Ydinjätteen riskien arviointiin soveltuvan radioekologisen mallintamisen kehittäminen maa- ja vesiekosysteemissä (YRMA)

Ydinjätteen riskien arviointiin soveltuvan radioekologisen mallintamisen kehittäminen maa- ja vesiekosysteemissä (YRMA)

Radioekologiaa loppusijoituksen näkökulmasta: makean veden ekosysteemit Picture modified from Grey (2016):Front. Ecol. Evol. 4:8.

Tunnistetut tietoaukot KYT2010 ja KYT2014-hankkeiden jälkeen Useita eliöitä ja eliöryhmiä, joista tietoa vähän tai ei ollenkaan. Erityisesti kaivataan tietoa radionuklidien siirtymisestä makean veden ekosysteemissä tärkeää Suomen olosuhteissa Riskien arviointiin tarvitaan tietoa sekä annoksista että vaikutuksista*. Säteilyn (radionuklidien) vaikutuksista luonnon eliöihin ja ekosysteemeihin ei juuri ole tietoa *kansainvälisesti suuri kiinnostus eliökunnan säteilysuojeluun. Velvoite arvioida loppusijoituksen vaikutuksia luonnon eliöihin

Tavoitteet Tutkia ydinjätteiden riskien arvioinnin kannalta relevanttien alkuaineiden siirtymistä makean veden ravintoketjuissa Radioekologisen mallintamisen kehittäminen edelleen (myös vesiekosysteemistä kerätyn tiedon perusteella) siten että ne perustuvat entistä parempaan ymmärrykseen alkuaineiden (usein epälineaarisesta) siirtymisestä eliöihin Kehittää herkkiä menetelmiä, joilla voidaan saada tietoa pienten säteilyannosten eliöihin kohdistuvista vaikutuksista

Tutkimusalue Paukkajanvaaran kaivosalue Alueella sekä luonnollisesti että kaivostoiminnan seurauksena kohonneita uraani- ja raskasmetallipitoisuuksia

Surviaissääski Valitut lajit Toukkavaiheessa elää sedimentissä Tärkeä ravintoketjun osa useiden kalojen ravintoa Indikaattorilaji Ahven ja särki Edustavia kalalajeja Loppusijoituksen turvallisuusanalyysin kannalta ei riittävästi tietoa Surviaissääsken toukat ovat molempien ravintoa Erilainen rooli ravintoketjussa

Näytteet Vesi, sedimentti, pohjaeläimet, kalat Keräys 2015 2018 Alkuaineanalyysit ICP-MS: 30 alkuainetta kloori kromatografisesti

Pitoisuuksia vedessä ja sedimentissä

Siirtokerroin vedestä eläimen kudoksiin ei ole uskottava (aivan liian suuri!) eläimet saavat alkuaineet pääosin sedimentistä Water-to-roach CR 300 200 100 Se concentration in roach (mg kg-1 WW) 0.4 0.2 0 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 U concentration in water (mg/l) Sediment-to-roach CR 0.0020 Pieni Hiislamppi Iso 0.0015 Hiislamppi 0.0010 0.0 0 2 0.0005 4 6 8 Se concentration in sediment (mg/kg) Pieni Hiislampi Iso Hiislampi 0.0000 0 500 1000 1500 2000 2500 U concentration in sediment (mg/kg) Pieni Hiislamppi Iso Hiislamppi

Paradigman muutos: ruskean ravintoketjun merkitystä järvissä (suhteessa vihreään ) ei ole ymmärretty Kuva: Kuiper JJ et al. (2015) Nature Communications 6:7727

Alkuaineiden siirtyminen sedimentistä eläimiin: pitoisuus eläimessä ei kasva ja siirtokerroin (CR) pienenee, kun pitoisuus sedimentissä kasvaa U concentration in roach (mg kg-1 WW) 0.8 0.6 0.4 0.2 Esimerkki 1: Uraani särjessä Se concentration in roach (mg kg-1 WW) 0.4 0.2 0.0 0 500 1000 1500 2000 2500 U concentration in sediment (mg/kg) Sediment-to-roach CR 0.0020 Pieni Hiislamppi Iso Hiislamppi 0.0015 0.0010 0.0 0 2 4 6 8 Se concentration 0.0005 in sediment (mg/kg) Pieni Hiislampi Iso Hiislampi 0.0000 0 500 1000 1500 2000 2500 U concentration in sediment (mg/kg) Pieni Hiislamp Iso Hiislampp

Esimerkki 2: Molybdeeni surviaissääsken toukissa Mo concentration in chironomid (mg/kg) 1.5 1.0 0.5 Se concentration in roach (mg kg-1 WW) 0.4 0.2 0.0 0 5 10 15 Mo concentration in sediment (mg/kg) Sediment-to-chiro CR 0.3 Pieni Hisslamppi Iso Hiislamppi 0.2 0.0 0 2 0.1 4 6 8 Se concentration in sediment (mg/kg) Pieni Hiislampi Iso Hiislampi 0.0 0 5 10 15 Mo concentration in sediment (mg/kg) Pieni Hiislam Iso Hiislamp

Näyttää siis siltä, että ehdottamamme uusi mallintamistapa sopii myös vesiekosysteemeihin (kuvassa ennustettu kasvin radionuklidipitoisuus maaperän kokonaispitoisuuden ja radionuklidipitoisuuden funktiona) Tuovinen ym. 2016

Vaikutustutkimukset surviassääskillä Toukkia kasvatettiin laboratoriossa tutkimuslammista haetuissa sedimenteissä Kehitysepävakaisuuutta tutkittiin mittaamalla kuoriutuneiden aikuisten siipien symmetriaa Toisena indikaattorina aikuiseksi kuoriutumiseen kuluva aika

Kaivosalueen lampien sedimentissä* kasvattaminen hidasti sääskien aikuiseksi FL 36 kuoriutumista (p<0.001) 100 Cumulative emergence (%) 80 60 40 20 Control Reference Iso H Pieni H 50% cumulative emergence Reference= vertailulampi Control= keinotekoinen sedimentti (hiekka) 0 20 30 40 50 60 70 Day *uraanien ja monien toksisten alkuaineiden pitoisuudet suurempia kuin vertailulammessa

mutta ei lisännyt siipien vaihtelevaa asymmetriaa (fluctuating asymmetry) Kuvassa vasemman ja oikean siiven mittaustulosten erotus. Mahdollinen vaikutus näkyisi suurentuneena varianssina

Yhteenveto: tärkeimmät tulokset Eläimet saavat alkuaineet pääosin sedimentistä Siirtyminen sedimentistä eliöihin on epälineaarista Nämä havainnot on otettava huomioon radioekologisten mallien kehittämisessä Kehitysepävakaisuus (surviaissääsken vaihtelevalla asymmetrialla mitattuna) ei ole herkkä indikaattori heikoille vaikutuksille Jatkossa tutkitaan muita indikaattoreita

Tutkimusryhmä Jukka Juutilainen, professori Hankepäällikkö, säteilybiologian asiantuntemus Toini Holopainen, professori Metsäekosysteemin asiantuntemus Mikko Kolehmainen, professori Mallintamisen asiantuntemus Jouni Sorvari, apulaisprofessori Vesihyönteisten ja kehitysepävakaisuuden asiantuntemus Jarkko Akkanen, yliopistotutkija Vesiekosyysteemien asiantuntemus (FT) Elina Häikiö, yliopiston-lehtori (FT) Kasvifysiologian ja kasvien kasvatuksen asiantuntemus Anne Kasurinen, tutkija (FT) Maaperäekologian asiantuntemus Jonne Naarala, apulaisprofessori Solu- ja molekyylibiologian asiantuntemus Tiina Tuovinen, tutkija (FM*) Käytännön toteutus, jatkokoulutettava Soroush Majlesi (MSc) Käytännön toteutus, jatkokoulutettava *FT 2016 jälkeen

Tieteelliset artikkelit Julkaisut 2015-2018 Tuovinen T, Kasurinen A, Häikiö E, Tervahauta A, Makkonen S, Holopainen T, Juutilainen J. 2016. Transfer of elements relevant to nuclear fuel cycle from soil to boreal plants and animals in experimental meso- and microcosms. Sci total Environ 2016; 539:252-261. DOI 10.1016/j.scitotenv.2015.08.157. Tuovinen T. Makkonen S, Holopainen T, Kolehmainen M, Juutilainen J. Non-linear transfer of elements from soil to plants: impacts on radioecological modelling. Radiat Environ Biophys 2016;55:393-400. Käsikirjoitukset Majlesi S, Juutilainen J, Kasurinen A, Mpamah P, Trubnikova T, Martikainen P, Biasi C: Fate of radionuclide 14C in soil-plant-atmosphere continuum: on the potential uptake of soil 14C into plants. Environ Sci Technol. Submitted, under revision. Kasurinen A, Häikiö E, Tuovinen T, Tervahauta A, Makkonen S, Holopainen T, Juutilainen J: Transfer of elements relevant to the nuclear fuel cycle in a boreal food chain: soil-to-plant and plant-to-animal transfer with and without fertilizer application. Manuscript. Majlesi S, Carrasco Navarro V, Panzuto S, Sorvari J, Juutilainen J.: Fluctuating asymmetry in chironomid wings: Does low-level radioactive contamination cause developmental instability? Manuscript Väitöskirjat Tuovinen T. Transfer of Radioecologically relevant elements - Evaluation of Linearity in Boreal Forest Ecosystems. Publications of the University of Eastern Finland. Dissertations in Forestry and Natural Sciences. 2016

Biosfäärimallinnuksen vaihtoehtoiset menetelmät ja niiden arviointi (VABIA) KYT2018 Loppuseminaari 29.1.2019 Jari Pohjola, Jari Turunen & Tarmo Lipping Tampereen teknillinen yliopisto

KYT2018 (2015) Mallinnusinfrastruktuurin (Ecolego) käyttöönotto, Järvi-maatilamalli, herkkyystarkastelut Jari Pohjola, Jari Turunen, Tarmo Lipping, Ari Ikonen, 2016. Probabilistic assessment of the influence of lake properties in longterm radiation doses to humans. Journal of Environmental Radioactivity, 164, pp. 258-267. 11.2.2019 21

Mallinnusinfrastruktuuri

KYT2018 (2016) Järvimaatilamallin laajennus (sedimenttikerrokset), ruoka-aineiden ryhmittelyn vaikutus analyyseissä. Jari Pohjola, Jari Turunen, Tarmo Lipping, Ari Ikonen, 2016. The influence of foodstuff grouping on doses in safety assessments. Abstracts Book. Paper presented at Ninth International Conference on Nuclear and Radiochemistry - NRC9, 29.8 2.9.2016, Helsinki, Finland, pp. 499-500. Jari Pohjola, Jari Turunen, Tarmo Lipping, 2016. Radionuklidien purkautumisen mallinnus pohjasedimenttien läpi järviveteen Case Liponjärvi, Eurajoki. Mallinnusseminaari 12.12.2016. Espoo, Finland. Jari Pohjola, Jari Turunen, Tarmo Lipping, 2017. The Effect of Lake Bottom Sediment Layers on Radionuclide Transport from Bedrock to Biosphere and Doses to Humans. The 4th International Conference on Radioecology and Environmental Radioactivity, 3-8.9.2017, Berlin, Germany (Abstract). 11.2.2019 23

Ruoka-aineiden vaikutus annos-muunnoskertoimiin Järvi-maatilamallin perusteella tarkasteltiin, kuinka paljon annosmuunnoskertoimet muuttuvat, jos ruoka-aineiden osalta käytetään karkeampaa jaottelua Ruoka-aineryhmien sisällä laskettiin suhdeluvut, joista valittiin pessimistisin Tarkoituksena yksinkertaistaa mallinnusta Pohjola, J. et al. (2016). The influence of foodstuff grouping on doses in safety assessments. Proc. Ninth International Conference on Nuclear and Radiochemistry - NRC9, P2-118

KYT2018 (2018) Herkkyysanalyysimenetelmien vertailu (järvi-maatilamalli, varianssipohjaiset menetelmät) 36 Cl, 135 Cs, 129 I, 237 Np, 90 Sr, 99 Tc and 238 U Esimerkkinuklideina 36 Cl ja 135 Cs Metsämalli (ERICAn käyttö eläinten ja kasvien säteilyannosmäärien arvioimiseen)

Vertaillut herkkyysanalyysimenetelmät Fourier Amplitude Sensitivity Test (FAST) Extended Fourier Amplitude Sensitivity Test (EFAST) Random Balance Design (RBD) Effective Algorithm for Sensitivity Indices (EASI) Method developed by Ilya Sobol (SOBOL) 11.2.2019 26

Herkkyysanalyysin parametrit 34 parametriä herkkyysanalyysissä 2 Kd-arvoa (jakautumiskertoimet peltomaassa ja järvisedimentissä), 14 parametria liittyen ruoan kulutukseen, 4 parametria liittyen järven ominaisuuksiin, 7 rikastumistekijää (peltomaa -> kasvit) ja 7 rikastumistekijää (ravinto -> eläintuotteet). 1000 Monte Carlo simulaatiota 11.2.2019 27

Tulokset 36 Cl First-order sensitivity indices for 36 Cl (%) EASI EFAST FAST RBD SOBOL K d value for soil 69.4 75.3 75.9 54.8 83.8 Soil to plant CR ( other vegetables ) 13.0 10.3 10.3 6.9 6.7 K d value for lake sediment 5.8 5.6 6.7 4.3 5.2 Outflow rate of the lake 4.1 4.5 3.3 1.8 4.2 Other parameters 7.7 4.3 3.8 32.2 0.1 Total-order sensitivity indices for 36 Cl (%) EFAST SOBOL K d value for soil 28.3 71.1 Soil to plant CR ( berries ) 7.9 0.1 Soil to plant CR ( other vegetables ) 6.6 5.8 K d value for lake sediment 4.5 9.3 Outflow rate of the lake 3.0 5.6 Other parameters 49.7 8.1 11.2.2019 28

Tulokset 135 Cs First-order sensitivity indices for 135 Cs (%) EASI EFAST FAST RBD SOBOL K d value for lake sediment 62.6 64.9 66.5 48.0 80.6 Water to fish CR 22.1 24.3 21.2 14.2 10.6 Volume of the lake 6.8 5.7 7.6 6.1 8.7 Other parameters 8.5 5.1 4.7 31.7 0.1 Total-order sensitivity indices for 135 Cs (%) EFAST SOBOL K d value for lake sediment 45.1 58.5 Water to fish CR 19.0 28.2 Volume of the lake 5.2 2.6 Intake rate of fish 2.3 3.9 Other parameters 28.4 6.8 11.2.2019 29

Johtopäätökset SOBOL yliestimoi, RBD aliestimoi tärkeimmän parametrin vaikutusta Eniten vaikuttava parametri on sama kaikilla menetelmillä Muutoin hienoisia vaihteluja parametrien järjestyksessä menetelmien välillä - Erot johtuvat menetelmien toteutuksesta 11.2.2019 30

Jari Turunen, Jari Pohjola, Tarmo Lipping, 2018. Sensitivity analysis of radionuclide transport in biosphere analysis. STUK-A261. Sisko Salomaa, Merja Lusa, Kaisa Vaaramaa (eds.). Cores Symposium on Radiation in the Environment - Scientific Achievements and Challenges for the Society, 16-17.4.2018, Helsinki, Finland. http://urn.fi/urn:isbn:978 952 309 425-3 11.2.2019 31

Järvi-maatilamalli (sedimenttikerrokset) 11.2.2019 32

Järvi-maatilamalli (sedimenttikerrokset) 94 Nb mukaan tarkasteluun (hengityksen mukana tuleva sekä ulkoinen säteily) Herkkyysanalyysitarkastelussa eniten vaikuttavat parametrit liittyvät sedimenttikerroksien ominaisuuksiin, pois lukien 36 Cl ja 99 Tc. 11.2.2019 33

Järvi-maatilamalli (10000 AP) Case 1 = Maatilamalli Case 2 = Maatilamalli + radionuklidit sedimenttien läpi Case 3 = Case 2 + pöly + ulkoinen säteily 11.2.2019 34

Järvi-maatilamalli (sedimenttikerrokset) Case 1 = Maatilamalli Case 2 = Maatilamalli + radionuklidit sedimenttien läpi Case 3 = Case 2 + pöly + ulkoinen säteily 11.2.2019 35

Järvi-maatilamalli (sedimenttikerrokset) Jari Pohjola, Jari Turunen, Tarmo Lipping, 2017. The Effect of Lake Bottom Sediment Layers on Radionuclide Transport from Bedrock to Biosphere and Doses to Humans. The 4th International Conference on Radioecology and Environmental Radioactivity, 3-8.9.2017, Berlin, Germany (Abstract). 11.2.2019 36

Metsämalli Metsäekosysteemin lisäys järvi-maatilamallin yhteyteen Facilian kehittämän ERICA-työkalun käyttö kasvien ja eläinten säteilyannosten arvioimiseen (metsämallissa mm. marjat ja riistaeläimet) 11.2.2019 37

Metsämalli Loppusijoitustila Kallioperä Kivennäismaa Humus / Turve Maatilamalliin (yksinkertaistettu ihmiseksi ) lisättiin metsäkokonaisuus Puut Aluskasvillisuus Neulaset Karike Loppusijoitustila Kallioperä Metsä / suo Marjat, sienet Järvi Riista Ihminen Joki Meri 11.2.2019 38

ERICA-työkalu Syöttöparametrina ekosysteemistä riippuen esim. maaperän tai veden radio-aktiivisen aineen pitoisuus. Siirtokertoimet yms. sisäänrakennettuna ohjelmaan. Tuloksena kyseisen organismin säteilyannos. 11.2.2019 39

Metsämalli Tulosten perusteella ihmiseen kohdistuvan säteilyannoksen määrä nousi merkittävimmin nuklideilla 36 Cl, 135 Cs, 129 I, 237 Np ja 238 U. Lisäys oli pienempi nuklideilla 90 Sr ja 99 Tc. Skenaariossa otettiin huomioon metsämarjat sekä riista ihmisen ravinnossa. Case 1 = Maatilamalli Case 2 = Maatilamalli + radionuklidit sedimenttien läpi + pöly + ulkoinen säteily Case 3 = Case 2 + metsämalli 11.2.2019 40

Julkaisut Jari Pohjola, Jari Turunen, Tarmo Lipping, Ari Ikonen, 2019. Probabilistic assessment of long-term radiation doses to humans in case of geological radioactive waste disposal system failure: a farm-lake scenario, submitted to Journal of radiological protection. Jari Pohjola, Jari Turunen, Tarmo Lipping, Ari Ikonen, 2016. Probabilistic assessment of the influence of lake properties in long-term radiation doses to humans. Journal of Environmental Radioactivity, 164, pp. 258-267. Jari Pohjola, Jari Turunen, Tarmo Lipping, Ari Ikonen, 2016. The influence of foodstuff grouping on doses in safety assessments. Abstracts Book. Paper presented at Ninth International Conference on Nuclear and Radiochemistry - NRC9, 29.8 2.9.2016, Helsinki, Finland, pp. 499-500. Jari Pohjola, Jari Turunen, Tarmo Lipping, 2016. Radionuklidien purkautumisen mallinnus pohjasedimenttien läpi järviveteen Case Liponjärvi, Eurajoki. Mallinnusseminaari 12.12.2016. Espoo, Finland. Jari Pohjola, Jari Turunen, Tarmo Lipping, 2017. The Effect of Lake Bottom Sediment Layers on Radionuclide Transport from Bedrock to Biosphere and Doses to Humans. The 4th International Conference on Radioecology and Environmental Radioactivity, 3-8.9.2017, Berlin, Germany (Abstract). Jari Turunen, Jari Pohjola, Tarmo Lipping, 2018. Sensitivity analysis of radionuclide transport in biosphere analysis. STUK-A261. Sisko Salomaa, Merja Lusa, Kaisa Vaaramaa (eds.). Cores Symposium on Radiation in the Environment - Scientific Achievements and Challenges for the Society, 16-17.4.2018, Helsinki, Finland. 11.2.2019 41