Биология внутренних вод, 2020, № 6, стр. 613-619

ВВЕДЕНИЕ

Интерес к озерной лягушке (Pelophylax ridibundus Pall., 1771) как объекту радиоэкологического исследования вызван широким распространением этого вида амфибий в различных географических зонах Земного шара, их высокой мобильностью в воде и на суше и устойчивостью к загрязнению среды обитания. Распространение озерной лягушки стало возможным благодаря производственной деятельности человека и связанными с ней повсеместными термальными аномалиями антропогенного происхождения. На Урале озерная лягушка появилась в 70-е гг. прошлого столетия (Вершинин, 2007а). В настоящее время лягушек активно культивируют в искусственных и природных водоемах для производства пищевой продукции в ряде стран мира (Китай, Вьетнам, Франция, Бельгия, Португалия, Италия, Испания, Голландия и др.), вылов животных достигает 1 тыс. тонн в год (Mirzaj, 2003; Динь, 2015).

Радиоэкологические исследования лягушек ограничиваются незначительным количеством работ. В мировой литературе имеются данные о накоплении радионуклидов в аварийных зонах предприятий атомной промышленности (Stark et al., 2004; Stark, 2006; Matsushima et al., 2015; Лунева, 2018; Beresford et al., 2020). Однако в Уральском регионе, где функционирует много ядерных объектов (Белоярская АЭС, ядерные реакторы в научных и медицинских учреждениях, центры по переработке радиоактивных материалов и по захоронению радиоактивных отходов), проводились технологические ядерные взрывы и произошла тяжелейшая радиационная катастрофа на ПО “Маяк” (Уткин и др., 2004), радиоэкологические исследования лягушек отсутствуют.

Цель работы – исследование уровней накопления долгоживущих радионуклидов ⁹⁰Sr и ^134,137Cs в озерной лягушке, обитающей на Урале в Белоярском водохранилище – водоеме-охладителе БАЭС.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследовали озерных лягушек разных возрастных групп – взрослых особей, сеголетков, личинок. Кроме амфибий накопление радионуклидов оценивали в воде, водных растениях и грунте из Белоярского водохранилища. Водоем расположен на Среднем Урале в 50 км от г. Екатеринбурга, образован в 1959–1963 гг. путем зарегулирования русла р. Пышмы в 75 км от ее истока. Эколого-географическая и гидрохимическая характеристики Белоярского водохранилища приведены в работе Трапезникова и др. (2008). В настоящее время на БАЭС работают два энергоблока – третий (с 1980 г.) и четвертый (пущен в 2014 г.). В период работы первых трех энергоблоков основным путем поступления радионуклидов в Белоярское водохранилище служил ПЛК, куда сбрасывались дебаланcные воды станции (воды, прошедшие спецводоочистку, воды спецпрачечных, душевых, талые и ливневые воды с территории станции), а также стоки с соседнего предприятия – Института реакторных материалов (ИРМ), где работает экспериментальный реактор (рис. 1 ). Промливневый канал имеет глубину ≤1 м и не замерзает в зимнее время. Из растений в канале преобладают рдест гребенчатый и кладофора, реже встречаются ряска, рдест курчавый и элодея. Планктон представлен 30 видами фито- и 10 видами зоопланктона (данные авторов). В канале много мальков рыб, кроме того присутствуют карась, лещ, чебак и окунь. Обращает на себя внимание обилие в нем озерной лягушки, особенно в период размножения.

Рис. 1.

Карта-схема Белоярского водохранилища. АЭС (3) и АЭС (4) – третий и четвертый энергоблоки Белоярской АЭС; ВСК – водосбросной канал с четвертого энергоблока АЭС; ИРМ – Институт реакторных материалов; БФС – Биофизическая станция Института экологии растений и животных – водосбросной канал с четвертого энергоблока АЭС УрО РАН. Точки отбора проб: 1 – промливневый канал, 2 – зона сброса подогретых вод (теплый залив), 3 – водоем за четвертым энергоблоком соединен с Белоярским водохранилищем неглубокой заросшей протокой, 4 – район на значительном удалении от АЭС, база отдыха “Кедровая роща”.

Отбор проб в Белоярском водохранилище проводили в четырех точках наблюдений (рис. 1): ПЛК (т. 1), зоне сброса подогретых вод (т. 2), в небольшом водоеме (соединен с Белоярским водохранилищем неглубокой протокой, заросшей водными растениями) в лесном массиве за четвертым энергоблоком (т. 3) и в районе базы отдыха “Кедровая роща” на правом берегу водохранилища на значительном удалении от АЭС (т. 4).

Для сравнительной оценки накопления радионуклидов озерной лягушкой было выбрано Верхнетагильское водохранилище − водоем-охладитель Верхнетагильской ГРЭС, расположенный в Свердловской обл. и не подверженный влиянию слаборадиоактивных сбросов. Водоем проточный, образован в 1960 г. Относится к малым мелководным водохранилищам с сильным прогревом воды. Озерная лягушка впервые обнаружена в Верхнетагильском водохранилище в 1970 г. Место отлова животных располагалось около Верхнетагильской ГРЭС вне зоны сброса подогретой воды на расстоянии 90–100 км от БАЭС.

Различные этапы работы проводили с 2015 г. по 2018 г. Лягушек ловили при помощи удочки на червя, а сеголетков и головастиков лягушки и мальков рыб – водным сачком, после чего их усыпляли эфиром. В лаборатории лягушек взвешивали, определяли длину тела, пол и в некоторых пробах возраст. Для определения возраста использовали срезы второй фаланги четвертого пальца правой задней конечности амфибии, толщина среза – 15–18 мкм. После декальцинации пальцев в 5%-ном растворе НNО₃ в течение 5 ч готовили срезы на замораживающем микротоме, окрашивали их гематоксилином в течение 3 мин и помещали в глицерин для сохранения материала. В процессе обработки данных определяли наружный диаметр среза и средние диаметры всех линий остановки роста, т.е. линий, образованных во время зимовки. Таким образом, возраст определяли по количеству пережитых зимовок (Клейненберг, Смирина, 1969; Смирина, 1972; Сastanet, Smirina, 1990).

За период исследований в указанных местообитаниях, включая Верхнетагильское водохранилище, отловленa 151 особь взрослых лягушек, из них 45 ♀ и 106 ♂. Cеголетков лягушек поймано 4 особи (общая масса 25 г), головастиков – 95 особей (130 г), мальков рыб – 530 (375 г). У выловленных из ПЛК 11 ♀ и 32 ♂ лягушек был определен возраст: одного года – 12 особей, двух лет – 14, трех – 14, четырех – 1, пяти лет – 2 особи.

Растения и рыбу отбирали в трех повторностях по 2–3 кг в каждой. Планктон собирали из слоя 0–1 м от поверхности воды при помощи сачков, изготовленных из мельничного газа c размером пор 67 мкм. Грунт отбирали пробоотборником на глубине 0–5 см. Пробы воды (по 70 л в повторности) подкисляли, в лабораторных условиях фильтровали и выпаривали до сухого остатка.

Животных после высушивания и озоления при температуре 500°С исследовали на содержание в них радионуклидов. Концентрацию ⁹⁰Sr в пробах золы определяли радиохимическим методом (Трапезников и др., 2008). Радиометрию полученных осадков проводили на малофоновой установке УМФ-2000 (Россия) в трех повторностях при статистической ошибке счета 10–15%. Концентрацию ^{134, 137}Cs определяли с помощью многоканальных γ-анализаторов фирмы “Canberra-Packard” и “ORTEC” (США) при ошибке измерений 10–20%. В процессе анализа проб ¹³⁴Cs обнаружен в значительных количествах только в одной лягушке из ПЛК, в остальных пробах радионуклид присутствовал в микроконцентрациях ниже уровня достоверности определений. При проведении радиометрии на ⁹⁰Sr каждую особь лягушки анализировали отдельно, на ^134,137Cs – лягушек из 3–4 проб объединяли по половому признаку для повышения точности определений.

Полученные результаты обрабатывали с помощью корреляционного и однофакторного дисперсионного анализа.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В табл. 1 приведены данные по размерам и массе тела озерной лягушки из различных точек наблюдений. В период исследований лягушки из водоема за четвертым энергоблоком имели бóльшие средние размеры (на 20%) и массу тела (на 47%), чем обитающие в ПЛК и теплом заливе Белоярского водохранилища, а также в Верхнетагильском водохранилище. Возможно, это связано с благоприятными условиями жизни лягушек в водоеме, расположенном в лесном массиве, – отсутствием быстрого течения воды и штормовых волн, хорошим прогревом воды при небольшой глубине водоема, обильной пищевой базой и др. В районе базы отдыха “Кедровая роща” удалось отловить лишь одну лягушку, она имела относительно большую длину и массу тела. В дальнейшем из-за отсутствия статистически значимой выборки эту точку отбора не рассматривали.

Содержание радионуклидов ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в лягушках большинства местообитаний отличалось значительной вариабельностью, о чем свидетельствуют приведенные в табл. 1 коэффициенты вариации (C_v). Отмечены пониженные концентрации ¹³⁷Cs в лягушках зоны сброса подогретой воды Белоярского водохранилища, которые достоверно отличаются от таковых других местообитаний, включая Верхнетагильское водохранилище (p < 0.0001).

Кроме приведенных в табл. 1 данных в ПЛК обнаружена одна лягушка с высоким содержанием ¹³⁷Cs (45 000 Бк/кг) и ¹³⁴Cs (441 Бк/кг).

Сравнительный анализ концентраций ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в озерной лягушке и других группах гидробионтов в ПЛК (табл. 2) показал, что оба радионуклида накапливаются в амфибиях, растениях и планктоне в среднем выше, чем в рыбах. Сеголетки и головастики лягушек содержат ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs больше, чем взрослые особи. Компоненты экосистемы ПЛК по мере возрастания концентрации ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs располагаются следующим образом:

Исследование содержания радионуклидов во взрослых лягушках разного пола в пределах Белоярского водохранилища не выявило достоверных различий (р > 0.05) между самцами и самками (9.8 ± ± 1.0 и 8.9 ± 2.3 Бк/кг для ⁹⁰Sr и 17.6 ± 2.4 и 18.7 ± ± 3.2 Бк/кг для ¹³⁷Cs соответственно). Статистическая обработка совокупности данных по водоему показала тенденцию к снижению накопления ⁹⁰Sr с увеличением массы тела животных (С_v = –0.314). На примере ПЛК установлено, что у взрослых лягушек отсутствует достоверная корреляционная связь между концентрацией ⁹⁰Sr в организме и возрастом животных от 1 до 4 лет (С_v = 0.043).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Белоярское водохранилище – объект всестороннего радиоэкологического исследования. В ряде работ (Чеботина и др., 2002; Чеботина, Николин, 2005; Трапезников и др., 2008, 2015, 2019) рассмотрены многолетние данные об уровнях накопления и динамике концентраций долгоживущих радионуклидов в различных компонентах водоема-охладителя (воде, растениях, планктоне, рыбах, грунтах) в разные периоды эксплуатации атомной станции. Установлено, что на первых этапах работы АЭС загрязнение экосистемы водоема радионуклидами было связано с функционированием первого (АМБ-100) и второго (АМБ-200) энергоблоков, тогда как ныне работающие третий (БН-600) и четвертый (БН-800) энергоблоки не вносят существенного вклада в загрязнение водоема.

Известно, что лягушки в условиях повышенного радиоактивного загрязнения среды, например при авариях на атомных предприятиях, способны накапливать радионуклиды в высоких концентрациях. В работе Matsushima et al. (2015) приведены данные о накоплении ^{134, 137}Cs пятью видами лягушек в 20-километровой зоне Фукусимской АЭС и за ее пределами после аварии 2011 г. Содержание радионуклидов в лягушках на этой территории варьировало от 3.7 до 47.0 кБк/кг сырой массы. При гистологическом исследовании явных отклонений в морфологии зародышевых клеток гонад лягушек не выявлено. По результатам исследований Бересфора и др. (Beresford et al., 2020) в зоне отчуждения Чернобыльской АЭС в 2014 г. концентрации радионуклидов в остромордой лягушке варьировали по ⁹⁰Sr от 14.8 до 59.3 кБк/кг сырой массы, по ¹³⁷Cs от 7.7 до 119.0 кБк/кг, ²⁴¹Am – от 0.5 до 9.5 кБк/кг сырой массы. В заболоченных экосистемах центрально-восточной части Швеции через 17 лет после Чернобыльской аварии средняя концентрация ¹³⁷Cs в остромордой лягушке была 1.7 ± 1.1 кБк/кг сырой массы, при этом наиболее высокие значения (3.5 кБк/кг сырой массы) были отмечены для самых мелких особей амфибий (Stark et al., 2004; Stark, 2006). Авторами оценены коэффициенты накопления радионуклида, которые по отношению к воде оказались значительно выше, чем по отношению к почве.

В работе О.А. Пястоловой и др. (1996) амфибий использовали для биоиндикационных целей: выявлены изменения в популяционной структуре, физиологические и генетические отличия лягушек, обитающих на радиоактивно загрязненных территориях в зоне ПО “Маяк”, по сравнению с контрольным регионом. В.Л. Вершининым (2007б) выявлены изменения в печени, крови, половых органах и продолжительности жизни лягушек на территории Восточно-Уральского радиоактивного следа.

Для оценки влияния Белоярской АЭС на накопление радионуклидов лягушками проведено сравнение полученных данных с таковыми в контрольном водоеме (Верхнетагильское водохранилище). Выявлено, что среднее содержание ⁹⁰Sr в лягушках промливневого канала и теплого залива Белоярского водохранилища, расположенных в 0.5 и 2.0 км ниже по течению от БАЭС, на ~40% выше, чем в контрольной водоеме (различие высоко достоверно при p < 0.05). В более удаленной точке отбора, расположенной в 6 км выше по течению в сторону верховья (залив за четвертым энергоблоком), концентрация ⁹⁰Sr близка к уровню в контрольном водоеме (p > 0.05). Отмечено превышение концентраций ¹³⁷Cs в лягушках ПЛК и залива за четвертым энергоблоком по отношению к контрольному водоему соответственно на 53 и 89% (различие достоверно при p = 0.002 и 0.004 соответственно). Зафиксирован случай высокого содержания ¹³⁷Cs (45 000 Бк/кг) и ¹³⁴Cs (441 Бк/кг) в одной особи озерной лягушки промливневого канала, что может быть следствием тесного контакта животного с радиоактивной средой в зоне размещения атомного предприятия (путешествие в радиоактивно загрязненную зону, попадание горячей частицы и др.) (Рихванов, 1997). Согласно существующей в настоящее время классификации, по содержанию цезия эту лягушку можно отнести к радиоактивным отходам (Постановление…, 2012).

Таким образом, можно заключить, что лягушки, обитающие в водоеме-охладителе Белоярской АЭС, накапливают больше стронция и цезия, чем животные из контрольного водоема. Полученные значения концентраций указанных радионуклидов в основной массе изученных лягушек Белоярского водохранилища значительно ниже допустимого уровня в пищевых продуктах для земноводных (100 и 200 Бк/кг для ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs соответственно), согласно принятым нормативам (Методические указания …, 1998).

Обращают на себя внимание пониженные концентрации ¹³⁷Cs в лягушках зоны сброса подогретой воды в Белоярском водохранилище, которые достоверно отличаются от таковых других местообитаний, включая Верхнетагильское водохранилище (p < 0.0001). Следует отметить, что эти данные не согласуются с данными лабораторных экспериментов по изучению влияния температуры на накопление радионуклидов различными компонентами водоема. Установлено, что с повышением температуры воды в большинстве случаев уровень накопления радионуклидов пресноводными гидробионтами и грунтами возрастает, однако, в некоторых случаях температурные условия не влияют и даже снижают накопление (Куликов, Чеботина, 1988; Чеботина и др., 2019). В настоящее время мы не располагаем достоверной информацией, позволяющей объяснить феномен пониженного накопления ¹³⁷Cs в лягушках зоны подогрева. Возможно, это связано с особыми гидрохимическими условия в теплом заливе, которые формируются под влиянием сбросных подогретых вод, поступающих в залив от БАЭС после прохождения их через системы водоочистки и охлаждения реактора. Следствием этого могут быть изменения в пищевой базе животных, обитающих в зоне сброса теплых вод.

Повышенное накопление радионуклидов ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в сеголетках и головастиках по сравнению со взрослыми лягушками возможно связано с относительно большим вкладом обогащенного радионуклидами планктона в пищевой рацион молодых особей по сравнению со взрослыми животными. Аналогичные данные о более высоком накоплении ¹³⁷Cs головастиками по сравнению со взрослыми животными приводятся для зоны Фукусимской АЭС в работе (Tagami et al., 2018). Концентрации ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в лягушках в среднем выше, чем в исследованных представителях ихтиофауны, что связано с видовыми особенностями гидробионтов.

Полученные нами результаты показали, что во всех компонентах экосистем Белоярского и Верхнетагильского водохранилищ содержание ¹³⁷Cs выше, чем ⁹⁰Sr. Исключение – зона сброса подогретой воды в Белоярском водохранилище, где концентрация ¹³⁷Cs в лягушках примерно в 25 раз меньше, чем ⁹⁰Sr (различие достоверно при р = 0.01).

Выводы. Озерная лягушка, обитающая в Белоярском водохранилище, накапливает долгоживущие радионуклиды ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в бóльших концентрациях по сравнению с контрольным водоемом. Установлено, что у взрослых лягушек накопление не зависит от массы животных, их пола и возраста. Сеголетки и головастики содержат ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs больше, чем взрослые особи. Накопление ¹³⁷Cs в лягушках, сеголетках и головастиках выше, чем ⁹⁰Sr.