Биогеохимия радионуклидов

БИОГЕОХИМИЯ
РАДИОНУКЛИДОВ

УЧЕБНИК

С.П. ТОРШИН
Г.А. СМОЛИНА

Допущено
Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации
по агрономическому образованию в качестве учебника
для подготовки бакалавров по направлению 35.03.03 
«Агрохимия и агропочвоведение»

Москва
ИНФРА-М
2023

Т61

ISBN 978-5-16-010625-0 (print)
ISBN 978-5-16-102636-6 (online)
© Торшин С.П., Смолина Г.А., 2016

Р е ц е н з е н т ы:
А.А. Удалова — д-р биол. наук, профессор, заведующий кафедрой экологии Обнинского института атомной энергетики (ИАТЭ) – филиала Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»;
В.М. Зубкова — д-р биол. наук, профессор, заведующий кафедрой социальной 
экологии и природопользования Российского ГСУ;
Е.А. Карпова — д-р биол. наук, ведущий научный сотрудник кафедры агрохимии 
и биохимии растений МГУ им. М.В. Ломоносова

УДК 550.47(075.8)
ББК 28.080.3я73
 
Т61

Подписано в печать 05.10.2022. 
Формат 6090/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. 
Печать цифровая. Усл. печ. л. 20,0.
ППТ20. Заказ № 00000
ТК 331500-1899887-251115
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru                 http://www.infra-m.ru

Торшин С.П.
Биогеохимия радионуклидов : учебник / С.П. Торшин, Г.А. Смо лина.  — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 320 с.  + Доп. материалы 
[Электронный ресурс].  — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 
10.12737/15950.

ISBN 978-5-16-010625-0 (print)
ISBN 978-5-16-102636-6 (online)
Учебник состоит из двух частей: общей и специальной. В общей части 
изложены основы двух наук — собственно биогеохимии, которая изучает роль 
живых организмов в массопереносе, распределении и перераспределении химических элементов в земной коре, и радиологии — учении о радиоактивности 
и излучениях. В специальной части рассмотрены вопросы биогеохимии наиболее 
экологически значимых природных и техногенных радиоактивных химических 
элементов в компонентах биосферы, участия биологической составляющей 
в этих процессах. Особое внимание уделено поведению искусственных радионуклидов – загрязнителей окружающей среды в агроэкосистемах и поступлению 
их в сельскохозяйственную продукцию. 
Предназначен для студентов бакалавриата, обучающихся по агрономическим 
специальностям, и сотрудников экологического и радиологического профилей.

УДК 550.47(075.8)
ББК 28.080.3я73

Материалы, отмеченные знаком 
, 
доступны в электронно-библиотечной системе znanium

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

Предисловие

Биогеохимия радионуклидов — раздел биогеохимии, который 

рассматривает содержание, распределение и массоперенос радиоактивных химических элементов в компонентах биосферы, участие 
биологической составляющей в этих процессах. До открытия в первой половине ХХ в. искусственной радиоактивности предмет рассмотрения этого направления науки составляли природные радионуклиды, их излучения, а также космический радиационный фон 
планеты Земля. 

В.И. Вернадский по достоинству оценил открытие радиоактив
ности. В отличие от большинства современников он поразительно 
быстро осознал грандиозное значение этого шага в познании природы. В результате геохимия, к тому времени сформировавшаяся как 
наука, в целом дополнилась новым содержанием, и Вернадский заложил основы нового направления — радиогеологии. Начался период массового поиска и изучения природных радиоактивных руд. 
Вместе с биогеохимией вырисовывалась роль живого вещества на 
разных уровнях организации в миграции и трансформации радиоактивных атомов и их соединений. 

Появление нейтронной физики (1934 г.), создание и массовое 

применение искусственных радиоактивных изотопов значительно 
расширили задачи биогеохимии радионуклидов. Испытания ядерного оружия, атомная энергетика привели к поступлению в биосферу 
разнообразных радиоактивных нуклидов и их соединений, к появлению близкого направления — радиоэкологии и необходимости 
изучения не только миграции радиоактивных изотопов по звеньям 
пищевой биогеохимической цепи, но и воздействия техногенных 
радиоактивных нуклидов на биоту в целом и на человека в частности.

Особая область приложения биогеохимии радионуклидов — сель
ское хозяйство — агроэкосистемы. Ядерные события второй половины ХХ в., особенно беспрецедентная по масштабам авария на 
Чернобыльской атомной станции, привели к поступлению в биосферу значительных количеств радионуклидов, в том числе и долгоживущих. Оказались радиоактивно загрязненными обширные площади в нашей стране и за рубежом. Около половины этих площадей 
представляют сельскохозяйственные угодья, включая пашню. Сельское хозяйство было и остается наиболее сложной отраслью народного хозяйства, поскольку имеет дело с продукционным процессом, 
т.е. с целенаправленным управлением живым веществом с целью 
решения продовольственной задачи для человечества, и одна из ос

новных задач науки, в том числе и биогеохимии радионуклидов — 
таким образом организовать трофические цепи, чтобы не допустить 
загрязнения продуктов питания радиоактивными изотопами. 

Важнейшими практическими задачами биогеохимии радионук
лидов являются также совершенствование методов контроля и прогнозирования радиоактивных загрязнений продуктов питания и 
кормов, а также способов предотвращения серьезных последствий 
от воздействия ионизирующей радиации на растения, животных, 
человека.

Таким образом, биогеохимия радионуклидов включает соб
ственно биогеохимию, учение о радиоактивности и изучение поведения в биосфере природных и искусственных радионуклидов. 

Учебник предназначен для бакалавров и магистров, обуча
ющихся по направлению 35.03.03 «Агрохимия и агропочвоведение», 
для аспирантов, специализирующихся в традиционных направлениях сельскохозяйственного производства (растениеводство, агрохимия, почвоведение, экология). Книга может быть полезна научным работникам, занимающимся вопросами биогеохимии, радиологии, радиоэкологии, а также широкому кругу читателей, 
интересующихся проблемами охраны и качества окружающей среды.

Глава 1 

история развития наПравления 
«биоГеохимия радионуклидов»

1.1. из истории развития биоГеохимии

Развивая экологическую направленность идей натуралистов Европы в 18 столетии, В.И. Вернадский в 30-х гг. 
прошлого столетия разработал научную биогеохимическую концепцию биосферы, как геологической оболочки 
Земли, структура и энергетика которой созданы деятельностью живого вещества в течение геологической истории планеты.

В.В. Ермаков, 2013 

Биогеохимия — междисциплинарная наука, возникшая в ХХ в. 

в пограничной области между биологией, геологией и химией. Эта 
наука изучает роль живых организмов в массопереносе, распределении и перераспределении химических элементов в земной коре.

Теоретической основой биогеохимии является предложенная 

В.И. Вернадским в начале ХХ в. концепция живого вещества и биосферы. Биогеохимия зародилась и развивалась под влиянием основополагающих трудов В.И. Вернадского, который ввел в науку представление о живом веществе и показал его роль в геохимических 
процессах нашей планеты. Однако в возникновение и развитие биогеохимии как самостоятельной науки внесли вклад многие выдающиеся ученые, обратившие внимание на элементный состав природных объектов, миграцию и круговорот химических элементов в биосфере и земной коре и т.п. 

Становление биогеохимии происходило постепенно на фоне об
щего развития естествознания, главным образом химии. Основные 
идеи биогеохимии направлены на оценку планетарной деятельности 
живого вещества.

В эпоху средневековья в Западной Европе познание химического 

состава природных объектов было связано с трудами алхимиков и их 
последователей. Так, выдающийся швейцарский натурфилософ, естествоиспытатель и врач Парацельс — Филипп Ауреол Теофраст 
Бомбаст фон Гогенхайм (1493–1541), который утвердил химию в медицине, высказывал близкие к геохимии идеи о круговороте веществ 
в природе. Его современник — немецкий ученый, учитель, врач, 
и писатель, считающийся одним из отцов минералогии Агрикола — 

Георг Бауэр (1494–1555) изучал рудные месторождения Центральной 
Европы, разработал основы химического анализа и переработки медных, серебряных и свинцовых руд и в своих работах дал первую 
сводку знаний того времени по металлургии, минералогии и горному 
делу. 

Важное значение в эволюции естествознания имело введение в 

науку понятия о химическом элементе как последней инстанции 
делимости вещества, составной части всех природных тел. Этим человечество обязано английскому врачу и химику Р. Бойлю (1627–
1691). Он интересовался также химией океана и атмосферы, выполнил первые анализы морской воды и указал на сложный состав атмосферного воздуха. 

Мощным импульсом к изучению биогеохимических циклов газов 

послужило открытие в конце XVIII в. кислорода, азота, диоксида 
углерода и установление химического состава воздуха (К. Шееле, 
А.Л. Лавуазье, Дж. Пристли). В это же время в научных кругах широко обсуждалось значение газов в жизни растений. 

Гениальную догадку о воздушном питании растений впервые вы
сказал основоположник отечественной химии М.В. Ломоносов1. 
В работе «Слово о явлениях воздушных» (1753 г.) он писал: «Преизобильное ращение тучных древ, которые на бесплодном песку корень 
свой утвердили, ясно изъявляет, что жирными листами жирный тук 
из воздуха впитывают». Подтверждение пришло довольно скоро. 
Опираясь на открытие кислорода, Дж. Пристли (1775 г.), Я. Игенгуз 
(1779 г.) и Ж. Сенебье (1782 г.) показали, что зеленый лист, поглощая 
углекислоту, на свету выделяют кислород, оставляя себе углерод.

Выдающийся французский ученый, один из основателей химии 

А.Л. Лавуазье в трактате «Кругооборот элементов на поверхности 
земного шара» (1792 г.) писал: «Растения получают из окружающего 
их воздуха, из воды и из всей неживой природы в целом вещества, 
необходимые для организма. Животные питаются либо растениями, 
либо другими животными, так что, в конечном счете, вещества, из 
которых строится их организм, берутся из воздуха или из минерального царства» и тем самым обосновал идею циклического биогенного обмена химических элементов между тремя царствами природы: 
минеральным, растительным и животным.

Таким образом, к первой половине XIX в. стало очевидно, что 

живые организмы в основном состоят из химических элементов, 
представляющих атмосферу Земли, и что с ее газами непосредственно связана химия жизни. 

1 
Портреты выдающихся ученых, внесших огромный вклад в становление и развитие биогеохимии как науки, см. в ЭБС 
.

В 1841 г. французские ученые-химики Ж.Б. Дюма и Ж.Б. Буссенго 

окончательно сформулировали идею циклического круговорота газов: «…мы видим, что первичная атмосфера Земли подразделилась 
на три большие части: одна из них образует современный атмосферный воздух, вторая представлена растениями, третья — животными. 
Таким образом, все, что воздух дает растениям, растения уступают 
животным, животные же возвращают воздуху; вечный круг, в котором жизнь трепещет и выявляется, но где материя только меняет свое 
место».

Следующая ступень становления биогеохимии связана с изуче
нием биогеохимических циклов в наземных экосистемах. 

Выдающийся немецкий химик Ю. Либих показал, что химиче
ские элементы поступают в растения двумя путями: как из воздуха 
(углерод), так и в виде водных растворов из почвы. Он последовательно исследовал состав почв и содержание химических элементов 
в растениях, животных и продуктах их жизнедеятельности. Либих, 
таким образом, впервые применил метод сопряженного анализа, 
широко используемый в современной геохимии ландшафтов. Он 
доказал, что растения избирательно поглощают из почвы химические 
элементы, разработал теорию минерального питания растений и тем 
самым положил начало изучению циклической миграции элементов 
в системе «почва → растения → почва», получившей позже название 
биологического круговорота.

После работ Либиха биологический круговорот химических эле
ментов приобрел осязаемую реальность. В его знаменитой книге 
«Химия в приложении к земледелию и физиологии растений» было 
показано, как человек может им управлять, искусственно вводя в 
миграционные циклы дополнительные массы элементов, впервые 
была предпринята попытка рассмотреть судьбу народов и стран в 
связи с нарушением естественного массообмена отдельных химических элементов. 

На стыке XIX и XX вв. стала размываться граница между тради
ционными естественными науками, такими как геология, химия и 
биология, и многие исследования стали выполняться в пограничных 
областях, что привело к появлению новых междисциплинарных 
наук: почвоведение, физиология, агрохимия и др.

Дифференцироваться стали науки о Земле. В конце XIX в. в Рос
сии возникло генетическое почвоведение. Его основатель — профессор Петербургского университета В.В. Докучаев — рассматривал 
генезис почвы как результат взаимодействия многих почвообразующих факторов: подстилающей горной породы, климатических 
условий, растений и животных, форм рельефа, грунтовых вод. Учение В.В. Докучаева углубило и конкретизировало представления о 
деятельности живых организмов на примере широко распространен

ного природного образования — почвенного покрова суши. Впервые 
было показано неразрывное единство живых организмов с другими 
компонентами природной системы и невозможность существования 
этой системы без явлений жизни.

Вместе с почвоведением развивалась геохимия. Два замечатель
ных открытия во второй половине XIX в. заложили фундамент для 
возникновения геохимии. Это открытие в 1859 г. Р. Бунзеном 
и Г. Кирхгофом спектрального анализа и через 10 лет, в 1869 г., — периодического закона химических элементов Д.И. Менделеевым. 

Согласно принципам геохимии любое природное тело можно оха
рактеризовать соотношением образующих его атомов химических 
элементов. Важная задача этой науки заключалась в обобщении многочисленных, но разрозненных и трудно сопоставимых фактов и 
гипотез на новой методологической основе. Геохимический подход 
позволяет сравнивать элементный состав различных природных объектов и оценивать суть и масштабы процессов в геосфере, подход 
дает возможность объективно, на строго научной основе оценить 
планетарный эффект деятельности живого вещества или отдельных 
групп живых организмов. Например, оценив количество химических 
элементов, ежегодно поступающих в растения мировой суши, и количество этих же элементов, выносимых с годовым стоком всех рек, 
можно получить представление о значимости конкретного планетарного процесса. 

Большая роль в становлении геохимии принадлежит сотруднику 

Геологической службы США Ф.У. Кларку. Он положил начало статистическому изучению распределения химических элементов в геологических породах, определению средних значений концентрации 
десяти главных химических элементов в основных типах горных пород, природных водах и других объектах. В книге Ф. Кларка «The 
Date of Geochemistry» (1908 г.) впервые объективно были обоснованы 
закономерности распределения основных химических элементов в 
земной коре. Книга переиздавалась 5 раз с последовательным уточнением данных.

В Европе геохимия развивалась на базе минералогии — науки о 

минералах — природных химических соединениях, их составе, свойствах, структуре и условиях образования. Основное внимание при 
этом уделялось процессам, определяющим распределение химических элементов. Так, в Норвегии при университете в Осло сложилась 
научная школа минералогов и химиков, в которой изучали распределение и соотношение элементов в природных объектах в связи с 
физико-химическими процессами рудо- и породообразования. Яркий представитель этой научной школы — выдающийся геохимик, 
автор геохимической классификации химических элементов 
В.М. Гольдшмидт. Он разработал учение о глобальных закономерно

стях распределения химических элементов в зависимости от 
строения их атомов и ионов.

В России развитие геохимии связано прежде всего с работами 

ученика В.И. Вернадского и В.М. Гольдшмидта, одного из основателей современной геохимии — профессора А.Е. Ферсмана. В 1912 г. в 
народном университете имени А.Л. Шанявского он прочел первый 
курс геохимии, и с тех пор внимание его к вопросам геохимии не 
ослабевало. В классическом фундаментальном 4-томном труде «Геохимия» (1933–1939 гг.) Ферсман осветил проблему распространенности химических элементов, связав ее с последними достижениями 
астрофизики и атомной физики, выделил факторы миграции химических элементов и дал классификацию геохимических процессов. 

А.Е. Ферсман — основатель геохимических методов поисков по
лезных ископаемых, первооткрыватель Мончегорского медно-никелевого месторождения, залежей Хибинского апатита, месторождения 
серы в Средней Азии и др. Александр Евгеньевич внес огромный 
вклад в создание минерально-сырьевой базы нашей страны.

К биогеохимии ученик В.В. Докучаева В.И. Вернадский пришел 

через геохимию и минералогию. Минералогические исследования 
он проводил в Московском университете. В связи с происхождением 
минералов В.И. Вернадский изучал миграцию химических элементов, роль изоморфизма в распределении элементов в земной коре, 
формы химических минералов и их присутствие в различных породах. Эти исследования во многом определили возникновение биогеохимии. Роль живого вещества в массопереносе химических элементов в геосфере интересовала Вернадского давно. Так, 15 сентября 
1906 г. на отдельном листке он записал всю будущую программу биосферных исследований, выходящих за пределы тех дисциплин, которыми он тогда занимался, и поставил перед собой вопросы: «Без 
организмов не было бы химических процессов на Земле? Во все 
циклы неизбежно входят организмы?» (Мочалов, 1982). На эти вопросы В.И. Вернадский получал положительные ответы в течение 
всей последующей жизни.

С деятельностью В.И. Вернадского связана дифференциация гео
химической науки, появление новых направлений в науке о Земле — 
создание радиогеологии, или ядерной геологии, и биогеохимии. На 
базе учения В.И. Вернадского сформировалась новая геохимическая 
школа с многочисленными учениками и последователями, среди 
которых известные ученые А.Е. Ферсман, Я.В. Самойлов, К.А. Ненадкевич, В.Г. Хлопин, А.П. Виноградов и многие другие.

Базовой концепцией В.И. Вернадского, положенной в основу 

биогеохимии и науки о биосфере, была научная идея о тесном переплетении природных факторов и о преобладающей роли живого вещества в формировании биосферы в целом. В 1918–1919 гг. он орга

низовал первые биогеохимические исследования в Крымском (Таврическом) университете. В начале 1920-х гг. В.И. Вернадский 
пропагандировал биогеохимические идеи в Санкт-Петербурге и 
Праге, а затем и в Сорбонне, где он читал первый курс по биогеохимии в 1926–1927 гг.

В.И.Вернадский вскрыл исключительно важную роль живого ве
щества как мощного концентратора космической энергии Солнца в 
термодинамике нашей планеты в целом. Он по достоинству оценил 
значение радиоактивности для всех наук о Земле, показал ее теснейшую связь с геотермикой, геотектоникой, вековым изменением химического и изотопного состава нашей планеты. В 1910 г. в записке 
«О необходимости исследования радиоактивных минералов Российской империи» В.И. Вернадский, впоследствии организатор Радиевого института (1922 г.) при Комиссии по изучению естественных 
производительных сил (КЕПС), предвосхитил неизбежность практического использования колоссальной по своей мощности атомной 
энергии.

Принципы биогеохимии, сформулированные В.И. Вернадским, 

нашли широкое практическое применение в различных областях 
естествознания: геохимии природных ландшафтов (Б.Б. Полынов, 
В.А. Ковда, А.И. Перельман, М.А. Глазовская), агрохимии (К.А. Тимирязев, Д.Н. Прянишников, П.С. Коссович, К.К. Гедройц), радиоэкологии (В.М. Клечковский, Н.В. Тимофеев-Ресовский, А.М. Кузин, А.А. Передельский, Е. Одум) и др. 

В нашей стране развитие биогеохимии обеспечивалось деятель
ностью Отдела живого вещества, открытого В.И. Вернадским в 
1926 г. при КЕПС, которая в 1928 г. была реорганизована в Биогеохимическую лабораторию (БИОГЕЛ) Академии наук СССР. 
В.И. Вернадский возглавлял эту лабораторию вплоть до своей кончины в 1945 г. 

В.И. Вернадский выделял четыре основные задачи, стоящие пе
ред лабораторией: 1) сопоставление изотопного состава химических 
элементов в живом и неживом веществе; 2) количественное определение элементного химического состава живых организмов; 3) определение геохимической энергии живых организмов; 4) определение 
радиоактивности организмов и ее вклада в геохимическую энергию 
живого вещества. В исследованиях должны были учитываться происхождение организмов, их экологические особенности, систематическое положение и региональная специфика распространения. 
Главной организационной задачей стало создание мощной аналитической базы. 

Деятельность БИОГЕЛ и достижения биогеохимии приобрели 

особую актуальность именно во второй половине XX в. в очевидной 
связи с начавшимися коренными изменениями отношения человека