PRACTICAL RECOMMENDATIONS FOR SELECTION AND PROCESSING OF THE SAMPLES FOR RADIOLOGICAL ANALYSIS OF THE ENVIRONMENT

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОТБОРУ И ОБРАБОТКЕ ПРОБ ДЛЯ РАДИОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА СРЕДЫ

Научная статья

Суворов П.В.^1, *, Катанский А.А.²

¹ Научно-исследовательский центр «ПРОМЭКС», Шахты, Россия;

² Ростовский институт защиты предпринимательства, Ростов-на-Дону, Россия

* Корреспондирующий автор (trotcenko2007[at]yandex.ru)

Аннотация

Радиоэкологический мониторинг определяет наблюдения, оценку и прогноз воздействия радиационных факторов на человека и окружающую среду. В аналитической статье представлены рекомендации по отбору и обработке проб почвы, снега, растительности для радиоэкологического мониторинга в арктических зонах, представлены аспекты организации этапов общей оценки экологического состояния территории в санитарно-защитной зоне и зоне наблюдения. В статье показан основной механизм фиксирования радикалов в почве, факторы сорбции радиоизотопов в зависимости от механического и минералогического состава почвы и от особенностей строения растений. Выявлено, что основной механизм фиксирования радикалов в почве – ионный обмен, а сорбция радиоизотопов зависит от механического, минералогического состава и pH почвы.

Ключевые слова: радиоэкологический анализ, окружающая среда, отбор проб.

PRACTICAL RECOMMENDATIONS FOR SELECTION AND PROCESSING OF THE SAMPLES FOR RADIOLOGICAL ANALYSIS OF THE ENVIRONMENT

Research article

Suvorov P.V.^1, *, Katansky A.A.²

¹ Scientific Research Center "PROMEKS", Shakhty, Russia;

² Rostov Institute for the Protection of Entrepreneurship, Rostov-on-Don, Russia

* Corresponding author (trotcenko2007[at]yandex.ru)

Abstract

Radioecological monitoring determines the observations, assessment, and forecast of the impact of radiation factors on humans and the environment. The analytical article presents recommendations for the selection and processing of soil, snow, and vegetation samples for radioecological monitoring in the Arctic zones, as well as aspects of the organization of the stages of the general assessment of the ecological state of the territory in the sanitary protection zone and the observation zone. The article demonstrates the main mechanism of radical fixation in the soil, the factors of radioisotope sorption depending on the mechanical and mineralogical composition of the soil and on the features of plant structure. Also, the study determines that the main mechanism of radical fixation in the soil is ion exchange, while the sorption of radioisotopes depends on the mechanical, mineralogical composition, and pH of the soil.

Keywords: radioecological analysis, environment, sampling.

Введение

Опыт эксплуатации заводов по переработке ядерного топлива показал, что с выбросами этих предприятий в атмосферу поступают такие изотопы как: ¹⁴С, ¹²⁹I, ¹³¹I, ¹⁰⁶Ru, ¹³⁴Cs, ¹³⁷Cs, около 70 % трития (³Н) и криптона (⁸⁵Kr). Затем они концентрируются в почве, и некоторая их доля поступает в организм человека по пищевой цепи. В почве фильтруются и основные радионуклиды, определяющие характер её загрязнения: ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr [1]. Важная роль в решении проблемы обеспечения радиационной безопасности человека отводится методам радиоэкологического мониторинга, конечная цель которого – предупреждение и прогноз отрицательного воздействия радиационных факторов на здоровье человека и окружающую среду [2].

Материалы и методы

Несмотря на автоматизированный измерительный мониторинг радиоактивного загрязнения окружающей среды, многие манипуляции до сих пор необходимо производить именно вручную, от чего зависит точность измерений радиоактивности объектов экосистем.

Рекомендации по отбору и обработке проб почвы для радиоэкологического мониторинга. Радиоактивность почвы обусловлена находящимися в ней естественными радионуклидами (⁴⁰K, ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th и продукты их распада) накоплением в ней техногенных радионуклидов в процессе эксплуатации различных ядерных носителей.

Не следует отбирать пробы почвы на песчаных участках, лишенных травяной растительности. Место отбора проб должно быть ровным, однородным, открытым. Расстояние от окружающих его строений и деревьев должно составлять не менее двух их высот.

Перед отбором проб нужно дозиметром определить уровень радиации над почвой на высоте 5-10 см. Место отбора проб должно располагаться на расстоянии не менее 20 м от грунтовых и железных дорог. Желательно пробы почвы отбирать осенью вместе с растительностью с ровных, без заметного уклона скрытых участков, где почва в течение 8–10 лет не подвергалась перекапыванию или вспашке. Выемку проб почвы массой по 2 кг производят по углам квадрата (метод «конверта») со стороной 50 м, и в его центре на глубину не менее 10 см. Таким способом проба может быть отобрана только в том случае, если значение измеренной радиации непосредственно у земли будет отличаться от результатов измерений радиации на высоте 1 м не более чем в 1,5 раза.

Для отбора пробы предварительно намечают на земле ее контур, затем внутри этого контура срезают траву, и забивают пробоотборник по намеченному контуру до упора. Снизу под пробоотборником почву подрезают лопатой. Полученный монолит вместе с пробоотборником переносят на полиэтиленовую пленку, пересыпают в полиэтиленовый мешок, и маркируют. На всех пробах должны быть этикетки, где указано точное местонахождение отбора пробы, описан рельеф местности, состояние поверхности почвы и растительности, крутизна склона.

Пробу почвы раскладывают на противень из винипласта, дно которого предварительно выстилают чистой полиэтиленовой пленкой. К пленке прикрепляют бирку с указанием номера обрабатываемой пробы. Пробу подсушивают на воздухе, периодически перемешивая, производят измельчение комков и просеивают через сито с отверстиями диаметром 1 мм. В части, не прошедшей через сито, отделяют растительные остатки и производят их озоление в муфельной печи при температуре от 400 до 450 °С в течение шести часов. При просеивании пробы камни, корни и другие посторонние предметы отбрасывают. Золу от озоления растительных остатков объединяют с просеянной пробой, тщательно перемешивают и помещают в предварительно маркированные и взвешенные кюветы из нержавеющей стали, сушат в сушильном шкафу при температуре от 110 до 120 °С в течение от 4 до 5 часов при периодическом перемешивании. Затем пробу охлаждают, взвешивают для определения массы сухой пробы.

Для определения удельной активности γ-излучающих радионуклидов из сухой пробы готовят счетный образец в кювете диаметром 25 мм или 61 мм, в зависимости от содержания радионуклидов и передают для измерения на полупроводниковом γ-спектрометре.

Рекомендации по отбору и обработке проб растительности для радиоэкологического мониторинга. Пробы растительности отбирают одновременно с пробами почвы один раз в год в санитарно-защитной и наблюдаемой зонах осенью в период завершения цветения. Высота среза растений не должна быть меньше 3 см. от поверхности почвы. Вес отобранной смешанной пробы должен быть около 2,0 кг. Смешанные пробы растительности помещают в большие полиэтиленовые мешки, маркируют с указанием номера пробы и точного места ее отбора (номер пробы растительности должен соответствовать номеру пробы почвы).

Пробу травы предварительно сушат на воздухе до лёгкого сухого состояния, взвешивают, затем перекладывают в кювету из нержавеющей стали, накрывают кювету крышкой и озоляют в сушильном шкафу беспламенным методом при периодическом помешивании.

Озоленную пробу переносят в предварительно маркированную и взвешенную фарфоровую чашку, прокаливают в муфельной печи при температуре от 400 до 450° С до получения постоянной массы золы. После охлаждения полученный прокаленный остаток пробы взвешивают и тщательно растирают в ступке для получения однородной массы.

Из прокалённого остатка готовят «тонкослойный» счетный образец для измерения суммарной b-активности. Для этого на алюминиевую подложку диаметром 18 мм наносят прокаленный остаток массой 100 мг. Остаток смачивают 5 каплями этилового спирта, равномерно распределяют по рабочей поверхности подложки, высушивают под термолампой, и передают для измерения суммарной активности b-излучающих радионуклидов.

Для определения удельной активности γ-излучающих радионуклидов из прокаленной пробы готовят счетный образец. Для этого навеску прокаленного остатка пробы переносят в предварительно маркированную и взвешенную кювету диаметром 61 мм, взвешивают для определения массы прокаленной пробы в счетном образце, и передают для измерения на полупроводниковом γ-спектрометре.

Рекомендации по отбору и обработке проб снега для радиоэкологического мониторинга. Отбор проб снега проводят в тех же контрольных точках, где производят отбор проб растительности и почвы, в отдалении от шоссейных и железных дорог. Для отбора средней пробы объединяют пять образцов, отобранных в центре и по углам квадрата, со стороной 10 см на всю глубину снежного покрова. При выемке каждого образца нижний его слой тщательно очищают от земли, листьев и других включений. Для отбора проб используют металлический пробоотборник в виде цилиндра внутренним диаметром около 80 мм с острыми краями. Каждую усредненную пробу помещают в промаркированный полиэтиленовый мешок.

В лаборатории пробу снега подкисляют соляной или азотной кислотой, оставляя до полного таяния снега. Снеговую воду с помощью фарфоровой кружки и воронки заливают через сито в термостойкие чаши. Пробу упаривают до объема приблизительно 100 мл и количественно переносят в предварительно маркированную взвешенную и фарфоровую чашку. Стенки чаши обмывают раствором соляной кислоты. Промывные воды присоединяют к пробе. Всю пробу упаривают досуха, озоляют на электроплите и прокаливают в муфельной печи при температуре от 400 до 450°С в течение шести часов, охлаждают, взвешивают для определения массы прокаленного остатка пробы [8]. Из прокалённого остатка готовят «тонкослойный» счетный образец для измерения суммарной b-активности. Для этого на алюминиевую подложку диаметром 18 мм наносят прокаленный остаток массой 100 мг. Остаток смачивают 5 каплями этилового спирта, равномерно распределяют по рабочей поверхности подложки, высушивают под термолампой, и передают для измерения суммарной активности b-излучающих радионуклидов.

После измерения осадок с подложек соскребают и объединяют с оставшимся прокаленным остатком в предварительно маркированную и взвешенную полиэтиленовую кювету диаметром 61 мм. На поверхности кюветы выполняют надпись с указанием номера пробы. Прокаленный остаток в кювете уплотняют при помощи пестика, взвешивают для определения массы прокаленного остатка пробы в счетном образце, и передают для измерения на полупроводниковом γ-спектрометре. Методика основана на сопоставлении скорости счета от образца пробы с аттестованными значениями активности и расчете суммарной b-активности пробы.

Результаты и обсуждение

Для измерения суммарной a- и b-активности полученных счетных образцов методами селективной радиохимической экстракции (сухие остатки проб почвенного покрова, снега и растительности) использовать лучше a- и b-радиометры для измерений малых активностей. Уровень достоверности исследований должен быть не менее 95%. Хорошо растворимый в воде изотоп ⁹⁰Sr относительно быстро попадает в кальциелюбивые бобовые растения, но меньше поглощается почвой, корнеплодами и злаковыми культурами [3]. Отмечено, что менее закисленные почвы снижают скорость попадания радионуклидов в растения. При анализе проб почв можно учесть следующее, что по степени уменьшения накопления цезия в урожае культурных растений типы почв располагаются в последовательности: дерново-подзолистые супесчаные, дерново-подзолистые суглинистые, серые лесные и чернозём.

С уменьшением дисперсной фракции почвы прочность закрепления ими радионуклидов повышается, поэтому наибольшая концентрация радионуклидов отмечается в донных отложениях и иле. От количества осадков также зависит скорость проникновения радионуклидов в почву. Установлено, что ⁹⁰Sr, попавший на поверхность почвы, вымывается дождём в глубокие её слои, а основная часть большинства других радионуклидов находится в слое до 5 см. Следует отметить, что радионуклиды, содержащиеся в воде, по происхождению могут существовать с момента образования Земли как планеты или появиться в результате природных ядерных превращений [5], [6].

Выводы

1. Основной механизм фиксирования радикалов в почве – ионный обмен.
2. Сорбция радиоизотопов зависит от механического и минералогического состава почвы.
3. Накопление и количество радионуклидов растениями может колебаться в разы и во многом зависит от биологической особенности растений (принадлежности к семейству) и химического состава почвы.
4. Первичные радионуклиды принадлежат семействам ²³⁸U, ²³⁵U и ²³²Th, и группа рассеянных терригенных радионуклидов. Главным представителем последней группы является ⁴⁰К, который присутствует во всех структурах биосферы в относительно больших концентрациях [3], [4].

Регулярный мониторинг деятельности человека в атомном секторе позволяет организовать санитарно-эпидемиологические мероприятия по минимизации воздействия антропогенного фактора на здоровье человека в целом [7], [8].

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Bascomb R. Health Effects of Outdoor Air Pollution / R. Bascomb, P. A. Bromberg, D. L. Costa et al. // Am J. Respir Crit. Care Med 153 pp 477-498.
2. Kalinnikova T. B. About manganese neurotoxicity in drinking ground water / T. B. Kalinnikova, O. Yu. Tarasov, R. R. Kolsanova et al. //Georesources 5 (41) 31-34.
3. Malykhina L. V. Using new biotechnologies for the reclamation of blacksoil after mixed contamination / L. V. Malykhina, I. A. Shaidullina, N.A. Antonov et al. // Georesources 18 (2) 138-144.
4. Romero-Sarmiento M F. New Rock-Eval Method for Characterization of Unconventional Shale Resource Systems / M F. Romero-Sarmiento, D. Pillot, G. Letort et al. // Oil and Gas Science and Technology 71(37) 1-9 DOI: 10.2516/ogst/2015007.
5. Skirda V. D. The features of PFG NMR technique and some methodical aspects of its application / V. D. Skirda //2002 NATO science series II Mathematics, Physics and Chemistry 76 245-254.
6. Trotsenko A. A. Definition of the effective strategic enterprise management model in context of economic security / A. A. Trotsenko, T. V. Belevsky, O. G. Kievskaya et al. //Revista Espacios 39 (36) p 18.
7. Yagafarova G. G. Bioremediation of soils contaminated with heavy oil / G. G. Yagafarova, A. K. Mazitova, S. V. Leontyeva et al. // Proceedings of NIPI Neftegas GNKAR 3 75-90.
8. Троценко А.А. Некоторые аспекты химизма самовозгорания и самовоспламенения / А.А. Троценко // Пожаровзрывобезопасность. 2014. Т. 23. № 9. С. 284.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Bascomb R. Health Effects of Outdoor Air Pollution / R. Bascomb, P. A. Bromberg, D. L. Costa et al. // Am J. Respir Crit. Care Med 153 pp 477-498.
2. Kalinnikova T. B. About manganese neurotoxicity in drinking ground water / T. B. Kalinnikova, O. Yu. Tarasov, R. R. Kolsanova et al. //Georesources 5 (41) 31-34.
3. Malykhina L. V. Using new biotechnologies for the reclamation of blacksoil after mixed contamination / L. V. Malykhina, I. A. Shaidullina, N.A. Antonov et al. // Georesources 18 (2) 138-144.
4. Romero-Sarmiento M F. New Rock-Eval Method for Characterization of Unconventional Shale Resource Systems / M F. Romero-Sarmiento, D. Pillot, G. Letort et al. // Oil and Gas Science and Technology 71(37) 1-9 DOI: 10.2516/ogst/2015007.
5. Skirda V. D. The features of PFG NMR technique and some methodical aspects of its application / V. D. Skirda //2002 NATO science series II Mathematics, Physics and Chemistry 76 245-254.
6. Trotsenko A. A. Definition of the effective strategic enterprise management model in context of economic security / A. A. Trotsenko, T. V. Belevsky, O. G. Kievskaya et al. //Revista Espacios 39 (36) p 18.
7. Yagafarova G. G. Bioremediation of soils contaminated with heavy oil / G. G. Yagafarova, A. K. Mazitova, S. V. Leontyeva et al. // Proceedings of NIPI Neftegas GNKAR 3 75-90.
8. Trotsenko A. A. Nekotorye aspekty himizma samovozgoranija i samovosplamenenija [Some aspects of the chemistry of spontaneous combustion and self-ignition] / A. A. Trotsenko // Pozharovzryvobezopasnost [Fire and explosion safety]. 2014. Vol. 23. No. 9. p. 284. [in Russian]