Л.Г. БЯЗРОВ

Лишайники – лучшие индикаторы радиоактивного загрязнения

В 1999 г. cредства массовой информации сообщали, что в ходе боевых действий на территории Югославии войска НATO использовали снаряды, боеголовки которых содержали слабо обогащенный (или истощенный) уран. У ряда военнослужащих, участвовавших в этом конфликте, возникли заболевания, причиной которых могло стать применение именно таких снарядов. В связи с этим ведомство ООН по охране окружающей среды, а также Международное агентство по атомной энергии, ряд других заинтересованных международных и национальных учреждений провели обследование территории Косова.

Уран (U) – 92-й элемент в периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Он входит в состав примерно 100 минералов, и его средняя концентрация в земной коре составляет 3 мг/кг.

В природе уран представлен тремя изотопами. Уран-238 (238U) составляет 99,2745% массы урана, имеет период полураспада 4,468Ч109 лет и активность 12,4 Бк/мг (т.е. в 1 мг вещества за 1 с происходит 12,4 распада). Уран-235 (235U) составляет 0,72% массы урана, имеет период полураспада 7,038Ч108 лет и активность 80 Бк/мг. Уран-234 (234U) составляет всего 0,0055% массы урана и имеет период полураспада 2,45Ч105 лет и активность 2,3Ч105 Бк/мг.

Из природного урана получают обогащенный уран, в котором повышена концентрация 235U. Обогащенный уран используется в ядерных реакторах и ядерных бомбах. Оставшуюся после выделения обогащенного урана часть руды называют слабо обогащенным (или истощенным) ураном: его радиоактивность примерно на 60% ниже исходной.

Истощенный уран относится к пирофорам, т.е. имеет тенденцию к самовоспламенению. Он имеет высокую плотность (19,05 г/см3), доступен и относительно недорог. Эти свойства определяют его применение в гражданских (самолетостроение, защитные щиты и контейнеры для транспортировки радиоактивного материала и т.д.) и военных (бронебойные снаряды, панцирные плиты, и др.) целях.

При взрыве снаряда и горении истощенного урана выделяется оксид урана в форме пыли и аэрозолей, составляющих 10–70% от массы использованного урана. Влияние истощенного урана на окружающую среду не отличается от влияния природного урана и определяется химическим составом и структурой его частиц. Он переносится ветром и выщелачивается в зависимости от свойств почвы и местных климатических и метеоусловий.

Как отличить антропогенное загрязнение ураном от природного фона? В процессе обогащения изменяется соотношение концентраций (и активностей) изотопов в руде. У природного урана отношение активностей 234U/238U (R1) составляет 0,5–1,2, активностей 235U/238U (R2) – примерно 0,046, а у слабо обогащенного урана R1 = 0,18 и R2 = 0,013.

При обследовании Косова в 2000 г. эксперты взяли пробы воды, почвы, лишайников и коры деревьев на 9 различных участках. Контрольные пробы были взяты в одном из парков Рима.

Наибольший разброс данных был в пробах воды и почвы. Кора деревьев и в особенности эпифитные лишайники признаны наиболее чувствительными качественными биоиндикаторами загрязнения. Для них были получены значения 0,11<R1<0,32 и 0,013<R2<0,018, что достоверно свидетельствует о наличии слабо обогащенного урана в среде. Остальные пробы не позволили сделать такого вывода.

Лишайники уже были объектом пристального внимания специалистов в годы, когда испытания ядерного оружия проводили в атмосфере, главным образом в Арктике. Здесь лишайники находятся в начале пищевой цепи лишайник–олень–человек, что и предопределило изучение накопления и трансформации ими радионуклидов.

Оказалось, что лишайники остаются жизнеспособными даже при воздействии достаточно высоких доз облучения. В штате Нью-Йорк (США) в течение 32 месяцев наблюдали за состоянием живых организмов на облучаемом участке дубово-соснового леса (Quercus alba, Q.coccinea, Pinus rigida). Под действием гамма-излучения (137Cs) сосна погибла при мощности экспозиционной дозы 16–40 Р/сут, все местные сосудистые растения – при мощности дозы 300 Р/сут, из 47 видов лишайников 12 погибли при 1250 Р/сут, а при 2250 Р/сут еще были живы представители 12 видов лишайников.

Наблюдения за 19 видами лишайников при мощности экспозиционной дозы до 1000 Р/сут показали, что через 9 месяцев лишь у 20% слоевищ были повреждения (обычно в форме изменения цвета), причем половина их приходилась на представителей рода Cladonia. Через 22 месяца общее число поврежденных слоевищ уменьшилось и появились зачатки новых талломов. Скорость роста представителей листоватого лишайника Parmelia sulcata (при мощности дозы 62–230 Р/сут) даже увеличилась по сравнению с контролем.

Сходные исследования были проведены на лесном экспериментальном участке в штате Висконсин. В слоевищах Melanelia subaurifera, получивших в результате хронического гамма-облучения суммарные дозы от 2000 Р до 122 000 P, были обнаружены разные степени повреждения, однако у талломов, получивших суммарную дозу 66 000 Р и менее, повреждений не было.

По моим наблюдениям, крупные ядерные аварии, сопровождавшиеся выбросом в среду значительного количества радионуклидов, не вызвали видимых повреждений лишайников ни на Урале (авария в 1957 г.), ни в непосредственной близости от Чернобыльской АЭС (авария в 1986 г.).

В 1992 г., через 30 лет после последнего в СССР наземного испытания ядерного устройства на Семипалатинском ядерном полигоне в Казахстане, я обнаружил на оплавленной стекловидной поверхности почвы и на остатках железобетонных сооружений в условиях высоких уровней радиации представителей 11 видов лишайников. Состав видов и жизненных форм напоминал начальные стадии формирования лишайниковых группировок в степях Монголии и восстановления лишайников на каменистом субстрате после пожара (Ближний Восток). По размерам слоевищ можно было предположить, что формирование лишайниковых группировок началось здесь за 5–7 лет, а на железобетонных плитах – за 10–15 лет до моего визита на полигон.

В Южной Австралии на полигоне, где в 1950–1960 гг. также испытывали ядерное оружие, ученые обнаружили в лишайниках рода Dermatocarpon в несколько раз больше плутония, чем в почве. Таким образом, лишайники уменьшают рассеивание частиц PuO2 в воздухе, включая их в ткань слоевищ, т.е. являются концентраторами радионуклидов из среды.

В 1960–1970-х гг. были проведены измерения содержания радионуклидов в кустистых напочвенных лишайниках тундры. Среди накопленных лишайниками радионуклидов были обнаружены 137Cs, 134Cs, 155Eu, 144Се и 106Ru, активности которых (в Бк/кг сухой массы лишайника) составляли соответственно: 400–3200, 1–8, 35–550, 150–7500, 50–1860. Эти уровни радиоактивности обеспечили удвоение поглощенной лишайниками за период 1961–1975 гг. дозы по сравнению с естественным облучением.

После аварии на Чернобыльской АЭС удельная активность радиоактивных изотопов цезия в лишайниках тундр Норвегии и Финляндии составляла 7600–20 800 Бк/кг и 1000–12 100 Бк/кг соответственно. В собранных мною в 1987–1991 гг. пробах лишайников непосредственно в зоне отселения вокруг Чернобыльской АЭС активность радионуклидов на порядки превышала эти значения. Так, летом 1988 г. активность 137Cs в талломах эпифитного лишайника Hypogymnia physodes в 1,5 км от АЭС была 5,84 млн Бк/кг (сухой массы), а в 37 км от АЭС – 77 000–792 000 Бк/кг.

Радиоактивные выбросы взорвавшегося реактора АЭС были разнесены практически по всему северному полушарию, что показали и измерения в пробах лишайников. Однако выпадение радионуклидов определялось не только расстоянием от Чернобыля. Например, осенью 1986 г. активность 137Cs в лишайниках была примерно одинаковой вблизи Киева (100 км от Чернобыля) и в Баварии (более 1000 км от Чернобыля). Летом 1987 г. радиоактивность лишайников, собранных на Черноморском побережье Кавказа в Аджарии, была много выше, чем лишайников из Курской области или даже с территории Восточно-Уральского радиоактивного следа. Это связано с тем, что один из маршрутов радиоактивного облака с 1 по 3 мая 1986 г. проходил через Южную Украину, далее над Черным морем к побережью Кавказа и Турции. Здесь в то время шли дожди, и радионуклиды вместе с осадками попали в экосистемы этих районов.

Распределение радионуклидов внутри слоевищ лишайников зависит как от свойств радиоизотопов (формы выпадения, количества, растворимости в воде, подвижности в среде), так и от особенностей лишайника (жизненная форма, размеры растения) и местообитания (субстрат, экспозиция, количество осадков). У кустистых напочвенных лишайников радионуклиды концентрируются в верхних, более молодых, частях слоевищ.

Распределение нуклидов внутри таллома было исследовано в лабораторных условиях. При погружении верхушек таллома Cladina rangiferina в водные растворы 137Cs и 90Sr стронций распределялся равномерно по таллому, а цезий накапливался преимущественно в части таллома, погруженной в раствор. При погружении в раствор всего слоевища оба изотопа распределялись в талломе равномерно, несколько больше накапливаясь в его старых частях. В слоевищах Peltigera тетbranacea уран накапливался главным образом в верхнем, корковом, слое, причем его распределение строго коррелировало с распределением в слоевище фосфора. В слоевищах Trapelia involuta уран накапливался во внешних стенках плодовых тел.

Содержание в лишайниках радиоизотопов, накопленных при разовых выбросах, со временем уменьшается. В большинстве случаев период полувыведения радионуклида (время, в течение которого его содержание в организме уменьшается вдвое) меньше периода его полураспада, поскольку уменьшение содержания нуклида обусловлено не только радиоактивным распадом, но и его вымыванием, удалением с отломившимися или съеденными животными частями слоевища.

Однако концентрации радиоизотопов, являющихся промежуточными продуктами распада, могут в течение некоторого времени возрастать. Америций, например, образуется при распаде плутония. Все чаще этот опасный радионуклид находят в тканях живых организмов и в почве. Он, как и изотопы плутония, обнаружен в лишайниках Антарктики. Правда, там его концентрация на два порядка ниже, чем возле Чернобыльской АЭС.

Оценки разными исследователями периода полувыведения из лишайников одного из основных загрязнителей, 137Cs, лежат в интервале 3,4–17 лет. Нижние границы оценок, по-видимому, ошибочны. Лишайники, хоть и медленно, но растут, поэтому со временем у них увеличивается доля слоевища, не подвергшегося воздействию радиоактивного выброса. Следовательно даже без вымывания и других процессов, приводящих к выведению нуклидов из талломов, их концентрации со временем будут уменьшаться.

Если принять во внимание, что отдельные виды лишайников живут очень долго (сотни и тысячи лет), то их слоевища могут содержать следы многих попаданий загрязнителей в атмосферу.