13. Мікроелементи і радіоактивність грунтів

Мікроелементами умовно називають ті хімічні елементи, що містяться в ґрунті й у біологічних об'єктах у незначних кількостях. До них відносять бор (B), марганець (Мn), молібден (Мо), мідь (Сu), цинк (Zn), кобальт (Co), йод (J), фтор (F) і ін.

Значення мікроелементів. Вони виконують важливу фізіологічну і біохімічну роль у житті рослин, тварин і людини; входять до складу вітамінів, ферментів, гормонів. Ненормальний (надлишковий чи недостатній) вміст мікроелементів у кормах і продуктах харчування приводить до порушення обміну речовин і розвитку важких захворювань у тварин і людини. Так, при нестачі йоду розвивається ендемія зобу в тварин і людини; при нестачі фтору розвивається карієс (ушкодження зубної емалі), а при надлишку — ендемічний флюороз (плямистість емалі); надлишок молібдену сприяє розвитку подагри; при нестачі міді в кормах у ягнят спостерігається захворювання ензоотичною атаксією; в овець і інших тварин, що випасаються на пасовищах, у ґрунтах яких багато бору, поширені ентерити, нервові розлади і пневмонії.

Нестача мікроелементів у ґрунті різко знижує врожай рослин і його якість. Наприклад, при нестачі міді в ґрунтах спостерігається вилягання рослин, недостигання їх і різке зниження врожайності. При нестачі бору обпадає зав'язь, знижується врожай насіння, рослини уражуються хворобами (гниль серцевини цукрового буряка, бактеріоз льону).

При нестачі цинку розвивається “розеткова хвороба” листяних дерев.

Біогеохімічна провінція — територія, іноді значних розмірів, що відрізняється від сусідніх територій концентрацією в середовищі (ґрунтах, водах, повітрі) одного чи декількох мікроелементів (чи макроелементів). У межах цих провінцій унаслідок надлишку чи нестачі мікроелементів можуть з'являтися масові порушення обміну речовин у рослин, тварин і людини, з чим і пов'язані специфічні захворювання — біогеохімічні ендемії.

Так, Закарпатська область представляє біогеохімічну провінцію з ендемією зобу: у ґрунтах, водах і харчових продуктах цієї області міститься в 2-5 разів менше йоду, ніж у тих областях, де немає ендемії зобу. Виділяють в особливу біогеохімічну провінцію — Поліську низовину, що характеризується низьким вмістом йоду в ґрунтах і природних водах. Йод тут сильніше вимивається з ґрунтів, легких за механічним складом, чи міцно закріплюється торфом болотних ґрунтів, стаючи недоступним рослинам.

Вміст мікроелементів у ґрунтах. В процесі вивітрювання і ґрунтоутворення одні мікроелементи накопичуються в ґрунтах, інші, навпаки, вимиваються, губляться.

Основне джерело мікроелементів у ґрунтах — грунтоутворюючі породи. Ґрунти, розвинуті на продуктах вивітрювання кислих порід (гранітах, ліпаритах), бідні Ni, Co, Си, а ґрунти, що утворилися на продуктах вивітрювання основних порід (базальтах, габро), збагачені цими мікроелементами.

У головних грунтоутворюючих породах, тобто у валунних (моренних), покривних і лесоподібних суглинках, кількість Zn, Co, Сu і Мо приблизно однакова і лише флювіогляціальні піски і супіски містять їх значно менше. З корінних порід глинисті сланці багатші інших порід цинком, кобальтом і міддю.

Деякі мікроелементи можуть надходити в ґрунт із газами атмосфери, димами вулканів і з метеоритними опадами, причому для таких мікроелементів, як J, F, це джерело надходження в ґрунт є головним.

Мікроелементи можуть надходити в ґрунт і при внесенні пестицидів з метою боротьби з хворобами і шкідниками рослин.

Внаслідок грунтоутворювального процесу вміст мікроелементів і їх розподіл по генетичних горизонтах можуть істотно змінюватися. Ступінь зміни визначається особливостями ґрунтів і грунтоутворювальних процесів і властивостями мікроелементів.

Мікроелементи в ґрунтах містяться: у кристалічних решітках первинних і вторинних мінералів у вигляді ізоморфного підмісу; у формі нерозчинних сполук (солей, оксидів); в іонообмінному стані; в складі органічної речовини; у ґрунтовому розчині.

Величезне значення в міграції мікроелементів і їх біологічній акумуляції належить рослинам. Корені їх витягають мікроелементи з нижніх горизонтів ґрунту і материнських порід і переносять їх у верхні шари.

На рухливість мікроелементів у ґрунтах, на їх акумуляцію чи винос і доступність рослинам впливають реакція середовища (рН), окислювально-відновні умови, концентрація СО₂ і органічна речовина ґрунту. При кислій реакції ґрунтів зменшується рухливість Мо, але збільшується Сu, Zn, Mn, Со. Деякі мікроелементи (В, J, F) рухливі як в кислому, так і в лужному середовищах.

Великий вплив на рухливість мікроелементів робить концентрація СО₂ у ґрунтовому розчині. Mn, Ni, Ba, Sr здатні утворювати солі вугільної кислоти (карбонати і бікарбонати). При підвищенні концентрації СО₂ у ґрунтовому розчині карбонати перетворюються в бікарбонати, що підвищує їх розчинність і збільшує міграційну здатність мікроелементів.

На рухливість мікроелементів у ґрунтах впливають гумус і низькомолекулярні органічні кислоти — мурашина, лимонна, щавелева й ін. Одні мікроелементи утворюють з органічною речовиною розчинні сполуки, інші (Cu, J) закріплюються і стають недоступними для рослин.

Вміст мікроелементів і їх розподіл по профілю різних типів ґрунтів неоднакові.

У дерново-підзолистому ґрунті максимальний вміст таких мікроелементів, як Zn, Co, Мо, Сu, спостерігається в породі (горизонт С); у підзолистому горизонті їх менше 50% порівняно з породою, а в гумусовому горизонті більше, ніж у підзолистому горизонті, але все-таки менше, ніж у породі. У чорноземах мікроелементів у гумусових горизонтах звичайно більше, ніж у породі. Але від цього правила спостерігаються відхилення, викликані опідзоленістю, солонцюватістю, карбонатністю, що і визначає більш складний розподіл мікроелементів по профілю різних підтипів чорноземів.

Для вирішення практичних питань застосування мікродобрив важливо знати не тільки валові запаси мікроелементів, але і вміст їх рухливих форм.

Грунти характеризуються як дуже бідні рухливими формами мікроелементів при наступному їхньому вмісті: мідь<0,3 мг; цинк<0,2; марганець<1; кобальт<0,2; молібден<0,05; бор<0,1 мг на 1 кг ґрунту, а бідні відповідно 1,5; 1; 10; 1; 0,15; 0,2 мг.

Радіоактивність ґрунту зумовлена вмістом у ньому радіоактивних хімічних елементів. Розрізняють природну і штучну радіоактивність ґрунтів.

Природна радіоактивність викликається природними радіоактивними елементами.

Усі природні радіоактивні елементи поділяють на три групи.

1. Власне радіоактивні елементи, усі вивчені ізотопи яких радіоактивні. До них відносять три родини послідовно перетворюваних ізотопів урану — радію, актинію і торію. Проміжними продуктами розпаду хімічних елементів цих родин є як тверді, так і газоподібні ізотопи (еманації). Найбільше значення з цієї групи елементів мають уран (²³⁸U, ²³⁵U), торій (²³²Th), радій (²²⁶Ra) і радон (²²²Rn, ²²⁰Rn).

1. Ізотопи “звичайних” хімічних елементів, які володіють радіоактивними властивостями. До них відносять калій (⁴⁰К), рубідій (⁸⁷Rb), самарій (¹⁴⁷Sm), кальцій (⁴⁸Са), цирконій (⁹⁶Zr) і ін. Провідну роль у цій групі елементів відіграє калій: він зумовлює найбільшу величину природної радіоактивності.

2. Радіоактивні ізотопи, що утворюються в атмосфері під дією космічних променів, наприклад тритій (³Н), берилій (⁷Ве, ¹⁰Ве) і вуглець (¹⁴С).

Природні радіоактивні елементи представлені в основному довгоживучими ізотопами з великим періодом напіврозпаду - 10⁸-10¹⁶ років. У процесі розпаду вони випускають α- і β- частки і γ-промені. Звичайно ці ізотопи знаходяться у вкрай розсіяному стані.

Природна радіоактивність ґрунтів залежить головним чином від вмісту урану, радію, торію і радіоактивного ізотопу калію (⁴⁰К). Їх енергія випромінювання складає близько 98% сумарної енергії випромінювання всіх природних радіоактивних елементів.

Кількість радіоактивного калію (⁴⁰К) легко визначити, виходячи з його валового запасу й ізотопного складу. Валовий запас калію коливається від 0,33% у піщаних до 2,64% у глинистих ґрунтах. Стабільні ізотопи за масою складають: ³⁹К — близько 93,08% і ⁴¹К — 6,9%, а радіоактивний ⁴⁰К — 0,0119%.

Валовий вміст радіоактивних елементів у ґрунтах залежить в основному від грунтоутворюючих порід. Так, у ґрунтах, що сформувалися на продуктах вивітрювання кислих гірських порід, радіоактивних елементів більше, ніж у ґрунтах, що утворилися на основних чи ультра-основних породах. Ґрунти важкого механічного складу містять радіоактивних елементів більше, ніж ґрунти легкого механічного складу.

Високою радіоактивністю володіють суглинисті дерново-лучні ґрунти річкових заплав, тоді як болотні і торф'яно-болотні ґрунти відрізняються низькою радіоактивністю. Наприклад, у торфовищах верхівкових боліт міститься торію (4-8) · 10^-6%, радію (0,8-2,2) · 10^-12%.

По профілю ґрунтів радіоактивні елементи розподіляються досить рівномірно, хоча в деяких випадках спостерігається їх виразна акумуляція в ілювіальних і глеєвих горизонтах.

У ґрунтовому повітрі містяться газоподібні продукти розпаду радіоактивних елементів — еманації. До них відносять ізотопи радону: радон (²²²Rn), торон (²²⁰Rn) і актинон (²¹⁹Rn). Ці ізотопи належать до інертних радіоактивних газів. При розпаді вони виділяють α-частки й утворюють низку короткоживучих твердих β- і γ- випромінювачів, що, осідаючи на навколишніх речовинах, надають їм наведену радіоактивність. Еманації розчинні у воді. Період напіврозпаду їх у радону 3,8 дні, у торону 54,5 с, в актинону 3,9 с.

Концентрація еманації в ґрунтовому повітрі визначається тривалістю їх життя і швидкістю газообміну ґрунтового повітря з атмосферним, причому, наприклад, радону в атмосферному повітрі значно менше (у 100 разів і більше), ніж у ґрунтовому.

Штучна радіоактивність ґрунтів викликається радіоактивними ізотопами, що утворюються внаслідок атомних і термоядерних вибухів чи є відходами атомної промисловості.

При атомних вибухах у результаті розподілу важких ядер урану (²³⁵U, ²³³U) і плутонію (²³⁹Рu) утворюється велика кількість нових радіоізотопів з періодом напіврозпаду від часток секунди до багатьох років. Радіоактивні речовини, що утворюються, потрапляючи в повітряний простір, переносяться на великі відстані, поступово випадаючи на земну поверхню, у тому числі і на ґрунт. У результаті відбувається глобальне забруднення штучними радіоізотопами. Забруднення відходами атомної промисловості локальне.

Штучні радіоізотопи, включаючись в біологічний кругообіг речовин, потрапляють через рослинну і тваринну їжу в організм людини, накопичуються в кістках і інших тканинах, викликаючи радіоактивне опромінення.

Найбільшу небезпеку в біологічному відношенні представляють ізотопи стронцію (⁹⁰Sr) і цезію (¹³⁷Cs).

Штучна радіоактивність ґрунтів зумовлена в основному ⁹⁰Sr і ¹³⁷Cs. Вони становлять найбільшу небезпеку для людини через великий період напіврозпаду (28 років у ⁹⁰Sr і 33 роки в ¹³⁷Cs), високу енергію випромінювання (обоє вони β-випромінювачі, a ^I37Cs, крім того, і γ-випромінювач), здатність легко включатися в біологічний кругообіг і потрапляти в організм людини.

Вміст і розподіл ⁹⁰Sr і ¹³⁷Cs у ґрунтах визначається інтенсивністю і характером їх випадання з атмосфери, властивостями ізотопів і ґрунтів і сукупністю природних умов (рослинність, клімат, рельєф).

Великий вміст ⁹⁰Sr у заплавних ґрунтах через те, що деяка додаткова кількість його приноситься в заплаву поверхневими і внутрішньоґрунтовими стоками з водозбірного басейну.

Пошарове визначення ⁹⁰Sr у різних ґрунтах показало, що 80-90% його зосереджене в верхньому горизонті (9-5 см), а решта розподіляється до глибини 25-30 см.

Радіоактивний стронцій за своїми радіоактивними властивостями близький до кальцію, а радіоактивний цезій — до калію, тому в ґрунті в їхньому поводженні спостерігається деяка подібність із зазначеними хімічними елементами. Закріплення і вміст ⁹⁰Sr і ¹³⁷Cs у ґрунті залежать від того, у формі яких сполук вони в ньому знаходяться (водорозчинні, іонообмінні, важкорозчинні), а також від його властивостей.

⁹⁰Sr надходить у рослини інтенсивніше, ніж ¹³⁷Cs, що пояснюється різним ступенем їхнього закріплення в ґрунті. Кальцієлюбні рослини звичайно поглинають більше ⁹⁰Sr, ніж рослини, бідні на кальцій. Найбільше накопичують стронцію бобові культури, менше — коренеплоди і бульбоплоди і ще менше — злакові. Рослини, що містять більше калію, більше поглинають ¹³⁷Cs.

На ґрунтах легких і бідних на гумус за інших рівних умов у рослини більше надходить радіоактивних ізотопів, ніж на ґрунтах важких і багатих на гумус. Надходження ⁹⁰Sr у рослини знижується на окультурених ґрунтах, при вапнуванні і внесенні добрив. Різко зменшують проникнення ¹³⁷Cs у рослини калійні добрива.