Explicación de la variación en el factor de transferencia agregado 137Cs para plantas silvestres comestibles como estudio de caso en yemas de Koshiabura (Eleutherococcus sciadophylloides)

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 14162 (2023) Citar este artículo

1 altmétrica

Detalles de métricas

El factor de transferencia agregado (Tag) se utiliza comúnmente para representar la transferencia real de radiocesio desde el suelo a las plantas comestibles silvestres, pero los valores han mostrado una variación sustancial desde el accidente nuclear de Fukushima. Para dilucidar los factores que causan esta variación, investigamos los efectos de la escala espacial y la distribución vertical de 137C en el suelo sobre la variación de los valores de Tag-137C para una de las plantas comestibles silvestres más gravemente contaminadas, Eleutherococcus sciadophylloides Franch. y Sav. (Koshiabura). La variación en los valores de Tag-137Cs no se redujo mediante la medición directa de la deposición de 137Cs en muestras de suelo del hábitat de Koshiabura, como sustituto del uso de datos de estudios aéreos promediados espacialmente a escala de distrito administrativo. La concentración de actividad de 137Cs en las yemas de Koshiabura mostró una correlación positiva significativa con los inventarios de 137Cs sólo en el horizonte orgánico del suelo del hábitat de Koshiabura. La relación entre los inventarios de 137Cs en el horizonte orgánico y la deposición total de 137Cs en el suelo mostró una variación sustancial, especialmente en los bosques caducifolios de hoja ancha en los que Koshiabura habita principalmente. Esta variación puede ser la causa del amplio rango de valores de Tag-137Cs observados en las yemas de Koshiabura cuando se calculan a partir de la deposición total de 137Cs en el suelo.

En áreas boscosas contaminadas por accidentes nucleares pasados, como el desastre de Chernobyl en 1986, el radiocesio circula por el ecosistema, lo que resulta en una contaminación radiactiva a largo plazo de productos forestales, como setas y fresas silvestres, así como de animales de caza1,2,3 ,4. Muchas zonas contaminadas con radiactividad tras el accidente de la central nuclear de Fukushima Daiichi (FDNPP) son zonas boscosas, la mayoría de las cuales aún no han sido descontaminadas. Por lo tanto, la contaminación prolongada de diversos productos forestales en Fukushima y otras áreas afectadas es actualmente una gran preocupación para la recuperación social y económica de la región5.

Las plantas silvestres comestibles, que son importantes productos forestales, son parte integral de la cultura japonesa única en las zonas montañosas (Satoyama); se utilizan no sólo como alimento para los residentes locales, sino que también sirven como medio de comunicación al compartir los productos entre la gente6. Por lo tanto, la contaminación prolongada de plantas silvestres comestibles ha resultado en un deterioro de la perdurable cultura Satoyama. Aunque han transcurrido más de 10 años desde el accidente del FDNPP, las concentraciones de radiocesio en algunas plantas silvestres comestibles todavía superan el límite reglamentario para la distribución comercial de alimentos (100 Bq/kg de materia fresca [FM]). Entre estas plantas, destacan las yemas (en concreto, los brotes jóvenes de las que emergen hojas inmaduras de las yemas) de Eleutherococcus sciadophylloides Franch. y Sav. (Koshiabura), una especie de árbol de hoja caduca de hoja ancha ampliamente distribuida en los bosques templados de Japón, exhibe concentraciones de radiocesio excepcionalmente más altas en comparación con otras plantas comestibles silvestres7,8. Koshiabura a menudo habita en las áreas de Satoyama y comúnmente crece en claros soleados en los bosques y en los márgenes de los bosques. La mayoría de los municipios de la prefectura de Fukushima han restringido o prohibido voluntariamente el transporte de sus cogollos9. Además, muchos municipios de las prefecturas vecinas a la prefectura de Fukushima también han restringido la distribución comercial de los cogollos de Koshiabura; como resultado, el rango de restricción es el más amplio entre las plantas comestibles silvestres japonesas9.

La estimación de la posible dosis de ingestión por parte del público mediante el consumo de plantas silvestres comestibles contaminadas es un objetivo importante para la protección radiológica10. Esta estimación es particularmente útil para mejorar la calidad de vida de los residentes locales que desean volver a disfrutar de la recolección y el consumo de alimentos silvestres11. En este sentido, el factor de transferencia agregado (Tag) se utiliza ampliamente para representar la relación entre las concentraciones de radionúclidos en plantas comestibles silvestres y el suelo. Este factor se define como la concentración de actividad de radionucleidos en partes comestibles (Bq/kg) dividida por la deposición de radionucleidos en el suelo (Bq/m2). Los valores de Tag para 137Cs (Tag-137Cs) en plantas y hongos silvestres comestibles informados después de desastres nucleares anteriores1,2,12,13,14 varían ampliamente no solo entre especies sino también dentro de una misma especie. Por ejemplo, los Tag-137C de las yemas de Koshiabura varían en un rango que abarca uno o dos órdenes de magnitud (10−4 a 10−2)11,15. La amplia variación en los valores de Tag-137Cs puede estar fuertemente influenciada por el procedimiento para calcular el dominador (es decir, la deposición de 137Cs en el suelo). Sin embargo, el motivo de la amplia variación en los valores de Tag-137Cs entre las plantas comestibles silvestres aún no está claro.

Con respecto a los datos de concentración de radiocesio disponibles públicamente para plantas comestibles silvestres, en la mayoría de los casos la información detallada sobre sus puntos de recolección es escasa. Además, las mediciones detalladas de la deposición de 137C mediante la recolección de muestras de suelo en cada punto de recolección requieren mucho tiempo y son costosas. Por lo tanto, el dominador para el cálculo de Tag-137C de plantas comestibles silvestres se ha determinado en varias escalas espaciales, como los niveles de municipio o distrito administrativo más pequeño, escalas promediadas espacialmente calculadas con base en una encuesta de monitoreo aéreo11,16, escalas puntuales obtenidas de información pública datos de monitoreo del suelo disponibles en un punto vecino al área de recolección17, y de una combinación de datos de tasa de dosis en el aire y de monitoreo del suelo disponibles públicamente15. Sin embargo, el efecto espacial sobre la variabilidad del dominador de Tag-137C no se ha evaluado exhaustivamente en varias escalas espaciales, incluida la escala más fina (es decir, escala de puntos). Komatsu et al.16 informaron que la precisión de los valores de Tag-137Cs para plantas y hongos comestibles mejoró en una escala espacial más fina, como lo demuestra una comparación de datos a escala de municipio (más gruesa) y de distrito administrativo (más fina). Además, la preferencia de hábitat de cada especie de planta silvestre comestible es específica de cada especie, como dentro de un bosque, en el margen del bosque y fuera de un bosque, y por lo tanto los datos de deposición de 137Cs promediados espacialmente pueden dar lugar a un gran error en los cálculos de Tag-137Cs. .

Cada planta silvestre comestible formará un sistema de raíces único para adquirir nutrientes de acuerdo con el entorno de crecimiento. Estudios anteriores han aclarado que la diversidad en los sistemas de raíces permite que una planta adquiera agua y nutrientes en ecosistemas de bosques y pastizales18,19,20. La variación en la distribución vertical de los sistemas de raíces puede dar lugar a una dependencia de la profundidad del suelo en la absorción de radiocesio y nutrientes en las especies de plantas21,22,23. Además, la ya conocida distribución vertical de la concentración de actividad de 137Cs, que disminuye exponencialmente con la profundidad en el horizonte mineral24, influiría en esta dependencia. Por lo tanto, el cálculo de Tag-137C utilizando la deposición total de 137C en el perfil del suelo puede no ser necesariamente apropiado para evaluar la transferencia de 137C del suelo a las plantas. Aunque el número de mediciones fue limitado, Kiyono et al.25 informaron que la concentración de 137Cs en brotes de Koshiabura con hojas completamente desarrolladas mostró una correlación positiva más significativa con el inventario de 137Cs en el horizonte orgánico que con el perfil total del suelo. Dado que la concentración de actividad de 137Cs en los brotes de Koshiabura del año en curso disminuye de acuerdo con el crecimiento26, también puede ser necesario confirmar si la dependencia de la profundidad del suelo se aplica a la concentración de 137Cs en yemas con hojas inmaduras.

El objetivo del presente estudio fue aclarar los factores específicos responsables de la variación de Tag-137C entre las yemas de Koshiabura en la etapa comestible y el suelo, especialmente desde dos puntos de vista: la escala espacial y la dependencia de la profundidad de la deposición de 137Cs en el suelo. Se utilizaron tres escalas espaciales (municipio, distrito administrativo y punto de muestreo). Además, se examinó la correlación entre la concentración de actividad de 137Cs en las yemas de Koshiabura y la deposición de 137Cs en cada capa del suelo para investigar la dependencia de la profundidad del suelo. La idoneidad de los métodos para el cálculo de Tag-137Cs para plantas silvestres comestibles se discute con base en las presentes evaluaciones.

La concentración de actividad de 137Cs (Bq/kg FM) en las yemas de Koshiabura en la aldea de Iitate se ha medido desde 2014 y la oficina de la aldea la ha publicado (Fig. 1). Los datos de concentración de actividad de 137Cs se convirtieron utilizando la media geométrica (GM) de 2016 y se normalizaron a 1 para que fueran fácilmente comparables a lo largo del tiempo debido al número de muestra relativamente grande en 2016 (N = 20). Las concentraciones de actividad de 137Cs en cada año se utilizaron para derivar el GM, la desviación estándar geométrica (GSD) y las concentraciones máximas y mínimas (Tabla S1). Aunque el número de muestras es fijo hasta cierto punto cada año, lo que puede ayudar a aumentar la confiabilidad del valor promedio, los datos corresponden a mediciones simples realizadas de manera no destructiva y, por lo tanto, es probable que el error de medición sea grande. El número de muestras llevadas a las instalaciones de inspección pública de la oficina de la aldea siguió aumentando hasta 2018, lo que refleja que la orden de evacuación se levantó en la mayoría de las zonas de Iitate Village a finales de marzo de 2017, pero el número disminuyó considerablemente en 2019 y 2020. Además, la variación en la concentración de actividad de 137Cs fue menor en comparación con la inmediatamente después del levantamiento de la orden de evacuación. La razón de esto no está clara, pero se especula que los residentes locales que han regresado al área pueden dudar en recolectar brotes de Koshiabura porque las concentraciones de radiocesio continúan excediendo el límite regulatorio para la distribución comercial (100 Bq/kg FM), a pesar de la paso del tiempo. Aunque la concentración de actividad de 137Cs mostró una variación sustancial en años distintos de los dos mencionados, no se observó ningún aumento o disminución significativo en el valor promedio. Esta tendencia es consistente con estudios previos que analizaron datos de monitoreo de productos alimenticios silvestres recolectados para autoconsumo en otros municipios15.

Cambio anual en la concentración de 137Cs en yemas de Koshiabura (Eleutherococcus sciadophylloides) informado por Iitate Village. Los datos están normalizados en relación con el valor de la media geométrica del año 2016.

La Figura 2 muestra la relación entre la concentración de actividad de 137Cs en las yemas de Koshiabura y la deposición de 137Cs en el suelo. En la unidad del distrito administrativo de Iitate Village, la concentración de actividad de 137Cs en las yemas de Koshiabura mostró una tendencia a aumentar significativamente con el aumento en la deposición promedio de 137Cs en el suelo, pero esto estuvo acompañado de una variación considerable (p < 0,001, r = 0,42). Los datos de medición en la escala de puntos también se representaron en el gráfico y mostraron una correlación positiva significativa (p = 0,005, r = 0,58) y una tendencia similar a la de la unidad del distrito administrativo.

Relación entre la concentración de actividad de 137Cs en yemas de Koshiabura (Eleutherococcus sciadophylloides) y la deposición de 137Cs en el suelo del hábitat de la planta. Los datos disponibles públicamente se descargaron del sitio web de Iitate Village49.

Los Tag-137C de las yemas de Koshiabura calculados utilizando datos promediados de deposición de 137C por distrito administrativo en cada año mostraron una variabilidad sustancial (Fig. 3), al igual que la concentración de actividad de 137C en las yemas. Este hallazgo indicó que, incluso si las yemas de Koshiabura se recolectaran en sitios con contaminación de suelo similar o en el mismo distrito, se puede esperar una amplia variación en la concentración de actividad de 137Cs. Con respecto a la variación interanual, similar a los resultados de los análisis que utilizan datos disponibles públicamente en otras regiones11,15, los valores transgénicos anuales de Tag-137C no mostraron ninguna tendencia a aumentar o disminuir significativamente. Dado que los datos de un estudio de monitoreo aéreo realizado el 28 de julio de 201227 (decaimiento corregido al 11 de marzo de 2011) se utilizan como datos de deposición de 137C para el cálculo de Tag-137C, esta “ausencia de tendencia” es el resultado de la fuerte influencia de la tendencia de la concentración de actividad de 137Cs en las yemas de Koshiabura que se muestra en la Fig. 1. Aunque se esperaba que la concentración de actividad de 137Cs en las yemas de Koshiabura disminuyera de año en año debido al progreso de la atenuación natural28,29 y la fijación (envejecimiento)30 de 137Cs en En el suelo forestal real no se observó esta disminución. Esto sugiere una transferencia estable y continua de radiocesio desde el suelo a las yemas de Koshiabura mediante la producción y suministro de una cierta cantidad de radiocesio biodisponible.

Cambio anual en el factor de transferencia agregado de 137Cs (Tag-137Cs) de yemas de Koshiabura (Eleutherococcus sciadophylloides) calculado a partir de datos reportados por Iitate Village y la deposición de 137Cs promediada espacialmente en el suelo a escala de distrito administrativo. También se representan los valores de Tag-137Cs calculados a partir de mediciones directas.

La Tabla 1 resume el GM, GSD y Tag-137C máximo y mínimo de yemas de Koshiabura informados en estudios anteriores, incluidos los resultados actuales. En cada estudio, se utilizaron diferentes métodos para obtener datos de deposición de 137Cs en el suelo en los sitios de recolección de yemas de Koshiabura, incluidos valores medios espaciales a escala municipal11 y escala de distrito administrativo15, y valores medidos directamente en el sitio de recolección (el presente estudio). Tagami et al.15 estimaron la deposición espacial promediada de 137C en el suelo de cada distrito administrativo utilizando un método que no dependía de valores promediados espacialmente a partir de datos de estudios aéreos. En cambio, los datos de deposición se calcularon aplicando una ecuación basada en la relación entre los datos medidos del inventario del suelo y la tasa de dosis en el aire, utilizando datos de la tasa de dosis en el aire medidos en cada distrito administrativo en el momento de la recolección de yemas de Koshiabura en el municipio (https://emdb .jaea.go.jp/emdb/). En el presente estudio, se utilizaron para el cálculo los datos disponibles públicamente de Iitate Village (N = 90), que cubren el período posterior a 2016, cuando se redujeron las fluctuaciones en la concentración de actividad de 137Cs en las yemas.

Los valores aproximados de la concentración de actividad de 137Cs en las yemas de Koshiabura pueden estimarse potencialmente comprendiendo el estado de deposición de 137Cs en el suelo, independientemente de la escala espacial. Esto se debe a que los valores de GM están dentro del mismo orden de 10-3 en todas las escalas espaciales. Además, la variabilidad en Tag-137C disminuyó con el estrechamiento de la escala espacial, y el GSD disminuyó de 3,5 a escala municipal a 2,0 o 2,6 a escala de distrito administrativo. Este hallazgo fue consistente con los resultados de Komatsu et al.16. Curiosamente, los valores de Tag-137Cs calculados a partir de datos medidos directamente mostraron una variabilidad similar a los calculados a partir de datos disponibles públicamente para la concentración de actividad de 137Cs en yemas de Koshiabura y su deposición en el suelo en la unidad del distrito administrativo (GSD: 2,6 en la escala de medición local frente a 2,0 o 2,6 a escala de distrito administrativo). Tanto los datos medidos directamente como los datos disponibles públicamente sobre la concentración de actividad de 137Cs en las yemas de Koshiabura siguieron una distribución logarítmica normal en lugar de una distribución normal. La deposición de 137Cs medida directamente en el suelo fue el promedio de los datos medidos de las muestras recolectadas en tres sitios cerca de donde se recolectaron las yemas de Koshiabura. Aunque fue evidente alguna variación en la deposición de 137Cs entre las muestras, no fue necesariamente grande (el máximo, GM y GSD del coeficiente de variación fueron 54%, 18% y 1,7 entre los 22 sitios de recolección de brotes, respectivamente). Por lo tanto, se consideró que los valores medidos reflejaban adecuadamente la deposición real de 137Cs. Además, las diferencias en la proporción de contenido de agua de las yemas de Koshiabura, dependiendo de las condiciones de crecimiento en el sitio de recolección, podrían causar variabilidad de Tag-137C a través de la fluctuación en la concentración de actividad de 137C determinada en base al peso fresco. Se calculó que el GM y GSD para Tag-137C utilizando la concentración de actividad de 137C en peso seco en las yemas era 5,6 × 10−2 (m2/kg) y 2,8, respectivamente. Esto dio como resultado una variabilidad ligeramente mayor en comparación con cuando se utilizó la concentración de actividad de 137Cs en peso fresco. Estos resultados sugirieron que una comprensión más precisa de la deposición total de 137C en los suelos del hábitat de Koshiabura no conduce a la eliminación de la variabilidad del Tag-137C. Por lo tanto, el estado general de contaminación del suelo no necesariamente se refleja directamente en la concentración de radiocesio en las yemas de Koshiabura.

Las Figuras 4a-c muestran la relación entre la concentración de actividad de 137Cs en las yemas de Koshiabura (Bq/kg FM) y la deposición de 137Cs (Bq/m2) en el horizonte orgánico, el horizonte del suelo mineral (desde la superficie hasta 10 cm de profundidad) y la combinación horizontes, respectivamente. Aunque se tomaron muestras de yemas de Koshiabura de tres tipos diferentes de bosques, el análisis de regresión se realizó con los datos agrupados porque la mayoría de las yemas de Koshiabura se tomaron muestras de bosques caducifolios de hoja ancha. Se observó una fuerte correlación entre los inventarios de 137Cs en el horizonte orgánico y la concentración de actividad de 137Cs en las yemas de Koshiabura (r = 0,83, p < 0,001), lo cual fue consistente con estudios previos25,26. Sin embargo, para el horizonte del suelo mineral, no se observó una correlación positiva significativa con la concentración de actividad de 137Cs en las yemas de Koshiabura, a pesar de que su deposición representa del 51 al 97% de la deposición total de 137Cs en el suelo. Por lo tanto, se encontró una correlación positiva débil entre la deposición total de 137Cs en el suelo y la concentración de actividad de 137Cs en las yemas de Koshiabura (r = 0,43, p = 0,05). Este resultado sugiere fuertemente que la cantidad de inventario de 137Cs en el horizonte del suelo mineral puede no influir directamente en las diferencias en la concentración de actividad de 137Cs en las yemas de Koshiabura entre los sitios de muestreo. Sólo para las muestras recolectadas del bosque de cedros, la concentración de actividad en las yemas de Koshiabura pareció estar relacionada positivamente con la deposición total, aunque el número de muestras fue pequeño. Esto probablemente resultó en la deposición total de 137Cs en el suelo reflejando el nivel de contaminación en el horizonte orgánico en el bosque de cedros en comparación con el del bosque caducifolio, como se describe más adelante. Sin embargo, se necesita más investigación con un mayor número de muestras para aclarar esto.

Relación entre la concentración de actividad de 137Cs en yemas de Koshiabura (Eleutherococcus sciadophylloides) y la deposición de 137Cs en el horizonte orgánico (a), el horizonte del suelo mineral (b) y los horizontes combinados (c). Se realizó un análisis de regresión sobre los datos agrupados, incluidos todos los tipos de bosques.

Con respecto a la diferencia en la contribución de los horizontes del suelo orgánico y mineral al aumento de la concentración de actividad de 137Cs en las yemas de Koshiabura, el sistema radicular poco profundo de Koshiabura probablemente tenga un fuerte efecto, como se señaló en estudios previos basados en observaciones de campo31,32. Los autores informaron que la parte subterránea de los árboles Koshiabura de 0,5 a 2,0 m de altura se desarrolló casi horizontalmente, y la mayoría de las raíces principales y laterales se distribuyeron a una profundidad del suelo de 0 a 5 cm en el horizonte del suelo mineral. Si bien se necesita más investigación para dilucidar el mecanismo, es posible que el 137C disuelto de alta biodisponibilidad, generado durante la descomposición de la hojarasca forestal, pueda ser absorbido rápidamente por las raíces de Koshiabura en la parte superficial del horizonte del suelo mineral. En consecuencia, la concentración de actividad de 137Cs en las yemas de Koshiabura puede ser un fuerte indicador del estado de contaminación de la materia orgánica acumulada en ese horizonte en lugar del del horizonte del suelo mineral.

Como factor importante en la alta variabilidad de los Tag-137C, se debe considerar la variación de las propiedades del suelo en el horizonte mineral del suelo, como la capacidad de fijación de radiocesio del suelo y la composición catiónica de la solución del suelo, especialmente las concentraciones de potasio. y amonio33,34,35. Aunque no se midieron los potenciales de fijación de 137Cs en los cuatro sitios de muestreo en el presente estudio, todos ellos tienen suelos de bosque pardo con rocas graníticas como geología superficial36. Por lo tanto, los potenciales de fijación de 137Cs pueden ser altos37 (Yamaguchi et al.38) y tener poca influencia en las diferencias entre sitios en la absorción de raíces por parte de Koshiabura. De manera similar, con respecto a los iones de potasio y amonio en la solución del suelo, aunque no se midieron en el presente estudio, la concentración de iones de amonio suele ser muy baja en comparación con la de los iones de potasio debido a la rápida nitrificación por parte de los microorganismos en la superficie del bosque. suelos. El potasio intercambiable en el suelo (mg K2O/100 g-ds), medido mediante extracción con acetato de amonio 1 M durante 2 h, en los cuatro sitios varió de 59 a 140 en el horizonte orgánico y de 16 a 89 en el horizonte 0-5. cm de profundidad del horizonte del suelo mineral. Con base en el efecto de la fertilización con potasio en la reducción de la absorción de radiocesio por plántulas de ciprés japonés cultivadas en un rodal contaminado por el accidente del FDNPP38, además de la abundancia en el horizonte del suelo mineral, el suficiente potencial de suministro de iones de potasio desde el horizonte orgánico en Es posible que cada sitio no influya en el control de la transferencia de 137Cs a través de la absorción de raíces entre los sitios. Aunque se requiere una investigación y un análisis más detallados para llegar a una conclusión definitiva, estos resultados sugieren actualmente que las propiedades del suelo en el horizonte del suelo mineral no son lo suficientemente variables como para causar la gran variación en Tag-137C en los sitios de muestreo en el presente estudio.

También se cree que la abundancia de 137C en el horizonte orgánico es un factor importante en la variación de Tag-137C, como lo muestra la correlación positiva significativa con la concentración de actividad de 137C en las yemas de Koshiabura (Fig. 4a). Los cambios temporales en la proporción de 137Cs retenidos en el horizonte orgánico con respecto a la deposición total de 137Cs en el suelo se resumieron para cada tipo de bosque con base en los resultados de varios estudios previos y el presente estudio (Fig. 5)24,28,39,40 ,41,42,43. La tasa de retención ha disminuido significativamente con el tiempo, independientemente del tipo de bosque. En promedio, la proporción puede permanecer dentro de un cierto rango (5-15%) con una ligera disminución en el futuro. Sin embargo, los bosques de hoja caduca, que son el hábitat principal de Koshiabura, mostraron una variación significativamente mayor en la tasa de retención (Fig. 5c) durante los 8 a 10 años posteriores al accidente (es decir, nuestro período objetivo para calcular Tag-137C) que bosques de coníferas de hoja perenne (Fig. 5a, b) (prueba F, F = 0,37, p = 0,04). Debido a las diferencias en la facilidad de degradación microbiana, el radiocesio se lixivia más fácilmente de los desechos de madera dura de hoja caduca que de los bosques de cedros44,45,46. La transferencia de radiocesio desde el horizonte del suelo mineral al horizonte orgánico superficial a través de la acción micelial (absorción) es más pronunciada en el bosque latifoliado caducifolio que en el bosque de cedros47,48. Sin embargo, estas actividades microbianas suelen ser espacialmente heterogéneas y están influenciadas por el entorno del suelo del bosque. Se sugiere que estos factores influyen en la acumulación de radiocesio en la materia orgánica en el suelo del bosque de hoja caduca, lo que resulta en una variación considerable en la proporción de 137C retenidos en el horizonte orgánico en relación con la deposición total en el suelo del bosque. Dada la fuerte correlación positiva entre la retención de 137Cs en el horizonte orgánico y la concentración de actividad de 137Cs en las yemas de Koshiabura, la variación sustancial de la relación en los bosques caducifolios de hoja ancha puede causar una amplia variación en la relación entre la concentración de actividad de 137Cs en las yemas de Koshiabura y el 137C total. deposición en el suelo (es decir, Tag-137C), incluso bajo grados similares de contaminación en el suelo en su conjunto. Esto explica por qué no hubo reducción en la variabilidad de Tag-137C cuando se utilizó la deposición de 137C medida directamente en el suelo en el punto de recolección de los brotes, en comparación con el uso de promedios espaciales a escala de distrito administrativo. Si la variación en la proporción de radiocesio retenido en el horizonte orgánico en relación con la deposición total de 137C en el suelo se mantiene en el futuro, comprender el estado real y las tendencias en la contaminación de las yemas de Koshiabura utilizando Tag-137C seguirá implicando una incertidumbre considerable.

Cambios temporales en la proporción de la deposición total de 137Cs en suelo forestal retenido en el horizonte orgánico en bosques de pino, cedro japonés y bosques latifoliados de hoja caduca después del accidente del FDNPP24,28,39,40,41,42,43. La línea discontinua representa la curva aproximada obtenida empleando la función exponencial. El rango ilustrado en gris significa el intervalo de confianza del 95%.

Los resultados actuales sugirieron que comprender el estado de contaminación radiactiva del horizonte orgánico puede reducir la incertidumbre en la determinación de la concentración de actividad de 137Cs de las yemas de Koshiabura. Por ejemplo, basándose en estos hallazgos se podría proponer un nuevo factor de transferencia agregado para la relación entre el inventario de 137Cs en el horizonte orgánico y la concentración de actividad de 137Cs en las yemas de Koshiabura. El valor calculado en el presente estudio fue de 0,075 ± 0,037 m2/kg. Además, la concentración de actividad de 137Cs en las yemas de Koshiabura mostró una fuerte correlación positiva significativa con la concentración de 137Cs en el horizonte orgánico (r = 0,80, p < 0,001). Esto indicó que el factor de transferencia, que representa la relación entre las concentraciones de 137Cs en las yemas y el horizonte orgánico, puede ayudar a determinar la concentración de actividad de 137Cs en las yemas de Koshiabura. Como se ha informado de una variación considerable en los Tag-137C para otras plantas silvestres comestibles13, valdría la pena evaluar indicadores que puedan indicar con mayor precisión la transferencia de 137C del suelo a las plantas silvestres comestibles, basándose en la relación entre la distribución de la raíz sistema de plantas comestibles silvestres y la distribución vertical de la acumulación de 137Cs en el suelo en los hábitats de las plantas.

Los datos de la concentración de actividad de 134Cs y 137Cs de las yemas de Koshiabura con hojas inmaduras, para cada uno de los 20 distritos administrativos, obtenidos de la inspección de especímenes traídos por los residentes de Iitate Village, se utilizaron para evaluar la variación de Tag-137Cs en las yemas de Koshiabura en una escala espacial más fina. que la escala municipal. Los datos se descargaron del sitio web de Iitate Village49. Iitate Village está ubicada aproximadamente entre 40 y 50 km al noroeste del FDNPP (Fig. 6) y ocupa un área de 230,1 km2 con una población de aproximadamente 950 habitantes (6211 en 2010 y 947 en 2022). El pueblo está situado en el centro de las Tierras Altas de Abukuma, donde la elevación oscila entre 220 y 919 m sobre el nivel del mar. El área tiene una cobertura forestal del 75,0%, cifra superior al promedio de la prefectura de Fukushima (71%) y al Japón en su conjunto (69%). La prefectura de Fukushima estableció un sistema para que cada municipio evalúe la radiactividad en las verduras y setas consumidas por los residentes; Iitate Village inició su programa de inspección en septiembre de 2012. Se instaló una máquina de inspección simple (Sonomamahakaru NDA2; Advanced Fusion Technology, Co., Ltd., Tokio, Japón) con detectores de centelleo NaI (Tl) de 5″ × 5″ en los ocho instalaciones públicas. Las inspecciones se llevan a cabo previa solicitud de los residentes.

La ubicación de Iitate Village dividida por distritos administrativos y los sitios de muestreo de yemas y suelo de Koshiabura (Eleutherococcus sciadophylloides) se indican en un mapa de la cantidad de deposición de 137Cs generado a partir del quinto estudio aéreo realizado por MEXT27. Los datos del mapa estadístico que compramos (ZENRIN CO., LTD., Tokio, Japón, https://www.zenrin.co.jp/product/category/gis/contents/statistics/index.html) se utilizaron para dibujar el municipio. división de la prefectura de Fukushima y la división administrativa de Iitate Village. La figura se dibujó en ESRI ArcMap 10.8, que se puede descargar desde el sitio web de ESRI (https://support.esri.com/en/Products/Desktop/arcgis-desktop/arcmap/10-8-2#downloads).

Los datos medidos de concentración de actividad de 134Cs y 137Cs (Bq/kg FM) para las yemas de Koshiabura se han reportado desde la primavera de 2014. A finales de la primavera de 2020 se había acumulado un total de 113 conjuntos de datos. De estos, 102 conjuntos de datos se utilizaron en el presente análisis, excluyendo aquellos para los cuales las proporciones de 134Cs/137Cs estaban muy alejadas de 1,0 después de la corrección de descomposición el 11 de marzo de 2011, y aquellos de árboles que se consideraban trasplantados de bosques de montaña y cultivados en huertos familiares según entrevistas de campo.

En el presente estudio, los Tag-137C para las yemas de Koshiabura se calcularon sobre la base de FM (m2/kg FM). La mayoría de las estimaciones de Tag-137C para productos forestales, como árboles, hongos y bayas, se han evaluado en base al peso seco en estudios anteriores25,50 y en informes internacionales14,51. Las concentraciones de radiactividad en los conjuntos de datos de monitoreo antes mencionados se registraron en base FM (Bq/kg FM), pero no se registró el contenido de agua de las muestras.

Los mismos datos de deposición total de radiocesio obtenidos de los resultados del quinto estudio de monitoreo aéreo del 28 de julio de 2012, realizado por el Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología (MEXT)27 se utilizaron para comparar los resultados de nuestro estudio anterior. en el que se calculó el Tag-137Cs de Koshiabura a escala municipal11. Como en varios estudios previos en zonas boscosas tras el accidente del FDNPP, no se ha detectado una tendencia a una disminución significativa en la deposición de 137Cs24,42, además de la muy limitada escorrentía de una cuenca boscosa52,53. Por lo tanto, solo se utilizó una encuesta sobre datos de deposición para los datos de seguimiento de los alimentos en 2014-2020.

Se calculó estadísticamente un valor de deposición representativo para cada uno de los 20 distritos administrativos en Iitate Village (Fig. 1) utilizando ArcGIS versión 10.8 (ESRI, Inc., Redlands, CA, EE. UU.). El valor medio geométrico de las densidades de deposición se utilizó como valor representativo para cada distrito administrativo porque las densidades de deposición en cada distrito administrativo mostraron distribuciones log-normales en lugar de distribuciones normales.

Para comparar adecuadamente el efecto de la escala espacial de los datos de deposición de 137C en Tag-137C con los datos disponibles públicamente, durante la primavera de 2019 y 2020 se recolectaron yemas de Koshiabura en las mismas condiciones comestibles que las traídas por los residentes locales en Iitate Village y el suelo de su hábitat. en cuatro sitios que difieren en el nivel de deposición de radiocesio después de obtener el permiso de cada uno de los propietarios del bosque (Fig. 6; 13 puntos en el distrito de Sasu y tres puntos en el distrito de Hiso de la aldea de Iitate, tres puntos en el distrito de Yamakiya de la ciudad de Kawamata y tres puntos en distrito de Mukaiyama de la ciudad de Miharu). Las fechas de muestreo se resumen en la Tabla S1. Las muestras recolectadas de yemas de Koshiabura se transportaron inmediatamente al laboratorio y se almacenaron a 4 °C. Después de lavar suavemente las muestras con agua Milli-Q para eliminar las partículas de tierra y absorber la humedad superficial con una toalla de papel desechable, se registró la masa fresca. Todas las muestras se secaron en estufa a 60 °C durante 48 h, se registró el peso seco y las muestras se trituraron. Cada muestra se mezcló bien y se encerró en un recipiente de plástico de 100 ml para medir la radiactividad. Se recogieron muestras de suelo en tres puntos, que representan los vértices de un triángulo regular, situados a 50 cm de un árbol Koshiabura muestreado. La materia orgánica dentro de los marcos (700,7 cm2 de área) se muestreó manualmente. Las capas de hojarasca fresca (capas L), las capas de fermentación y las capas de humus (capas FH) se recolectaron todas juntas y se definieron como el horizonte orgánico. Después de secarlas al aire a 25 °C, las muestras de suelo se pasaron a través de un tamiz de 4 mm después de cortar la hojarasca que no estaba fragmentada y las raíces finas con tijeras, y los fragmentos de corteza de los árboles y las raíces pivotantes se eliminaron manualmente. Se tomaron muestras del suelo mineral dentro de los marcos (353 cm2 de área) con una paleta y se recogieron secuencialmente desde profundidades de 0 a 5 cm y de 5 a 10 cm. Después de secar al aire a 25 °C, las muestras de suelo se pasaron a través de un tamiz de 2 mm.

Para convertir la concentración de actividad en peso seco a partir de las mediciones de radiactividad, una porción del residuo se secó en un horno a 105 °C durante 48 h y se calculó el contenido de humedad.

La radiactividad de cada muestra se midió utilizando un detector de germanio coaxial de alta pureza SEG-EMS GEM 35–70 (Seiko EG&G, Tokio, Japón) utilizando el software Gammastudio (Seiko EG&G). Para calibrar el sistema se utilizaron las fuentes de radioisótopos MX033U8PP (Asociación Japonesa de Radioisótopos, Tokio, Japón) y EG-ML (Eckert & Ziegler Isotope Products, Valencia, CA, EE. UU.). La radiactividad se midió durante hasta 100.000 s, dependiendo de la radiactividad de las muestras. La concentración de actividad de radiocesio (Bq/kg FM) de las yemas de Koshiabura se derivó en función de la FM a partir de la relación entre las masas frescas y secas. Las densidades de deposición de radiocesio (Bq/m2) se obtuvieron combinando inventarios en los horizontes de suelo orgánico y mineral porque el horizonte orgánico todavía contenía cantidades no despreciables de radiocesio.

La etiqueta para el 137C (Tag-137Cs) se calculó porque el 137C tiene una vida media larga (T1/2 = 30,1 años) y, por lo tanto, es adecuado para la evaluación de dosis a largo plazo. La concentración de actividad de 137Cs para todas las muestras y los datos de deposición de 137Cs del estudio en el aire se corrigieron por desintegración hasta el 11 de marzo de 2011. El factor de transferencia agregado (Tag) se calculó de acuerdo con OIEA-TRS 47250.

Como los valores de Tag-137Cs mostraron una distribución logarítmica normal, se aplicó la prueba de correlación de rangos de Spearman para examinar la relación entre la deposición de 137Cs y la concentración de actividad de 137Cs de las yemas de Koshiabura. Se empleó una prueba F para evaluar la importancia de las variaciones observadas en la proporción de 137C retenido en el horizonte orgánico con respecto a la deposición total de 137 C en el suelo en diferentes tipos de bosques. Estos análisis estadísticos de los datos se realizaron utilizando OriginPro versión 2022b (OriginLab Corporation, Northampton, MA, EE. UU.). Se determinó una relación significativa con un nivel de probabilidad de 0,05.

Cumplimos con las directrices y la legislación pertinentes con respecto a la recolección de muestras en el presente estudio. La especie de planta Koshiabura (Eleutherococcus sciadophylloides), en el presente estudio no está en peligro de extinción. Los brotes de Koshiabura en 2019-2020 se recolectaron en Iitate Village, Kawamata Town y Miharu Town después de obtener el permiso de cada uno de los propietarios del bosque y se almacenan en NIES en Miharu Town. No existen ejemplares válidos de materiales vegetales en el presente estudio.

El objetivo de este estudio fue examinar los factores específicos responsables de la variación de Tag-137C en los cogollos de Koshiabura, la planta silvestre comestible más gravemente contaminada con radiactividad después del accidente del FDNPP. Se consideraron dos puntos de vista, a saber, la escala espacial y la dependencia de la profundidad de la deposición de 137Cs en el suelo utilizado para el cálculo.

Cuando se utilizaron datos de estudios aéreos como datos de deposición de 137C en el suelo, la variación de los valores de Tag-137C tendió a reducirse mediante el uso de datos promedio más limitados espacialmente a escala de distrito administrativo en lugar de a escala municipal. Sin embargo, cuando se utilizó la deposición de 137Cs medida directamente en el suelo, no se observó ninguna reducción en la variabilidad en comparación con el uso de datos promediados espacialmente a escala de distrito administrativo.

La relación entre la concentración de actividad de 137Cs en las yemas de Koshiabura y la deposición de 137Cs en cada horizonte del suelo de su hábitat reveló que el inventario de 137Cs en el horizonte orgánico mostró una correlación positiva significativa con la concentración de actividad en las yemas en lugar del horizonte mineral a una profundidad de 10 cm, que tenía un inventario de 137Cs mucho mayor. Esto probablemente se debe a la alta biodisponibilidad del 137C en la materia orgánica y a que las finas raíces de Koshiabura se distribuyen principalmente en la capa superficial del suelo.

La marcada variación en la relación entre el inventario de 137Cs en el horizonte orgánico y la deposición total del suelo, especialmente en los bosques caducifolios de hoja ancha que habita principalmente Koshiabura, debe ser la causa de la amplia variación en los valores de Tag-137Cs de las yemas de Koshiabura cuando se calculan. del total de 137Cs depositado en el suelo.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles a través de los autores correspondientes previa solicitud razonable.

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Los autores agradecen a A. Takahashi y A. Tanaka del Instituto Nacional de Estudios Ambientales (NIES) por su apoyo con el trabajo de campo y de laboratorio. Los autores también agradecen a K. Sasaki y K. Kanno por permitirnos realizar la investigación en el bosque sobre sus propiedades. Agradecemos a Robert McKenzie, PhD, de Edanz (https://jp.edanz.com/ac), por editar un borrador de este manuscrito.

Esta investigación fue financiada por una subvención para investigación científica (KAKENHI) (subvención n.º 18H04141).

Centro Regional de Investigación Colaborativa de Fukushima, Instituto Nacional de Estudios Ambientales, 10-2 Fukasaku, Miharu, Fukushima, 963-7700, Japón

Seiji Hayashi, Seiichi Takechi y Masaru Sakai

Instituto Nacional de Estudios Ambientales, 16-2 Onogawa, Tsukuba, Ibaraki, 305-8506, Japón

Mirai Watanabe, Masami Kanao Koshikawa, Mai Takagi y Masanori Tamaoki

Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada, 1‑1‑1 Higashi, Tsukuba, Ibaraki, 305‑8567, Japón

momo takada

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SH: concepción y diseño del trabajo, recolección de los datos de campo, análisis de los datos y redacción del manuscrito principal. MW: concepción y diseño del trabajo y toma de datos de campo. MKK: recogida de datos de campo y medición de radiactividad. MT: recogida de datos de campo y análisis de datos. ST: recogida de datos de campo y medición de radiactividad. MT: recogida de los datos de campo. MS: recogida de datos de campo y análisis de datos. MT: concepción y diseño del trabajo y toma de datos de campo. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Seiji Hayashi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Hayashi, S., Watanabe, M., Kanao Koshikawa, M. et al. Explicación de la variación en el factor de transferencia agregado de 137Cs para plantas comestibles silvestres como un estudio de caso en yemas de Koshiabura (Eleutherococcus sciadophylloides). Representante científico 13, 14162 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41351-7

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Recibido: 18 de junio de 2023

Aceptado: 24 de agosto de 2023

Publicado: 29 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41351-7

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