Выращивание экологически чистых сельскохозяйственных культур на
почвах, загрязненных радиоактивным стронцием
Автор: Паршина Вера, школа
№ 39
Научный руководитель:
к.т.н. Свергузова С.В.
г. Белгород
ВВЕДЕНИЕ
Загрязнение
окружающей среды приняло угрожающие масштабы. Среди загрязнителей числятся
такие вещества, как оксид углерода, оксиды азота и серы, галогены, тяжелые
металлы, органические соединения. Однако особое внимание ученых приковано к
такому виду загрязнений, как радиоактивность.
Радиоактивность -
особый вид загрязнения окружающей среды. Среди вопросов, вызывающих научный
интерес, немногие привлекают к себе
столь пристальное внимание общественности, как вопрос о действии радиации на человека
и окружающую среду. Радиация очень опасна. При больших дозах она вызывает
серьезные поражения тканей, а при малых - может вызвать рак и индуцировать генетические
дефекты у будущих потомков.
В окружающей
жизни источниками радиоактивного излучения являются предприятия, добывающие и
перерабатывающие ядерное горючее, атомные электростанции, хранилища отходов,
испытательные полигоны, отработавшие ядерные реакторы атомных подводных лодок и
т.д.
С развитием
цивилизации возросло и число техногенных аварий на радиационноопасных объектах,
приводящих к выбросу радиоактивных веществ в окружающую среду. Положение
усугубляется тем, что радиоактивному загрязнению подверглись огромные территории
и миллионы людей вынуждены употреблять в пищу продукты, выращенные и произведенные
на радиоактивно загрязненных почвах. Поэтому вопрос снижения уровня радиоактивной
загрязненности сельскохозяйственной продукции и выращивания экологически чистых
сельскохозяйственных культур на почвах, загрязненных радиоактивными осадками, является
особенно актуальным.
Целью данной работы является исследование
возможности выращивания экологически чистых
сельскохозяйственных культур на почвах, загрязненных радиоактивным стронцием.
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
В настоящее время
в мире работает более 370 энергетических реакторов, на которых произошло уже
более 150 аварий с утечкой радиоактивных веществ. Авария на 4 энергоблоке Чернобыльской АЭС в первые дни после
взрыва привела в увеличению уровней радиации над естественным фоном до 1000
-1500 раз в зоне около станции и до 10-20 раз в радиусе 200 - 250 км. При
авариях продукты ядерного деления
высвобождаются в виде аэрозолей (за исключения редких газов и йода) и
распространяются в атмосфере в зависимости от силы и направления ветра. Размеры
облака в поперечнике могут меняться от 30 до 300 м, а размеры зон загрязнения в
безветренную погоду могут иметь радиус до 180 км. В последние 40 лет каждый из
нас подвергался облучению от радиоактивных осадков.
Часть
радиоактивного материала выпадает неподалеку от места испытания, какая-то часть
подхватывается ветром и перемещается на большие расстояния. находясь в воздухе
около месяца, радиоактивные вещества постепенно вместе с осадками выпадают на
землю. Вклад в ожидаемую дозу облучения населения от ядерных взрывов,
превышающий 1 %, дают только 4 радионуклида. Это углерод - 14, цезий - 137,
цирконий - 95 и стронций - 90.
Стронций -
химический элемент с порядковым номером 38, атомной массой 87,62. Химически
активен. При ядерных взрывах в ядерных реакторах образуется радиоактивный
изотоп стронций - 90 (период полураспада = 27,7 лет), представляет большую
опасность для человека при попадании в окружающую среду.
Так, в марте 1954
года на палубу японского рыболовного судна "Фукурю - Мару", находившегося
в открытом море более чем в 150 км от эпицентра взрыва, начали падать грязно -
белые хлопья радиоактивных осадков. Рыбаки взяли курс на Японию, но было уже
поздно: вскоре после возвращения один из членов экипажа умер, а остальные оказались
пораженными тяжелой формой лучевой болезни. Едва ли не самым главным "вирусом"
этой болезни был стронций - 90.
В результате ядерного взрыва в атмосферу выбрасывается десятки миллионов
тонн земли и горных пород, буквально начиненных продуктами деления атомных
ядер, самый токсичный, а значит, и самый опасный среди которых - стронций - 90.
Вместе с фруктами и овощами, усвоившими его из почвы, с питьевой водой, с мясом
или молоком домашних животных, "полакомившихся" травой, зараженной
стронцием - 90, он проникает в организм людей, накапливается там и создает
опасные радиоактивные очаги, гибельно воздействующие на костные ткани, мозг,
кровь. Схема распространения показана
на рис. 1.
человек 
животные
Рис. 1. Схема распространения радиоактивных частиц в
биосфере
Чернобыльская авария, случившаяся в 1986 году, задела черным крылом и
Белгородскую область. Так, к особо пострадавшим в результате Чернобыльской
аварии районам относятся Алексеевский, Валуйский, Волоконовский, Ровеньской,
Вейделевский, Красногвардейский, Красненский, города Старый Оскол и Новый
Оскол. Сельскохозяйственные угодья этих районов загрязнены цезием-137 и
стронцием-90. Поэтому особо актуальным нам представляется проблема выращивания
экологически чистых сельскохозяйственных культур на радиоактивно загрязненных
почвах. С этой целью нами была исследована возможность выращивания
сельскохозяйственных культур с пониженным содержанием стронция на почвах,
загрязненных радиоактивным стронцием -90.
Нами была
высказана гипотеза о возможности снизить поступление ионов Sr2+ в ткани растений путем
добавления к почве соединений кальция, например, карбоната кальция - СаСО3.
Предположение
основывается на химическом сходстве таких элементов, как Sr и Са (табл. 1 и 2, , рис. 2), и
большей химической активности и подвижности ионов кальция по сравнению с ионами
стронция.
Таблица
1
Электронно-химические
характеристики элементов
|
Элемент
|
Атомные массы, у.е.
|
Конфигурация внешнего электронного слоя
|
Атомные радиусы
rа, Å
|
Число электронных слоев
|
Ионные радиусы
rи, Å
|
|
Sr
|
87,6
|
5 S2
|
2,15
|
5
|
1,27
|
|
Ca
|
40,0
|
4 S2
|
1,97
|
4
|
1,06
|
Таблица
2
Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня атомов
|
Элемент
|
Нормальное состояние
|
Возбужденное состояние
|
Степень окисления
|
Валентность
|
|
Sr
|
5S 5p
|
5S 5p
|
+2
|
2
|
|
Ca
|
4S 4p
|
4S 4p
|
+2
|
2
|
CaH2, SrH2 CaCl2, SrCl2
SrO, CaO Н2 Сl2
Me(OH)2 + H2
О2 H2O
Щелочи
HNO3 Ме(NO3)
конц. + NO +
не реагируют
H2O
H2SO4 разб. H2SO4 конц. HCl HNO3 разб.
MeSO4 + H2 MeSO4 + MeCl2 + H2 Me(NO3)+
H2O + SO2 NH4NO3
+ H2O
Рис. 2. Химические свойства стронция и кальция
Как следует из приведенных характеристик, ионы Са2+ по
сравнению с ионами Sr2+
имеют меньшую атомную массу и меньшее число электронных слоев, что обеспечивает
им большую подвижность при протекании химических процессов. Карбонаты, сульфаты
и фосфаты кальция более растворимы, чем аналогичные соединения стронция (табл.
3).
Таблица 3
Растворимость некоторых соединений стронция и кальция
|
Элемент
|
Произведения растворимости
|
|
|
Сульфаты
[Me 2+][SO42- ]
|
Карбонаты
[Me 2+][CO32-]
|
Фосфаты
[Me2+][PO43-]
|
|
Sr
|
ПР SrSO4 = -3,2 x 10-7
|
ПР SrCO3 = -1,1 x 10-10
|
ПР Sr(PO4)= -1 x 10-7
|
|
Ca
|
ПР CaSO4 = 2,5 x 10-5
|
ПР CaCO3 = 3,8 x 10-9
|
ПР Ca(PO4)= 2 x 10-29
|
Все эти факторы
должны обеспечивать соединениям кальция более высокую степень усваиваемости
растениями по сравнению с соединениями стронция при прочих равных условиях в
почве. Основываясь на этих выводах, мы предположили, что при обработки почвы,
загрязненной радиоактивным стронцием, порошком мела (карбоната кальция), можно
выращивать сельскохозяйственные культуры с пониженным содержанием стронция.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Методика исследования
Для проверки
нашей научной гипотезы была приготовлена почва двух видов: обычный чернозем и
чернозем с добавкой мела (5 %).
Объектом исследования
была выбрана пшеница. Почвой заполнили емкости, куда высадили пророщенные зерна
пшеницы. Растения поливали модельными растворами, содержащими ионы стронция в
концентрациях от 50 до 300 мг/л.
Вторым объектом исследования был выбран лук - севок, который выращивали в
пробирках, заполненных модельными растворами, содержащих ионы стронция в
концентрациях от 25 до 65 мг/л. Первая партия выращивалась только на
перечисленных модельных растворах, а вторая аналогично, но с добавкой порошка
мела в количестве 0,5 г в каждую пробирку.
Растворы готовили на
дистиллированной воде с использованием соли SrCl2 · 6 H2O (х.ч.). Повторность
экспериментов всех случаях - трехкратная.
2.2. Результаты
Результаты
наблюдений свидетельствуют о том, что пшеница и лук, выращенные на почве и воде
с добавками порошка мела, опережают растения, выращенные в аналогичных
условиях, но без добавки мела.
Так, при
концентрации ионов Sr2+
в поливочном растворе 300 мг/л всхожесть пшеницы на 10 % выше для почвы с 5%
добавкой порошка мела, а длина стеблей пшеницы для аналогичных условий больше
на 20 % ( рис. 3, 4).
Анализ растений,
выполненный методом атомно- абсорбционной спектрофотометрии показал, что
содержание стронция в растениях, выращенных с добавкой порошка мела, на15%
меньше для пшеницы и на 25 % меньше для лука по сравнению с растениями, выращенными
без добавки СаСО3.
Рис. 3. Зависимость показателя всхожести (%) семян пшеницы от
концентрации ионов стронция в поливочных растворах
Рис 4. Зависимость длины стеблей пшеницы от концентрации ионов
стронция в поливочных растворах
Для лука длина
корешков оказалась на 8,4 % больше для растений, помещенных в раствор соли
стронция с добавкой порошка мела, а для зеленых стеблей лука разница в росте
составила 8,7 % (табл. 4, 5).
Таблица 4
Длина корешков лука с добавкой порошка мела в
растворе и без добавки
|
Дни
|
Ионы в
|
Концентрация модельного раствора, мг/л
|
|
|
растворе
|
0
|
25
|
35
|
45
|
55
|
65
|
|
5
|
Sr2+
|
4,5
|
3,5
|
3,2
|
3,2
|
2,8
|
2,2
|
|
5
|
Sr2++ Ca2+
|
5,7
|
4,7
|
4,5
|
4,2
|
4
|
3,4
|
|
7
|
Sr2+
|
7
|
6,7
|
6,3
|
5,7
|
5,2
|
4,2
|
|
7
|
Sr2++
Ca2+
|
8,2
|
7,5
|
7,3
|
7
|
7
|
6,7
|
|
14
|
Sr2+
|
11,8
|
10,7
|
10
|
9,1
|
9
|
9
|
|
14
|
Sr2++
Ca2+
|
15,4
|
12,7
|
11,8
|
11
|
11,2
|
10,7
|
Таблица 5
Длина зеленой массы лука с добавкой порошка мела в
растворе и без добавки
|
Дни
|
Ионы в
|
Концентрация модельного раствора, мг/л
|
|
|
растворе
|
0
|
25
|
35
|
45
|
55
|
65
|
|
9
|
Sr2+
|
4,6
|
4,2
|
3,8
|
3
|
2,2
|
2
|
|
9
|
Sr2++ Сa2+
|
5,8
|
5,1
|
4
|
3,7
|
2,7
|
2,7
|
|
14
|
Sr2+
|
13,4
|
12
|
10
|
9,5
|
9
|
8
|
|
14
|
Sr2++ Ca2+
|
15,4
|
13
|
11
|
10
|
9,4
|
9,1
|
Нами были также
проанализированы собранные растворы прикорневой жидкости на содержание в них
ионов стронция методом
атомно-адсорбционной спектрофотометрии. Анализ выполнялся в химической
лаборатории. Из полученных результатов следует, что присутствие в растворе добавки
мела снижает количество ионов стронция, поглощенных корешками лука (рис. 5, 6).
Это
свидетельствует о том, что ионы кальция, конкурируя с ионами стронция в почвенных
процессах, быстро всасываются растениями, тем самым, препятствуя проникновению
в них стронция, что подтверждает нашу гипотезу. Полученные результаты дают возможность
также предположить, что при правильном подборе нужной дозировки порошка мела
повысится степень чистоты сельскохозяйственных культур.
|
|
|
|
|
 Рис. 5. Количество поглощенных ионов Sr2+ в околокорневом
растворе (%) корешками лука.
СНАЧ. Sr2+ = 15 мг/л
|
|
|
|
 Рис. 6. Количество
поглощенных ионов Sr2+ в околокорневом растворе (%) корешками лука.
СНАЧ. Sr2+ = 25 мг/л
|
|
|
Выводы:
1.
Установлена принципиальная возможность выращивания сельскохозяйственных
культур с повышенным содержанием стронция на почвах, загрязненных радиоактивным
стронцием.
2.
Результаты наблюдений
показали, что пшеница и лук, выращенные на почве и воде с добавками порошка
мела, опережают растения, выращенные в аналогичных условиях, но без добавки
мела.
3.
Анализ растений, выполненный методом атомно- абсорбционной спектрофотометрии
показал, что содержание стронция в растениях, выращенных с добавкой порошка мела,
на15% меньше для пшеницы и на 25 % меньше для лука по сравнению с растениями,
выращенными без добавки СаСО3.
4.
Исследования показали, что присутствие в растворе добавки мела снижает
количество ионов стронция, поглощенных корешками лука. Результаты дают возможность также
предположить, что при правильном подборе нужной дозировки порошка мела
повысится степень чистоты сельскохозяйственных культур.
Использованные
источники:
1.
Вредные
химические вещества. Радиоактивные вещества: Справ. изд./ В.А. Баженов, Л.А.
Будлаков и др. - Л.: Химия, 1990. 464
с.
2.
Радиация.
Дозы, эффекты, риск: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 79 с.
3.
Экологическая
химия: Пер. с нем./ Под ред. Ф. Корте. - М.: Мир, 1997.- 396 с.
4.
Фелленберг
Г. Загрязнение природной среды. Пер. с нем. - М.: Мир, 1997.- 232 с.
5.
Некоторые
вопросы токсичности ионов металлов: Пер. с англ./ Под ред. Х. Зигеля, А.
Зигель. - М.: Мир, 1993. - 368 с.
6.
Венецкий
С.И. О редких и рассеянных. Рассказы о металлах. М.: Металлургия, 1981.
7. Шустов С.Б., Шустова Л.В.
Химические основы экологии: Учебное пособие. - М.: Просвещение, 1994. - 239
8.
Любимов И.М.
Редкие элементы и их география. М.: Просвещение, 1977.
9. Доклад "О состоянии
окружающей природной среды Белгородской области в 1999 году". - Белгород, 2000 г. - 115 с.
