В процессе проведения работы над исследовательским проектом по экологии на тему «Использование растительности Приполярья при радиоэкологическом мониторинге для выявления условий безопасного развития и сохранения наземных экосистем» обучающийся 9 класса на примере Приполярья изучает возможность использования растительности для проведения радиоэкологического мониторинга наземных экосистем.

Подробнее о работе:

В готовом исследовательском проекте по экологии на тему «Использование растительности Приполярья при радиоэкологическом мониторинге для выявления условий безопасного развития и сохранения наземных экосистем» автор провёл сбор образцов растительности, характерной для Припиолярья с целью изучения возможности их использования для проведения радиоэкологического мониторинга экосистемы, совершил лабораторную подготовку собранных образцов и интерпретировал полученные результаты в своём исследовательском проекте.

Оглавление

Введение

1. Радиоактивность окружающей среды
2. Личный вклад автора
3. Экспедиционные исследования
4. Район исследования
5. Объекты радиоэкологических исследования
6. Лабораторные исследования
7. Пробоподготовка исследуемых образцов
8. Измерение радиоактивности исследуемых образцов
9. Полученные результаты и их интерпретация
10. Основные выводы по результатам выполнения проекта

Заключение
Список использованных источников 

Радиоактивность окружающей среды является важным фактором, влияющим на благополучие живых организмов.

Радиоактивность – это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в ядра других химических элементов (радиоактивный распад) с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц.

Пример радиоактивного распада ядра Урана-238 в ядро Тория-234 с испусканием альфа-частицы (ядра гелия).
Важной особенностью процесса радиоактивного распада является появление радиоактивных излучений, негативно влияющих на развитие живых организмов.

Радионуклиды — это атомы, ядра которых нестабильны и испытывают радиоактивный распад.
Радионуклиды присутствуют повсеместно в окружающей среде, в том числе и в живых экосистемах.
Негативные последствия радиоактивных излучений для живых организмов наступают при превышении допустимых уровней концентраций радионуклидов.

Увеличение количества радионуклидов в замкнутых экосистемах и в окружающей их среде возможно только при внешнем привносе в результате различных геологических процессов.
Для поверхностных (наземных) экосистем важнейшим источником поступления избыточного количества радионуклидов является атмосферный перенос вещества.

Вещество поступает в атмосферу из природных (пылевые бури, действующие вулканы, лесные и степные пожары, космическая пыль и др.) и техногенных, связанных с промышленным производством и техникой (выбросы промышленных предприятий и транспорта, последствия открытых ядерных испытаний) источников.

Поступившее в атмосферу вещество с воздушными массами может переноситься на значительные расстояния от регионального (в пределах ограниченной территории) до глобального (планетарного) масштаба. В последствии оно рано или поздно выпадает на земную поверхность. В составе пылевых и аэрозольных частиц, а также с атмосферными осадками (дождь, снег) на поверхность Земли из атмосферы поступают и радионуклиды.

Для изучения состояния и оценки возможных изменений окружающей природной среды, в том числе и живых экосистем, в условиях воздействия радиоактивных излучений в практике научных исследований используется радиоэкологический мониторинг.

Радиоэкологический мониторинг - это комплекс системных, многолетних наблюдений за изменениями в окружающей среде, которые позволяют выявить возможное влияние радиоактивности на живые организмы, как при нормальных (фоновых) уровнях содержаний радиоактивных элементов, так и в условиях их высоких концентраций.

Актуальность выбранной темы проекта определяется важностью надежного обоснования выбора широко распространенных и легко доступных объектов, позволяющих проводить экспрессный и достоверный радиоэкологический мониторинг состояния окружающей природной среды в условиях воздействия радиоактивных излучений.

Целью проекта является: на примере Приполярья изучить возможность использования растительности для проведения радиоэкологического мониторинга наземных экосистем.

В ходе реализации проекта были решены следующие задачи:

• Проведен сбор образцов растительности, характерной для исследуемой территории;
• Проведена лабораторная подготовка собранных образцов;
• В подготовленных образцах определены содержания некоторых радионуклидов;
• Сделана интерпретация полученных результатов.

При работе над проектом автор выезжал составе экогеохимической экспедиции Института геологии и минералогии СО РАН в Ямало-Ненецкий Автономный Округ (ЯНАО) осенью 2020 года.

Во время проведения экспедиции им была собрана коллекции образцов типичных представителей растительного мира Приполярья в опорных точках радиальных автомобильных маршрутов в Пуровском и Надымском районах ЯНАО;
Автор участвовал в лабораторной пробоподготовке собранных в экспедиции образцов растительности.

Эти работы проводились на аналитической базе лаборатории «Геохимии радиоактивных элементов и экогеохимии» Института Геологии и Минералогии Сибирского Отделения Академии Наук (ИГМ СО РАН);
Автор участвовал в интерпретации полученных аналитических данных о содержаниях некоторых радионуклидов в образцах растительности Приполярья.

Район проведения экспедиционных работ расположен в Арктической зоне России – территория Ямало-Ненецкого Автономного Округа (ЯНАО).

Схематическое расположение района исследования на карте России.
Арктическая зона Российской Федерации (АЗРФ) – это северная оконечность Европейской и Азиатской частей РФ, расположена вдоль побережья морей Северного Ледовитого океана: Баренцева, Карского, Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского.

Арктическая зона РФ природно-экономическими, демографическими и иными условиями значительно отличается от других регионов России и имеет свои отличительные черты:

• экстремальные природно-климатические условия, включая постоянный ледовый покров или дрейфующие льды в арктических морях;
• очаговый характер промышленно-хозяйственного освоения территорий и низкая плотность населения (1-2 чел. на 10 км2);
• удаленность от основных промышленных центров, высокая ресурсоемкость и зависимость хозяйственной деятельности и жизнеобеспечения населения от поставок топлива, продовольствия и товаров первой необходимости из других регионов России;
• уязвимость природы от техногенных чрезвычайных ситуаций (ЧС) и производственной деятельности человека.

Для АЗРФ характерны такие природные зоны, как арктические пустыни, тундра, лесотундра и тайга.

Рисунок 1. Тундра (фото автора).
Тундра (от финского tunturi — безлесая плоская вершина) — вид природных зон, лежащих за северными пределами лесной растительности. Это пространства с вечномёрзлой почвой, не заливаемой морскими или речными водами. Тундра находится севернее зоны тайги.

По характеру поверхности тундры бывают болотистые, торфянистые, каменистые. Южную границу тундры принимают за начало Арктики. С севера тундра ограничена зоной арктических пустынь. Растительность тундры составляют в первую очередь лишайники и мхи. Встречаются невысокие травы, осоки, кустарники и кустарнички (например, некоторые карликовые виды берёзы и ивы, ягодные кустарнички княженика, голубика, морошка).

Лесотундра — переходная природная зона от тундры к зоне тайги. Лесотундровые (бореально-субарктические) ландшафты образуют переходную полосу с расплывчатыми границами, где на междуречьях угнетённые редколесья чередуются с кустарниковыми или типичными тундрами.

Растительный мир лесотундры представлен островками разреженных лесов, состоящих из берёзы, ели, лиственницы, сибирского кедра, сосны. Деревья низкорослые, местами пригнуты к земле. В междуречьях встречаются низкорослые разреженные леса с лишайниковым покровом. Они чередуются с кустарниковой тундрой.

Экспедиционные исследования проводились в Надымском и Пуровском районах ЯНАО на участке с центром в г. Новый Уренгой. Природа в районе исследования представлена тундрой и лесотундрой. Работы проводились по радиальным автомобильным маршрутам в северном, западном, восточном и южном направлениях. Продолжительность маршрутов достигала 250-400 км.

В 15 опорных точках, расположенных вдоль автомобильных трасс, в 100-200 метрах от дороги, был проведен отбор образцов типичной для данного региона растительности.

В качестве объектов радиоэкологических исследования выбраны следующие представители растительного покрова:

1. Мхи и лишайники:
Важной особенностью мхов и лишайников является способ их питания. Все минеральные и питательные вещества они получают с осадками из атмосферы. Поэтому их широко используются в качестве биоиндикаторов атмосферного переноса вещества и загрязнений земной поверхности, поступающих из атмосферы.

В качестве объектов исследования выбраны:

• мох кукушкин лен (Гилокомиум блестящий - Hylocomium splendens);
• лишайник Кладония звездчатая (лат. Cladonia stellaris).

При отборе образцов в каждой опорной точке проводились дополнительные измерения:

• Измерение радиоактивности поверхности с помощью дозиметра;
• Определение географических координат точки пробоотбора с помощью GPS-приемника;
• Определение геометрических характеристик собранных образцов лишайников и мхов (площадь, высота растения).

Всего в ходе экспедиционных исследований были собраны следующие образцы растительности Приполярья:

1. Лишайники – 15 образцов;
2. Мхи – 7 образцов;
3. Однолетняя хвоя лиственницы – 14 образцов;
4. Однолетняя хвоя кедра – 7 образцов;
5. Листья можжевельника – 11 образцов;
6. Листья голубики – 7 образцов;
7. Листья брусники – 3 образца.

Все образцы, собранные в экспедиции, были привезены в лабораторию. Основными задачами лабораторных исследований были: э

1. подготовка образцов для дальнейших исследований.
2. определение в исследуемых образцах содержаний некоторых радионуклидов.

Все работы проводились на инструментальной и аналитической базе лаборатории «Геохимии радиоактивных элементов и экогеохимии» ИГМ СО РАН.

Основной задачей процесса пробоподготовки является приведение исследуемых образцов в состояние необходимое для их изучения с помощью специализированного научно-измерительного оборудования с целью определения в них концентраций радионуклидов.

В примененной методике пробоподготовки следует выделить следующие этапы:

1. Распаковка – снятие транспортировочной упаковки и размещение образцов в специальных ёмкостях.
2. Предварительная сушка образцов при комнатной температуре для удаления избыточной влажности.
3. Окончательная сушка при температуре 105оС в сушильном шкафу. Процедура необходима для определения сухого веса образца и последующего расчета его зольности (процентного содержания золы).
4. Озоление высушенного образца при температуре 450оС в муфельной печи.

Процедура проводится для уменьшения объема образца и концентрирования определяемых в дальнейшем радионуклидов. Концентрирование при помощи озоления позволяет повысить чувствительность используемой методики. Чувствительность метода характеризует минимальную концентрацию анализируемого параметра, которую можно зарегистрировать с его помощью.

На этом этапе исследования проводится определение концентраций изучаемых радионуклидов в подготовленных образцах. Определение концентраций проводится с помощью специализированной измерительной аппаратуры.

В нашем случае для измерения использовался полупроводниковый гамма-спектрометр, который позволяет определять концентрации некоторых радионуклидов по спектру характерного для них гамма-излучения.

Гамма-излучение - это поток гамма-квантов (высокоэнергетического электромагнитного излучения), испускаемых радиоактивными ядрами при их распаде. Для каждого радионуклида характерен уникальный по энергии набор гамма-квантов.
В применяемой методике измерения радиоактивности исследуемых образцов следует выделить следующие этапы:

1. Взвешивание образцов золы, полученных на этапе пробоподготовки и их упаковка в специальные контейнеры.
2. Размещение анализируемого образца внутри детектора гамма-излучения. Детектор предназначен для регистрации гамма-излучения. Он расположен внутри свинцовой защиты, необходимой для снижения влияния внешнего фона.
3. С помощью гамма-спектрометра сигнал, регистрируемый детектором, формируется в гамма-спектр. Гамма-спектр характеризует и описывает весь набор гамма-квантов, испускаемых радионуклидами, находящимися в исследуемом образце.
4. С помощью специализированного програмного обеспечения производится цыфровая обработка сформированного гамма-спектра и расчет концентраций определяемых в исследуемом образце радионуклидов.

Основным принципом здесь является количество зарегистрированных гамма-квантов определенных энергий. Чем больше их зарегистрировано, тем выше концентрация радионуклида.
Для оценки содержания радионуклидов в изучаемых образцах используется понятие Активности.

Активность характеризует не массу радионуклида, а отражает его радиоактивную природу и показывает количество радиоактивных распадов, которые он претерпевает за единицу времени.
Единицей измерения активности радионуклида является Беккерель (Бк).

1Бк = один распад в секунду
Содержание (концентрация) радионуклида в образце характеризуется его Удельной активностью — активностью, приходящейся на единицу массы образца.

Единица измерения удельной активности – Беккерель на массу образца (Бк/кг)
Важной физической характеристикой любого радионуклида является период его полураспада (Т1/2) - время, за которое количество данного радионуклида в результате радиоактивного распада уменьшается в два раза.

Период полураспада – величина строго индивидуальная для каждого радионуклида.
Чем больше период полураспада радионуклида, тем выше вероятность его избыточного долговременного накопления в экосистеме при внешнем дополнительном поступлении.
Периоды полураспада радионуклидов, результаты определения которых представлены далее составляют:

• Свинец-210 (210Pb) – 22 года;
• Бериллий-7 (7Be) – 53 дня;
• Цезий-137 (137Cs) – 30 лет.

В Таблице 1 приведены результаты определения средних содержаний трех радионуклидов (210Pb, 7Be и 137Cs) в исследованных образцах лишайников, мхов, хвои лиственницы и кедра, листьев можжевельника, голубики и брусники ЯНАО. Эти же данные для наглядности показаны в виде диаграмм на Рисунке 20.

Таблица 1. Средние содержания (Бк/кг) 210Pb, 7Be и 137Cs в лишайниках, мхах, хвое лиственницы и кедра, листьях можжевельника, голубики и брусники ЯНАО.

Средние содержания (Бк/кг) 210Pb, 7Be и 137Cs в лишайниках, мхах, хвое лиственницы и кедра, листьях можжевельника, голубики и брусники ЯНАО.

1. Бериллий-7. Во всех изученных образцах, за исключением молодой хвои кедра и листьях брусники, наблюдаются близкие величины концентраций в сухом веществе биомассы растений (268-369 Бк/кг). Учитывая короткий период полураспада этого радионуклида, полученные значения характеризуют его годовое накопление во мхах, лишайниках и листьях можжевельника и сезонное (весенне-осеннее) накопление в молодой хвое кедра, лиственницы и в листьях голубики и брусники.
2. Свинец-210. Уровень годового поступления в биомассу растений соответствует образцам листьев можжевельника, голубики и брусники, молодой хвое кедра, лиственницы и лежит в диапазоне 16-85 Бк/кг. Высокие значения активности свинца-210 во мхах и лишайниках (663 и 403 Бк/кг, соответственно) говорят о накоплении этого радионуклида в биомассе за счет большого периода полураспада и характеризуют уровень его многолетнего поступления.
3. Во всех исследованных образцах обнаруживается техногенный радионуклид Цезий-137, поступивший в атмосферу в основном в результате открытых ядерных испытаний, проведенных в середине 20-го века.
4. Сравнение аналитических данных по содержаниям 210Pb, 7Be и 137Cs в лишайниках, мхах, хвое лиственницы и кедра ЯНАО с результатами, полученными в этом регионе в 2018 году показывает, что для всех исследованных объектов не наблюдается значительных изменений в содержаниях указанных радионуклидов. Все видимые различия объясняются природными флуктуациями атмосферного поступления вещества на земную поверхность как во времени, так и по площади исследуемого региона.
5. Полученные данные показывают, что растительность Приполярья может успешно использоваться для радиоэкологического мониторинга состояния природной среды Арктической зоны России.

Обнаружение во всех исследованных образцах поверхностной растительности ЯНАО радионуклидов, поступающих на поверхность Земли из атмосферы, показывает, что такие представители растительности, как мхи, лишайники, молодая хвоя кедра, лиственницы, листья можжевельника, голубики и брусники могут успешно использоваться для радиоэкологического мониторинга состояния природной среды, в том числе и Приполярья.

1. Радиоактивность и её влияние на биосферу
2. Радиоактивный распад
3. Загрязнение атмосферы Земли
4. Загрязнение_атмосферы_Земли
5. Арктика без опасности – информационно-образовательный портал МЧС России
6. Природные зоны Арктики и Субарктики
7. Тундра – Википедия
8. Лесотундра – Википедия
9. Изотопы свинца
10. Изотопы бериллия
11. Изотопы цезия
12. Mezina K., Vosel Yu., Melgunov M., Belyanin D., Shcherbov B., Zhurkova I., Rubanov M. 7Be, 210Pb and 137Cs in the biogeocenosis components of the Arctic and southern zones of Western Siberia // RAD 2019 Conference: Book of Abstracts of the Seventh International Conference on Radiation in Various Fields of Research / editor Goran Ristić; RAD Centre. – Niš, Serbia, RAD Centre, 2019. – P. 83.