РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ И РАДИОАКТИВНЫЕ (Th, U) ЭЛЕМЕНТЫ В КОМПОНЕНТАХ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ КАК ИНДИКАТОРЫ ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИХ ОБСТАНОВОК (НА ПРИМЕРЕ ТОМСКОЙ И КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТЕЙ)

ВВЕДЕНИЕ 4
1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ И РАДИОАКТИВНЫХ (Th, U)
ЭЛЕМЕНТАХ 10
1.1 Распространенность редкоземельных и радиоактивных (Th, U) элементов и области
применения 13
1.2 Медико-биологические свойства редкоземельных и радиоактивных (Th, U)
элементов 15
2 ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАКОПЛЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ И
РАДИОАКТИВНЫХ (Th, U) ЭЛЕМЕНТОВ В ГЕОСФЕРНЫХ ОБОЛОЧКАХ 19
2.1 Объекты литосферы 19
2.2 Объекты гидросферы 26
2.3 Атмосфера 30
2.4 Биосфера 33
2.4.1 Закономерности накопления в системе «почва-растение» 34
2.4.2 Особенности концентрирования в организме человека 38
3 МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 41
3.1 Фактический материал исследования 41
3.2 Аналитические методы исследования 43
3.2.1 Инструментальный нейтронно-активационный анализ (ИНАА) 44
3.2.2 Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) 44
3.3 Методика обработки результатов аналитических исследований 45
3.4 Эколого-геохимическая характеристика территории исследования 47
4 ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ НАКОПЛЕНИЯ
РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ И РАДИОАКТИВНЫХ (Th, U) ЭЛЕМЕНТОВ В КОМПОНЕНТАХ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ 57
4.1 Особенности концентрирования редкоземельных и радиоактивных (Th, U) элементов в
системе «почва-лабазник вязолистный (Filipendula ulmaria (L) Maxim)» на территории Томской и Кемеровской областей 68
4.2 Особенности концентрирования редкоземельных и радиоактивных (Th, U) элементов в
волосах человека на территории Томской и Кемеровской областей 83
5 РАЙОНИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИИ ТОМСКОЙ И КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТЕЙ ПО
УРОВНЯМ СОДЕРЖАНИЯ И СООТНОШЕНИЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ И РАДИОАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (Th, U) 89
6 ПРОЯВЛЕНННОСТЬ СПЕЦИФИКИ ТЕХНОГЕНЕЗА В СОДЕРЖАНИИ И СООТНОШЕНИЯХ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ И РАДИОАКТИВНЫХ (Th, U) ЭЛЕМЕНТОВ В ЖИВОМ ВЕЩЕСТВЕ 105
6.1 Элементный состав лабазника вязолистного (Filipendula ulmaria (L) Maxim) на
территории с разной степенью природно-техногенной трансформации 106
6.2 Элементный состав волос человека на территории с природно-техногенными
аномалиями 114
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 123
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 124
Купить

Актуальность работы. Повышенное внимание к изучению редкоземельных (РЗЭ) и радиоактивных (Th, U) элементов в последние десятилетия связывают с вступлением современного мира в «эпоху нанотехнологий» (Барашков, 2011), характерной чертой которой является их всестороннее применение (Brioschi, 2012; Gwenzi et al., 2018; Balaram, 2019). Активное вовлечение РЗЭ в деятельность человека становится основным фактором, влияющим на их глобальный цикл (Hedrick, 1995). В настоящее время накоплено достаточно информации о физических и химических свойствах (Гавриленко, Сахоненок, 1986; Иванов, 1997; Титаева, 2000; Cotton, 2006; Щербаков и др., 2016 Отмахов и др., 2017), кристаллохимии и минералогии РЗЭ (Семенов, 1963; Геохимия, минералогия..., 1964; Минеев, 1969; Минеев, 1974; Солодов и др., 1987). Особенности электронного строения РЗЭ подтверждают целесообразность их разделения на подгруппы. Так, согласно Минееву (1974), их делят на легкие (ЛРЗЭ: La - Nd), средние (СРЗЭ: Sm - Ho) и тяжелые (ТРЗЭ: Er - Lu). Поведение РЗЭ достаточно хорошо изучено в эндогенных и экзогенных процессах (Евсеева, Перельман, 1962; Семенов, Холодов, 1966; Хэскин, 1968; Минеев, 1974; Балашов, 1976; Арбузов и др., 2000), установлена их индикаторная роль (Дубинин, 2006; Вах, 2012; Барановская и др., 2015 и др.), а также выявлены отдельные аспекты токсикологии РЗЭ (Балабуха, 1958; Щербаков и др., 2016; Вредные химические..., 1988; Ma et al., 2016; Rim, 2016; Щербаков и др., 2016; Lourengo et al., 2017; Adeel et al., 2019; Кожевникова, 2012; Котельникова, 2019 и др.). При этом остаются недостаточно изученными некоторые аспекты поведения редкоземельных и радиоактивных элементов в живом веществе биосферы, а также особенности их накопления в компонентах природной среды на локальных территориях.
Первые количественные определения РЗЭ, Th и U в живых организмах относятся к началу прошлого столетия (работы Виноградова А. П. (1932), Хоффмана Дж. (1942, 1943) и ряда других авторов). Имеется достаточно много зарубежных исследований, затрагивающих вопросы их накопления и распределения в объектах живой природы (Jowsey et al., 1958; Vocaturo et al., 1983; Boulyga et al., 1999; Anke et al., 2009; Zhuk, Kist, 1995; Zaichick et al., 2011; Dol^gowska, Migaszewski, 2013; Bosco-Santos et al., 2017; Wei et al., 2013; Meryem et al., 2016; Zhuang et al., 2017a; Zhuang et al., 2017b и др.). Из современных исследований следует отметить труды ученых Сибири и Востока, рассматривающих особенности концентрирования РЗЭ, Th и U в объектах живой и неживой природы (Рихванов, 1997, 2009; Архангельский, Рихванов, 2001; Арбузов, 2000, 2005; Жмодик и др., 1991; Москвитина, Кохонов, 2002; Kuranova et al., 2005; Киселева, 2007; Арбузов, Рихванов, 2011; Страховенко, 2011; Маликова, Страховенко, 2011; Tsoy, 2014; Восель, 2015; Барановская и др., 2015; Рудмин, Бушманов, 2015; Panichev, 2015; Panichev et al., 2016; Panichev et al., 2021; Щербаков и др., 2016; Радомская и др., 2017; Радомская и др., 2018; Гусева, 2018; Юсупов и др., 2019; Yusupov et al., 2020 и др.). Большая часть публикаций посвящена особенностям накопления отдельных РЗЭ, Th и U, в то время как рассматривать данные элементы стоит вместе из-за их значительного геохимического сродства, обусловленного величиной их ионных радиусов, а также кислотно-щелочными свойствами (Гринвуд, Эрншо, 2008) и, как следствие, возможного изоморфизма между собой (Солодов и др., 1987; Титаева, 2000; Арбузов, Рихванов, 2011; Барановская и др., 2015).
Томская и Кемеровская области представляют особый интерес вследствие присутствия потенциальных источников поступления РЗЭ, Th и U в живые организмы. Вовлечение данных элементов в трофические цепи может быть обусловлено наличием обогащенных ими угольных залежей Сибири (Юдович и др., 2004; Арбузов, 2005; Арбузов, Рихванов, 2009) и широко распространенных месторождений циркон-ильменитовых песков (Рихванов и др., 2001). Так же редкоземельные элементы обнаружены в нефти (Готтих и др., 2012). При этом отмечается значительная дифференцированность распределения редкоземельных элементов, обусловленная влиянием глубинных флюидов (Винокуров, Готтих и др., 2010; Пунанова, 2017). По данным некоторых исследований на изменение миграции и концентрирования данных элементов влияют и техногенные источники, в частности расположенные в пределах Северного промышленного узла г. Томска: объекты ядерно-топливного цикла - Сибирский химический комбинат (СХК), нефтехимической отрасли - ООО «Томскнефтехим» («Сибур») и другие (Экология северного..., 1994; Эколого-геохимические..., 2006; Рихванов, 2009; Барановская и др., 2015).
Таким образом, неоднозначное поведение в объектах живой природы и высокая индикаторная роль содержаний и соотношений РЗЭ, Th и U на локальных территориях с природно-техногенными геохимическими аномалиями обуславливает актуальность их изучения.
Целью работы является установление закономерностей накопления и распределения редкоземельных и радиоактивных (Th, U) элементов и их соотношений в живых организмах и среде их обитания в различных эколого-геохимических обстановках территорий Томской и Кемеровской областей.
Задачи исследований:
□ Проанализировать имеющиеся данные о концентрировании редкоземельных элементов, Th и U объектами неживой и живой природы и провести их обобщение;
□ Определить количественное содержание редкоземельных элементов, Th и U в компонентах природной среды (почва, лабазник вязолистный (Filipendula ulmaria (L) Maxim), биосубстраты человека) на территории Томской и Кемеровской областей, провести сравнительный анализ полученных результатов;
□ Выявить особенности накопления и распределения редкоземельных элементов, Th и U в компонентах природной среды на территории Томской и Кемеровской областей и провести районирование территории;
□ Выявить индикаторную роль содержания и соотношения редкоземельных элементов, Th и U в живом веществе в условиях природных и техногенных обстановок.
Основные защищаемые положения:
1. На территории Томской и Кемеровской областей определены диапазоны содержаний 14 РЗЭ, Th и U в компонентах природной среды (система «почва-лабазник вязолистный (Filipendula ulmaria (L) Maxim)» и волосы человека). Установлено увеличение концентрации тяжелой подгруппы РЗЭ и U в волосах жителей Кемеровской области.
2. Районирование территорий Томской и Кемеровской областей по содержанию РЗЭ, Th и U в компонентах природной среды (почва, солевые отложения природных пресных вод (накипь), лабазник вязолистный (Filipendula ulmaria (L) Maxim), биосубстраты человека) позволяет выделить локальные группы районов с индикаторным спектром:
I группа - Sm, Ce, Th, Eu;
II группа - Sm, Yb;
III группа - La, U, Yb, Lu, Th;
IV группа - U, Th, Ho, Tb, Gd.
3. Индикаторами природно-техногенных условий территорий Томской и Кемеровской областей являются содержания и соотношения РЗЭ, Th и U в волосах человека и лабазнике вязолистном (Filipendula ulmaria (L) Maxim). Это выражается в ретроспективном изменении состава в районах размещения предприятий ядерно-топливного цикла, наличии аномалии Eu в нефтегазодобывающих районах, концентрировании Th, U и подгруппы лёгких РЗЭ в угледобывающих районах, вариативности отношений легких к тяжелым РЗЭ в горнодобывающих районах.
Фактический материал и методы исследования. В основу работы положены результаты проведенных исследований автором лично, а также совместно с сотрудниками отделения геологии (ранее - кафедры геоэкологии и геохимии) Инженерной школы природных ресурсов Национального исследовательского Томского политехнического университета.
В рамках работы проведено обобщение 1277 проб по содержанию редкоземельных элементов, Th и U в объектах живой и неживой природы в сравнении с литературными данными. При личном участии автора на территории Томской и Кемеровской областей отобрано и проанализировано 323 пробы, включающих почву, лабазник вязолистный (Filipendula ulmaria (L) Maxim) и волосы человека.
Количественное определение химических элементов проводилось с использованием инструментального нейтронно-активационный анализа (ИНАА) на базе исследовательского ядерного реактора ИРТ-Т в ядерно-геохимической лаборатории (ЯГЛ) Национального исследовательского Томского политехнического университета (с.н.с. Судыко А.Ф., Богутская Л.В.) и масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС) в аккредитованной проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии Инженерной школы природных ресурсов, ТПУ (к.г.-м.н. Хващевская А. А., Куровская В. В) и аналитическом центре ООО «Химико-аналитический центр «Плазма», г. Томск (Федюнина Н.В.).
Достоверность защищаемых положений обеспечена статистически значимым количеством проб, которые были проанализированы современными высокочувствительными аналитическими методами (ИНАА, ИСП-МС) в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам с выполнением контрольных определений 5-10% проб изученных сред, а также глубиной проработкой фактического материала с применением современных методов статистической обработки и литературы по теме исследования.
Научная новизна. Впервые обобщены и выявлены закономерности содержания редкоземельных элементов, Th и U в объектах живой природы в их взаимосвязи с окружающей средой. Впервые проведено районирование территории Томской и Кемеровской областей по показателям частоты встречаемости статистически значимых аномальных содержаний. Получены новые данные по диапазонам содержаний всей группы редкоземельных элементов, за исключением прометия, за счет расширения спектра определяемых элементов в компонентах природной среды (почве, растениях, биосубстратах человека) посредством проведения ИСП-МС, на территории Кемеровской и Томской областей. Выявлена специфика соотношений РЗЭ, Th и U на территориях с природно-техногенными геохимическими аномалиями и установлены индикаторные показатели эколого-геохимических условий.
Практическая значимость. Получены диапазоны содержаний для 14 редкоземельных элементов, Th и U в объектах живой и неживой природы на территориях с разными экологогеохимическими обстановками. Выявленные особенности накопления и распределения РЗЭ, Th и U в компонентах природной среды позволяют дифференцировать изученные территории по специфике эколого-геохимических обстановок. Результаты исследований могут быть полезны природоохранным службам, геологоразведочным организациям.
Данные, полученные в ходе исследования, были использованы при подготовке практических занятий по курсу: «Геохимия, геохимический мониторинг окружающей среды» в отделении Геологии Инженерной школы природных ресурсов Томского политехнического университета для подготовки магистров по направлению «Экология и природопользование», а также использованы в курсе «Геохимия живого вещества».
Апробация работы. Результаты полученных исследований представлены на Всероссийских и Международных конференциях и симпозиумах: Международный научный симпозиум студентов и молодых ученых им. академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2013-2021), Международная конференция «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека» (Томск, 2016; 2021), Всероссийская конференция «Геохимия ландшафтов (к столетию А.И. Перельмана)» (Москва, 2016), Международная конференция «Экология России и сопредельных территорий» (Новосибирск, 2017), Всероссийская конференция с международным участием, посвящённая 60-летию Института геохимии СО РАН и 100-летию со дня рождения академика Л. В. Таусона (Иркутск, 2017), Международная школа-семинар «Биогеохимия химических элементов и соединений в природных средах» (Тюмень, 2018), Всероссийский симпозиум «Минералогия и геохимия ландшафтов горнорудных территорий» (Чита, 2018), Международный симпозиум «Биогеохимические инновации в условиях коррекции техногенеза биосферы» (Тирасполь, 2020).
Публикации. Основные научные результаты опубликованы в 10 научных статьях, включая 4 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, три из которых опубликованы в журнале, индексируемом в базах данных Scopus и Web of Science.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 144 страницах, дополнена 64 рисунками и 22 таблицами. Работа содержит 6 глав, введение, заключение, список литературы содержит 257 источников. Во введении представлены актуальность исследований, определены цель и задачи, указаны научная новизна и практическая значимость, а также обозначен личный вклад автора и апробация работы. В первой главе рассматриваются общая характеристика РЗЭ, Th и U и их медико-биологические свойства. Во второй главе рассматриваются имеющиеся в литературе сведения о накоплении и распределении РЗЭ, Th и U в объектах живой и неживой природы. В третьей главе описываются методика отбора и подготовки проб, методы анализа, способы математической обработки данных и характеристика территории исследования. Четвертая глава посвящена общим закономерностям накопления и распределения РЗЭ, Th и U в живых объектах во взаимосвязи со средой обитания. В пятой главе рассматриваются закономерности накопления РЗЭ, Th и U в компонентах природной среды на территории природных районов Томской и Кемеровской областей. В шестой главе рассматриваются индикаторные показатели содержаний и соотношений РЗЭ, Th и U. В заключении представлены основные результаты по диссертационной работе.
Личный вклад. Автором выполнен отбор и анализ 323 проб, включающих почву, лабазник вязолистный (Filipendula ulmaria (L) Maxim) и волосы человека, проведена подготовка к ИНАА, ИСП-МС, проведено обобщение ранее полученных сотрудниками отделения и научным руководителем результатов, включающих материалы по волосам и крови человека, почве и солевым отложениям природных пресных вод (накипь), тканям животных, общим количеством более тысяч проб. Автором проведена статистическая обработка всего объема данных, дана интерпретация полученных результатов и сформулированы защищаемые положения.
Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю, доктору биологических наук, профессору отделения геологии Барановской Наталье Владимировне, за научное сопровождение, всестороннюю поддержку, понимание, мотивацию и помощь на всех этапах реализации работы. Особую благодарность автор выражает доктору геологоминералогических наук, Рихванову Леониду Петровичу за ценные советы, рекомендации и всестороннюю помощь. Автор признателен за помощь всем сотрудникам бывшей кафедры ГЭГХ ТПУ. За ценные советы автор выражает отдельную признательность профессору, д.г.-м.н. Арбузову С.И., д.г-м.н. Язикову Е.Г., к.г.-м.н. Соболеву И.С., к.г.-м.н. Соктоеву Б.Р. Автор благодарен за помощь в отборе проб растительного материала аспиранту ОГ ИШПР Горбатюк Е.А. и предоставленный для анализа материал органов и тканей млекопитающего (Свинья домашняя, Sus Scrofa domesticus) к.г.-м.н., Ph.D Беляновской А.И. Особую благодарность за проведение аналитических исследований с.н.с Судыко А.Ф. и Богутской Л.В., а также сотрудникам проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии ИШПР и лично к.г.-м.н. Хващевской А.А. Автор благодарен сотрудникам ГЕОХИ РАН и лично Ермакову В. В. за поддержку и помощь, оказанную при проведении стажировки в Лабораторию биогеохимии окружающей среды «Биогел» и работе с архивом Вернадского В.И. и Виноградова А.П. Автор признателен сотрудникам ТИГ ДВО РАН и ДВГИ ДВО РАН за ценные советы и рекомендации.
Диссертационная работа выполнялась при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-35-90061 «Проявленность техногенных объектов в показателях содержания и соотношения редкоземельных и радиоактивных элементов в компонентах природной среды территории Томской и Кемеровской областей» (2019), РНФ в рамках проекта № 20-64-47021 «Влияние литолого-геохимической специфики горных ландшафтов Сибири и Дальнего Востока на формирование элементного состава организма млекопитающих» (2020), Фонда Михаила Прохорова в рамках конкурса «Академическая мобильность» (2017 г.).

Купить