Архив номеров
Модели поведения радионуклидов в звене «почва-растение» для систем поддержки принятия решения. Обзор
10.21870/0131-3878-2022-31-3-57-76
Никитин А.Н.1, Чешик И.А.1, Калиниченко С.А.1,2, Шуранкова О.А.1
«Радиация и риск». 2022. Том 31. №3, с.57-76
Сведения об авторах
Никитин А.Н. – зам. директора, к.с.-х.н. Контакты: 246007, Республика Беларусь, Гомель, ул. Федюнинского, 4. Тел.: +375-232-51-22-31; e-mail:
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
.
Чешик И.А. – директор, к.м.н., доцент
Шуранкова О.А. – зам. зав. лаб. Институт радиобиологии НАН Беларуси.
Калиниченко С.А. – в.н.с., к.б.н. Полесский государственный радиационно-экологический заповедник.
2 ГПНИУ «Полесский государственный радиационно-экологический заповедник», Хойники, Республика Беларусь
Аннотация
Система «почва-растение» является одним из ключевых звеньев потока долгоживущих радионуклидов из аварийных выпадений к человеку. Поэтому модель, описывающая эту взаимосвязь, должна присутствовать в системах поддержки принятия решений в области ликвидации и преодоления последствий аварий с выбросом радионуклидов в окружающую среду, а также при проектировании радиационно-опасных объектов. К данной модели предъявляется ряд требований, среди которых точность прогноза, гибкость и широта области применения, практичность и ряд других. Существующие модели поведения радионуклидов в системе «почва-растение» можно разделить на три группы: эмпирические, механистические и полумеханистические. Эмпирические не учитывают базовые механизмы изменения биологической доступности радионуклидов и их поглощения растениями, требуют постоянного обновления и уточнения параметров перехода. Механистические модели малоприменимы в реальных условиях. Полумеханистические в наибольшей степени отвечают перечисленным выше требованиям. Однако требуется существенная работа по их улучшению и расширению области применения. Для этого необходимы учёт дополнительных факторов, оказывающих влияние на переход радионуклидов из почвы в растения; повышение уровня обобщения моделей с подстройкой к локальным условиям; использование методов машинного обучения для интеграции в модели информации, накопленной в смежных областях; охват большого количества радиоактивных изотопов; добавление оценки неопределённости в результат моделирования; интеграция моделей поведения радионуклидов в геоинформационные системы; поддержание достаточного уровня интерпретируемости и наглядности результатов моделирования.
Ключевые слова
радионуклиды, цезий, биодоступность, почва, растение, человек, накопление, миграция, модель, система поддержки принятия решений.
Список цитируемой литературы
1. IAEA. Power Reactor Information System (PRIS). The Database on Nuclear Power Reactors. [Электронный ресурс]. URL: https://pris.iaea.org/PRIS/home.aspx (дата обращения 9.07.2021).
2. Bartzis J., Ehrhardt J., French S., Lochard J., Morrey M., Papamichail K.N., Sinkko K., Sohier A. RODOS: decision support for nuclear emergencies. In: Decision making: Recent developments and worldwide applications. Boston, MA: Springer US, 2000. P. 381-395.
3. Shershakov V.M., Borodin R.V., Kosykh V.S. Radioecological analysis support system (RECASS) //Radiat. Prot. Dosim. 1993. V. 50, N 2-4. P. 181-184.
4. Bradley M.M. NARAC: an emergency response resource for predicting the atmospheric dispersion and assessing the consequences of airborne radionuclides //J. Environ. Radioact. 2007. V. 96, N 1-3. P. 116-121.
5. Chino M., Ishikawa H., Yamazawa H. SPEEDI and WSPEEDI: Japanese emergency response systems to predict radiological impacts in local and workplace areas due to a nuclear accident //Radiat. Prot. Dosim. 1993. V. 50, N 2-4. P. 145-152.
6. Monte L., Van der Steen J., Bergström U., Dıaz E.G., Håkanson L., Brittain J. The project MOIRA: a model-based computerised system for management support to identify optimal remedial strategies for restoring radionuclide contaminated aquatic ecosystems and drainage areas. Final report. ENEA RT/AMB/2000/13. Rome: ENEA, 2000.
7. Cox G., Beresford N., Alvarez-Farizo B., Oughton D., Kis Z., Eged K., Thørring H., Hunt J., Wright S., Barnett C.L., Gil J.M., Howard B.J., Crout N.M. Identifying optimal agricultural countermeasure strategies for a hypothetical contamination scenario using the strategy model //J. Environ. Radioact. 2005. V. 83, N 3. P. 383-397.
8. Ulanovsky A., Jacob P., Fesenko S., Bogdevitch I., Kashparov V., Sanzharova N. RESCA: decision support tool for remediation planning after the Chernobyl accident //Radiat. Environ. Biophys. 2010. V. 50, N 1. P. 67-83.
9. Fesenko S., Jacob P., Ulanovsky A., Chupov A., Bogdevich I., Sanzharova N., Kashparov V., Panov A., Zhuchenka Yu. Justification of remediation strategies in the long term after the Chernobyl accident //J. Environ. Radioact. 2013. V. 119. P. 39-47.
10. Kirk G.J.D., Staunton S. On predicting the fate of radioactive cesium in soil beneath grassland //Eur. J. Soil Sci. 1989. V. 40, N 1. P. 71-84.
11. Oates K., Barber S.A. Nutrient uptake: a microcomputer program to predict nutrient absorption from soil by roots //J. Agron. Educ. 1987. V. 16, N 2. P. 65-68.
12. Jove M.C.R., Calzada V.R.V. Predicting radiocaesium root uptake based on potassium uptake parameters. A mechanistic approach //Plant Soil. 2000. V. 222. P. 35-49.
13. Handbook of parameter values for the prediction of radionuclide transfer in terrestrial and freshwater environ-ments. Technical report series N 472. Vienna: IAEA, 2010.
14. Nisbet A.F., Woodman R.F.M. Soil-to-plant transfer factors for radiocesium and radiostrontium in agricultural systems //Health Phys. 2000. V. 78, N 3. P. 279-288.
15. Frissel M., Deb D., Fathony M., Lin Y., Mollah A., Ngo N., Othman I., Robison W., Skarlou-Alexiou V., Topcuoğlu S., Twining J., Uchida S., Wasserman M. Generic values for soil-to-plant transfer factors of radiocesium //J. Environ. Radioact. 2002. V. 58, N 2-3. P. 113-128.
16. Wasserman M.A., Pérez D.V., Bourg A.C.M. Behavior of cesium-137 in some Brazilian Oxisols //Commun. Soil Sci. Plant Anal. 2002. V. 33, N 7. P. 1335-1349.
17. Wasserman M.A., Perez D.V., Bartoly F. Biogeochemical behavior of 137Cs and 60Co in tropical soils //Radioprotection. 2002. V. 37, N C1. P. C1-277-C1-282.
18. Brimo K., Pourcelot L., Métivier J.M., Gonze M.A. Evaluation of semi-mechanistic models to predict soil to grass transfer factor of 137Cs based on long term observations in French pastures //J. Environ. Radioact. 2021. V. 227. P. 106467.
19. Absalom J.P., Young S.D., Crout N.M.J., Nisbet A.F., Woodman R.F.M., Smolders E., Gillett A.G. Predicting soil to plant transfer of radiocesium using soil characteristics //Environ. Sci. Technol. 1999. V. 33, N 8. P. 1218-1223.
20. Absalom J.P., Young S.D., Crout N.M.J., Sanchez A., Wright S.M., Smolders E., Nisbet A.F., Gillett A.G. Predicting the transfer of radiocaesium from organic soils to plants using soil characteristics //J. Environ. Radioact. 2001. V. 52, N 1. P. 31-43.
21. Van der Perk M., Burema J.R., Burrough P.A., Gillett A.G., Van der Meer M.B. A GIS-based environmental decision support system to assess the transfer of long-lived radiocaesium through food chains in areas contaminated by the Chernobyl accident //Int. J. Geogr. Inf. Sci. 2001. V. 15, N 1. P. 43-64.
22. Tarsitano D., Young S.D., Crout N.M.J. Evaluating and reducing a model of radiocaesium soil-plant uptake //J. Environ. Radioact. 2011. V. 102, N 3. P. 262-269.
23. Brown J.E., Beresford N.A., Hosseini A., Barnett C.L. Applying process-based models to the Borssele scenario //Radioprotection. 2020. V. 55, N HS1. P. S109-S117.
24. Steinhauser G., Brandl A, Johnson T.E. Comparison of the Chernobyl and Fukushima nuclear accidents: a review of the environmental impacts //Sci. Total Environ. 2014. V. 470-471. P. 800-817.
25. Uematsu S., Smolders E., Sweeck L., Wannijn J., Van Hees M., Vandenhove H. Predicting radiocaesium sorption characteristics with soil chemical properties for Japanese soils //Sci. Total Environ. 2015. V. 524-525. P. 148-156.
26. Beresford N.A., Wright S.M., Howard B.J., Crout N.M.J., Arkhipov A., Voigt G. Aspects of the incorpora-tion of spatial data into radioecological and restoration analysis. In: Radiation legacy of the 20th century: environmental restoration. IAEATECDOC-1280. Vienna: IAEA, 2002. P. 425-436.
27. White P.J., Broadley M.R. Mechanisms of caesium uptake by plants //New Phytol. 2000. V. 147. P. 241-256.
28. Zhu Y.G., Smolders E. Plant uptake of radiocaesium: a review of mechanisms, regulation and application //J. Exp. Bot. 2000. V. 51, N 351. P. 1635-1645.
29. Smolders E., Van den Brande K., Merckx R. Concentrations of 137Cs and K in soil solution predict the plant availability of 137Cs in soils //Environ. Sci. Technol. 1997. V. 31, N 12. P. 3432-3438.
30. Ramírez-Guinart O., Kaplan D., Rigol A., Vidal M. Deriving probabilistic soil distribution coefficients (Kd). Part 2: Reducing caesium Kd uncertainty by accounting for experimental approach and soil properties //J. Environ. Radioact. 2020. V. 223-224. P. 106407.
31. Wauters J., Elsen A., Cremers A., Konoplev A., Bulgakov A., Comans R. Prediction of solid/liquid distri-bution coefficients of radiocaesium in soils and sediments. Part one: A simplified procedure for the solid phase characterization //Appl. Geochem. 1996. V. 11, N 4. P. 589-594.
32. Rahman M.M., Rahman M.M., Koddus A., Ahmad G.U., Voigt G. Soil-to-plant transfer of radiocaesium for selected tropical plant species in Bangladesh //J. Environ. Radioact. 2005. V. 83, N 2. P. 199-211.
33. Van der Perk M., Lev T., Gillett A.G., Absalom J.P., Burrough P.A., Crout N.M.J., Garger E.K., Semiochkina N., Stephanishin Y.V., Voigt G. Spatial modelling of transfer of long-lived radionuclides from soil to agricultural products in the Chernigov region, Ukraine //Ecol. Model. 2000. V. 128, N 1. P. 35-50.
34. Rahman M.M., Voigt G. Radiocaesium soil-to-plant transfer in tropical environments //J. Environ. Radioact. 2004. V. 71, N 2. P. 127-138.
35. Simon S.L., Graham J.C., Terp S.P. Uptake of 40K and 137Cs in native plants of the Marshall Islands //J. Environ. Radioact. 2002. V. 59, N 2. P. 223-243.
36. Калиниченко С.А. Оценка биодоступности радионуклидов, поступающих в организм КРС, при заглатывании почвенных частиц, in vitro методом //Радиационная биология. Радиоэкология. 2002. Т. 42, № 3. С. 341-344.
37. Roussel-Debet S., Colle C. Comportement de radionucléides (Cs, I, Sr, Se, Tc) dans le sol: proposition de valeurs de kd par défaut //Radioprotection. 2005. V. 40, N 2. P. 203-229.
38. Wang C., Li W., Guo M., Ji J. Ecological risk assessment on heavy metals in soils: use of soil diffuse reflec-tance mid-infrared Fourier-transform spectroscopy //Sci. Rep. 2017. V. 7, N 1. P. 40709.
39. McBratney A.B., Minasny B., Rossel R.A.V. Spectral soil analysis and inference systems: a powerful com-bination for solving the soil data crisis //Geoderma. 2006. V. 136, N 1-2. P. 272-278.
40. Janik L.J., Forrester S.T., Soriano-Disla J.M., Kirby J.K., McLaughlin M.J., Reimann C. GEMAS: predic-tion of solid-solution partitioning coefficients (Kd) for cationic metals in soils using mid-infrared diffuse reflec-tance spectroscopy //Environ. Toxicol. Chem. 2015. V. 34, N 2. P. 224-234.
41. Ito A., Wagai R. Global distribution of clay-size minerals on land surface for biogeochemical and climatological studies //Scientific Data. 2017. V. 4. P. 170103.
42. Ogasawara S., Nakao A., Yanai J. Radiocesium interception potential (RIP) of smectite and kaolin reference minerals containing illite (micaceous mineral) as impurity //Soil Sci. Plant Nutr. 2013. V. 59, N 6. P. 852-857.
43. Dowdall M., Standring W., Shaw G., Strand P. Will global warming affect soil-to-plant transfer of radionu-clides? //J. Environ. Radioact. 2008. V. 99, N 11. P. 1736-1745.
44. Fried M., Broeshart H. The soil-plant system: in relation to inorganic nutrition. New York, San Francisco, London: Academic Press, 1967. 358 p.
45. Ehlken S., Kirchner G. Environmental processes affecting plant root uptake of radioactive trace elements and variability of transfer factor data: a review //J. Environ. Radioact. 2002. V. 58, N 2-3. P. 97-112.
46. Ehlken S., Kirchner G. Seasonal variations in soil-to-grass transfer of fallout strontium and cesium and of potassium in north German soils //J. Environ. Radioact. 1996. V. 33, N 2. P. 147-181.
47. Никитин А.Н., Шуранкова О.А., Мищенко Е.В., Леферд Г.А. Накопление 137Cs в надземных органах пшеницы яровой на ювенильной стадии развития при непродолжительном изменении влажности почвы //Сахаровские чтения 2020 года: экологические проблемы XXI века: материалы 20-й междуна-родной научной конференции, 21-22 мая 2020 г., Минск, Республика Беларусь. Минск: ИВЦ Минфина, 2020. С. 365-369.
48. Gadd G.M. Roles of micro-organisms in the environmental fate of radionuclides. In: Ciba foundation sympo-sium 203 – Health impacts of large releases of radionuclides. Chichester: Wiley, 1997. P. 94-108.
49. Dighton J., Clint G.M, Poskitt J.M. Uptake and accumulation of 137Cs by upland grassland soil fungi: a potential pool of Cs immobilization // Mycol. Res. 1991. V. 95, N 9. P. 1052-1056.
50. Parekh N.R., Poskitt J.M., Dodd B.A., Potter E.D., Sanchez A. Soil microorganisms determine the sorption of radionuclides within organic soil systems //J. Environ. Radioact. 2008. V. 99, N 5. P. 841-852.
51. Raskob W., Beresford N.A., Duranova T., Korsakissok I., Mathieu A., Montero M., Müller T., Turcanu C., Woda C. Confidence: achievements and way forward //Radioprotection. 2020. V. 55, N HS1. P. S39-S43.
52. Duffa C., Bailly du Bois P., Caillaud M., Charmasson S., Couvez C., Didier D., Dumas F., Fievet B., Morillon M., Renaud P., Thébault H. Development of emergency response tools for accidental radiological contamination of French coastal areas //J. Environ. Radioact. 2016. V. 151, N 2. P. 487-494.
53. du Bois P.B., Garreau P., Laguionie P., Korsakissok I. Comparison between modelling and measurement of marine dispersion, environmental half-time and 137Cs inventories after the Fukushima Daiichi accident //Ocean Dynamics. 2014. V. 64, N 3. P. 361-383.
54. Willey N.J., Fawcett K. A phylogenetic effect on strontium concentrations in angiosperms //Environ. Exp. Bot. 2006. V. 57, N 3. P. 258-269.
55. Beresford N.A., Wood M.D., Vives i Batlle J., Yankovich T.L., Bradshaw C., Willey N.J. Making the most of what we have: application of extrapolation approaches in radioecological wildlife transfer models //J. Environ. Radioact. 2016. V. 151. P. 373-386.
56. Beresford N.A., Barnett C.L., Guillén J. Can models based on phylogeny be used to predict radionuclide activity concentrations in crops? //J. Environ. Radioact. 2020. V. 218. P. 106263.
57. Никитин А.Н. Динамический вычислительный граф для обобщения разрозненных научных данных в универсальную модель на примере поведения цезия в системе «почва-растение» //BIG data и анализ высокого уровня: сб. материалов VI международной научно-практической конференции, 20-21 мая 2020 г. Минск: Бестпринт, 2020. Ч. 1. С. 350-357.
58. Durand V., Maître M., Crouaïl P., Schneider T., Sala R., Marques-Nunes P., Paiva I., Monteiro Gil O., Reis M., Hilliard C., Tafili V., Twenhöfel C., Van Asselt E., Trueba C., Montero M., Duranova T. Towards an improved decision-making process to better cope with uncertainties following a nuclear accident //Radio-protection. 2020. V. 55, N HS1. P. S135-S143.
59. Hamburger T., Gering F., Yevdin Y., Schantz S., Geertsema G., de Vries H. Uncertainty propagation from ensemble dispersion simulations through a terrestrial food chain and dose model //Radioprotection. 2020. V. 55, N HS1. P. S69-S74.
60. Crout N., Beresford N., Sanchez A. Predicting transfer of radionuclides: soil-plant-animal. In: Modelling radioactivity in the environment. Elsevier, 2003. P. 261-286.
61. Titov I.E., Krechetnikov V.V., Mikailova R.A., Panov A.V. Geoinformation decision support system for re-mediation of the 137Cs contaminated agricultural lands after the Chernobyl NPP accident //Nucl. Eng. Technol. 2022. V. 54, N 6. P. 2244-2252.
62. Stankevich S., Sakhatsky A., Bobro D., Iwasaki A., Nakasuka Sh., Yoshimoto S., Aoyanagi Y. Risk assessment of adsorbed radionuclide emission by fire within Fukushima exclusion zone using multispec-tral satellite imagery //Ukr. J. Remote Sens. 2015. V. 4. P. 4-9.
63. Линник В.Г. Ландшафтная дифференциация техногенных радионуклидов. М.: РАН, 2018. 372 с.
Полная версия статьи