Accumulation Ability of Hydrobionts and Suspended Matter in Relation to Plutonium Radioisotopes in Coastal Waters (Sevastopol Bay, the Black Sea)
The accumulation ability of marine ecosystems biotic and abiotic components is one of the water masses self-purification mechanisms. Hydrobionts and suspended matter accumulate anthropogenic substances from the water, thereby contributing to its self-purification. It is important to study the quantitative characteristics of this process in order to assess the ecological state of aquatic ecosystems and a possible impact of anthropogenic substances on marine organisms and ensure their protection. Anthropogenic substances entering the water systems include technogenic radionuclides. Among them, the plutonium radioisotopes 239+240Pu occupy a special place. Being long-lived alpha-emitting radioisotopes, 239+240Pu are especially dangerous if they enter inside the organism. Therefore, it is required to assess hydrobionts accumulation ability in relation to these radioisotopes, and the dose loads that they create on marine biota. This study was carried out in Sevastopol Bay of the Black Sea which was subjected to pollution by anthropogenic radionuclides and is currently serving as a model object for studying the redistribution of 239+240Pu in marine coastal ecosystems. This work was aimed to assess the accumulation ability of hydrobionts and suspended matter in relation to plutonium and the dose loads created by 239+240Pu on marine organisms, representatives of different trophic levels, based on determining the 239+240Pu activity concentration in the components of the bay ecosystem. Representatives of multicellular brown and green algae, bivalves, demersal and pelagic fish, crabs and zooplankton of the subclass Copepoda were studied. The 239+240Pu activity concentration in the ecosystem components was determined by standard radiochemical methods and alpha-spectrometry. The accumulation ability of hydrobionts and suspended matter in relation to 239+240Pu was estimated by the concentration factors (Cf). The dose loads on marine biota were calculated using the ERICA Assessment Tool 2.0 software package. It was found that suspended matter has the highest accumulation ability among the studied components (Cf239+240Pu - n105), as well as bivalve mollusks, perennial multicellular brown algae and pelagic predatory fish among the studied hydrobionts (Cf239+240Pu - n103). It is concluded that the processes of plutonium redistribution in the bay lead to its deposition in the bottom sediments and long-term biotic components of the bay. At the same time, 239+240Pu are not removed from the ecosystem and, under certain conditions, they can enter the water as secondary pollution. The critical links of the trophic chain in the bay ecosystem according to the dose loads are determined for the link of primary producers: phytoplankton and perennial brown algae, for consumers of the first order - bivalve mollusks, for consumers of the second order - pelagic predatory fish. The paper contains 5 Figures, 1 Tables, and 48 References. The Authors declare no conflict of interest.
Keywords
plutonium radioisotopes,
hydrobionts,
Sevastopol Bay,
concentration factors,
dose loadsAuthors
| Paraskiv Artem A. | A.O. Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas of RAS | paraskiv@ibss-ras.ru |
| Tereshchenko Nataliya N. | A.O. Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas of RAS | ntereshchenko@yandex.ru |
| Proskurnin Vladislav Yu. | A.O. Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas of RAS | v_proskurnin@ibss-ras.ru |
| Chuzhikova-Proskurnina Olga D. | A.O. Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas of RAS | olga88.chp@ya.ru |
| Trapeznikov Alexander V. | Institute of Plant and Animal Ecology Ural Branch of the Russian Academy of Sciences | vera_zar@mail.ru |
| Plataev Anatoliy P. | Institute of Plant and Animal Ecology Ural Branch of the Russian Academy of Sciences | ty1985@mail.ru |
Всего: 6
References
Paraskiv A.A., Tereshchenko N.N., Proskurnin V.Yu., Chuzhikova-Proskurnina O.D. Change in plutonium sedimentation fluxes into the bottom sediments of the Sevastopol Bay before and after the Chernobyl NPP accident // Marine Biological Journal. 2021. Vol. 6, № 2. PP. 69-82.>
Супрунович А.В., Макаров Ю.Н. Культивируемые беспозвоночные. Пищевые беспозвоночные: мидии, устрицы, гребешки, раки, креветки / отв. ред. В.Н. Золотарев. Киев: Наук. думка, 1990. 264 с.>
IAEA - International Atomic Energy Agency. Sediment Kds and Concentration Factors for Radionuclides for Biota in the Marine Environment // Technical Reports Series No. 247. Vienna, 1985. 73 p.>
Tereshchenko N.N., Mirzoeva N.Yu., Gulin S.B., Milchakova N.A. Contemporary radioecological state of the North-Western Black Sea and the problems of environment conservation // Marine Pollution Bulletin. 2014. Vol. 81, № 1. PP. 7-23.>
Финенко Г.А., Романова З.А., Аболмасова Г.И., Дацык Н.А., Аннинский Б.Е. Mnemiopsis leidyi: скорость питания гребневиков в море и пищевой пресс популяции на кормовой зоопланктон // Морской экологический журнал. 2010. Т. 9, № 1. С. 73-83.>
Brown J.E., Alfonso B., Avila R., Beresford N.A., Copplestone D., Hosseini A. A new version of the ERICA tool to facilitate impact assessments of radioactivity on wild plants and animals // Journal of Environmental Radioactivity. 2016. Vol. 153. PP. 141-148.>
Поликарпов Г.Г. Радиоэкология морских организмов. М.: Атомиздат, 1964. 295 с.>
Трапезников А.В. 60Со, 90Sr, 137Cs и 239,240Pu в пресноводных экосистемах. М.: Обракадемнаука, 2010. 510 с.>
ISO 11929:2010 Determination of the characteristic limits (decision threshold, detection limit and limits of the coverage interval) for measurements of ionizing radiation // Fundamentals and application. 2019. 68 p.>
Методика измерений активности плутония-239, 240, 238 в пробах окружающей среды с радиохимическим концентрированием в ФГБУ НПО "Тайфун". 2015. 25 с.>
Sanchez-Cabeza J.A., Merino J., Masque P., Mitchell P.I., Vintro L.L., Schell W.R., Cross L., Calbet A. Concentrations of plutonium and americium in plankton from the western Mediterranean Sea // Science of the Total Environment. 2003. Vol. 311, № 1-3. PP. 233-245.>
Wilson R.C., Watts S.J., i Batlle J.V., McDonald P. Laboratory and field studies of polonium and plutonium in marine plankton // Journal of Environmental Radioactivity. 2009. Vol. 100, № 8. PP. 665-669.>
Merino J., Sanchez-Cabeza J., Pujol L., Leonard K., McCubbin D. Plutonium activity ratios in plankton: new evidence of hold-up time in Irish Sea sediments // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 2000. Vol. 243, № 2. PP. 517-524. doi: 10.1023/a:1016067206948.>
Малахова Л.В., Скуратовская Е.Н., Малахова Т.В., Болтачев А.Р., Лобко В.В. Хлорорганические соединения в ерше Scorpaena porcus Linnaeus, 1785 в акватории Севастополя (Черное море): пространственное распределение и биологический отклик на уровень накопления загрязнителей // Морской биологический журнал. 2018. Т. 3, № 4. С. 51-63.>
Chelyadina N., Pospelova N., Popov M. Effects of environmental factors on changing sex structure of cultivated mussels (Mytilus galloprovincialis, Lamarck, 1819) in the coastal zone of the Black Sea // International Review of Hydrobiology. 2021. Vol. 106, № 3-4. PP. 183-190.>
Скуратовская Е.Н., Дорошенко Ю.В., Алёмова А.С., Ковалева М.А. Биоиндикационная оценка экологического состояния прибрежных акваторий г. Севастополя // Актуальные вопросы биологической физики и химии. 2020. Т. 5, № 3. С. 517-523.>
Трощенко О.А., Субботин А.А., Еремин И.Ю. Изменчивость основных лимитирующих факторов среды в процессе выращивания двустворчатых моллюсков на ферме в районе Севастополя // Ученые записки Крымского федерального университета им. В.И. Вернадского. География. Геология. 2019. Т. 5, № 2. С. 308-321.>
ICRP - International Commission on Radiological Protection. Publication 114. Environmental Protection: Transfer Parameters for Reference Animals and Plants // Annals of the ICRP. 2009. 111 p.>
Современное состояние биоразнообразия прибрежных вод Крыма (Черноморский сектор) / под ред. В. Н. Еремеева, А. В. Гаевской. Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2003. 511 с.>
Промысловые биоресурсы Черного и Азовского морей / под ред. В. Н. Еремеева, А.В. Гаевской, Г.Е. Шульмана, Ю.А. Загородной. Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2011. 367 с.>
Иванов В.А., Овсяный Е.И., Репетин Л.Н., Романов А.С., Игнатьева О.Г. Гидрологогидрохимический режим Севастопольской бухты и его изменения под воздействием климатических и антропогенных факторов. Севастополь: МГИ НАН Украины, 2006. 90 с.>
ICRP - International Commission on Radiological Protection. Publication 108. Environmental Protection: the Concept and Use of Reference Animals and Plants // Annals of the ICRP. 2009. 251 p.>
Орехова Н.А., Вареник А.В. Современный гидрохимический режим Севастопольской бухты // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 2. С. 134-146.>
Костова С.К., Егоров В.Н., Поповичев В.Н. Многолетние исследования загрязнения ртутью Севастопольских бухт (Чёрное море) // Экология моря. 2001. Вып. 56. С. 99103.>
Малахова Л.В. Распределение полихлорированных бифенилов в поверхностном слое донных осадков Севастопольской бухты (Чёрное море) // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2005. Вып. 12. С. 268-272.>
Tereshchenko N.N., Gulin S.B., Proskumin V.Yu. Distribution and migration of 239+240Pu in abiotic components of the Black Sea ecosystems during the post-Chernobyl period // Journal of Environmental Radioactivity. 2018. Vol. 188. PP. 67-78.>
Егоров В.Н., Гулин С.Б., Малахова Л.В., Мирзоева Н.Ю., Поповичев В.Н., Терещенко Н.Н., Лазоренко Г.Е., Плотицына О.В., Малахова Т.В., Проскурнин В.Ю., Сидоров И.Г., Стецюк А.П., Гулина Л.В., Марченко Ю.Г. Биогеохимические характеристики седиментационного самоочищения Севастопольской бухты от радионуклидов, ртути и хлорорганических загрязнителей // Морской биологический журнал. 2018. Т. 3, № 2. С. 40-52.>
Терещенко Н.Н. Влияние трофности морских вод на миграцию и депонирование техногенных радионуклидов плутония // Журнал Сибирского федерального университета. Биология. 2017. Т. 10, № 1. С. 20-34.>
Sazykina T.G., Kryshev A.I. Lower thresholds for lifetime health effects in mammals from high-LET radiation -Comparison with chronic low-LET radiation // Journal of Environmental Radioactivity. 2016. Vol. 165. PP. 227-242. 10.1016/j.j envrad.2016.10.013.>
Hirose K. Plutonium in the ocean environment: its distributions and behavior // Journal of Nuclear and Radiochemical Sciences. 2009. Vol. 10, № 1. PP. 1_R7-1_R16.>
ICRP - International Commission on Radiological Protection. Publication 103. Annals ICRP 37(2-4). Amsterdam: Elsevier, 2007. 264 p.>
Р52.18.820-2015 "Оценка радиационно-экологического воздействия на объекты природной среды по данным мониторинга радиационной обстановки" / Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации, Роскомгидромет. Обнинск, 2015. 65 с.>
Rozhkova A.K., Kuzmenkova N.V., Pryakhin E.A., Mokrov Y.G., Kalmykov S.N. Artificial radionuclides association with bottom sediment components from Mayak Production Association industrial reservoirs // Journal of Environmental Radioactivity. 2021. Vol. 232. PP. 106569.>
Rissanen K., Ikaeheimonen T.K., Matishov D.G., Matishov G.G. Radioactive cesium, cobalt and plutonium in biota, algae and sediments in the nonrestricted areas of the Russian Arctic Seas // International Atomic Energy Agency. 1999. № IAEA-TECDOC-1094. P. 12.>
Кузьменкова Н.В., Власова И.Э., Рожкова А.К., Романчук А.Ю., Петров В.Г., Калмыков С.Н., Осипов Д.И., Пряхин Д.А., Плямина О.В., Грачев В.А., Алексахин А.И., Мокров Ю.Г. Распределение радионуклидов между биотическими и абиотическими компонентами радиоактивно-загрязнённых водоёмов В-17 и В-4 // Вопросы радиационной безопасности. 2017. Т. 1. С. 54-66.>
Johansen M.P., Anderson D., Child D., Hotchkis M.A., Tsukada H., Okuda K., Hinton T.G. Differentiating Fukushima and Nagasaki plutonium from global fallout using 241Pu/239Pu atom ratios: Pu vs. Cs uptake and dose to biota // Science of The Total Environment. 2021. Vol. 754. P. 141890.>
Voigt G.M., Semiochkina N., Dodd B., Howard B.J., Karabalin B., Mukuschewa M., Rosner G., Sanchez A., Sinleton D.L., Strand R. The present radiological situation at the nuclear weapons test site at Semipalatinsk in Kazakhstan with regard to plutonium contamination // Radioactivity in the Environment. 2001. Vol. 1. PP. 363-373. 10.1016/S1569-4860(01 )80024-3.>
Hamilton T.F., Martinelli R.E., Kehl S.R., McAninch J.E. The plutonium isotopic composition of marine biota on Enewetak Atoll: a preliminary assessment // Journal of Environmental Monitoring. 2008. Vol. 10. P. 1134.>
Fowler S., Heyraud M., Beastley T.M. Experimental Studies on Plutonium Kinetics in Marine Biota // Impacts of Nuclear Releases into the Aquatic Environment. Vienna, 1975. 157 p.>
Thompson M.A. Plutonium in the aquatic environment around the Rocky Flats facility // Impacts of Nuclear Releases into the Aquatic Environment. Vienna, 1975. 157 p.>
Hetheington J.A., Jefferies D.F., Lovett M.B. Some investigations into the behavior of plutonium in the marine environment // Impacts of Nuclear Releases into the Aquatic Environment. Vienna. 1975. 157 p.>
СанПиН 2.6.1.2523-09 Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009).>
Santschi P.H., Honeyman B.D. Radionuclides in aquatic environments // International Journal of Radiation Applications and Instrumentation. Part C. Radiation Physics and Chemistry. 1989. Vol. 34, № 2. PP. 213-240.>
Терещенко Н.Н. Плутоний в гидробионтах Черного моря // Науковi працi. Техногенна безпека. 2013. Вип. 198, т. 210. С. 52-60.>
Пути миграции искусственных радионуклидов в окружающей среде: Радиоэкология после Чернобыля / под ред. Ф. Уорнера и Р. Харрисона; пер. с англ. Д.В. Гринчука и др. М.: Мир, 1999. 511 с.>
Радиоэкологический отклик Черного моря на Чернобыльскую аварию / под ред. Г.Г. Поликарпова, В.Н. Егорова. Севастополь: ЭКОСИГидрофизика, 2008. 667 с.>
Worldwide Marine Radioactivity Studies. Radionuclide Levels in Oceans and Seas. Vienna: IAEA, 2005. 287 p.>
The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements / ed. by L.R. Morss, N.M. Edelstein, J. Fuger. Springer, 2010. 4520 p.>
