Радиационная биология. Радиоэкология, 2023, T. 63, № 4, стр. 403-410
Содержание радионуклидов в хвое Pinus sylvestris L. в условиях Карачаево-Черкесской Республики (Западный Кавказ)
М. З. Моллаева 1, *, Ф. А. Темботова 1, А. М. Гангапшев 2, В. В. Казалов 2, А. М. Гежаев 2
1 Институт экологии горных территорий им. А.К. Темботова
Нальчик, Россия
2 Институт ядерных исследований РАН
Москва, Россия
* E-mail: monika.011@yandex.ru
Поступила в редакцию 04.08.2022
После доработки 19.05.2023
Принята к публикации 21.06.2023
- EDN: OSCLJW
- DOI: 10.31857/S0869803123040069
Аннотация
Представлены оригинальные данные о содержании радионуклидов естественного (примордиальные и космогенные) и техногенного происхождения в ассимиляционном аппарате сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), произрастающей на территории Западного Кавказа (в пределах Карачаево-Черкесской Республики). В хвое сосны выявлено содержание радиоизотопов бериллия 7Be, калия 40K, тория 232Th, урана 238U и цезия 137Cs. Выявлена связь содержания радионуклидов в образцах хвои сосны обыкновенной 7Be, 238U, 137Cs с высотой мест произрастания.
В связи с развитием атомной промышленности, созданием ядерного оружия, радиационными авариями наша планета подвержена загрязнению радионуклидами. Особый интерес представляет изучение лесообразующих древесных видов, отличающихся высокой чувствительностью к загрязнению воды, почвы и воздуха [1]. Сосна обыкновенная является одним из природных объектов для экологического и генетического мониторинга воздействия различного рода загрязнений на древесные растения, служит биоиндикатором окружающей среды [2, 3]. Данные о высокой чувствительности хвойных растений к загрязнению различными поллютантами, в том числе тяжелыми металлами и радионуклидами, известны в мире с 1960-х гг. и отмечены во многих исследованиях зарубежных и российских ученых [4–6]. Длительное воздействие ионизирующего излучения вызывают изменения морфометрических показателей вегетативных и генеративных органов сосны, особенно чувствительна пыльца [7]. Минимальная доза облучения, которая вызывает при длительном воздействии (несколько лет) морфологические изменения, составляет 0.02 Гр/сут. По данным авторов, высокая концентрация активности радионуклидов наблюдается в хвое, молодых побегах, тогда как древесина остается незагрязненной [4]. В Брянской области обнаружены треххвойные брахибласты в популяциях сосны, произрастающих на радиоактивно загрязненных участках [8, 9]. Сведения о содержании естественных радионуклидов в почве и растениях Кавказа носят фрагментарный характер [10–13], практически отсутствуют данные для лесной растительности, что не дает полноценной картины для оценки влияния естественного радиационного фона на растительность в условиях гор Кавказа.
Изучение содержания радионуклидов в хвое сосны в условиях Западного Кавказа представляет огромный интерес для оценки воздействия на растения радионуклидов как техногенного, так и природного происхождения в горных условиях. В связи с этим целью настоящей работы является оценка количественного содержания радионуклидов в хвое сосны обыкновенной на территории Карачаево-Черкесской Республики в пределах Тебердинского национального парка.
ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектом исследования послужили разновысотные выборки сосны обыкновенной, произрастающей на Западном Кавказе, на территории Тебердинского заповедника в пределах высот 1300–2000 м над уровнем моря (рис. 1). Выборки заложены в изолированных ущельях рек: Большой Зеленчук – “Архыз”, (1820 м), Теберда – “Теберда” (1330 м), и его притоков – правый берег р. Гоначхир – “Гоначхир” (1671 м), Джамагат – “Джамагат” (1820 м).
Рис. 1.
Схема расположения выборок сосны обыкновенной в Карачаево-Черкесской Республике.
Fig. 1. Schematic view of arrangement of samples of Scots pine in the Karachay-Cherkess Republic.

Материалом исследования были образцы хвои (0.345 кг), которые отбирали в средней части кроны с 12 деревьев. Такой небольшой объем выборки считается достаточным для получения достоверных результатов исследований [14–16]. Для учета всех факторов радиационного загрязнения (пыль, осадки и пр.) пробоподготовку образцов хвои не проводили. Радиационно-экологические исследования хвои сосны включали определение удельной активности радионуклидов различного происхождения. Определение содержания радионуклидов проводили гамма-спектрометрическим методом, который заключается в определении величины пиков полного поглощения в спектрах образцов от полного поглощения γ-квантов, образующихся при распаде некоторых радионуклидов.
В работе использовали низкофоновые гамма-спектрометры МКГБ-01 “РАДЭК” (Россия) с блоком детектирования из сверхчистого германия БДЕГ-К специального исполнения для низкофоновых исследований (рис. 2). В целях защиты блока детектирования от внешней радиации (α-, β-, γ-излучений и нейтронов) сконструирована комплексная пассивная защита из меди, свинца и борированного полиэтилена. Для снижения фона гамма-спектрометра, связанного с космическими лучами (в основном от мюонов), установка расположена в подземной низкофоновой лаборатории (в штольне БНО ИЯИ РАН), где поток мюонов космических лучей снижен более чем в 100 раз.
Рис. 2.
Схематический вид низкофонового гамма-спектрометра в пассивной защите. Розово-коричневый цвет обозначает медный защитный слой, красный – свинцовый слой, а белый – борированный полиэтилен.
Fig. 2. Schematic view of a low-background gamma spectrometer in passive protection. The pink-brown color marks the copper layer of protection, the red – the lead layer, and the white – the borated polyethylene.

Далее проводили расчет активности радионуклидов с учетом эффективности регистрации γ-квантов – k. Значение k определялось по результатам розыгрыша 106 распадов радионуклида в исследуемом образце хвои с помощью программы MCC‑MT, предназначенной для имитационного трехмерного моделирования процессов переноса и регистрации ионизирующих излучений (метод Монте‑Карло), внесенной в Единый реестр российских программ для ЭВМ. Количество событий в пике полного поглощения S определялось из величины соответствующего пика (площади под пиком) в измеренном спектре для каждого образца. Проверка правильности расчетов с помощью программы МСС-МТ проводилась калибровочными измерениями с образцами с известной активностью радионуклидов в них.
Удельную активность радионуклидов определяли по формуле:
где A – удельная активность радионуклида [Бк/кг], k – расчетное количество регистрируемых γ-квантов на 106 распадов, S – количество событий в пике, t – время измерения [с], m – масса образца, кг (табл. 1).Таблица 1.
Длительность измерений и масса образцов Table 1. Duration of measurements and weight of samples
Выборки | Высота местности, м | Масса образца, г | Время измерений, ч |
---|---|---|---|
Архыз | 1820 | 24 | 105 |
Джамагат | 1820 | 35 | 111 |
Гоначхир | 1671 | 26 | 105 |
Теберда | 1330 | 13 | 105 |
Ввиду короткого периода полураспада (53.22 сут) [17] и относительно большого интервала между сбором образцов хвои и серединным временем измерений (42–48 сут) активность 7Be существенно снизилась. Для определения его активности на момент сбора образцов хвои с учетом его периода полураспада измеренная активность 7Be умножалась на коэффициенты: 1.82, 1.75, 1.73 и 1.87 для выборок Архыз, Джамагат, Гоначхир и Теберда соответственно (временные интервалы равны 46, 43, 42 и 48 сут). Коэффициенты определялись по формуле:
где r – коэффициент, t – временной интервал между сбором образца и серединным временем измерений, T1/2 – период полураспада 7Be.В связи с тем, что хвоя не подвергалась какой либо пробоподготовке, активность 7Be обусловлена его наличием на поверхности хвои, накопленного в результате его осаждения из верхних слоев атмосферы вместе с осадками. Для наглядности данные по активности 7Be на момент сбора образцов хвои также были использованы для определения коэффициента корреляции Спирмена.
Статистическую обработку полученных данных проводили посредством нескольких программ: ММС – расчет эффективности регистрации γ-квантов, SciDAVIS – построение и обработка спектров. Для выявления взаимосвязей рассчитывали коэффициенты корреляции Спирмена в программе STATISTICA-12.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Активность 232Th определяли по линии 238.6 кэВ, 238U – по линии 351.9 кэВ, 235U – по линии 143.8 кэВ, 40K – по линии 1460.8 кэВ, 7Be – по линии 477.6 кэВ, 137Cs – по линии 661,7 кэВ. На рис. 3 представлен спектр, полученный на гамма-спектрометре с образцом хвои, где во вкладке показан пик от γ-линии 1460.8 кэВ (40К) и функция Гаусса, полученная в результате фитирования.
Рис. 3.
Спектр, измеренный на гамма-спектрометре с образцом хвои. Во вкладке показаны пик от γ-линии 1460.8 кэВ (40К) и результат фитирования функцией Гаусса.
Fig. 3. Spectrum of the sample needles measured with gamma spectrometer. The tab shows the peak of 1460.8 keV gammas (40K) and the result of fitting by Gaussian.

По результатам исследования хвои в выборках сосны обыкновенной Карачаево-Черкесской Республики отмечаются радионуклиды естественного и техногенного происхождения (табл. 2).
Таблица 2.
Удельная активность радионуклидов в образцах хвои сосны обыкновенной Table 2. Specific activity of radionuclides in samples of pine needles
Образец хвои | Радионуклид | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
7Be | 40K | 232Th | 235U | 238U | 137Cs | |
Удельная активность, Бк/кг | ||||||
Архыз | 94.3 ± 2.5 | 94.8 ± 3.1 | 0.34 ± 0.05 | н/о | 0.49 ± 0.07 | 0.27 ± 0.05 |
Джамагат | 52.0 ± 1.6 | 76.9 ± 2.2 | 0.11 ± 0.04 | н/о | 0.18 ± 0.05 | 0.04 ± 0.02 |
Гоначхир | 67.6 ± 2.1 | 103.6 ± 3.1 | 0.15 ± 0.05 | н/о | 1.17 ± 0.11 | 0.25 ± 0.04 |
Теберда | 170.5 ± 2.5 | 95.4 ± 4.3 | 0.27 ± 0.11 | н/о | 2.06 ± 0.19 | 0.68 ± 0.09 |
Так, согласно табл. 2, наибольшее количество 7Be обнаружено в выборке Теберда (170.5 Бк/кг), меньше всего бериллия в выборке Джамагат (52.0 Бк/кг). Содержание радионуклида естественного происхождения 40K варьирует от 76.9 до 103.6 Бк/кг, тория 232Th от 0.11 до 0.34 Бк/кг. Удельная активность радионуклидов 235U не отмечается в данных образцах, а радионуклид 238U присутствует в количестве от 0.18 до 2.06 Бк/кг.
С учетом короткого периода полураспада 7Be (53.22 сут) [17] и сильной связи содержания 7Be с осадками [18, 19] сбор материала и измерения проводили в летний период. Максимальное значение 7Be в хвое сосны на исследуемой территории составляет 91.2 Бк/кг, что в сравнении с данными литературы [20–22] не превышает значений в растительных объектах.
Из радионуклидов техногенного происхождения на исследуемой территории обнаружен цезий 137Cs, содержание его в наших образцах, вероятно, обусловлено глобальным загрязнением (последствиями испытаний ядерного оружия и аварии на Чернобыльской АЭС и т.д.). Максимальная удельная активность 137Cs отмечается в выборке Теберда 0.68 Бк/кг, что в разы превышает содержание в образцах остальных выборок, но гораздо ниже, чем в хвое сосны в зоне техногенного воздействия [3, 20, 23]. Следует отметить, что цезий не был отмечен нами для сосны в соседней республике [16], но присутствует в значительных количествах в криоконитах Центрального Кавказа [24], что дает основание для дальнейших исследований на Кавказе.
Таким образом, наиболее “чистыми” образцами обладает выборка Джамагат, где отмечается наименьшее количество указанных выше изотопов. И наоборот, наибольшей радиоактивностью отличается выборка Теберда. На рис. 4 хорошо видны пики, соответствующие γ-линиям от космогенного радиоизотопа 7Be и примордиального радиоизотопа 40K с энергиями 477.6 и 1460.8 кэВ соответственно.
Рис. 4.
Формы спектров, измеренных на гамма-спектрометрах, с образцами хвои.
Fig. 4. Spectra of the samples of needles.

С целью изучения изменчивости содержания радионуклидов с высотным градиентом местности выборки Джамагат и Архыз были объединены в один высотный уровень (1820 м над уровнем моря). Полученные результаты корреляционного анализа свидетельствуют о наличии связи содержания радионуклидов с высотным градиентом местности, за исключением 232Th (r = 0.12 при p = = 0.005) (рис. 5).
Рис. 5.
Содержание радионуклидов в хвое в высотном градиенте Западного Кавказа: 1 – 1330 м; 2 – 1670 м; 3 – 1820 м.
Fig. 5. Radionuclide content in coniferous pine needles in the altitudinal gradient of the Western Caucasus: 1 – 1330 m; 2 –1670 m; 3 – 1820 m.

Наблюдается тенденция уменьшения содержания радионуклидов 7Be (r = –0.62 при p = 0.005), 40K (r = –0.71 при p = 0.005), 238U (r = –0.95 при p = = 0.005), 137Cs (r = –0.63 при p = 0.005) в образцах хвои сосны с высотой мест произрастания, что не согласуется с данными Т.А. Асваровой, полученными для других видов растений в горах [12].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате исследования содержания радионуклидов в ассимиляционном аппарате сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), произрастающей на территории Западного Кавказа (в пределах Карачаево-Черкесской Республики), обнаружены изотопы как природного (космогенного и террогенного), так и техногенного происхождения. В хвое сосны выявлено содержание радиоизотопов бериллия (7Be), калия (40K), тория (232Th), урана (238U) и цезия (137Cs). Наибольшей удельной активностью хвои отличаются выборки Теберда и Гоначхир. Выявлена корреляция содержания радионуклидов в образцах хвои сосны обыкновенной с высотой мест произрастания, наиболее тесная связь выявлена между содержанием изотопов 238U (r = –0.95). Однако, несмотря на высокие значения содержания радионуклидов в хвое сосны в некоторых выборках (Теберда, Гоначхир), данные радиоэкологические показатели не выходят за пределы природного фона.
Список литературы
Крючков В.В., Сыроид Н.А. Северотаежные биогеоценозы в условиях аэротехногенного воздействия. Общие проблемы биогеоценологии. М.: АН СССР, 1986. С. 13–15. [Kryuchkov V.V., Syroid N.A. Severotaezhnye biogeocenozy v usloviyah aerotekhnogennogo vozdejstviya. Obshchie problemy biogeocenologii. M.: AN SSSR, 1986. s. 13–15. (In Russ.)]
Козубов Г.М., Таскаев А.И., Ладанова Н.В. Радиобиологические исследования сосновых лесов в районе аварии на Чернобыльской АЭС. Сыктывкар: Коми НЦ УрО АН СССР, 1987. 52 с. [Kozubov G.M., Taskaev A.I., Ladanova N.V. Radiobiologi-cheskie issledovaniya sosnovyh lesov v rajone avarii na CHernobyl’skoj AES. Syktyvkar: Komi NC UrO AN SSSR, 1987. 52 s] (In Russ.)
Мельник Н.А., Кизеев А.Н. Радиоэкологические исследования хвойных пород деревьев // Вестник МГТУ. 2006. Т. 9. № 3. С. 429–433. [Mel’nik N.A., Kizeev A.N. Radioekologicheskie issledovaniya hvojnyh porod derev’ev // Vestnik MGTU. 2006. Т. 9. № 3. S. 429–433. (In Russ.)]
Sparrow A.H., Woodwell G.M. Prediction of the sensitivity of plants to chronic gamma irradiation // Radiat. Botany. 1962. V. 2. P. 9–26.
Кальченко В.А., Спирин Д.А Генетические эффекты в популяциях сосны обыкновенной, произрастающих в условиях хронического облучения малыми дозами // Генетика. 1989. Т. 25. № 6. С. 1059–1064. [Kal’chenko V.A., Spirin D.A Geneticheskie effekty v populyaciyah sosny obyknovennoj, proizrastayushchih v usloviyah hronicheskogo oblucheniya malymi dozami // Genetika. 1989. Т. 25. № 6. S. 1059–1064. (In Russ.)]
Кальченко В.А., Абрамов В.И., Рубанович А.В., Шевченко В.А. Цитогенетические эффекты в популяциях растений, произрастающих на Восточно-Уральском радиоактивном следе // Радиац. биология. Радиоэкология. 2002. Т. 42. № 6. С. 745–749. [Kal’chenko V.A., Abramov V.I., Rubanovich A.V., Shevchenko V.A. Cytogenetic effects in plant population from the east Ural radioactive track // Radiation biology. Radioecology. 2002. V. 42. № 6. P. 745–749. (In Russ.)]
Козубов Г.М., Таскаев А.И. Радиобиологические исследования хвойных в районе Чернобыльской катастрофы. М.: НПЦ “Дизайн. Информация. Картография”, 2002. 256 с. [Kozubov G.M., Taskaev A.I. Radiobiologicheskie issledovaniya hvojnyh v rajone CHernobyl’skoj katastrofy. M.: NPC “Dizajn. Informaciya. Kartografiya”, 2002. 256 s. (In Russ.)]
Макаренко Е.С., Удалова А.А., Гераськин С.А. Морфометрические показатели хвои сосны обыкновенной в условиях хронического радиационного воздействия // Лесоведение. 2016. № 5. С. 355–364. [Makarenko E.S., Oudalova A.A., Geras’kin S.A. Morphometric indices of Scots pine needle under chronic radiation exposure // Contemporary Problems of Eco-logy. 2017. V. 10. № 7. С. 761–769. (In Russ.)]
Макаренко Е.С. Исследование морфологических параметров и генетического полиморфизма в природных популяциях сосны обыкновенной в условиях хронического радиационного воздействия: Автореф. Дис. … канд. биол. наук. Обнинск, 2018. 25 с. [Makarenko E.S. Issledovanie morfologicheskih parametrov i geneticheskogo polimorfizma v prirodnyh populyaciyah sosny obyknovennoj v usloviyah hroni-cheskogo radiacionnogo vozdejstviya. Avtoref. disser-tacii kandidata biologicheskih nauk special’nost' “Radiobiologiya”, Obninsk, 2018. 25 s. (In Russ.)]
Ананян В.Л. К вопросу о естественной радиоактивности почв Армении // Микроэлементы и естественная радиоактивность почв. Ростов-на-Дону, 1962. С. 56–63. [Ananyan V.L. K voprosu o estestvennoj radioaktivnosti pochv Armenii // Mikroelementy i estestvennaya radioaktivnost' pochv. Rostov-na-Donu. 1962. S. 56–63. (In Russ.)]
Брендаков В.Ф., Иохельсон С.Б., Чуркин В.Н. Содержание радия, тория и калия в верхнем слое почв Кавказа // Почвоведение. 1967. № 1. С. 41–47. [Brendakov V.F., Iohel’son S.B., CHurkin V.N. Soderzhanie radiya, toriya i kaliya v verhnem sloe pochv Kavkaza // Pochvovedenie. 1967. № 1. S. 41–47. (In Russ.)]
Асварова Т.А. Содержание урана и тория в доминирующих видах растений Центрального Кавказа // Юг России: экология, развитие. 2008. № 2. С. 39–44. [Asvarova T.A. The contents of uranium and thorium in the dominating kinds of plants of the Сentral Сaucasus // South of Russia: Ecology, Development Journal. 2008. № 2. P. 39–44. (In Russ.)]
Асварова Т.А., Абдулаева А.С., Магомедов М.А. Естественные радионуклиды в породах и почвах высокогорных районов Большого Кавказа // Почвоведение. 2012. № 6. С. 695–707. [Asvarova T.A., Abdulaeva A.S., Magomedov M.A. Natural radionuclides in rocks and soils of the high-mountain regions of the Great Caucasus Eurasian // Soil Sci. 2012. V. 45. № 6. P. 625–637. (In Russ.)]
Helmisaari H.-S. Spatial and age-related variation in nutrient concentrations of Pinus sylvestris needles // Silva Fennica. 1992. V. 26. № 3. P. 145–153.
Мельник Н.А. Радиационный мониторинг естественных радионуклидов в северных широтах. Север-2003: проблемы и решения. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2004. С. 77–89. [Mel’nik N.A. Radiacionnyj monitoring estestvennyh radionuklidov v severnyh shirotah. Sever-2003: problemy i resheniya. Apatity: Izd-vo KNC RAN, 2004. S. 77–89, (In Russ.)]
Темботова Ф.А., Гангапшев А.М., Моллаева М.З., Казалов В.В. Предварительные результаты радиоэкологических исследований хвойных пород на примере сосны обыкновенной // VIII науч.-практ. конф. “Горные экосистемы и их компоненты”. Нальчик, 2021. С. 55–56. [Tembotova F.A., Gangapshev A.M., Mollaeva M.Z., Kazalov V.V. Predvaritel’nye rezul’taty radioekologicheskih issledovanij hvojnyh porod na primere sosny obyknovennoj // Mat. Konf. “Gornye ekosistemy i ih komponenty”. Nal’chik, 2021. S. 55–56. (In Russ.)]
Audi G., Wapstra A.H., Thibault C. The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and refe-rences // Nucl. Phys. A. 2003. V. 729. P. 337–676.
Бураева Е.А., Малышевский В.С., Ратушный В.И. Космогенный бериллий-7 в земной атмосфере // Глобальная ядерная безопасность. 2020. № 4. (37). С. 17–29. [Buraeva E.A., Malyshevskij V.S., Ratushnyj V.I. Kosmogennyj berillij-7 v zemnoj atmosphere // Glo-bal’naya yadernaya bezopasnost’. 2020. № 4 (37). S. 17–29. (In Russ.)]
Zhang F., Yang M., Zhang B. Activity concentration of beryllium-7 in plants on a loess plateau, China // J. Radioanal. Nucl. Chem. 2011. V. 289. P. 353–359. https://doi.org/10.1007/s10967-011-1078-y
Кизеев А.Н., Жиров В.К., Никанов А.Н. Влияние промышленных эмиссий предприятий Кольского полуострова на ассимиляционный аппарат сосны // Экология человека. 2009. № 1. С. 9–13. [Kizeev A.N., Zhirov V.K., Nikanov A.N. Vliyanie promyshlennyh emissij predpriyatij Kol’skogo poluostrova na assimilyacionnyj apparat sosny // Ekologiya cheloveka. 2009. № 1. S. 9–13. (In Russ.)]
Pöschl M., Brunclík T., Hanák J. Seasonal and inter-annual variation of Beryllium-7 deposition in birch-tree leaves and grass in the northeast upland area of the Czech Republic // J. Environ. Radioact. 2010. V. 101. P. 744–750.
Li X., Zhang F., He Y., Delang C.O., Yang M. Variations of 7Be concentration in plants and significance for 7Be in soil on the Loess Plateau China: Based on three-year monitoring data// Plant Soil. 2022. P. 725–741.
Куртмулаева В.Э., Карпенко Е.И., Нуштаев С.Н. Результаты комплексного радиоэкологического обследования региона размещения Ленинградской АЭС // IV науч.-практ. конф. “Экологическая и радиационная безопасность объектов атомной энергетики”. Калининград, 2017. С. 149–151. [Kurtmulaeva V.E., Karpenko E.I., Nushtaev S.N. Rezul’taty kompleksnogo radioekologicheskogo obsledovaniya regiona razmeshcheniya Leningradskoj AES // IV nauchno-prakt. konf. “Ekologicheskaya i radiacionnaya bezopasnost' ob"ektov atomnoj energetiki”. Kaliningrad, 2017. S. 149–151(In Russ.)]
Abakumov E., Gangapshev A, Tembotov R., Gezhaev A. Radionuclide activity in cryoconite from glaciers of the Central Caucasus, Russia // Solid Earth Sciences. 2022. V. 7. № 4. P. 268–275. .https://doi.org/10.1016/j.sesci.2022.08.001
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Радиационная биология. Радиоэкология