Ионизирующие излучение – как экологический фактор в сфере аграрного производства:
Действие ионизирующего излучение на сельскохозяйственные растения и мероприятия по уменьшению содержания радионуклидов в продукции растениеводства

автор:

Первинні реакції у складному рослинному організмі починаються з дії радіації на біологічно активні молекули, що входять до складу майже всіх компонентів живої тканини. При цьому відбувається онтогенетичне посилення в часі на початку непомітних пошкоджень деяких молекул до яскраво виявлених біологічних наслідків на організменому рівні. Радіаційне пошкодження меристеми призводить до пошкодження всієї рослини, а загибель цих тканин — до загибелі всього організму.

У вегетуючих рослинах встановлена значна варіабельність зміни обмінних процесів, яка залежить від дози випромінювання і фази розвитку в момент впливу випромінювання. Реакція рослин на опромінення залежить від таких факторів, як генетичний потенціал сорту або гібриду і режим впливу випромінювання. Постпроменеве відновлення або, навпаки, посилення ураження залежать від умов, в яких знаходиться рослина після опромінення.

Візуально виявлений ефект пригнічення ростових процесів у рослин виявляється після разового опромінення звичайно у перші 5—7 діб. У злакових культур може спостерігатися гальмування росту головного пагона у висоту, а також збільшення вегетативної маси. Так, при гострому опроміненні злакових культур у фазі розвитку 2—4 листки загальна кущистість може підвищуватися до 3 разів. Хронічне опромінення в деяких випадках сприяє майже 25-разовому збільшенню кущіння, що призводить до збільшення вегетативної маси на період збирання майже в 6 разів. При впливі пошкоджуючих доз випромінювання в рослинах виникають різні морфологічні аномалії.

У ряді випадків дію великих доз опромінення на рослини підвищують темпи розвитку внаслідок активізації процесів старіння — рослини швидше починають цвісти і достигають. Прискорений розвиток опромінених рослин пов’язують з інтенсивним притоком поживних речовин до пошкоджених опроміненням мембран і нагромадження окремих метаболітів.

В опромінених злакових і бобових культур часто виявляються хлорофільні мутації, які зумовлені порушенням синтезу хлорофілу в листках, а також змінами у співвідношенні окремих компонентів хлорофілу і навіть цілковитим зникненням пігменту.

Різноманітні й морфологічні типи мутацій. У пшениці, наприклад, зустрічаються високорослі, низькорослі, карликові, напівкарликові форми, а також рослини з гілкуватими стеблами, що стеляться з вегетативними стеблами, які з’являються з надземних вузлів. У деяких мутантів змінені форми і розмір листків та прилисників, з’являється чи, навпаки, зникає восковий наліт. Виникають мутантні форми із зміненою тривалістю вегетаційного періоду.

Гостре променеве ураження проростаючого насіння або вегетуючих рослин призводить до їх відмирання через декілька годин після опромінення.

При впливі випромінювання в інтервалі невисоких доз темпи росту вегетуючих рослин прискорюються. Це явище називається радіостимуляцією. Стимулюючий ефект може виявитися внаслідок того, що утворені продукти радіолізу і пострадіаційного розпаду низькомолекулярних і високомолекулярних сполук при малих концентраціях збуджуюче впливають на клітини в результаті слабої (стимулюючої) інтоксикації.

Паростки і вегетуючі рослини більш чутливі до дії випромінювання, ніж насіння, що зумовлює і значно менші дози, які стимулюють ріст і розвиток. Стимулюючі дози молодих рослин у фазі активного метаболізму в 10—15 разів менші, ніж для насіння, що перебуває у спокої.

Найбільш слушним критерієм радіочутливості сільськогосподарських рослин прийнято вважати виживання їх до кінця вегетаційного періоду. Цей показник відображає високу специфічність реакції популяції на вплив випромінювання як фактора стресу.В цьому випадку враховується здатність тканин до регенерації і репарації радіаційних пошкоджень. Як показник виживання опромінених рослин, або рослин, які вирощують з опроміненого насіння, використовують летальну дозу опромінення, при якій гине 100% рослин ЛД100 і ЛД70 (загибель рослин становить 70%). ЛД70 вважають критичною дозою опромінення насіння і частіше, ніж ЛД100, застосовують для характеристики радіостійкості виду.

У більшості сільськогосподарських культур дози радіації, що викликають загибель 50—70% рослин, призводять до цілковитої втрати продуктивності. Існують періоди розвитку рослин, під час яких. вони найбільш чутливі до опромінення. Так, опромінення рослин у найбільш радіочутливий період — кущіння — вихід у трубку призводить до відмирання конусу наростання головного пагона.

При опроміненні вегетуючих рослин основних злакових культур у період їх найбільшої чутливості до дії випромінювання — у фазі виходу в трубку — втрати врожаю зерна знаходяться в прямій залежності від радіочутливості культури. Найбільш чутливе до випромінювання жито, менш чутливі — пшениця і ячмінь, ще більш радіорезистентною культурою є овес. До високостійких проти опромінення культур належить просо.

Однією з найбільш радіочутливих сільськогосподарських культур є горох. Чутлива до випромінювання картопля. Високу радіочутливість мають озимий і ярий ріпак, соняшник.

Під впливом опромінення зменшується не тільки кількість зерна в урожаї, але й помітно змінюється його якість — звичайно зерно з опромінених рослин виявляється щуплим. Це зумовлено зниженням вмісту основної запасної речовини ендосперму — крохмалю, на частку якого в повноцінному зерні припадає до 80% маси зернівки. Зниження в зернівці вмісту вуглеводів збільшує вміст азотвмісних речовин, в першу чергу, білків. При опроміненні рослин у фазі виходу в трубку — колосіння вміст білка в зерні м’яких пшениць збільшується на 2—4%, а в зерні твердих пшениць — на 4—10%, однак загальний вихід клейковини та її якість у щуплому насінні звичайно низькі, що різко погіршує хлібопекарські якості борошна.

Вплив випромінювання на вегетуючі рослини впливає на посівні якості сформованого з них насіння. Воно, як правило, знижує енергію проростання і лабораторну схожість. Максимальне зменшення схожості у ярої пшениці відзначається при опроміненні її у фазах колосіння і цвітіння.

Продуктивність опромінених сільськогосподарських культур підлягає суттєвому впливу погодних умов, погіршення яких, як правило, посилює інгибіруючий вплив опромінення на ростові процеси рослин, уповільнює темпи проходження фенофаз, подовжує період вегетації і, таким чином, негативно впливає на кінцеву продуктивність культури. За даними, що є в дослідах, з гострим опроміненням гаммапроменями ярої пшениці, погіршення погодних умов посилювало радіаційну депресію врожаю до 4 разів.

Таким чином можна відзначити, що реакція рослин на дію випромінювань, як і на вплив інших факторів середовища проживання, складна і різноманітна. Вона включає процеси, що відбуваються на молекулярному і клітинному рівнях, які в цілому схожі в усіх живих організмів. При переході до більш високих рівнів організації починають проявлятися особливості реакції на опромінення, характерні тільки для рослин і які залежать від особливостей структури і функцій різних тканин і органів рослинного організму.

Наявність у життєвому циклі рослин такої особливої стадії розвитку, як насіння, що заключає в собі зачатки нового організму і знаходиться в стані своєрідного анабіозу, зумовлює ще одну особливість реакції рослин на опромінення, так як насіння у зв’язку з анабіотичним станом своїх структур значно більш радіостійке, ніж активно метаболіруючий організм.

Під час онтогенетичного розвитку у рослин виникають чисельні спеціалізовані тканини і органи, радіаційне ураження яких різне, має неоднакове значення для рослинного організму в цілому і його господарської продуктивності зокрема.

Для зниження концентрації радіонуклідів у сільськогосподарських рослинах можна використовувати різні прийоми, які розподіляються на дві великі групи:

  • загальноприйняті (традиційні) в агропромисловому виробництві заходи, спрямовані на збереження і збільшення родючості ґрунту, ріст урожайності, підвищення якості рослинницької продукції і одночасно сприяючі зменшенню переходу радіоактивних речовин із ґрунту в рослини;
  • спеціальні прийоми (видалення верхнього забрудненого радіоактивними речовинами шару ґрунту, глибока оранка з похованням забрудненого шару ґрунту, внесення в ґрунт спеціальних меліорантів, що зв’язують радіонукліди у важкодоступні для рослин форми та ін.), які іноді можуть призвести до визначеного зменшення врожайності рослин і деякого погіршення родючості ґрунту.

Аналогічним чином — на традиційні й спеціальні — можуть бути класифіковані і прийоми по технологічній обробці рослинницької продукції, що використовуються для зниження вмісту в ній радіоактивних речовин.

Хімізація землеробства (в першу чергу внесення добрив і різних хімічних меліорантів, що поліпшують фізикохімічні властивості ґрунту і підвищують його родючість) є одним з важливіших шляхів обмеження надходження радіонуклідів у сільськогосподарські рослини, а потім у продукцію тваринництва.

Застосування мінеральних і органічних добрив, вапна, торфу тощо найбільш ефективні заходи зменшення концентрації радіонуклідів в урожаї. Вони становлять основу комплексу засобів захисту по профілактиці внутрішнього, а іноді й зовнішнього опромінення при ліквідації наслідків радіаційних аварій на забруднених сільськогосподарських угіддях.

Зменшення вмісту радіонуклідів в урожаї при внесенні добрив може бути зумовлено рядом факторів: поліпшенням умов живлення рослин і пов’язаними з цим збільшенням біомаси і тим самим «розбавленням» радіонуклідів; поліпшенням концентрації у ґрунті обмінних катіонів, в першу чергу калію і кальцію; посиленням антагонізму між іонами радіонуклідів і іонами солей, які вносять у ґрунт; зміна доступності для кореневих систем радіонуклідів внаслідок переведення їх у важкодоступні сполуки і обмінної фіксації у результаті реакції радіонуклідів з добривами, що вносяться.

Ефективним прийомом для обмеження переходу радіонуклідів в рослини є оранка ґрунту. У більшості випадків радіоактивного забруднення сільськогосподарських угідь радіонукліди, що випали на поверхню ґрунтоворослинного покриву, спочатку зосереджуються у верхньому шарі ґрунту (0—2 см). Оранка ґрунтів сприяє перерозподілу радіоактивних речовин у кореневмісному шарі ґрунту (як правило, 0—25 см).

Ще одним важливим результатом оранки ґрунтів є зниження потужності дози гаммавипромінювання за рахунок заглиблення радіонуклідів (їх розподіл в орному шарі). Звичайна оранка ґрунтів на глибину 18—20 см зменшує потужність дози гаммавипромінювання в декілька разів. При обробітку ґрунту на глибину 28 см надходження стронцію зменшується порівняно з контролем (ротаційна обробка на глибину 11 см) у люцерни на 40%, пшениці — на 25, а в цукрових буряків — на 10%. Глибоке заорювання (на 30 см) знижує нагромадження стронцію в рослини з малою кореневою системою більше ніж у три рази порівняно з контролем, де радіонуклід залишається на поверхні, але не впливає на поглинання стронцію рослинами з глибокою кореневою системою. Засвоєння радіонуклідів рослинами при оранці ґрунту на 30 см зменшується на 20—30% порівняно з мілким обробітком ґрунту (на 15 см), ефективність глибокої оранки у зниженні надходження радіонуклідів у рослини залежить від їх біологічних особливостей.

Одним із важливих спеціальних прийомів, спрямованих на зменшення вмісту радіоактивних речовин у ґрунті, є механічне видалення поверхневого шару ґрунту, який концентрує основну кількість радіонуклідів. Однак цей спосіб дезактивації ґрунту дуже трудомісткий і дорого коштує. Зняття шару 0—5 см з площі 1 га відповідає відчуженню близько 500 т ґрунту, який по суті може розглядатися як радіоактивні відходи. Мабуть, цей прийом можна використовувати тільки на дуже обмеженій території, наприклад на городах.

До механічної дезактивації ґрунтів може належати і такий прийом, як глибока оранка ґрунтів із загортанням верхнього, найбільш забрудненого шару ґрунту на глибину 40—60 см і глибше.

У доповнення до оранки з переміщенням шару ґрунту, який містить радіонукліди, на глибину пропонується відділяти новий верхній шар ґрунту від нижчележачого з підвищеною концентрацією радіонуклідів екранним бар’єром з токсичних хімічних сполук, що перешкоджають проникненню коренів рослини в нижні шари ґрунту. Проведення цих робіт пов’язане з серйозними технічними труднощами і великими економічними витратами.

Одним із способів, що обмежує акумуляцію в рослинах радіонуклідів, є їх переведення у важкозасвоювані форми. Для цього можна вносити в ґрунти різні хімічні реагенти. Наприклад, для радіоактивного стронцію в якості фіксуючих хімічних сполук можна використовувати великі дози фосфатів, розчинних силікатів (калію, натрію) тощо. Можна також промивати ґрунт, застосовуючи розчини кислот, луги, нейтральні солі, комплексони. Велике значення на зрошуваних землях має вимивання радіонуклідів з ґрунтів.

Важливим є питання меліорації лук і пасовищ, які радіоактивно забруднені. Радіонукліди, що випали на поверхню луків, більш доступні рослинам, ніж в орних землях, внаслідок чого вміст радіоактивних речовин у кормах на природних пасовищах і сіножатях суттєво вищий, ніж у кормових рослинах на ріллі.

Першочерговими завданнями агромеліоративних заходів на забруднених луках є руйнування дернистого шару і перемішування радіонуклідів у кореневмісному шарі ґрунту, тобто переведення природних пасовищ в штучні. Для підвищення продуктивності сіножатей і пасовищ застосовують звичайні агротехнічні заходи: переорювання, вапнування, підживлення мінеральними добривами, пересівання трав. Вони дають можливість одночасно значно зменшити й радіоактивне забруднення кормів.

При організації рослинництва для одержання продукції з мінімальним вмістом радіоактивних речовин можна також використовувати здатність рослин нагромаджувати радіонукліди в різних концентраціях.

За вмістом радіоактивного цезію в продовольчій частині врожаю сільськогосподарські культури розподіляються так: зернові, бобові й зернобобові — люпин, овес, гречка, горох, ячмінь, пшениця, кукурудза, просо, соя, квасоля, картопля; овочеві — капуста, буряки, морква, огірки, помідори; трави — вівсяниця, райграс, конюшина, тимофіївка. По акумуляції радіоактивного цезію культури можна розділити на три групи: зернові (ячмінь, пшениця і овес) — слабонагромаджуючі; круп’яні (просо, чумиза і гречка) — середньонагромаджуючі; зернобобові (квасоля, горох, боби) — сильно нагромаджуючі. Картопля займає проміжне місце між горохом і бобами.

За вмістом радіоактивного стронцію в господарсько цінній частині врожаю овочеві культури розміщуються в такому порядку: буряки, огірки, морква, капуста, помідори, картопля.

Враховуючи біологічну здатність рослин акумулювати хімічні елементи й радіонукліди, були висловлені пропозиції про біологічне очищення ґрунтів, що зазнали радіоактивного забруднення, за допомогою відчуження рослинної маси. Цей прийом називають фітомеліорацією ґрунтів. Проведені досліди показали, що він за ефективністю і рядом інших показників не раціональний. Відчуження вирощеної фітомаси не сприяє помітному очищенню ґрунту — з урожаєм буде винесено не більше 3% радіоактивного стронцію і цезію, що міститься в ґрунті. Крім того, якщо розглядати фітомеліорацію як спосіб дезактивації ґрунтового покриву, то неминуче постає така проблема, як утилізація забруднених рослин, які є, по суті, радіоактивними відходами, що потребують поховання. Крім того, очищення ґрунту від цих радіонуклідів за допомогою рослин буде також очищенням від хімічних аналогів стронцію і цезію — біогенно важливих кальцію і калію, а також і від багатьох інших біофільних речовин.

Значно зменшити кількість радіонуклідів у продукції рослинництва можна також при переробці різних видів рослинної сировини. До таких процесів належать одержання рослинної олії з соняшника і сої, крохмалю і спирту з картоплі, цукру з цукрових буряків. Чим менший вміст хімічних елементів у кінцевому продукті, тим меншою буде в ньому концентрація радіонуклідів. Однак під час переробки можуть з’явитися такі продукти, в яких вміст радіонуклідів більший, ніж у початкових продуктах, наприклад, у макухах рослинного походження. Вміст радіонуклідів у рослинницькій продукції може змінюватися при консервуванні продукції, солінні тощо.

В умовах радіоактивного забруднення сільськогосподарських угідь в основу ведення агропромислового виробництва, в тому числі й рослинництва, має бути покладений принцип зонального розміщення різних галузей АПК. Необхідність дотримання цього принципу пов’язана з тим, що допустима концентрація радіонуклідів у різних видах сільськогосподарської продукції може змінюватися в широких межах.

У загальному вигляді, у першій зоні (з найменшим вмістом радіонуклідів) агропромислове виробництво можна вести практично без будьяких обмежень і без меліоративних заходів, спрямованих на зниження переходу радіонуклідів у сільськогосподарські рослини. Це стосується площ з таким вмістом радіонуклідів, який гарантує одержання сільськогосподарської продукції, де концентрація радіоактивних речовин буде меншою від встановлених норм.

У другій зоні, де радіонуклідів у ґрунті більше, ніж у першій, концентрація їх у ряді сільськогосподарських продуктів, якщо не застосовувати спеціальних меліоративних заходів, перевищуватиме допустимі норми.

До третьої зони можуть належати території, де вміст радіонуклідів у ряді важливих продуктів агропромислового виробництва перевищує допустимі норми.

Нарешті, в четвертій, найбільш забрудненій, зоні може бути виключено виробництво будьяких видів продукції, що використовується людиною, або площ на корм сільськогосподарським тваринам. У сівозмінах цієї зони можна передбачити виробництво технічних олійних і ефіроолійних культур (льон, цукрові буряки, соняшник, коноплі, рицина), а також ведення насінництва будьяких культур. Сільськогосподарські культури в цій зоні і в зонах з меншим забрудненням можна вводити в сівозміни з наступним використанням врожаю на корм худобі, насіннєві цілі й технічну переробку (спирт, цукор, крохмаль, рослинна олія тощо).

У межах кожної з цих зон можна варіювати при виборі видів і сортів сільськогосподарських культур, що відрізняються нагромадженням радіонуклідів.

Незважаючи на очевидну простоту цього принципу, необхідно мати на увазі, що його впровадження пов’язане з великими економічними й організаційнотехнічними труднощами.