Биогеохимия и геохимия свинца

Содержание свинца в земной коре составляет 1,6 • 10_3% по массе, в почве и золе растений — 1 • 10-3%, в живом веществе Земли — 5 • 10“э%, в воде океанов — 3 • 10~5 мг/л (Виноградов, 1957). Относительно высокое содержание свинца объясняется его предысторией и связано с тем, что он состоит из атомов не только «первозданного» свинца, но и свинца, постоянно образующегося в результате радиоактивного распада урана и тория.

Природный свинец состоит в основном из смеси стабильных изотопов: 204РЬ - 1,4%, 206РЬ - 24,1%, 207РЬ - 22,1%, 208РЬ - 52,4%, хотя такой состав характерен для галенитов и осадочных пород. В радиоактивных минералах состав может существенно отличаться; он зависит от вида радиоактивного элемента, слагающего минерал. Например, в урановой смолке из Франции концентрация 206РЬ равна 92,9%, в монаците из Казахстана, содержащем торий, концентрация другого изотопа свинца 208РЬ равна 94,02%.

Однако мы не будем в данном курсе рассматривать биогеохимию стабильного свинца, а остановимся на особенностях радиоактивного свинца, главным образом 210РЬ — наиболее долгоживущего из природных изотопов.

На Земле радиоактивный свинец встречается в очень малом количестве в минералах, содержащих уран и торий. В 1 т урана (при условии сохранения векового равновесия) содержится около 4,32 мг 210РЬ. Кроме того, присутствие 210РЬ в природной среде обусловлено распадом не только 238>23зи и 232ТЬ, но и другого материнского радионуклида 222И.п, который, будучи инертным газом, легко мигрирует из горных пород и почвы в атмосферу, при этом нарушая вековое равновесие между радионуклидами природных радиоактивных семейств. Следовательно, содержание и миграция 210РЬ связаны в основном с содержанием и миграцией 222Яп.

Однако в воздушной среде поведение 210РЬ несколько отличается от поведения радона. Если газообразный радон может перемещаться в атмосферном воздухе на большие расстояния, то образующийся из него 2|0РЬ, обладая свойствами металла, практически полностью и довольно быстро выпадает на поверхность земли с частицами пыли, аэрозолями и атмосферными осадками. Например, содержание 2|0РЬ в дожде и снеге составляет от 0,004 до 0,6 Бк/л. Продолжительность пребывания 210РЬ в воздухе зависит от устойчивости и времени пребывания в воздухе этих носителей, которое составляет около 20— 40 сут. Благодаря большому периоду полураспада 210РЬ при определенных условиях может переноситься на большие расстояния.

Содержание 210РЬ в приземном слое воздуха зависит от географической широты, высоты над уровнем моря и характера поверхности (океан, континент). Основным источником радона, а следовательно, и 2|0РЬ, являются континенты.

4.10.2.1. Свинец-210 в почве

Среднее содержание 2|0РЬ в почвах России составляет 1,2 • 10~|3%, а активность — 33 Бк/кг. 210РЬ, так же как и его дочерний радионуклид 210Ро, может поступать в почву двумя путями: за счет радиоактивного распада 226Яа, находящегося в почве, и в результате аэрозольных выпадений из атмосферы, где эти радионуклиды постоянно образуются из 22211п. В слое почвы 0—30 см наблюдается избыточное по отношению к материнскому радию содержание 210РЬ, что подтверждает наличие атмосферного пути поступления 210РЬ в верхние слои почвы.

2|()РЬ проявляет в почве степени окисления +2, реже +4. Твердой фазой почв 210РЬ может сорбироваться как в катионной, так и в анионной формах. Он активно связывается с глинистыми минералами, образует оксиды Мп, гидроксиды Бе и А1 и устойчивые комплексы с гумусовыми соединениями. Органическим веществом почвы 210РЬ сорбируется очень прочно. В вертикальной миграции 210РЬ основным мощным сорбционным барьером становятся верхние гумусовые горизонты почв, причем накопление его идет более интенсивно в тех почвах, где содержание органического вещества выше.

Прочность связывания 2|0РЬ с гуминовыми кислотами изменяется в зависимости от pH раствора, концентрации обменных катионов и характера органического вещества. В кислых почвах свинец присутствует в основном в форме катиона РЬ2+. Здесь роль органических комплексов невелика. В черноземных почвах лесостепной и степной

зон подвижность свинца наиболее низкая, так как он прочно удерживается нерастворимыми 2|0РЬ-органическими комплексами, осаждается в виде гидроксида, фосфата, карбоната и слабо доступен для растений.

Поглощение свинца глинистыми минералами носит обменный характер. Поэтому в минеральных горизонтах почвенного профиля доля подвижного (обменного) свинца велика и может превышать 90%. Перенос 2|0РЬ почвенными растворами чаще происходит в форме минеральных и органических коллоидов, которые постепенно накапливаются в иллювиальном горизонте.

О поведении 210РЬ в системе «почва—растение» можно судить по поведению стабильного свинца. Распределение природного свинца по профилю почв определяется наличием ряда геохимических барьеров в его миграции: щелочного, сорбционного и глеевого.

4.10.2.2. Свинец-210 в гидросфере

Содержание 2|0РЬ в реках и озерах европейской части России колеблется в пределах 1 — 11 Бк/м3. В природные воды 2|0РЬ может поступать с атмосферными осадками, выщелачиваться из почв и пород либо образовываться из материнского 226Яа, содержащегося в водоеме. Поэтому в поверхностных водах озер и рек содержание 210РЬ всегда выше, чем в грунтовых и тем более подземных водах, где нет поступления свинца из воздуха. Подземные воды обычно не содержат избыточных количеств 210РЬ относительно 226Яа или 222Яп, поскольку эти элементы одного радиоактивного семейства, как и в горных породах, находятся в равновесии. Поверхностные же воды, особенно донные осадки поверхностных водоемов, всегда в несколько раз обогащены 210РЬ относительно материнского 226Ка за счет 2|0РЬ, поступающего с атмосферными осадками.

Концентрация 210РЬ в воде морей и океанов крайне низкая и составляет 5 • 10-15 г/л, а его активность — 3,3 • 10_3 Бк/л. В растворенном виде 210РЬ может находиться только в кислых средах, поэтому в природных водах (нейтральных и щелочных) 2|0РЬ переносится главным образом в виде коллоидных частиц и интенсивно увлекается на дно взвесью. В океане в верхних 100 м воды 210РЬ в 25 раз больше, чем может образоваться из содержащегося в ней 226 Ка. Это подтверждает, что основная часть 210РЬ поступает в океан из атмосферы. Скорость очищения верхнего слоя океана от 210РЬ составляет 2 — 5 лет. В донных осадках максимально высокие концентрации 2|0РЬ и его дочернего радионуклида 210Ро приурочены к самому верхнему слою. С глубиной их активность уменьшается.

Свинец интенсивно накапливается морскими организмами. Удельная концентрация 210РЬ в организмах, обитающих в воде, выше, чем в среде их обитания. Так, величина коэффициента накопления 210РЬ в планктоне равна 1000, в мякоти морских рыб — всего 4—40, а в костях — 180—2600. В организмах рыб основная часть свинца сосредоточена в костях. Количество 2|0РЬ в фитопланктоне составляет 3,7—25,9 Бк/кг, в ракообразных — 1,48—2,59, в моллюсках — 0,185— 0,370 и в рыбе — 0,0074—0,085 Бк/кг. Люди, потребляющие много рыбы и других даров моря, могут получить относительно высокие дозы облучения.

4.7 0.2.3. Свинец-2 7 0 в растениях, животных и человеке

Главный путь поступления 210РЬ в растения — непосредственное выпадение его на наземные части растений с аэрозолями (около 85%). 2|0РЬ накапливается преимущественно в верхних, молодых листьях. В корневой системе растений свинца существенно меньше: на долю поступления 210РЬ в растения через корневую систему из почвы приходится около 15%.

Максимальной способностью поглощать 2|0РЬ обладают мхи и лишайники (ягель). При этом содержание 210РЬ в 1 кг сухого вещества лишайника может достигать 215—340 Бк. Ягель — основное растение в рационе северных оленей, мясо которых является главным продуктом питания жителей Севера. И в результате они получают дозы облучения выше, чем в среднем по стране. Источником радионуклидов в лишайниках является атмосфера, так как почвенное питание для них играет незначительную роль. Накоплению радионуклидов во мхах и лишайниках способствует значительная продолжительность жизни и их высокая внешняя сорбционная емкость.

Мощность растительного покрова влияет на содержание 210РЬ в почвах. Так, например, было обнаружено, что содержание 2|0РЬ в суглинистых, лишенных растительности почвах составляло 85 Бк/кг, при наличии развитого растительного покрова — 320 Бк/кг, а при наличии мхов — до 470 Бк/кг.

В организме животных и человека 210РЬ является типичным остеотропным радионуклидом и активно участвует в обменных процессах в костных тканях. До 70% поступившего в организм 210РЬ накапливается в костях. Концентрируясь в них, он становится источником накопления равновесных количеств Р-излучающего 210В1 и а-излучающего 210Ро. В мышцах и других органах концентрация свинца в десятки и сотни раз ниже.

Биологический период полувыведения 210РЬ из скелета составляет около 27 лет.

Биогеохимия других, менее экологически значимых тяжелых элементов радиоактивных семейств — протактиния, актиния, франция, астата, висмута и таллия — изучена значительно менее подробно. Это связано с их очень незначительным количеством в окружающей среде и малой биологической ролью, которую они играют.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >