Arv fra den kolde krig:Undersøgelse af cæsium-137 i amerikansk honning

Arbejdet, der begyndte i 2017 som en forårsopgave for medlemmer af et William &Mary freshman-seminar, blomstrede uventet ud i en seriøs undersøgelse af tilstedeværelsen af ​​en radioaktiv isotop i honning i det østlige USA.

Isotopen er cæsium-137, et levn fra atombombeforsøg udført under den kolde krig. Jim Kaste, en lektor ved universitetets geologiske institut, rapporterer, at 68 af 122 honningprøver fra Maine til Florida viser varierende mængder af cæsium-137.

Cæsium-137 forurening af fødevarer gav anledning til bekymring efter de nukleare hændelser i Tjernobyl og Fukushima, men Kaste sagde, at niveauerne af cæsium-137, han har fundet i honning, er langt under de niveauer, der fik myndighederne til at trække fødevarer fra markedet efter disse atomkraftkatastrofer.

"Jeg forsøger ikke at fortælle folk, at de ikke skal spise honning. Jeg fodrer mine børn med honning, " sagde Kaste. "Jeg spiser mere honning nu, end jeg gjorde, da jeg startede dette projekt."

Forskningen blev offentliggjort i "Bomb ¹³⁷ Cs i moderne honning afslører en regional jordbundskontrol på planters kredsløb af forurenende stoffer, " i journalen Naturkommunikation . Medforfattere er Andrew J. Elmore fra University of Maryland Center for Environmental Science og Paul Volante '20, som var medlem af COLL 150-seminaret, der afslørede fænomenet.

En flertrinshypotese

Kaste tilbyder en flertrinshypotese om, hvordan cæsium-137 flyttede sig enorme afstande – selv krydsede Stillehavet – for at ende i honningkrukker fra bistader på USAs østkyst. Hypotesen adresserer også, hvorfor cæsium-137 har en tendens til at dukke op i nogle områder mere end andre.

Cæsium-137 er et biprodukt af uran-plutonium fission, en del af nedfaldet fra H-bombetesteksplosioner udført af USA og Sovjetunionen på steder lige fra New Mexico og Nevada til Marshalløerne og den russiske arktiske øgruppe Novaya Zemlya. Bombetestene varierede i størrelse og Kaste sagde, at det er umuligt at bestemme den præcise bombe, der producerede cæsium-137 fundet i nogen region. endsige nogen bestemt krukke med honning.

"Men vi ved, at cæsium-137-produktionen fra Stillehavet og russiske steder var mere end 400 gange produktionen af ​​New Mexico og Nevada-eksplosionerne, " sagde han. "En enkelt russisk bombe, tsarbomben, var mere end 50 gange stærkere end alle Nevada- og New Mexico-testene tilsammen."

Kaste forklarede, at det, der ikke faldt til jorden i nærheden af ​​teststederne, drev højt i atmosfæren - og ind i stratosfæren i tilfælde af de større eksplosioner. De fremherskende vinde bar cæsium mod øst, indtil isotopen blev bragt til jorden af ​​den rigelige nedbør i det østlige USA.

Kastes undersøgelse af enkeltkildehonning viste nogle tendenser. For eksempel, honningprøver fra Virginia Piemonte var praktisk talt cæsiumfrie. Til sammenligning, honning fra North Carolina sydpå viste almindeligvis tilstedeværelsen af ​​cæsium-137. Florida honning var især "hot".

Cæsiumniveauer blev blandet fra Virginia nord, - men nysgerrigt, begyndte at dukke op igen i Maine.

"Jeg talte med en biavler i Maine, og han fortalte mig, at de sender deres bistader sydpå til vinteren, " sagde Kaste. "Maine bliver for kold til bier."

Det er jordens kemi

Da cæsium blev bragt til jorden af ​​nedbør, det ville give mening, at områderne med den største årlige nedbør ville have tendens til at producere cæsium-snøret honning. Men sådan var det ikke. Hemmeligheden bag cæsium-honning-forbindelsen, samarbejdspartnerne fandt, var i jordkemi, især kaliumindholdet.

Forskerne plottede deres honningprøver oven på et kort, der viser kaliumniveauer i hvert amt. De fandt en bestemt og omvendt sammenhæng:cæsiumsnøret honning kom fra jord med lavt kaliumindhold, såsom dem, der er fremherskende fra Carolinas og nedefter.

"Kalium er et vigtigt næringsstof for planter, " sagde han. "Og kalium- og cæsiumatomer ligner meget hinanden."

Planter, der ledte efter kalium, optog cæsium, Kaste forklarede, tilføjede, at substitutionen ikke skete, hvor jorden var kaliumrig. Men i jord med lavt kaliumindhold, planterne optager det, der ser ud til at være det næstbedste, føre det videre gennem nektar til bierne. Bierne biomagnificerer cæsiumet i honningfremstillingsprocessen.

Honningsonden havde sin oprindelse i GEOL 150:Radioactive Pollution. Kaste sagde, at han indså, at hans elever – og måske endda forældrene til hans elever – ikke havde nogen erfaring med atombombeangst, bombetestene og de efterfølgende Civilforsvarsøvelser.

Han udtænkte en praktisk demonstration for at vise klassen, at atombombealderen dvæler ved – i vores mad. Han gav eleverne en forårsopgave:bringe noget lokalt produceret mad tilbage.

Eleverne vendte tilbage med en række forskellige fødevarer fra forskellige steder. Æbler, ahornsirup, pekannødder, humle. Paul Volante stedfortræder for en kammerat for at bringe citrusfrugter tilbage fra Florida:"Jeg har betalt for appelsinerne."

Seminarmedlemmer brugte Kastes gammadetektor til at teste deres fødevarer for tilstedeværelsen af ​​cæsium-137. Kaste resultaterne var lærerige, "en snert af cæsium her, en snert af cæsium der, " indtil en prøve viste tilstedeværelsen af ​​isotopen i niveauer mere end 100 gange de andre. Den kom fra en krukke med honning fra et landmandsmarked i North Carolina.

"Jeg målte det igen, fordi jeg troede, at der skete noget med beholderen, eller min detektor var gal. Jeg gengav målingen. Og det var, igen, 100 gange varmere end nogen af ​​disse andre fødevarer."

Honningsøgningen begynder

Kaste indledte en honningsøgning over store dele af det østlige USA, støttet af en Joseph J. Plumeri Award for Faculty Excellence og finansiering fra William &Mary Office of the Provost. Han satte Paul Volante på jobbet.

"I bund og grund, Jeg startede med bare at finde honningproducenter, " sagde Volante. "Jeg var nødt til at bekræfte, at de var lokale, små honningproducenter. Og så ville jeg maile dem. Vi ville bestille det, og når det kom her, så plejede vi at hælde det i denne 150-milliliter petriskål."

Volante kom ind i stueetagen af ​​honningprojektet som nybegynder og blev med det gennem sine fire år hos William &Mary og videre. Efter endt uddannelse, Volante blev ansat som tekniker i Institut for Geologi; han forbereder sig nu på at tage en ph.d. program i Penn State. Han har dobbelt hovedfag i geologi og kemi, en kombination, som han siger, tjente ham godt i hans søgen efter et doktorgradsprogram.

"Det er en Ph.D. i geovidenskab, " sagde han. "Det er virkelig geokemi - at anvende kemi i en geologisk sammenhæng."

Hans notering som medforfatter på et papir i Naturkommunikation skadede ikke hans ansøgning til Penn State, enten. Volante skiftede problemfrit fra en deltager i det førsteårsseminar til laboratoriesamarbejdspartner til medforfatter.

Tingene blev klæbrige, da honningen ankom til gamma-laboratoriet. Volante stødte på de samme problemer, som honningbrugere støder på derhjemme:at hælde det pænt ud uden at få honning over alt. Han udviklede en teknik, der mindskede rodet.

"Ærligt talt, hvad der virker for mig er dette:Fordi honningen er så tyktflydende, når du begynder at hælde det, der er en forsinkelse, " forklarede han. "Når du hælder vand, det hele går bare med det samme. Men honningen halter så meget, at du kan begynde at hælde den op, så lav et lille flip."

Når først honningprøven er sikkert i petriskålen, den går ind i gammadetektoren i et par dage. Detektoren logger interaktioner af gamma-partikler, der udsendes, når cæsium-137 henfalder.

Volante arbejdede sammen med Kaste gennem sine bachelorår hos William &Mary. Han fokuserede sin senior æresafhandling på en beslægtet isotop, americium-241. Kaste forklarede, at americium-241 er en "plutoniumdatter" og et produkt af bombefission, ligesom cæsium-137.

"Americium-241 er nogenlunde overalt, " sagde Kaste. Det er i lavere koncentrationer end cæsium. Men det bliver ikke optaget af planter, så americium-241 ender ikke i honning."

Planternes ligegyldighed over for americium-241, kombineret med isotopens halveringstid på omkring 400 år, gør det værdifuldt for Volante og andre miljøgeologer, der er interesserede i at datere sediment, sagde Kaste.

Det dominerende strålingsforurenende stof

Men han tilføjede, at cæsium-137, med en halveringstid på omkring 30 år, forbliver den dominerende form for ioniserende strålingsforurening i miljøet selv 60 år efter, at bombetestene sluttede. Og Kaste påpegede, at de dominerende kilder til cæsium-137-forurening i det østlige USA er disse bombetests, ikke ulykker med atomkraftværker.

Nature Communications-avisen bemærker, at infiltration af cæsium-137 i den menneskelige kost har været et spørgsmål om bekymring i nogen tid:Kaste sagde, at den amerikanske regering gennemførte omfattende test af mælk for tilstedeværelsen af ​​cæsium-137 og andre radionuklider fra den kolde krigs æra. frem til 1980'erne. Han sagde, at han fandt optegnelser over mælketestningen, som konsekvent viste højere niveauer af forurening i prøver fra Florida.

Der er ingen registreringer af, at mælk er blevet fjernet fra markedet for høje cæsium-137 niveauer, Kaste sagde, gentager, at hans honningundersøgelser ikke bør give anledning til bekymring for konsum. Men insekter kunne være en helt anden sag.

"Det, vi ser i dag, er en lille del af den stråling, der var til stede i 1960'erne og 1970'erne, " sagde han. "Og vi kan ikke med sikkerhed sige, om cæsium-137 har noget at gøre med sammenbrud af bikolonier eller nedgang i befolkningen."

Kaste sagde, at han håber, at honningarbejdet illustrerer den lange levetid for miljøforurenende stoffer, især de ofte uforudsigelige måder, hvorpå forurenende stoffer kan cirkulere gennem miljøet. Cæsium-137, han sagde, er et "arv forurenende stof, "At følge os som nukleart forfald halverer dets tilstedeværelse hvert tredje årti.

Det er en langsom bevægelse mod et virtuelt forsvindingspunkt, han tilføjede, medmindre en anden fissionsbegivenhed introducerer en anden dosis af isotopen i miljøet.

Har du nældefeber?

Geolog Jim Kaste leder efter mere honning for at teste for tilstedeværelsen af ​​cæsium-137. Hans krav:

• Single-source honning, ikke en blanding.
• Info om planter, der gennemses af bier.
• GPS/længde-breddegrad for bistader.

Kontakt ham på [email protected]