Ydinjätteen riskien arviointiin soveltuvan radioekologisen mallintamisen kehittäminen empiirisen aineiston valossa

Transkriptio

1 KYT2014 loppuseminaari Ydinjätteen riskien arviointiin soveltuvan radioekologisen mallintamisen kehittäminen empiirisen aineiston valossa Jukka Juutilainen Tiina Tuovinen

2 Liittyminen KYT2014-ohjelmaan Muut turvallisuustutkimukset: biosfääritutkimukset loppusijoituksen turvallisuuden kannalta. turvallisuusanalyysiin liittyvässä biosfäärimallinnuksessa tarvitaan tietoa radionuklidien siirtymisestä maaperästä kasvillisuuteen ja ravintoketjuun. Suomalaisiin ympäristöolosuhteisiin sovellettu tieto parantaa mallinnuksen luotettavuutta.

3 Fokus Radioekologiaa loppusijoituksen näkökulmasta Hanke tarkastelee siirtymistä maaperästä eliöstöön, joka on tärkeä reitti sekä ihmisten että luonnon eliöiden altistumisen kannalta

4 Tavoitteet ydinjätteen loppusijoituksen riskien arviointiin liittyvän biosfäärimallinnuksen kehittäminen luonnon eliöihin kohdistuvien riskien arviointimenetelmien kehittäminen radioekologisen riskinarvioinnin asiantuntijoiden kouluttaminen

5 Edellinen hanke KYT2010-ohjelmakaudella Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoittamisen ekologinen riskinarviointi metsäekosysteemissä Maaperä- ja kasvinäytteitä kahdelta pohjoissavolaiselta metsäalueelta Alkuaineiden siirtyminen maasta kasveihin ei ollut lineaarista Alkuaineiden siirtymisestä eläimiin ei saatu luotettavaa tietoa

6 Metsäaineistosta havaitut siirtokertoimet maaperäpitoisuuden funktiona: epälineaarinen sovitus

7 Pitoisuus kasvissa vs. pitoisuus maassa: havainnot, epälineaarinen sovitus ja lineaarisuusoletus Zn concentration in leaf oravmarjpit Soil total Zn concentration mg kg -1 (DW) linear

8 KYT2014 Metsäaineistosta havaitut pitoisuudet: vakiopitoisuusmalli

9 Ennustuksien taustatiedot Radionuklidipitoisuudet maaperässä keskiaktiivisen jätteen välivarastoinnista (Jones et al., 2013) Radionuklidien osuus kokonaispitoisuudesta sama kasvissa kuin maaperässä Maaperän kokonaispitoisuudet vaihtelevat samalla tasolla kuin havaitut pitoisuudet vaihtelivat metsäaineistossa

10 Ennustettu kasvin radionuklidipitoisuus maaperän kokonaispitoisuuden ja radionuklidipitoisuuden funktiona U c o n c e n tra tio n in s p ru c e n e e d le s (m g /k g ) x 10-6 x U-234 concentration in soil (mg/kg) U concentration in soil (mg/kg) 0 Non-linear model Model with constant plant concentration Linear model

11 Mesokosmoskokeet Kehitettiin kokeellinen ekosysteemi, jossa siirtymistä maaperästä tyypillisiin pohjoisenhavumetsävyöhykkeen kasveihin ja eläimiin voitiin tutkia Kontrolli- ja uraanimaassa tutkittiin U, Co, Mo, Ni, Pb, Th ja Zn pitoisuuksia Taustaoletus: kokonaispitoisuudella mallinnetaan radionuklidien siirtymistä

12 Mesokosmoskokeiden tulokset Siirtyminen maasta kasveihin tehokkaampaa pienissä maaperän alkuainepitoisuuksissa kuin suuremmissa eli siirtyminen maasta kasviin epälineaarista kuten metsäaineistossakin Myös siirtyminen maasta lieroihin epälineaarista, poikkeuksena U, jonka siirtyminen lähes lineaarista

13 Pitoisuudet ja siirtokertoimet lieroissa 20 a Soil U concentration mg kg -1 CR of U to earthworm c Soil Mo concentration mg kg d Soil Mo concentration mg kg -1

14 Mikrokosmoskokeet 2012 Selvitettiin ruuan vs. suoran maakontaktin merkitystä alkuaineiden siirtymisessä kotiloon. Uraanin siirtymiseen maakontaktilla oli merkitystä.

15 Pitoisuudet ja siirtokertoimet kotiloissa

16 Siirtymisen mahdollisen epälineaarisuuden kannalta tärkeimmät havainnot lehtokotiloaineistosta Välttämättömien alkuaineiden (Co, Mo, Ni, Zn) pitoisuudet eläimen kudoksissa säätyivät vakiotasolle lehden pitoisuudesta huolimatta Ei-välttämättömien alkuaineiden (U) kohdalla pitoisuus kotilossa riippui lehden pitoisuudesta Lyijy on ei-välttämätön alkuaine, mutta käyttäytyi havaintoaineistossa enemmän välttämättömän tapaan, ehkä siksi että lyijy käyttäytyy elimistössä kuin välttämätön kalsium

17 Siirtyminen vedestä eliöön epälineaarista ja syödystä syöjään lineaarista vesiekosysteemissä (Tuovinen ym., 2013) Johtopäätökset tarkentuivat maaekosysteemissä: toisella trofiatasolla siirtyminen (kasvista kotiloon) oli epälineaarista välttämättömille alkuaineille ja vain uraanin siirtyminen oli lineaarista

18 Typpimanipulaatiokoe 2013 Tutkittiin, miten maaperän ravinnetilanteen muutos vaikuttaa alkuaineiden kulkeutumiseen (hieskoivuun ja lehtokotiloon) Typpilisäysannos simuloi Keski- ja Länsi-Euroopassa joillakin alueilla tällä hetkellä tapahtuvaa korkeinta rehevöitymisvauhtia (> 20 kg N hehtaaria kohden vuodessa) Typpilisäys lisäsi U ja Mo pitoisuuksia ja vähensi Zn pitoisuutta koivussa

19 Lisää mikrokosmoskokeita kotiloilla Lehtokotiloille syötettiin erilaisia yhdistelmiä kahdessa eri uraanipitoisuudessa kasvaneista koivunlehdistä kahden kuukauden ajan Muidenkin alkuaineiden kuin uraanin pitoisuuksiin syntyy eroja kahden eri maaperän vaikutuksesta laimennussarjalla saadaan lisää informaatiota usean alkuaineen siirtymisen lineaarisuudesta Laimennussarjat erikseen kahdelle eri typpipitoisuudelle lisävaihtelua pitoisuuksiin ja lineaarisuuden tarkasteluun

20 Aikapistekoe Tutkittiin, missä ajassa uraanin ja muiden alkuaineidne pitoisuudet saavuttavat tasapainotilan koivussa tai kotilossa Aikapistekokeessa alkuainepitoisuus koivuissa ja kotiloissa määritettiin 2 viikon välein 2 kuukauden ajan Koivutulokset U, Co, Mo 4 viikkoa Ni 4 viikkoa kontrollimaassa, uraanimaassa vaihtelua Zn ei vakioitunut 8 viikossa Pb alle määritysrajan

21 Tavoitteet Siirtymisen epälineaarisuuden vaikutus biosfäärimallinnukseen Tulokset mennessä Artikkelit: Tuovinen TS et al. Soil-to-plant transfer is not linear: results for five elements relevant to radioactive waste in five boreal forest species. Science of the Total Environment 410: (2011) Roivainen P et al. Element interactions and soil properties affecting the soil-to-plant transfer of six elements relevant to radioactive waste in boreal forest. Radiat Environ Biophys 51:69-78 (2012). Tuovinen TS et al. Transfer of 137 Cs from water to fish is not linear in two northern lakes. Hydrobiologia 700: (2013) Käsikirjoitus: Tuovinen TS et al. Non-linear transfer of element from soil to plant: impacts on radioecological modelling

22 Tavoitteet Kokeellinen ekosysteemi alkuaineiden siirtymisen simulointiin Tulokset mennessä The transfer of elements relevant to nuclear fuel cycle from soil to boreal plants and animals in experimental meso- and microcosms. Tuovinen et al. Käsikirjoitus. Valmis maaliskuussa Soil N level effects on the transfer of elements relevant to nuclear fuel cycle in soil-downy birch (Betula pubescens)-copse snails (Arianta arbostorum) system. Kasurinen et al. Käsikirjoitus aloitettu.

23 Tavoitteet Tulokset mennessä Tutkijankoulutus Päivi Roivaisen väitöskirja Characteristics of soil-to-plant transfer of elements relevant to radioactive waste in boreal forest on hyväksytty ja tohtorin tutkinto valmistunut 2011 T. Tuovisen väitöskirjan Transfer of radioecologically relavant elements Evaluation of linearity in boreal ecosystems kirjoitus on aloitettu ja kaksi osatyötä on julkaistu. Tuovinen TS et al. Sci Tot Environ, 410: Tuovinen TS et al. Hydrobiologia 700: Muut opinnäytteet: Rytkönen T Accumulation of metals, cobalt (Co), molybdenum (Mo) and nickel (Ni), to soil invertebrates in a boreal forest in Nilsiä, Eastern Finland. Pro gradu. Turunen S Cesiumin siirtyminen ravintokasveista poroon Pohjois-Suomessa. LuK-tutkielma. Savolainen T. Ydinjätteen loppusijoituksen kannalta olennaisten radionuklidien liikkuminen maaperästä hieskoivuun ja lehtokotiloon vallitsevassa ja kohotetussa maan typpipitoisuudessa. Käsikirjoitus.

24 Tutkimusryhmä Jukka Juutilainen, professori Hankepäällikkö, säteilybiologian ja riskinarvionnin asiantuntemus Toini Holopainen, Metsäekosysteemin asiantuntemus professori Mikko Kolehmainen, Mallintamisen asiantuntemus professori Sari Makkonen, Ekologisten ympäristöriskien erikoistutkija (FT) asiantuntemus Elina Häikiö, yliopistonlehtori (FT) asiantuntemus Kasvifysiologian ja kasvien kasvatuksen Anne Kasurinen, tutkija Maaperäekologian asiantuntemus, (FT) osaprojektin 2 käytännön toteutus Päivi Roivainen, tutkija Osallistui osaprojektin 1 ja 2 käytännön (FT) toteutukseen Tiina Tuovinen, tutkija Osaprojektin 1 käytännön toteutus, (FM) jatkokoulutettava Toni Savolainen Gradutyöntekijä

25 Siirtokerroin Radioekologisessa mallinnuksessa siirtymistä kuvataan yleisesti siirtokertoimella eli pitoisuussuhteella mallin eri osien (esim. maaperä, kasvi) välillä (CR=concentration ratio; TF=transfer factor) Empiiriisesti määritettyihin siirtokertoimiin liittyy tyypillisesti suurta vaihtelua Lineaarisuusoletuksen kritiikkiä on esitetty jo usean vuosikymmenen ajan. Siirtokerrointa käytetään kuitenkin yleisesti, sillä näin malleista saadaan yksinkertaisia