Лишайники - индикаторы радиоактивного загрязнения

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ЭКОЛОГИИ И ЭВОЛЮЦИИ
имени А.Н. СЕВЕРЦОВА
ПРОГРАММА ОБН РАН
«ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ
БИОЛОГИЧЕСКИМИ РЕСУРСАМИ»
Л.Г. БЯЗРОВ
ЛИШАЙНИКИ —
ИНДИКАТОРЫ
РАДИОАКТИВНОГО
ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Товарищество научных изданий KMK
Москва  2005

УДК 582.29:581.5:551.510.42:519.27:504.3.064.36:502.55
Бязров Л.Г. Лишайники — индикаторы радиоактивного загрязнения. —
М.: изд-во КМК, 2005. — 476 с. Рис. 2; табл. 57.  Библ. 729 назв.
Монография обобщает результаты оригинальных исследований автора, а также доступные опубликованные материалы об использовании лишайников в контроле такого показателя качества среды  как радиоактивное загрязнение, одного из
наиболее опасных для здоровья людей и других представителей биоты видов загрязнения. Этот фактор воздействия на среду обитания приобрел планетарный
масштаб в середине 20 века как следствие широкого применения термоядерной
энергии в военных и мирных целях. Особое внимание уделено методическим проблемам. Вместе с тем в книге содержатся сведения и общего характера: место
радиоэкологии в общей экологии; источники радионуклидов, типы радиации; различные трактовки лишайникового симбиоза, строение лишайников, их жизненные
формы, особенности физиологии и др.
Приводятся многочисленные данные о накоплении слоевищами лишайников
как естественных, так и техногенных радионуклидов в различных регионах нашей
планеты, в том числе и редко измеряемых изотопов технеция, нептуния, кюрия
и др. Показаны результаты многочисленных лабораторных и полевых экспериментов по выявлению степени устойчивости лишайников к воздействию радиоактивного облучения, многолетнего мониторинга глобальных выпадений радионуклидов, а также деятельности предприятий ядерно-топливного цикла, АЭС, ТЭС.
Содержатся данные об изучении последствий применения войсками НАТО боеголовок из обедненного урана на территории Косово (Югославия). Значительный
объем книги занимают материалы, характеризующие воздействие аварии на Чернобыльской АЭС на различные регионы Земли. Показаны преимущества и недостатки лишайников как индикаторов радиоактивного загрязнения.
Монография предназначена для специалистов-экологов, научных сотрудников
исследовательских лабораторий, педагогов, студентов.
Р е ц е н з е н т ы :
доктор биологических наук  А.Д. Покаржевский
кандидат биологических наук  Т.Ю. Толпышева
Утверждено к печати
ученым советом Института проблем экологии и эволюции
им. А.Н. Северцова РАН
Программа ОБН РАН
«Фундаментальные основы управления биологическими ресурсами»
ISBN 5-87317-223-4
© Т-во научных изданий КМК, издание, 2005

THE RUSSIAN ACADEMY OF SCUEBCES
A.N. SEVERTSOV INSTITUTE OF ECOLOGY AND EVOLUTION
L.G. BIAZROV
LICHENS AS INDICATORS
OF RADIOACTIVE
CONTAMINATION
KMK Scientific Press Ltd
Moscow  2005

Biazrov L.G. Lichens as indicators of radioactive contamination. — M.: KMK
Sci. Press Ltd. 2005. — 476 p.
The monograph generalizes results of own researches of the author, and also
accessible published materials about use of the lichens in the control of radioactive
contamination, one of most dangerous kinds of contamination to health of people and
other representatives of biota. This factor of influence on environment of inhabit has
got planetary scale in middle 20 centuries as a consequence of wide use of nuclear
power in the military and peace purposes. The special attention is given to methodical
problems. At the same time book contains the items of information general character:
a place of radioecology in fundamental ecology; sources of radionuclides, types of
radiation, various interpretation of lichen symbiosis, structure of lichens, their life
forms, pattern of lichen physiology etc.
The numerous data are resulted on accumulation in lichen thalli as natural and
man-made radionuclides in various regions of our planet. The results of numerous
laboratory and field experiments on revealing a degree of resistance of lichens to
influence of a radioactive irradiation, long-term monitoring of global fallout of
radionuclides from the aboveground nuclear tests, and also activity of the facilities of
a nuclear-fuel cycle, N.P.P., T.E.P.S. are shown. There are the data on study of
consequences of the use of depleted uranium ordnance by armies of NATO during the
Kosovo conflict. Significant volume of the book is occupied  with materials describing
influence of the Chernobyl N.P.P. accident on various regions of the Earth. The
advantages and disadvantages of lichens as indicators of radioactive contamination are
shown.
Key words: lichens, radioecology, nuclear power, global fallout, radionuclides,
contamination, bioindicators, Chernobyl, accidents, nuclear facilities
ISBN 5-87317-223-4
© KMK Scientific Press Ltd., 2005

Памяти
Дмитрия Александровича Криволуцкого
зоолога, радиоэколога, биогеографа
посвящается
Дмитрий Александрович Криволуцкий, памяти которого посвящена эта монография, в конце 1986 г. предложил мне работать в возглавляемой им Лаборатории биоиндикации ИЭМЭЖ АН СССР (ныне
ИПЭЭ РАН), и с 1987 г. я стал проводить исследования по тематике
этой лаборатории. До этого проблемы загрязнения окружающей среды я знал лишь по многочисленным публикациям, поскольку 17 лет
мои научные интересы были связаны с территорией Монголии, где эта
проблема в те годы была не актуальной. Весной того же 1987 г. вместе мы посетили базу Института на Урале, где Д.А. представил меня
персоналу базы, а также руководству и ряду научных сотрудников
Опытной научно-исследовательской станции комбината «Маяк». Это
научное учреждение было координатором всех исследований, проводимых на территории Восточноуральского радиоактивного следа. Затем в течение ряда лет вместе мы неоднократно выезжали для сбора
материалов в 30-км зону вокруг Чернобыльской АЭС. Вместе с ним
я был и на Семипалатинском испытательном полигоне в эпицентре
последнего в СССР испытания термоядерного заряда в атмосфере, где
удалось собрать интересный материал. Таким образом, Д.А. своим
приглашением стать сотрудником лаборатории, последующей опекой
ввел меня в радиоэкологию. Он настойчиво рекомендовал мне обобщить результаты исследований по радиоэкологии лишайников в виде
монографии. Рукопись этой монографии Д.А. не видел, поскольку работа над ней была завершена, когда он был в больнице, из которой он
не вышел. Ученый совет Института утвердил рукопись в печать менее
чем через три недели после кончины Дмитрия Александровича. И посвящение монографии его памяти — знак моей глубочайшей признательности этому доброму и мудрому человеку, большому ученому.
Л.Г. Бязров
18 ноября 2004 г.

С О Д Е Р Ж А Н И Е
ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................... 12
1. Кратко об экологии и радиационной экологии ......................... 17
2. Ионизирующая радиация, радионуклиды, их источники ...... 22
2.1. Радионуклиды, виды ионизирующей радиации, единицы ее
измерения ................................................................................................. 22
2.2. Источники радиоактивности в биосфере............................................. 27
2.2.1. Естественный (природный) радиационный фон ................................... 28
2.2.2. Техногенные радионуклиды ................................................................. 31
3. Понятие «лишайники», особенности их биологии
и экологии ............................................................................................... 38
3.1. Микобионт ............................................................................................... 39
3.2. Фотобионт ................................................................................................ 40
3.3. Взаимоотношения микобионта и фотобионта в слоевище
лишайника ................................................................................................ 40
3.4. Образование вегетативного тела (слоевища, или таллома)
лишайника ................................................................................................ 42
3.5. Систематика ............................................................................................. 43
3.6. Типы слоевищ и жизненные формы лишайников .............................. 44
3.7. Субстрат ................................................................................................... 45
3.8. Свет, тепло ............................................................................................... 45
3.9. Водный режим, фотосинтез, дыхание лишайников............................ 48
3.10. Улавливание и поглощение лишайниками минеральных
и органических веществ, их накопление и потеря; токсичность
элементов................................................................................................ 49
3.10.1. Содержание минеральных элементов в лишайниках .......................... 51
3.10.2. Потребности в питательных веществах .............................................. 52
3.10.3. Источники поступления элементов..................................................... 53
3.10.3.1. Атмосферные источники .............................................................. 53
3.10.3.2. Субстратные источники................................................................ 53
3.10.4. Механизмы накопления ...................................................................... 57
3.10.4.1. Обмен ионов ................................................................................ 57
3.10.4.2. Внутриклеточное поглощение ...................................................... 61
3.10.4.3. Улавливание взвешенных в атмосфере частиц ............................. 62
3.10.5. Локализация элементов в слоевище ................................................... 63
3.10.5.1. Распределение радионуклидов в слоевище .................................. 65
3.10.5.2. Высвобождение слоевищ от аккумулированных радионуклидов ... 76

СОДЕРЖАНИЕ
7
3.10.6. Исследования выпадений различных веществ с помощью
лишайников ........................................................................................ 80
3.10.7. Токсичность металлов, радионуклидов .............................................. 83
3.10.8. Толерантность к металлам .................................................................. 84
3.10.9. Влияние  на гидрологические циклы ....................................................... 87
3.10.9.1. Связь минерального питания с водным обменом ......................... 88
3.10.10. Минеральный цикл на уровне биогеоценоза: перехват сухих
и сырых выпадений ................................................................................... 88
3.10.11. Почвообразование............................................................................. 92
3.11. Рост лишайников; длительность жизни ............................................. 93
3.12. Географическое положение, топография местности ........................ 97
3.13. Конкуренция, взаимоотношения с другими организмами............... 98
3.14. Влияние деятельности человека. Использование лишайников
человеком.................................................................................................. 99
4. Методы изучения радиоэкологии лишайников........................ 102
5. Устойчивость лишайников к действию ионизирующей
радиации................................................................................................. 109
5.1. Данные экспериментов в природных сообществах .......................... 109
5.1.1. Эксперимент на Лонг-Айленде........................................................... 109
5.1.2. Эксперимент на гамма-поле Эмори .................................................... 111
5.1.3. Эксперимент в широколиственном лесу Энтерпрайс ......................... 112
5.1.4. Эксперимент в тропическом дождевом лесу Эл Верде,
Пуэрто-Рико ....................................................................................... 113
5.1.5. Эксперимент в широколиственном лесу заказника Ок-Риджской
национальной лаборатории ................................................................ 115
5.2. Данные экспериментов в лабораториях ............................................. 116
5.2.1. Эксперименты с гамма-облучением ................................................... 116
5.2.2. Эксперименты для изучения особенностей поглощения и потери
радионуклидов лишайниками ............................................................. 121
5.3. Наблюдения на Восточноуральском радиоактивном следе
(ВУРС) .................................................................................................... 122
5.4. Наблюдения на Семипалатинском ядерном полигоне ..................... 128
5.5. Почему лишайники толерантны к действию высоких доз
ионизирующего излучения .................................................................. 131
6. Естественные радионуклиды в слоевищах лишайников ..... 134
7. Уран-235 в боеголовках снарядов и в лишайниках
(лихеноиндикация последствий конфликта в Косово) .......... 164
8. Радионуклиды глобальных выпадений в лишайниках ........ 170
9. Лихеноиндикация последствий «мирных» ядерных
взрывов и катастроф летательных аппаратов
с реакторами ......................................................................................... 237

ЛИШАЙНИКИ — ИНДИКАТОРЫ РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
9.1. Лихеноиндикация последствий ядерных взрывов в интересах
народного хозяйства.............................................................................. 237
9.2. Лихеноиндикация последствий катастроф летательных
аппаратов с ядерным оружием или ядерными реакторами ............. 242
10. Лишайники в мониторинге состояния среды территорий
вокруг атомных и тепловых станций ....................................... 246
10.1. Лихеноиндикация последствий деятельности АЭС ....................... 246
10.2. Лихеноиндикация последствий деятельности ТЭС ........................ 258
11. Радионуклиды в лишайниках после аварии
на Чернобыльской АЭС ................................................................. 260
11.1. Радионуклиды в лишайниках на территории вблизи
Чернобыльской АЭС ........................................................................... 262
11.2. Чернобыльские радионуклиды в лишайниках других
территорий СССР ................................................................................ 269
11.3. Радионуклиды в лишайниках за пределами территории СССР
после аварии на ЧАЭС ........................................................................ 285
11.3.1. Радионуклиды в лишайниках Скандинавии и Гренландии ............... 285
11.3.2. Радионуклиды в лишайниках из стран Восточной Европы .............. 301
11.3.3. Радионуклиды в лишайниках из стран Центральной Европы .......... 301
11.3.4. Радионуклиды в лишайниках стран Западной и Южной Европы..... 311
11.3.5. Радионуклиды в лишайниках северной Греции и Малой Азии ........ 324
11.3.6. Радионуклиды в лишайниках Восточной Азии и Гималаев .............. 377
11.3.7. Радионуклиды в лишайниках Северной Америки ............................ 378
11.3.8. Радионуклиды в лишайниках Антарктики ........................................ 381
12. Лихеноиндикация деятельности предприятий ядернотопливного цикла и металлургических заводов, пунктов
захоронения радиоактивных отходов ........................................ 384
12.1. Лихеноиндикация радиоактивного загрязнения в зоне действия
предприятий ядерно-топливного цикла ............................................ 384
12.2. Лихеноиндикация радиоактивного загрязнения территории
предприятия по перерабоке и захоронению низкорадиоактивных
отходов .................................................................................................. 390
12.3. Лихеноиндикация радиоактивного загрязнения территории
в зоне действия металлургического завода ...................................... 392
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................. 395
Литература и авторский индекс ............................................................. 422
Указатель латинских названий таксонов, упомянутых в тексте
и таблицах ............................................................................................. 468
Указатель изотопов, упомянутых в тексте и таблицах .................... 474

СОДЕРЖАНИЕ
9
T H E  C O N T E N T S
INTRODUCTION............................................................................................ 12
1. Is brief about ecology and radiation ecology .................................. 17
2. Ionizing radiation, radionuclides, their sources .............................. 22
2.1. Radionuclides, kinds of ionizing radiation, unit of its measurement ...... 22
2.2. Sources of a radioactivity in biosphere.................................................... 27
2.2.1. Natural radiation background.................................................................. 28
2.2.2. Man-made radionuclides ........................................................................ 31
3. Concept « the lichens», patterns of their biology and
ecology ........................................................................................................ 38
3.1. Mycobionts................................................................................................ 39
3.2. Photobionts ............................................................................................... 40
3.3. The mycobiont-photobiont relation in lichen thallus .............................. 40
3.4. Formation of a lichen vegetative body (thallus) ...................................... 42
3.5. Taxonomy .................................................................................................. 43
3.6. Types of thalli and life forms of lichens .................................................. 44
3.7. Substratum................................................................................................. 45
3.8. Light, heat ................................................................................................. 45
3.9. Water relation, photosynthesis, respiration of lichens ............................. 48
3.10. Trapping and uptake by lichens of mineral and organic elements,
their accumulation and loss; toxicity of elements .................................. 49
3.10.1. Contents of mineral elements in lichen thalli ......................................... 51
3.10.2. Nutrient requirements ........................................................................... 52
3.10.3. Sources of elements.............................................................................. 53
3.10.3.1. Atmospheric sources ...................................................................... 53
3.10.3.2. Substrate sources ........................................................................... 53
3.10.4. Mechanisms of accumulation ................................................................ 57
3.10.4.1. Exchange of ions ........................................................................... 57
3.10.4.2. Intracellular uptake ........................................................................ 61
3.10.4.3. Trapping the airborne particles ....................................................... 62
3.10.5. Localization of elements in thallus ........................................................ 63
3.10.5.1. Distribution of radionuclides in thallus ........................................... 65
3.10.5.2. Release of accumulated radionuclides from lichen thalli .................. 76
3.10.6. Study of deposition of various pollutants with the help of lichens .......... 80
3.10.7. Toxicity of metals, radionuclides........................................................... 83
3.10.8. Tolerance to metals .............................................................................. 84
3.10.9. Influence on hydrological cycles ........................................................... 87
3.10.9.1. Connection of a mineral nutrition with a water exchange ................. 88
3.10.10. A mineral cycle at a biogeocoenose level: interception of dry and
wet depositions .................................................................................. 88
3.10.11. Pedogenesis ....................................................................................... 92

ЛИШАЙНИКИ — ИНДИКАТОРЫ РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
3.11. The growth rates of lichens; duration of life ......................................... 93
3.12. A geographical situation, topography of site ......................................... 97
3.13. A competition, mutual relation with others organisms.......................... 98
3.14. Influence of activity of the man. Use of lichen by the man.................. 99
4. Methods of study of lichen radioecology ........................................ 102
5. Resistance of lichens to action of ionizing radiation ................... 109
5.1. Data of experiments in natural communities ......................................... 109
5.1.1. Experiment on Long-Island .................................................................. 109
5.1.2. Experiment on the Emori gamma-field .................................................. 111
5.1.3. Experiment in a broad-leaved forest in the Enterprise ............................ 112
5.1.4. Experiment in a tropical rain forest in El Verde, Puerto Rico ................. 113
5.1.5. Experiment in a broad-leaved forest of Oak Ridge National laboratory
reserve................................................................................................. 115
5.2. Data of experiments in laboratories ....................................................... 116
5.2.1. Experiments with a gamma-irradiation .................................................. 116
5.2.2. Experiments for study of patterns of uptake and loss of radionuclides
by lichens ............................................................................................ 121
5.3. Supervision on the East-Urals radioactive trace (EURT) ..................... 122
5.4. Supervision on the Semipalatinsk nuclear test plot ............................... 128
5.5. Why lichens are resistant to action of high dozes of ionizing
radiation ................................................................................................... 131
6. Natural radionuclides in lichen thalli .............................................. 134
7. Uranium-235 in ordnance and in lichens (lichen indication
of consequences of Kosovo conflict) ................................................. 164
8. Radionuclides of global fallout in lichens....................................... 170
9. Lichen indication of consequences of «peace» nuclear
explosions and accidents of aircrafts with nuclear reactors...... 237
9.1. Lichen indication of consequences of nuclear explosions for civilian
purposes ................................................................................................... 237
9.2. Lichen indication of consequences of accidents of aircrafts with the
nuclear weapon or nuclear reactors ........................................................ 242
10. Lichens in monitoring a condition of environment
of territories around of nuclear power plants and thermal
electric stations .................................................................................... 246
10.1. Lichen indication of consequences of activity N.P.P. .......................... 246
10.2. Lichen indication of consequences of activity T.E.P.S........................ 258
11. Radionuclides in lichens after accident on Chernobyl
N.P.P. ....................................................................................................... 260
11.1. Radionuclides in lichens in territory close by Chernobyl N.P.P. ........ 262