_н овощами, выращиваемые на участке с содержанием тория от 10 до 50 Бк/кг и фруктами в районе расположения р. Аллигатор (Австралия). Зависимость К_н от концентрации тория в почве в обоих случаях описывается степенной функцией, при этом параметры этих функций для овощей и фруктов довольно близки. В то же время качество аппроксимации этих данных невысоко, так как коэффициент детерминации (R²) аппроксимации этих данных степенной функцией не превышает 0.42.

 

Рис. 5. Зависимость коэффициентов накопления ²³²Th овощами и фруктами от концентрации ²³²Th в почве.

Fig. 5. Variations of the concentration ratios of ²³²Th to vegetables and fruits with concentrations of ²³²Th in the soil.

 

Представленные результаты позволяют сделать вывод, что зависимость К_н от концентрации тория в почве носит нелинейный характер, что ограничивает непосредственное обобщение данных без дополнительного анализа. Отметим, что нелинейность коэффициентов накопления, по-видимому, не связана с фитотоксичностью тория и других сопутствующих радионуклидов, так как высокие значения К_н отмечаются и для концентраций тория ниже природного фона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поведение тория в наземной среде во многом определяется его низкой подвижностью в почве. Органические почвы характеризуется наименьшими коэффициентами перехода, а песчаные, суглинистые и глинистые почвы существенно не отличаются друг от друга. Эта закономерность несколько отличается от того, что можно было бы ожидать на основе данных по K_d, и позволяет предположить, что другие факторы, такие как pH почвы, тип растительности и особенности технологии возделывания сельскохозяйственных культур, также оказывают большое влияние на поступление тория из почвы в растения. Учитывая низкие значения коэффициентов накопления, важное значение с точки зрения переноса тория по пищевым цепочкам имеет внекорневое загрязнение растений частицами пыли или почвы. Наиболее высокие значения коэффициентов накопления (более 1.0×10^–2) отмечаются для дикорастущей травянистой растительности, а наиболее низкие значения (10^–4-10^–5) характерны для кукурузы, зерна риса и клубнеплодов. Овощи, зерновые и фрукты занимают в этом ряду промежуточное положение. Механизмы корневого накоплении растениями изотопов тория ²²⁸Th, ²³⁰Th и ²³²Th существенно отличаются, что определяет необходимость учета вклада предшественников в цепочках распада ²³⁸U и ²³²Th при оценке К_н этих изотопов растениями. Коэффициент накопления, основанный на предположении о наличии линейности между концентрацией радионуклидов в растениях и почве, является наиболее простым подходом к оценке поступления радионуклидов в растения и не учитывает ряд важных закономерностей, определяющих содержание тория в растительности.

БЛАГОДАРНОСТИ

Данные исследования выполнены в рамках фундаментальных и прикладных исследований по Программе деятельности федерального государственного бюджетного учреждения “Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт” на 2023–2027 годы (комплексная тема 5П.7. “Прикладные генетические и биотехнологические исследования для сельского хозяйства”). Авторы выражают свою признательность рецензентам за тщательное прочтение рукописи и ценные замечания.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов при выполнении работы и подготовки данной статьи.

 

¹ Названный “Количественная оценка переноса радионуклидов в наземной и пресноводной средах для радиологических оценок”.

² Отходами тепловой станции.

³ Геометрические стандартные отклонения даны в скобках.

作者简介

Sergey Fesenko

NRC “Kurchatov Institute” — Russian Research Institute of Radiology and Agroecology

编辑信件的主要联系方式.
Email: Corwin_17F@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1238-3689

Chief researcher

俄罗斯联邦, 249035 Kaluga Region, Obninsk, Kievskoye shosse, 1, bldg. 1

Evgeniya Emlyutina

NRC “Kurchatov Institute” — Russian Research Institute of Radiology and Agroecology

Email: Corwin_17F@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8660-8679

Researcher

俄罗斯联邦, 249035 Kaluga Region, Obninsk, Kievskoye shosse, 1, bldg. 1

参考

补充文件

Statistics

Dimensions

Article Metrics

PlumX