Determination of the bioaccumulation of radionuclides and trace elements in mosses using nuclear methods

Abstract

Mosses are ideal biomonitors as they do not have roots and all the nutrients and the water they need are taken through wet and dry deposition. Since the 90’s, and in a five years’ interval a European moss survey is conducted under the framework of the ICP Vegetation, providing data on the elemental concentrations in naturally growing mosses. The latest moss survey was conducted in 2015/2016, coordinated by the Joint Institute of Nuclear Research, under the auspice of the ICP Vegetation Programme. Greece participated for the first time in this European moss survey with our team In the middle of 2016 summer, ninety-five (95) samples of Hypnum cupressiforme Hedw. moss species were collected from the vicinity of Northern Greece. They were cleaned manually and were prepared for Epithermal Neutron Activation Analysis (ENAA) and gamma ray measurements for the determination of trace elements and radionuclides concentrations respectively. The elemental concentrations of forty-four (44) trace elements (Al, As, Ni, V, Cr, Zn, Fe, Br, Cl, I, Mg, Na, K, Sc, Ti, Mn, Co, Se, Rb, Sb, Au, Th, U, Si, Sr, Ca, Zr, Cs, Ba, La, Ce, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, In, Mo, Ag) were defined. The PMF 5 model was run for the determination of the sources of the trace elements. Five sources are identified: The Soil Dust, the Aged Sea Salt, the Road Dust, the Lignite Power Plant and the Mn-rich source. The soil dust source contributes more than 50% to the majority of the moss samples, indicating that the majority of trace elements are transferred to mosses, through the resuspended soil. The activity concentrations of 7Be, 210Pbuns, 40K, 232Th, 226Ra and 137Cs in mosses are also studied. Mosses were collected from different substrate types (rocks, branches, surface soil and near roots). Slight differences are observed in the radionuclides concentrations based on the substrate surface. 7Be presents higher activities in mosses collected from the ground surface, than those that were collected near roots, while 40K is found in higher concentrations in those mosses that were picked up mostly near roots. Radionuclides were also measured in soil samples. There is a match between the areas that present high concentrations of 137Cs in soil and in mosses, with those areas that were characterized as the most influenced after the Chernobyl accident. Finally, the resuspended soil is the main source of almost all the trace elements and radionuclides in mosses.

Τα βρύα αποτελούν ιδανικούς βιοϊχνηθέτες. Δε διαθέτουν ριζικό σύστημα, οπότε όλα τα θρεπτικά συστατικά καθώς και το νερό που χρειάζονται τα παίρνουν κατευθείαν από την υγρή και ξηρή εναπόθεση. Από το 1990 και κάθε 5 χρόνια διεξάγεται μια Ευρωπαϊκή έρευνα στο πλαίσιο του ICP Vegetation Programme σε σχέση με τις συγκεντρώσεις των ιχνοστοιχείων σε φυσικά αναπτυσσόμενα βρύα. Η τελευταία έρευνα πραγματοποιήθηκε το 2015/2016, στην οποία η Ελλάδα συμμετείχε για πρώτη φορά με την ομάδα μας. Στα μέσα του καλοκαιριού του 2016, ενενήντα πέντε (95) δείγματα βρύων Hypnum cupressiforme Hedw. συλλέχθησαν από την περιοχή της Βορείου Ελλάδος. Αφού καθαρίστηκαν, προετοιμάστηκαν για τη μέτρησή τους με τη μέθοδο της Νετρονικής Ενεργοποίησης και της γαμμα- φασματοσκοπίας, για τον προσδιορισμό των συγκεντρώσεων των ιχνοστοιχείων και των ραδιονουκλιδίων αντίστοιχα. Μετρήθηκαν οι συγκεντρώσεις 44 ιχνοστοιχείων (Al, As, Ni, V, Cr, Zn, Fe, Br, Cl, I, Mg, Na, K, Sc, Ti, Mn, Co, Se, Rb, Sb, Au, Th, U, Si, Sr, Ca, Zr, Cs, Ba, La, Ce, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, In, Mo, Ag). Για τον προσδιορισμό των πηγών τους, εφαρμόστηκε το μοντέλο PMF5, σύμφωνα με το οποίο αναγνωρίστηκαν 5 πηγές: η σκόνη από το χώμα, το παλαιωμένο θαλασσινό αλάτι, η σκόνη από τον δρόμο, τα εργοστάσια καύσης λιγνίτη και τέλος η πλούσια σε Mn πηγή. Η σκόνη από το χώμα συνεισφέρει στα περισσότερα δείγματα των βρύων σε ποσοστό πάνω από 50%, υποδεικνύοντας ότι η πλειοψηφία των ιχνοστοιχείων μεταφέρεται στα βρύα μέσω της επαναιώρησης του χώματος. Μελετήθηκαν ακόμη οι συγκεντρώσεις των εξής ραδιονουκλιδίων: 7Be, 210Pbuns, 40K, 232Th, 226Ra και 137Cs. Παρατηρούνται μικρές διαφορές στις συγκεντρώσεις τους, ανάλογα με την επιφάνεια συλλογής των βρύων (πάνω από πέτρες, στο έδαφος, σε κλαδιά και κοντά στις ρίζες). Το 7Be παρουσιάζει μεγαλύτερες συγκεντρώσεις στα δείγματα που συλλέχθησαν από το έδαφος από ότι κοντά στις ρίζες, ενώ το 40K, εμφανίζει μεγαλύτερες συγκεντρώσεις στα βρύα που βρίσκονταν κοντά στις ρίζες. Όσον αφορά τα δείγματα χώματος που συλλέχθησαν από τις ίδιες περιοχές με τα βρύα, υπάρχει μια ταύτιση μεταξύ των περιοχών που παρουσιάζουν υψηλές συγκεντρώσεις 137Cs στα βρύα, στα χώματα και αυτών που είχαν χαρακτηριστεί ως οι πιο επιβαρυμένες ακριβώς μετά το ατύχημα στο Τσέρνομπιλ. Τελος, η επαναιώρηση του χώματος είναι η κύρια πηγή της πλειοψηφίας των ιχνοστοιχείων και των ραδιονουκλιδίων στα βρύα.