Интенсивность накопления урана-238 представителями разных экологических уровней экосистемы р. Енисей | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2016. № 2 (34).

Интенсивность накопления урана-238 представителями разных экологических уровней экосистемы р. Енисей

В результате многолетних исследований (2010-2013) получены данные по накоплению урана-238 в гидробионтах разных трофических уровней экосистемы р. Енисей. Пробы водного мха (Fointinalis antipyretica), зообентоса (Philolimnogammarus viridis и Ph. Cyaneus), сибирского хариуса (Thymallus arcticus) и щуки (Esox lucius) отбирали в районе ранее зарегистрированного повышенного содержания урана в воде р. Енисей (вблизи радиоактивных сбросов Горно-химического комбината Росатома). Показано, что уран способен эффективно накапливаться из воды в биомассе всех исследованных гидробионтов. Максимальные коэффициенты накопления (КН) урана получены для водного мха, что многократно превышает КНурана для зообентоса и мышечной ткани рыб. Средние значения КН урана для зообентоса статистически значимо превышают КН в мышцах рыб за весь период наблюдения. Не выявлено статистически значимых отличий в накоплении урана рыбами разного трофического уровня (хариус и щука).

Accumulation of uranium-238 by representatives of different ecological levels in the Yenisei River ecosystem.pdf Введение В результате деятельности предприятий ядерно-топливного цикла, предприятий по обогащению и переработки полиметаллических руд в окружающую среду поступают значительные количества соединений урана. Уран - металл семейства актинидов, в природе находится в виде смеси из трёх изотопов (уран-238, уран-235 и уран-234), которые являются альфа-излучателями. Токсическое влияние урана на живые организмы основывается как на радиоактивных свойствах, так и на химическом воздействии на обмен веществ. На берегу р. Енисей расположены крупнейшие промышленные предприятия Красноярского края, в том числе предприятия ядерно-топливного цикла Росатома (Горно-химический комбинат и Электрохимический завод). Ранее в пробах воды и донных отложениях р. Енисей вблизи Горно-химического комбината (ГХК) зарегистрированы повышенные по сравнению с фоновыми районами концентрации урана-238 [1-2]. Показано [2], что миграционная способность урана в донных отложениях р. Енисей превышала миграционную способность многих техногенных радионуклидов на расстоянии до 250 км по течению реки от ГХК. Эти данные свидетельствуют о более высокой миграционной способности и биодоступности урана по сравнению с другими радионуклидами в экосистеме р. Енисей. Ранее в гидробионтах р. Енисей зарегистрирован широкий перечень техногенных радионуклидов, включая трансурановые элементы [3-6], однако содержанию изотопов урана в гидробионтах не уделялось должного внимания. По литературным данным [7-8], растворенный в воде уран может накапливаться в звеньях трофических сетей и потому представляет опасность для жизнедеятельности гидро-бионтов. Цель исследования - сравнительная оценка интенсивности накопления урана-238 в биомассе гидробионтов, занимающих разные трофические уровни в экосистеме р. Енисей. Материалы и методики исследования Пробы гидробионтов (макрофитов, зообентоса и ихтиофауны) и воды отбирали на участке р. Енисей, расположенном на расстоянии 85-90 км по течению реки от г. Красноярска (5-10 км от места сброса вод ГХК), с 2010 по 2013 г. Пробы гидробионтов и воды отбирали в период с июня по октябрь. В работе использован один из доминирующих на исследуемом участке реки видов макрофитов - водный мох Fointinalis antipyretica Hedw. Из представителей зообентоса использовали массовые виды гаммарид: Philolimnogamma-rus viridis Dyb. и Ph. cyaneus Dyb. Пробы макрофитов и зообентоса готовили для дальнейших исследований, как описано нами ранее [5]. Для исследования использовали два фоновых вида рыб, обитающих на среднем участке р. Енисей: сибирского хариуса (Thymallus arcticus P.) и щуку (Esox lucius L.). После отлова рыбу замораживали и хранили при -30°С. Биологический анализ рыб проводился по стандартным методикам [9]. Для одной пробы использовали от 1 до 24 экз. рыб, параметры выборок приведены в табл. 1. Тела рыб разделывали на органы и ткани, для данного исследования мышцы выделяли в отдельную пробу. Пробы биоты сушили до постоянной массы при 105°С и затем озоляли в муфельной печи ПМ-1,0-20 (НПП «Теплоприбор», Россия) при 450°С. Содержание урана-238 в биомассе гидробионтов (в мг/кг сухой массы) определяли инструментальным нейтронно-активационным анализом на исследовательском реакторе ФГАОУ ВО НИ ТПУ (г. Томск). Пробы воды после отбора консервировали азотной кислотой, фильтровали через фильтр «синяя лента». Содержание урана-238 в воде р. Енисей (в мг/л) определяли методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на приборе Agilent 7500a. В качестве ошибок средних величин приведены стандартные ошибки среднего (SE). Коэффициенты накопления (КН) урана гидробион-тами из воды рассчитывали как отношение концентрации урана в биомассе гидробионта к его концентрации в воде р. Енисей. Статистическую значимость различий средних определяли по двухвыборочному t-критерию для независимых выборок с разной дисперсией. Статистическая обработка полученных данных выполнена в программе Excel из пакета Microsoft Office 2013. Т а б л и ц а 1 [Table 1] Биологическая характеристика выборок рыб [Biological characterization of fish sampling] Год отбора Полная длина Полная масса Вид проб Число экз. рыб, см рыб, кг Возраст [Species] [Year of [Number] [Total fish length, [Total fish [Age] sampling] cm] weight, kg] Thymallus arcticus 2010 23 18-27 0,04-0,18 1+-2+ 2011 13 23-28 0,11-0,20 2+-3+ 2012 36 19-33 0,06-0,33 5+-4+ Esox lucius 2010 3 13-14 0,17-0,18 1+-2+ 2011 2 31-40 0,20-0,44 3+-4+ 2012 10 34-51 0,28-1,10 3+-5+ 2013 4 52-57 0,85-1,24 6+ Результаты исследования и обсуждение Содержание урана-238 в гидробионтах р. Енисей. Содержание ура-на-238 в биомассе представителей экосистемы р. Енисей приведено в табл. 2. Из рассмотренных гидробионтов в биомассе водного мха зарегистрированы максимальные значения концентрации урана (2,4 мг/кг). Представители водных мхов, в частности рода Fontinalis, накапливают высокие концентрации стабильных и радиоактивных изотопов металлов из воды [5, 10, 11]. В ряде работ отмечали более высокую способность водного мха накапливать уран-238 по сравнению с другими погруженными макрофитами, что позволяет использовать его как объект для биомониторинга [12, 13]. Преимущество мхов в накоплении микроэлементов из воды объясняется их морфологическими и физиологическими особенностями. Из-за отсутствия корневой системы водный мох, прикрепившись ризоидами к камням, поглощает элементы минерального питания, а также тяжёлые металлы и радионуклиды путём ионного обмена между растением и водной средой. Представители отряда амфипод, к которым относятся использованные в нашем исследовании виды гаммарид (Ph. viridis и Ph. cyaneus), благодаря способности аккумулировать в своей биомассе тяжёлые металлы и микроэлементы могут использоваться как виды-индикаторы в биомониторинге антропогенного загрязнения водных экосистем [14]. Гаммариды среди исследованных нами гидробионтов занимают промежуточный уровень по содержанию урана в своей биомассе (0,3 мг/кг), что ниже, чем у водного мха (2,4 мг/кг), но превышает содержание урана в мышцах рыб. По данным Szefer et. al., 1990 [15], содержание урана в биомассе морских бентосных ракообразных (Mesidothea entomon) также выше, чем в мышцах рыб (треска). Т а б л и ц а 2 [Table 2] Содержание урана-238 (мг/л и мг/кг сухой массы) и коэффициентов накопления из воды в гидробионтах р. Енисей [Uranium-238 content (mg/l and mg/kg of dry weight) and concentration factors (CFs) from water in aquatic organisms of the Yenisei river] Год [Year] Вода, х10-3 мг/л [Water, х10-3 mg/l] Fointinalis antipyretica Philolimno-gammarus viridis, Ph. cyaneus Thymallus arcticus, мышцы [muscles] Esox lucius, мышцы [muscles] 2010 Уран-238 [uranium-238] 0,81±0,25 0,93±0,41 0,52-1,35 0,21±0,04 0,16-0,25 0,07±0,04 0,02-0,15 0,02 КН [CFs] 1160±510 640-1670 260±50 200-310 90±50 20-180 21 n 10 2 2 3 1 2011 Уран-238 [uranium-238] 0,29±0,08 1,73±0,20 1,29-2,41 0,19±0,05 0,12-0,30 0,02 0,01 КН [CFs] 5920±680 4420-8270 650±190 410-1020 25 34 n 31 5 3 1 1 2012 Уран-238 [uranium-238] 0,48±0,27 1,59±0,17 1,02-1,93 0,26±0,04 0,19-0,32 0,95) превышают КН в мышцах рыб (32-70) за весь период наблюдения. Этот результат согласуется с данными для ракообразных - КН урана из воды морским тараканом в 10 раз превышал КН урана в мышцах рыб [15]. Согласно ранее полученным данным для енисейского хариуса, накопление техногенных радионуклидов в телах рыб происходит более активно из воды, чем из пищи [21]. В нашей работе мы не получили статистически значимых различий в накоплении урана при изменении трофического уровня рыбы, хотя ранее в работе Pantelica et. al. [16] показано, что у хищных рыб коэффициенты накопления урана из воды р. Дунай ниже, чем у бентофа-гов. Полученные нами КН урана для мышц рыб сравнимы (при переводе на сырую массу) со значениями, рекомендованными МАГАТЭ для съедобных частей пресноводных рыб. Так, КН урана в мышцах большинства проб енисейских рыб составили 32-70, а значения КН урана по данным МАГАТЭ -10 (IAEA-364) [22]. Эффективность накопления урана в мышцах енисейского хариуса сравнима с накоплением техногенного радионуклида цезий-137 [21]. Таким образом, по интенсивности накопления урана из воды все исследуемые гидробионты р. Енисей могут быть ранжированы следующим образом: водный мох > гаммариды > хариус ~ щука. Заключение Исследования показали, что представитель автотрофного звена экосистемы р. Енисей - водный мох - накапливает максимальные концентрации урана-238 в своей биомассе. По мере продвижения по трофическим уровням экосистемы концентрации урана в биомассе гидробионтов снижались. Гаммариды как консументы первого порядка в рассматриваемой трофической цепи занимали второе место по содержанию урана, а представители ихтиофауны - консументы второго порядка и терминальное звено данной экологической цепи - третье. Оценка коэффициентов накопления урана показала, что уран из воды способен эффективно накапливаться в биомассе всех исследованных гидробионтов реки. Наиболее высокие КН урана получены для водного мха, где максимальный КН урана достигает 8 270, что многократно превышает максимальные КН для гамммарид (1020) и мышечной ткани рыб (42-180). Не выявлено статистически значимых отличий в накоплении урана рыбами разного трофического уровня (хариус и щука). Полученные КН урана сопоставимы с опубликованными значениями КН техногенных радионуклидов для водного мха и рыб р. Енисей.

Ключевые слова

коэффициент накопления, трофическийуровень, Fointinalis antipyretica, Thymallus arcticus, Philolimnogammarus viridis, Philolimnogammarus cyaneus, Esox lucius, concentration factor, trophic level, Fointinalis antipyretica, Thymallus arcticus, Philolimnogammarus viridis, Philolimnogammarus cyaneus, Esox lucius

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Трофимова Елена АлександровнаИнститут биофизики СО РАНм.н.с. лаборатории радиоэкологииe.trofimova11@yandex.ru
Болсуновский Александр ЯковлевичИнститут биофизики СО РАНд-р биол. наук, зав. лаборатории радиоэкологииradecol@ibp.ru
Дементьев Дмитрий ВладимировичИнститут биофизики СО РАНканд. биол. наук, н.с. лаборатории радиоэкологииdementyev@gmail.com
Карпов Антон ДмитриевичИнститут биофизики СО РАНинж. лаборатории радиоэкологииkasta_anton@mail.ru
Всего: 4

Ссылки

Болсуновский А.Я., Жижаев А.М., Сапрыкин А.И., Дегерменджи А.Г., Рубайло А.И. Первые данные по содержанию урана в воде бассейна реки Енисей в зоне влияния предприятий Росатома // Доклады Академии наук. 2011. Т. 439, № 3. С. 383-388.
Болсуновский А.Я., Дегерменджи А.Г. Сравнение миграционной способности урана и техногенных радионуклидов в донных отложениях реки Енисей // Доклады Академии наук. 2013. Т. 448, № 5. С. 571-575.
Болсуновский А.Я., Суковатый А.Г. Радиоактивное загрязнение водных организмов реки Енисей в зоне влияния Горно-химического комбината // Радиационная биология. Радиоэкология. 2004. Т. 44, № 3. С. 361-366.
BolsunovskyA., BondarevaL. Actinides and other radionuclides in sediments and submerged plants of the Yenisei River // Journal of alloys and compounds. 2007. № 444-445. РР. 495499.
Зотина Т.А., Трофимова Е.А., Болсуновский А.Я., Анищенко О.В. Эффективность трофического переноса радиоактивных и стабильных изотопов металлов к рыбам-бентофагам р. Енисей // Journal of Siberian Federal University. Biology. 2013. Т. 6, № 1. С. 96-107.
Трофимова Е.А., Зотина Т.А., Дементьев Д.В., Болсуновский А.Я.Накопление техногенных радионуклидов хищными и мирными рыбами реки Енисей // Вопросы радиационной безопасности. 2014. № 4. С. 55-61.
Swanson S.M. Food-chain transfer of U-series radionuclides in a northern Saskatchewan aquatic system // Health physics. 1985. Vol. 49, № 5. РР. 747-770.
Kraemer L.D., Evans D. Uranium bioaccumulation in freshwater ecosystem: Impact of feeding ecology // Aquatic Toxicology. 2012. № 124-125. РР. 163-170.
Вышегородцев А.А., Скопцова Г.Н., Чупров С.М., Зуев И.В. Практикум по ихтиологии: учеб. пособие. Красноярск : КрасГУ, 2002. 127 с.
Bolsunovsky A. Artificial radionuclides in aquatic plants of the Yenisei river in the area affected by effluents of a Russian plutonium complex // Aquatic ecology. 2004. № 38. РР. 57-62.
Bolsunovsky A. Chemical Fraction of radionuclides and stabile elements in aquatic plants of the Yenisei River // Environmental science technology. 2011. № 45. РР. 7143-7150.
Pratas J., Favas P.J.C., Paulo C., Rodrigues N., Prasad M.N.V. Uranium accumulation by aquatic plants from uranium-contaminated water in central Portugal // International Journal of phytoremediation. 2012. № 14. РР. 221-234.
Favas P.J.C., Pratas J., Varun M., D'Souza R., Paul M.S. Accumulation of uranium by aquatic plants in field conditions: Prospects for phytoremediation // Science of the total environment. 2014. № 470-471. РР. 993-1002.
Zhou Q., Zhang J., Fu J., Shi J., Jiang G. Biomonitoring: an appealing tool of assessment of metal pollution in the aquatic ecosystem // Analytica chimica acta. 2008. № 606. РР. 135150.
Szefer P., Szefer K., Falandysz J. Uranium and thorium in muscle tissue of fish taken from the southern Baltic // Helgolander Meeresunters. 1990. № 44. РР. 31-38.
Pantelica A., Ene A., Georgescu I.I. Instrumental neutron activation analysis of some fish species from Danube River in Romania // Microchemical Journal. 2012. № 103. РЕ 142147.
SkipperudL., Stromman G., Yunusov M., StegnarP., Uralbekov B., Tilloboev H., Zjazjev G., Heier L.S., Rosseland B.O., Salbu B. Environmental impact assessment of radionuclides and metal contamination at the U sites Taboshar and Digmai, Tajikistan // Journal of Environmental Radioactivity. 2013. № 123. РР 50-62.
Stromman G., Rosseland B.O., Skipperud L., Burkibaev L.M., Uralbekov B., Heier L.S., Salbu B. Uranium activity ratio in water and fish from pit lakes in Kurday, Kazakhstan and Taboshar, Tajikistan // Journal of Environmental Radioactivity. 2013. № 123. РР 71-78.
Swanson S.M. Levels of 226Ra, 210Pb and total U in fish near a Saskatchewan uranium mine and mill // Health physics. 1983. Vol. 45, № 1. РР. 67-80.
Waite D.T. The effect of uranium mine tailings on radionuclide concentrations in Langley Bay, Saskatchewan, Canada // Arch. Environ. Contam. Toxicol. 1988. № 17. РР. 373-380.
Зотина Т.А., Трофимова Е.А., Болсуновский А.Я. Радионуклиды в хариусе сибирском на радиационно загрязнённом участке среднего течения р. Енисей // Радиационная биология. Радиоэкология. 2012. Т. 52, № 3. С. 305-311.
IAEA 1994, Handbook of parameter values for the prediction of radionuclide transfer in temperate environments // IAEA Technical Reports Series No. 364. International Atomic Energy Agency, IAEA, Austria, Vienna.
 Интенсивность накопления урана-238 представителями разных экологических уровней экосистемы р. Енисей | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2016. № 2 (34).

Интенсивность накопления урана-238 представителями разных экологических уровней экосистемы р. Енисей | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2016. № 2 (34).