Радиоуглерод в окружающей среде

Радиоактивный изотоп углерода (14С) в окружающей среде, антропогенные и техногенные факторы загряз­нения*

 

М. А. Кулькова, к.г.-м.н., доцент

 

Радионуклид 14С постоянно образуется в верхних слоях атмосферы (на высоте 8–18 км) при взаимодействии нейтронов космического происхож­дения с ядрами азота по реакции 14N (n, p)14С. Стабильный изотоп азота (14N) в атмосфере подвергается действию космических лучей, превращаю­щих его в изотоп углерода 14C, который имеет период полураспада 5730 лет. Проникая в верхние слои атмосферы, частицы расщепляют находя­щиеся там атомы, способствуя высвобождению протонов и нейтронов. Со­держащиеся в воздухе атомы азота поглощают нейтроны и высвобождают протоны. Эти атомы имеют, как и прежде, массу 14, но обладают меньшим положительным зарядом; теперь их заряд равен шести. Таким образом, ис­ходный атом азота превращается в радио­активный изотоп углерода:

 

n+ 147N → 146C +p,

 

где n, N, С и р означают соответственно нейтрон, азот, углерод и протон.

Образование радиоактивных нуклидов углерода из атмосферного азота под воздействием космических лучей происходит со средней скоростью ок. 2,4 ат./с на каждый квадратный сантиметр земной поверхности. Изме­нения солнечной активности могут обусловить некоторые колебания этой величины. Поскольку углерод–14 радиоактивен, он нестабилен и посте­пенно превращается в атомы азота–14, из которых образовался; в процессе такого превращения он выделяет электрон – отрицательную частицу, что и позволяет зафиксировать сам этот процесс. Подобно обычному углероду, радиоуглерод окисляется в воздухе, и при этом образуется радиоактивный диоксид (углекислый газ) [2,18]. Под воздействием ветра атмосфера посто­янно перемешивается, и в конечном итоге радиоактивный углекислый газ, образовавшийся под воздействием космических лучей, равномерно рас­пределяется в атмосферном углекислом газе.

Однако относительное содержание радиоуглерода 14C в атмосфере ос­тается чрезвычайно малым – ок. 1,2*10–12 г на один грамм обычного угле­рода 12С. Углерод имеет 2 стабильных изотопа — 12C (98,89%) и 13С (1,11%). Кроме того, на Земле имеются следовые количества радиоак­тивного изо­топа 14С (0,0000000001%). Благодаря постоянным потокам космических лучей, бомбардирующих атмосферу Земли, образование 14С происходит постоянно. Полученный углерод быстро окисляется до 14СО2 и в дальнейшем усваивается растениями и микроорганизмами, поступая в пищевую цепь других организмов. Таким образом, каждый живой орга­низм постоянно получает определённое количество 14С в течение всей жизни. Космические лучи являются источником радиоактивности всех жи­вых организмов. Как только организм погибает, такой обмен прекраща­ется, и накопленный 14С постепенно распадается в реакции бета–распада:

 

146C →147N + e-+ve

 

Испуская электрон и антинейтрино, 14С превращается в стабильный азот [6, 27] (рис. 1). Совместный эффект радиоактивных потерь и новых образований в стратосфере приводит к постоянной, хотя и незначительной, равновесной концентрации 14C в биосфере. Максимальная энергия β–час­тиц — 0,155 МэВ. Средняя энергия — 4,495 · 10–2 МэВ. Максимальный про­бег в ткани — 0,38 мм, в воздухе — 23 см [6]. Выбросы 14С из АЭС явля­ются дополнительным, но незначительным фактором накопления этого ра­дионуклида в атмосфере, составляющим десятые доли процента от уровня естественного фона.

Более значительные количества 14С, сравнимые с содержанием его в атмосферном воздухе, выбрасываются при переработке твэлов, в которых он накапливается в результате нейтронной активации примесей топлива и теплоносителя [23]. В процессе фотосинтеза 14С усваивается растениями, через которые он попадает в организмы животных и человека. Локальные очаги загрязнения 14С могут оказаться как вблизи АЭС на расстоянии 1–2 км от ее выбросной вентиляционной трубы, так и в растениях, находя­щихся от АЭС на расстоянии 20–30 км [32].

Повреждающее действие 14С, вошедшего в состав молекул белков и, особенно, в ДНК и РНК живого организма, обусловлено как радиацион­ным воздействием β–частиц и ядер отдачи азота, так и изменением химического состава молекулы в результате превращения атома углерода в атом азота. Значительная часть повреждений ДНК при распаде 14С приводит преимущественно к генным мутациям второго и третьего порядков, связанным с изменением химической структуры кодонов. Такие изменения практически не восстанавливаются системой репарации и являются необратимыми [8].

По известным данным, трансмутации составляют около 10 % всех повреждений (генетических и соматических), являющихся следствием облучения человека содержащимся в организме 14С. Химическая форма соединений 14С в выбросах зависит от типа реакторов [1]. В выбросах реакторов типа BWR 95 14С находится в формах СО2, СО — 2,5% и в виде гидрокарбонатов. В выбросах реакторов типа PWR 80 14С — в форме СН4 и С2Н6, 5 % — СО2 и СО. Выброс 14C из реакторов c графитовым замедлителем оценивается в 1011 Бк/(МВт · г.).

 

 

Рис.1.Процесс образования радиоуглерода в атмосфере и стадии его по­ступления в окружающую среду [7]

 

Серии измерений радиоуглерода в древесных кольцах при сравнении с прямыми атмосферными измерениями радиоуглерода дали хорошую кор­реляцию. Измерения радиоуглерода в кольцах деревьев, относящихся к пе­риоду резкого подъема атмосферной концентрации 14C за счет бомб–эф­фекта показали, что мобильная фракция текущего года может быть най­дена в кольцах предыдущих лет. Наиболее высокий нормализованный вы­брос у реакторов на тяжелой воде (HWR) — (1,0¸ 1,7) · 1013 Бк/(ГВт · г.), а наименьший — у реакторов типа PWR и BWR, составляющий (2¸ 5) · 1011 Бк/(ГВт · г.). В системе СИ за единицу активности принят 1 Бк (беккерель). 1 Бк = 1 распад/с. Внесистемная единица активности — Ки (кюри). 1 Ки = 3,7 ×  1010 Бк [10]. При ядерных взрывах за счет нейтронной активации азота в атмосферном воздухе за период 1945–1980 гг. образова­лось 2,2 · 1017 Бк 14С, что примерно в 1,6 раза больше равновесной актив­ности 14С природного происхождения в тропосфере (рис.2).

 

Рис.2.Изменение содержания радиоуглерода в атмосфере [17]

 

Удельная активность 14С в биосфере на поверхности Земли достигает 230 Бк/кг природного углерода.

В настоящее время в развитых странах начинают уделять все большее внимание вопросам геохимии долгоживущих радионуклидов 3Н и 14С в различных компонентах окружающей среды в связи с различными зада­чами, касающимися охраны окружающей среды и безопасности человека. Большое внимание уделяется исследованиям поведения радиоактивного изотопа углерода в Великобритании в связи с загрязнением морской среды при функционировании Британского ядерного реактора (Селлафилд, се­веро–запад Англии).

Средние содержания радиоактивного изотопа углерода [14, 15] в водах и биоте в прибрежной морской зоне, в удаленной части от потенциально опасных источников, составляют 247,6±1 Bq/kg. 14C активность в раство­ренном органическом углероде морской воды и части морской биоты су­щественно превышает «ожидаемые» фоновые значения в окружающей среде. Такое загрязнение оказывает влияние на морскую биоту, которая извлекает углерод из воды в этой части Северного моря.

При работе реактора Селлафилда радиоактивные отходы сбрасываются в Ирландское море, и 14С является главным компонентом этого загрязнения. 14С жидкие сбросы Силлафилда находятся в неорганической форме, и оказывают воздействие на радиоактивную активность растворенного неорганического углерода морской воды.

Превышение 14С в биоте, отложениях над фоновыми значениями было зафиксировано в Ирландском море, но скорости и механизмы процессов перехода все еще не поняты и относительно простой подход с использова­нием Kd (коэффициент распределения), который используется для других изотопов, например, цезия и америция, не может быть применен к 14С.

Проблема определения Kd и фактора концентрации для 14С заключа­ется в том, что общая концентрация углерода включает содержание угле­рода в органическом веществе, карбонатах, бикарбонатах и углекислом газе. Пока еще недостаточно данных для того, чтобы определить, какая из фракций вносит наибольшее влияние. 14С ведет себя достаточно консерва­тивно в растворенной неорганической фракции морской воды. Небольшая доля переходит из растворенной фракции в другие биогеохимические фракции водной толщи.

Фоновые значения для нерастворенного неорганического углерода были получены при измерении содержания радиоуглерода в мелководном бассейне Буртонпорта (Северное море) и в водорослях. Морские водо­росли используют растворенный углерод и затем продуцируют общий уг­лерод. Средние фоновые значения для 1997–1999 годов 251±1 Bq/kg. Фо­новые значения для других трех биогеохимических фракций водной толщи гораздо сложнее оценить, т.к. они больше зависят от локальных вкладов, таких как, снос материала с побережья, перерыв в осадконакоплении и др. В качестве фоновых значений для этих фракций в Ирландском море были выбраны образцы, отобранные в 1989 году. Использованные значения для этих фракций были 144 ± 10, 125 ± 6, и 176 ± 4 Bq/kg.

Исследования показали, что около 100% всего 14С, который поступает из Селлафилда и распространяется по Ирландскому морю, за несколько месяцев в форме нерастворенного неорганического углерода и в незначи­тельной доле попадает в отложения.

В Румынии одним из опасных зон загрязнения является район распо­ложения Черноводского ядерного реактора [16], который относится к типу (PHWR) ядерных реакторов. Реакторы этого типа выбрасывают в окру­жающую среду радиоуглерод в твердой, жидкой и газообразной форме. Поэтому в регионе проводится постоянный мониторинг содержания 14С, особенно для водной среды.

Содержание фоновой активности радиоуглерода было установлено ря­дом организаций на уровне 250 Bq/kg ((Institute de protection et de sûreté nucléaire (France), the National Radiological Protection Board (United Kingdom), и the Inspectorate for Nuclear Reactor Safety (Switzerland)). В со­ответствие с этими данными, уровень содержания 14С, который будет выше этого фонового значения, за исключением уровня 14С космической радиации, считается загрязнителем (International Atomic Energy Agency 2004). Определение содержания радиоуглерода в природных компонентах региона расположения Черноводского ядерного реактора с помощью низ­кофонового сцинтилляционного счетчика позволяет контролировать даже незначительные превышения в концентрации радиоуглерода над фоно­выми значениями. Это дает возможность предотвратить загрязнение в ре­гионе на уровне, безопасном для окружающей среды.

Многие исследования показывают, что вблизи ядерных реакторов уве­личивается уровень содержания 14С в растениях и воздухе. Например, была изучена растительность вблизи Игналинской атомной станции. Ис­следования белорусских ученых [25] показали, что концентрация радиоуг­лерода варьировала в 1978–1986 годах 115–150 рМС (% современного ра­диоуглерода). Изменение концентрации связано с выбросами в атмосферу радиоактивных изотопов в процессе операционного цикла ядерного реак­тора. Вдали от Игналинской АЭС содержание 14С в природных объектах находится в пределах 92–107 рМС.

Эти значения хорошо коррелируют с концентрацией «чистого» воздуха Центральной Европы. В образцах растительности 1994–1999 года была за­регистрирована высокая 14С концентрация, что, вероятно, связано с ава­рией на Чернобыльской АЭС. Т.к. авария на Чернобыльской АЭС имела место в сезон вегетации, основная порция радиоактивного углерода, кото­рый поступал в воздух, была абсорбирована растениями. Так, в регионе Минска содержание 14С в растениях 200 рМС, в Гомельском регионе со­держание выше 600–700 рМС. Эти данные отражают последствия радиоуг­леродного загрязнения, т.к. концентрации 14С могут перераспределяться благодаря биогеохимическим процессам.

Этот процесс также может быть прослежен по распределению вдоль вертикального профиля почв и растительности болот. Концентрация ра­диоуглерода в почвах болот была той же самой, как при оценке 1986–1987 года. Концентрация 14С в верхней части профиля достигала 825 рМС и по­степенно уменьшалась с уменьшением глубины до 145 рМС (25–30 см). Т.е. радиоуглерод, который был поглощен растительностью в результате аварии на АЭС, мигрировал и перераспределялся в нижние части почв.

Высокие концентрации радиоуглерода могут быть зафиксированы не только в растительности, но и в яичной скорлупе пернатых птиц, которые гнездуются в зоне развития болот. Самые высокие концентрации радиоуг­лерода характерны для яичной скорлупы птиц, которые гнездуются в мел­ководных водоемах и в верхней части увлажненных почвенных горизонтов.

Исследованиям геохимии трития и радиоуглерода в биологических объектах (пресноводных раковинах и рисе) и почвах посвящена работа Yankovicha et al. [33]. Были построены модели поведения этих радионук­лидов и накопления их биологическими объектами при внезапном увели­чении концентрации радионуклидов в почвах, прослежена динамика этих радионуклидов на суше и в воде.

Результаты показали, что увеличение содержания радиоизотопа угле­рода оказывает неблагоприятное влияние на рост риса.

Изменение содержания этих радионуклидов может играть ключевую роль в процессах биологического развития живых организмов. По данным Lichtfouse et al. [21], изменение концентрации радиоуглерода в траве горо­дов является чутким индикатором изменения СО2, который поступает в воздух при сжигании бензинового топлива. Поэтому в больших городах определение содержания 14С было предложено использовать для установ­ления величины загрязнения воздуха отработанными газами.

В отличие от биологических объектов, геохимия 14С в геологических объектах достаточно плохо изучена. Исследования по геохимии радионук­лидов имеют важное значение, например, при строительстве хранилищ для ядерных отходов. Одной из главных задач в оценке безопасности храни­лища для радиоактивных отходов является предотвращение миграции ра­дионуклидов в грунтовые воды, при этом необходимо учитывать сорбционные характеристики геологической среды для различных радионуклидов [19].

Как показали исследования [10], при миграции радионуклидов через трещиноватые породы, они проникают в плотную матрицу породы и за­держиваются в порах на поверхности породы, т.к. сорбционная способ­ность трещиноватых и монолитных пород различается.

Различия в минеральном составе пород в трещинах и матрице также оказывают влияние на миграцию радионуклидов. Сорбция неорганического углерода породами обычно низкая, но она увеличивается, если породы включают карбонатные минералы, такие как кальцит. С другой стороны, достоверных данных по сорбционной способности пород для органиче­ского углерода пока нет.

Сорбционная способность пород изменяется в результате выветривания и воздействия на них грунтовых вод, увеличиваясь в измененных породах.

Сорбция радионуклидов в геологической среде связана с их химиче­ским поведением и зависит от геохимических условий окружающей среды. В целом сорбционная способность, как интрузивных пород, так и изменен­ных пород, образующихся в трещинах для анионных изотопов, в том числе и 14С низкая. С другой стороны, радиоуглерод в геологической среде мо­жет перераспределяться бактериями. Такие исследования были проведены Wakeham et al. [30]. Остатки гетеротрофных организмов, включая бакте­рий, могут отражать изотопный состав источников органического угле­рода, которые были ими ассимилированы. Таким образом, эти бактерии являются биомаркерами данной геологической провинции. Микробиоло­гические культуры способны расти на черном слоистом органическом ма­териале керогена, поглощать и внедрять ископаемый углерод в фосфоли­пидные жирные кислоты.

Данные радиоуглеродного анализа показали, что нефть в южной части Грузии, где расположены болота, разрушается на мобильные метаболиче­ские продукты, которые могут захватываться бактериями. Поглощение из­влеченного из нефти радиоуглерода в биомассу бактерий составляет 6–10% от углеродного захвата.

Древний радиоуглерод входит в состав современных бактерий, изменяя концентрацию радиоуглерода, которая была накоплена организмами в на­стоящее время.

Изучение распределения радиоуглерода в кольцах деревьев было про­ведено Lisi and Pessenda [22]. Проведенные исследования по данным денд­рохронологии позволили установить содержание 14С в различные кален­дарные годы в образцах Паркии и Араукарии. Анализ определения содер­жания 14С в кольцах деревьев показал достаточно быстрые изменения в атмосфере этого радионуклида [22]. Результаты подтвердили, что макси­мальное содержание 14С в древесине связано с радиоактивными испыта­ниями 1965–1966 гг., но в Южном полушарии этот эффект был слабее, чем в Северном.

Аномальные значения содержания 14С в кольцах деревьев также можно использовать как маркер для уточнения дендрохронологических построений, тогда, когда возникают проблемы при подсчете прироста колец.

 

*Радиоуглерод (14С) в окружающей среде и метод радиоуглерод­ного датирования: Учебно–методическое пособие. Кулькова М.А. — СПб.: Изда­тельство РГПУ им. А. И. Герцена, 2011. — 40 с.