Антропогенные радионуклиды в морских экосистемах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.36, доктор географических наук Матишов, Дмитрий Геннадьевич

  • Матишов, Дмитрий Геннадьевич
  • доктор географических наукдоктор географических наук
  • 2001, Мурманск
  • Специальность ВАК РФ25.00.36
  • Количество страниц 394
Матишов, Дмитрий Геннадьевич. Антропогенные радионуклиды в морских экосистемах: дис. доктор географических наук: 25.00.36 - Геоэкология. Мурманск. 2001. 394 с.

Оглавление диссертации доктор географических наук Матишов, Дмитрий Геннадьевич

ВВЕДЕНИЕ.

I. ИСТОРИЯ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. История исследований.

1.2. Материалы и методы исследований.

II. ИСТОЧНИКИ И ПУТИ ПЕРЕНОСА ИСКУССТВЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ В МОРЯХ АРКТИКИ.

2.1. Первичные источники радиоактивного загрязнения морских экосистем.

2.1.1. Ядерные взрывы в атмосфере и гидросфере.

2.1.2. Сбросы радиоактивных отходов в море.

2.1.3. Вынос радиоизотопов крупными реками.

2.1.4. Захоронение ядерных отходов на морском дне.

2.1.5. Местные источники радионуклидов.

2.1.6. Аварийные погребения на морском дне.

2.2. Вторичное поступление радионуклидов в морские экосистемы.

2.3. Трансграничный перенос радиоактивного вещества в северных морях.

2.3.1. Общая схема циркуляции вод и взвеси в Северном Ледовитом океане.

2.3.2. Глубоководные желоба как магистральные пути распределения изотопов на арктическом шельфе.

2.3.3. Перенос радионуклидов при дрейфе льдов из Карского и Лаптевых морей.

2.3.4. Биологический путь миграции радиоизотопов в морских экосистемах.

III. РАДИОАКТИВНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПЕЛАГИЧЕСКОЙ ЭКОСИСТЕМЫ

3.1. Концентрация радионуклидов в водах северных морей.

3.1.1. Радиоактивность вод Балтийского, Северного и Ирландского морей.

3.1.2. Радиоактивность вод Норвежского, Баренцева и Белого морей. ЮЗ

3.1.3. Радиоактивность вод Карского и Лаптевых морей.

3.1.4. Радиоактивность вод Северной Атлантики и Центрального Полярного бассейна.

3.2. Роль биофильтра пелагиали в первичном распределении радионуклидов.

3.2.1. Общая экологическая характеристика планктона.

3.2.2. Некоторые особенности аккумуляции радионуклидов морским планктоном.

3.3. Закономерности распределения радионуклидов в пелагической экосистеме.

IV. ВЛИЯНИЕ МАРГИНАЛЬНЫХ ФИЛЬТРОВ ПРИБРЕЖЬЯ НА АККУМУЛЯЦИЮ РАДИОНУКЛИДОВ.

4.1. Общая геоэкологическая характеристика прибрежья.

4.2. Накопление радионуклидов в наземной экосистеме побережья (Баренцево море).

4.3. Уровни и условия накопления нуклидов в грунтах заливов

Кольского полуострова.

4.4. Особенности аккумуляции радионуклидов в заливах Белого моря

4.5. Влияние северных рек на уровень радионуклидов в губах

Печорского и Карского морей.

4.6. Радиоактивное загрязнение грунтов губ Новой Земли.

4.7. Специфика накопления радиоизотопов в грунтах Азовского моря.

4.8. Классификация заливов по концентрации и составу искусственных радионуклидов вдонных осадках.

4.9. Уровни искусственной радиоактивности макрофитов.

4.10. Фильтрация антропогенных радиоизотопов в прибрежной экосистеме.

V. ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАКОПЛЕНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ В ЭКОСИСТЕМЕ МОРСКОГО ДНА.

5.1. Состав и распределение радиоизотопов в донных отложениях Баренцева моря.

5.2. Радиоизотопы в донных отложениях западноевропейских и Черного морей.

5.3. Радионуклиды в донных отложениях Карского шельфа.

5.4. Аккумуляция 137Cs в донных отложениях моря Лаптевых.

5.5. Закономерности седиментации радиоактивных веществ на шельфе.

5.6. Экологические и трофические предпосылки накопления радионуклидов бентосом.

5.7. Особенности аккумуляции радионуклидов зообентосом.

VI. КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ РАДИОИЗОТОПОВ МОРСКИМИ ПОЗВОНОЧНЫМИ ЖИВОТНЫМИ.

6.1. Радиоактивное загрязнение морских рыб.

6.2. Специфика накопления радиоизотопов морскими птицами.

6.3. Содержание радионуклидов в тюленях и китах.

VII. ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕНОСА И АССИМИЛЯЦИИ РАДИОИЗОТОПОВ В МОРСКИХ ЭКОСИСТЕМАХ.

7.1. Факторы самоочищения морских экосистем.

7.1.1. Определение предпосылок ассимиляции радиоизотопов.

7.1.2. Геоморфологический и гидродинамические факторы.

7.1.3. Фактор маргинального фильтра.

7.1.4. Значение биоокеанологического фактора.»

7.1.5. Фактор солености воды в накоплении радиоизотопов.

7.1.6. Явления сорбции радионуклидов в морских экосистемах.

VIII. ПРИНЦИПЫ МОНИТОРИНГА РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ МОРСКИХ ЭКОСИСТЕМ.

8.1. Организация радиационного мониторинга морских экосистем.

8.2. Явления и факторы, требующие учета при радиоэкологическом мониторинге.

8.2.1. Глинистые осадки как индикатор радиоактивности морских экосистем.

8.2.2. Вторичное радиационное загрязнение бентали.

8.3. Роль биоиндикаторов в радиомониторинге северных морей.

8.4. Оценка эффективной дозы облучения, получаемой людьми при потреблении морепродуктов.

8.5. Моделирование - составная часть радиоэкологического мониторинга.

8.6. Учет в радиоэкологическом мониторинге промыслового изъятия биоресурсов.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Геоэкология», 25.00.36 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Антропогенные радионуклиды в морских экосистемах»

Актуальность проблемы. Явление искусственной радиоактивности в природе прослеживается с начала первых ядерных испытаний в 50-х годах и до настоящего времени. По степени значимости, основным источником антропогенной радиоактивности океана являются выпадения в результате испытаний ядерного оружия в атмосфере и под водой. Затем следуют сбросы сточных вод европейских и сибирских предприятий по переработке ядерного топлива и Чернобыльская авария (Поликарпов, 1964, 1971; Поликарпов, Ааркрог, 1993; Шведов, Патин, 1968; Кузнецов, 1971; Израэль и др., 1994; Матишов и др., 1994; Брагинский и др., 1994; Strand et al., 1997). Чернобыльские выбросы обусловили последний характерный пик уровня радиоактивности повсеместно - на суше и на море, в наземных и морских организмах.

К 90-м годам в атмосфере сформировался современный поток глобальных выпадений радиоактивных веществ на земную и морскую поверхность. Эти элементы во взвешенном и растворенном состоянии поступают в моря и океаны. Сегодня ионизирующие частицы в том или ином количестве встречаются в морской воде от поверхности до дна океана. Циркулируя в струях основных течений, искусственные радионуклиды распространяются на многие тысячи километров от источников.

В северных морях и Арктике в течение второй половины XX века типичными были периодические сбросы и захоронения жидких и твердых техногенных радиоизотопов. Определенный фон на акватории Баренцево-Карского региона возникал от курсирующих атомных подводных лодок и ледоколов, которые, в совокупности, были оснащены 180 ядерными реакторами (Nilsen et al., 1996). В результате, антропогенные нуклиды были вовлечены в океанологические и биогеохимические процессы и, тем самым, проникали во все элементы морских экосистем.

В 90-е годы изучение радиоактивного загрязнения арктических морей было в фокусе работ нескольких международных научных программ: Международная программа оценки состояния окружающей среды Арктики (Arctic

Monitoring Assessment Programme (AMAP)); Arctic Nuclear Waste Assessment Program (ANWAP) USA NAVY и других. В результате, Отделом военно-морских исследований ВМФ США был опубликован Атлас окружающей среды Арктики (Crane, Galasso, 1999). Это сводная работа по загрязнению, включающая в себя информацию по радиоактивности морской воды и донных отложений. Вместе с тем, до сих пор остаются неизученными интегральные особенности биогеохимического круговорота радионуклидов в рыхлых отложениях и донных биогеоценозах в целом.

Феномен радиоактивного загрязнения имеет глобальный экологический характер и является, в той или иной мере, отрицательным фактором. Радиация воздействует, как изнури, так и снаружи, благодаря концентрированию изотопов в органах и тканях вследствие облучения от источников, находящихся вне организмов животных. Радиоактивные вещества влияют на многообразные морские биоресурсы и человека. Как известно, ионизирующее излучение вызывает в организме морфофизиологические и функциональные изменения (Поликарпов, 1964, 1971; Ильенко, 1974). Поэтому особую актуальность приобретают проблемы радиационной безопасности, экологического нормирования и прогнозирования отдаленных последствий действия малых доз радиации на морскую биоту.

Однако до настоящего времени представление о радиоактивном загрязнении различных видов морской флоры и фауны шельфа носит отрывочный характер. Имеется всего несколько работ (Christensen, Steinnes, 1999) по накоплению 137Cs и 90Sr морскими млекопитающими. Из-за недостатка информации не проводились исследования по миграции радиоизотопов внутри всей экоси-стемной пирамиды и их трансформации по пищевым цепям, от фито- и зоопланктона к бентосу, рыбам, птицам, тюленям и китам. Поэтому сегодня среди проблем океанологии особое место занимают вопросы, связанные с радиоэкологией и радиохимией моря.

На протяжении длительного времени, в арктических морях совершенно не изучалось воздействие на организм, популяцию и сообщество гидробионтов глобальных уровней радиоактивного загрязнения среды обитания (воды, грунта). Кроме того, фактически оставались необследованными экосистемы заливов и губ (типа Кольского, Западной Лицы, Сайды, Черной), в которых базируются атомные подводные лодки или производились ядерные взрывы.

Сведения о современном радиоактивном загрязнении морских экосистем необходимы для решения природоохранных вопросов, особенно на локальных акваториях с относительно высокими уровнями искусственных изотопов -137Сб, 134С5, 1341, 1291 , 90йг, 238Ри, 239-240Ри,241 Аш, 60Со . Не менее важны также знания для системы экологической безопасности в случае применения, при нефтегазодобыче на шельфе, атомных энергетических установок, а также при аварийных ситуациях на объектах с атомными реакторами. Все эти меры, безусловно, предполагают изучение тенденций в развитии экологических систем под влиянием слабой радиации и определение стратегии природоохранных мер по сохранению биоразнообразия северных морей.

Данная работа базируется на оригинальных радиоэкологических исследованиях, проводившихся Мурманским морским биологическим институтом в 19902000 годах (Рис.1). Разработка проблемы осуществлялась в рамках программ и планов Российской Академии наук, Российского фонда фундаментальных исследований, проектов: "Сравнительный анализ процессов переноса и накопления радионуклидов в Баренцево-Карском и Азово-Черноморском регионах"; "Реконструкция процессов радиоактивного загрязнения экосистем морей Европейской части России"; "Оценка величин миграции искусственных радионуклидов по пищевым цепям морских экосистем" и других. Значительный объем работ был выполнен по международным грантам МАГАТЭ, ТАСИС и другим, например, "Современный уровень радиоактивного загрязнения и оценка риска в прибрежных водах Баренцева моря" (Университет Умео, Швеция).

Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы заключалась в систематизации и обобщении с единых методических и теоретических позиций уникальной базы данных, для того чтобы:

- охарактеризовать закономерности накопления и миграции радионуклидов в среде и биоте;

- разработать основы концепции изменчивости концентраций искусственных радионуклидов в средах с различными физико-химическими характеристиками;

Рис. 1. Географическое положение районов радиоэкологических исследований

- определить биоокеанологические процессы и явления, вызывающие самоочищение морских арктических и субарктических экосистем.

Основные задачи данного исследования состоят в следующем:

1. Выяснить общие океанографические и биологические условия, способствующие переносу и накоплению радионуклидов в грунтах и биоте морей различных географических зон.

2. Реконструировать динамику (50-90-е годы) радиоактивного загрязнения морской воды с учетом стоков регионального происхождения.

3. Определить роль локальных (местных) источников поступления радиоизотопов в загрязнении заливов (губ) и шельфовых областей.

4. Исследовать состав, количество и закономерности аккумуляции радионуклидов в донных отложениях северных морей.

5. Изучить значение биофильтра пелагиали и бентали (планктон, макрофиты, бентос) в первичном распределении радиоактивной взвеси.

6. Раскрыть принципы биоаккумуляции нуклидов морскими позвоночными животными, уделив особое внимание пищевым цепям, ведущим к человеку: ракообразные и моллюски —> рыбы —» птицы —» тюлени —> киты —> человек.

7. Сформулировать концептуальную модель механизма ассимиляции искусственных изотопов в морских экосистемах.

8. Разработать систему радиоэкологического мониторинга, используя литологические и биологические индикаторы, а также прогноз воздействия слабых доз радиации на промысловые гидробионты.

Научная новизна. Диссертация содержит ряд новых теоретических положений и выводов, разработанных автором лично или в соавторстве с коллегами. Наиболее существенные из них, состоят в следующем:

1. Впервые, в широком фактологическом, географическом и таксономи-чесоком объеме изучена радиоактивность арктических и субарктических морских экосистем, что позволило обосновать новое научное направление - радиационную экологическую океанологию.

2. Положено начало исследованию реальных уровней содержания искусственных радионуклидов в среде и биоте заливов и губ (Черная, Западная Лица,

Кольский), имеющих радиационноопасные объекты.

3. Представлена классификация прибрежных морских акваторий (заливы, губы, фьорды) по степени загрязнения донного осадка искусственными радионуклидами.

4. Раскрыта важная роль биофильтра пелагиали и прибрежья в процессе самоочищения водоемов и переходе искусственных радионуклидов из воды в донные отложения.

5. Впервые показаны уровни аккумуляции '"Сэ, 908г, 239 240Ри в различных видах и популяциях морских организмов, особенности миграции радиоизотопов по трофическим цепям - от макрофитов и планктона до зообентоса, рыб, птиц, тюленей и китов.

6. Определен сравнительный вклад глобальных, региональных и локальных источников в радиоактивное загрязнение экосистем Северного Ледовитого океана и Северной Атлантики.

7. Выявлены тренды в содержании искусственных радионуклидов за период с начала испытаний ядерного оружия до наших дней, дающие основу для прогнозирования экологической ситуации в морях России.

8. В рамках создания радиоэкологической информационной системы, сформулирована методология мониторинга и задачи морской радиоэкологии -мониторинг 239,240Ри, как главного облучателя промысловых биоресурсов и в будущем, морских экосистем в целом.

Защищаемые положения:

1. В течение 60-90-х годов в процессе самоочищения водоемов, естественного полураспада |37Сз и 908г, сокращения сбросов искусственных радионуклидов происходило направленное (на порядок) уменьшение уровня радиоактивности в морских экосистемах Арктики.

2. Главным аккумулятором искусственных радионуклидов в арктических морях стали алевритовые и глинистые отложения подводной окраины материков. Максимальное радиоактивное загрязнение грунтов произошло в 60-70 годы (возраст определялся по 210РЬ).

3.60Со, 134Сз, 239 240Ри, радиоактивные (горячие) частицы повсеместно встречаются на акватории атомных баз, в районах затонувших подводных лодок, в местах подводного захоронения радиоактивных отходов. Такой специфический спектр радионуклидов указывает на существование локальной эмиссии.

4. Механизм самоочищения арктических морских экосистем контролируется явлениями литодинамической и биологической адсорбции, которые происходят в маргинальном фильтре (эстуариях, поясе макрофитов), пелагическом биофильтре, при биоаккумуляции нектоном и орнитофауной.

5. Высокая биологическая продуктивность, в сочетании с термохалинны-ми и гидродинамическими факторами, нейтрализует кумулятивное воздействие радиоактивного загрязнения на морские экосистемы и обуславливает масштабный эффект самоочищения океана.

6. Изменения в видовой, популяционной и трофической структуре морской биоты от действия низких (фоновых) уровней радиоактивности не установлены. Современные концентрации искусственных радионуклидов в промысловых биоресурсах не представляет опасности для человека.

Апробация. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на российских конференциях и совещаниях: 3-й съезд по радиационным исследованиям (Москва, 1997); "Проблемы безопасности питьевой воды и продовольствия в арктических и субарктических регионах" (Мурманск, 1997); "Внедрение научных технологий в практику КСФ" (Североморск, 1999); конференции молодых ученых ММБИ КНЦ (Мурманск, 1994-1999).

На российских международных конференциях: 2-е совещание смешанной Российско-Норвежской группы по сотрудничеству в области охраны морской окружающей среды в Баренцево-Евро-Арктическом регионе (Мурманск, 1994); "Доступность данных по окружающей среде Арктики в России" (Москва, 1995); "Современное состояние и перспективы исследований экосистем Баренцева, Карского морей и моря Лаптевых" (Мурманск, 1995); "Радиоактивные отходы, хранение, транспортировка, переработка, влияние на человека и окружающую среду" (С.-Петербург, 1996); "Экологический мониторинг морей Западной Арктики" (Мурманск, 1997); "Проблемы экосистем заливов, фьордов, эстуариев морей Арктики и юга России" (Ростов-на-Дону, 1998); международная конференция по промысловой океанологии (С,- Петербург, 1998); "Управление окружающей средой в Российской Федерации и Мурманской области" (Мурманск, 1998); "Вековые изменения морских экосистем Арктики. Климат, морской перигляциал, биопродуктивности (Мурманск, 2000); "Проблемы биологии и геологии в связи с перспективой рыболовства и нефтегазодобычи в Азовском море" (Ростов-на-Дону, 2000);

На международных конференциях, совещаниях и семинарах: "Planning and Implementation of joint research in the European Arctic", (Осло, Норвегия, 1994); "1-stNordik Marine Sciences meating" (Гетеборг, Швеция, 1995); "Radioactivity in the environment of the Arctic" (Вудсхолл, США, 1995); Second International Conference on Radioactivity in the environment of the Arctic (Осло, Норвегия, 1995); "Disturbance and recgvery of Arctic terrestrial ecosystems" (Рованиеми, Финляндия, 1995); "Arctic research planning" (Ганновер, США; 1995); International Conference on environmental radioactivity (Гамбург, Германия, 1996); International Symposium on Radioactivity in the environment (Копенгаген, Дания, 1996); "Risk of radioactive contamination in the Arctic" (Умео, Швеция, 1996); Third International Conference on Radioactivity in the environment of the Arctic (Тромсе, Норвегия, 1997); "Coastal environment management and conservation" (Франция, 1997); International Conference on environmental radioactivity of ocean "Radoc-97" (Франция, 1997); International Simposium on Marine Pollution (Монако, 1998); The 4-th International Conference on Environmental Radioactivity in the Arctic (Эдинбург, Шотландия, 1999); The meeting between the Norwegian Polar Institute and MMBI, (Сванховд, Норвегия, 1999); OSPAR-Seminar at Svanhovd in Finnmark (Сванховд, Норвегия, 2000);

Практическая значимость: Актуальность изучения антропогенных радионуклидов в морских экосистемах вытекает, как из современных научных, так и из практических запросов. Данная работа является итогом целенаправленных исследований по научным программам Российской академии наук, Министерства науки и технической политики, Российского фонда фундаментальных исследований и других организаций. Полученные в ходе работы аналитические и теоретические результаты использованы при подготовке в 1995 году ОВОС в ТЭО Штокмановского газоконденсатного месторождения для А/О "Росшельф".

Выявленные радиоэкологические закономерности и разработанная база данных по искусственным радионуклидам широко используется Мурманским, Архангельским, Ростовским областными комитетами по охране окружающей среды и природных ресурсов, службой радиационной безопасности Северного военно-морского флота и Атомфлота, при обосновании и принятии прогнозных и оперативных решений.

Содержащиеся в работе выводы и информация о радиоактивном загрязнении промысловой биоты нашли применение на предприятиях ЗАО "Севры-ба", при определении качества рыбной продукции и других морепродуктов. Изложенные в диссертации теоретические положения были использованы в нескольких учебных пособиях для ВУЗов.

Публикации. Результаты исследований отражены в 80 публикациях, в том числе в 8 монографиях, в 17 статьях в рецензируемых зарубежных и отечественных журналах, 7 препринтах.

Личный вклад диссертанта в исследования, выполненные в соавторстве, заключается в постановке задач, разработке методов сбора первичной информации и формирования базы данных, а также в теоретическом обобщении полученных материалов. Автор является научным руководителем и ответственным исполнителем основных работ. В 1986-2000 гг. принимал личное участие в организации и выполнении 17-ти комплексных экспедиций в Белое, Норвежское, Баренцево, Печорское, Карское, Азовское, Черное и другие моря, а также в бассейн Северного Ледовитого океана.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения. Общий объем работы 389 страниц, 36 таблиц, 117 рисунков. Список литературы включает 326 наименований, из них 147 на иностранных языках.

Похожие диссертационные работы по специальности «Геоэкология», 25.00.36 шифр ВАК

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.