放射性核素可以通过生物的吸收从土壤向生物内富集, 并通过食物链向动物和人体内转移, 人食入含放射性核素的生物组织后, 核素将残留在人体内, 并通过内照射对人体产生一定的辐射效应。对开展个人辐射防护来讲, 一个重要的方面便是了解土壤中放射性核素向生物的转移的量和相应的减少转移量的方法。笔者简述了几年来对核素土壤-生物体转移的研究的现状。
1 放射性核素的来源及其通过食物链对人的影响环境放射性按其来源可以分为天然和人工两大类。天然放射性的来源有二, 一为地球本身的所谓原生放射性核素, 即238U、235U和232Th为起始元素的三大天然衰变系列; 二为来自宇宙空间的宇宙射线及其宇生放射性核素。除上述的三个天然系列核素以外, 还有20多种单个存在的非系列性天然放射性核素, 比较重要的是40K和87Rb。人工放射性的来源有①核试验沉降。②核燃料循环和核能产生。③放射性同位素生产和应用。④以核为燃料的太空飞行器或舰船事故。其中对环境放射性贡献较大的有裂片核素137Cs、90Sr及超铀核素241Am、239、240Pu。137Cs主要来自于核试验, 在欧洲、中东及北美的部分地区, 137Cs的短期增加主要是由于1986年的切尔诺贝利核电站事故造成的[1]。
土壤中的放射性核素, 无论是天然的还是人工核素, 都与土壤的成分结合在一起。核素从土壤向生物的转移主要是通过沉降和根吸收两个途径。人可以通过食用动植物以及可食真菌从而把放射性核素吸收入体内。William L Robison等人[2]对1954年美国原子弹核爆地点比基尼环礁的土壤中137Cs向当地种植物转移过程研究发现, 当地居民受到的90%的辐射剂量是食用含有137Cs的植物造成的, 而这些137Cs均是通过植物的吸收作用从土壤向植物体内迁移的。
2 放射性核素向生物的转移的评价指标-转移因素(TF)转移因素(TF)的定义是植物体内的主要核素在植物体内的含量(pCi/g或Bq/kg干重)和土壤中对应核素的含量(pCi/g或Bq/kg干重)的比值。其生物学意义代表着植物根的吸收系数或是核素从土壤向真菌等分解者体内的富集程度。对于不同的核素其TF值不同, 而即使对于同一种核素, 其TF受多方面因素的影响, 主要有①核素在土壤中的时间。②土壤的性质, 包括pH值、矿物质和颗粒组成和有机质含量。③土壤中的种植物对TF值也有一定程度的影响[3]。IAEA和美国EPA都对各种核素都有相应的默认TF值(见表 1)[4]。但应指出的是这是一个默认的相对数值, 它没有把与TF值相关的条件明确定义。TF值研究较多的核素有Cs、Sr、Mn、Zn、Po、Pb、Th、U和40K, 其中137Cs在辐射生态学中最受重视, 其主要因素可能和137Cs的长半衰期(30.2a)及较强的生物活性有关[3]。
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表 1 美国EPA常见核素土壤-生物转移因素值(TF value) |
M.Al-Oudat等人[5]连续三年对干燥土壤中生长的橄榄树、杏和葡萄三种植物对137Cs和90Sr的吸收程度进行了研究。90Sr的TF值显著高于137Cs的TF值, Cs在橄榄树、杏和葡萄中的TF值分别为0.007、0.095和0.0023;Sr的TF则相对应为0.093、0.13和0.08。Sr通过植物的根吸收进入植物体内的量是相当有限的, 大部分植物体内的Sr主要是沉降在植物的叶片上。在实验中, 收获季节的橄榄、杏和葡萄新鲜树叶中Sr的TF值分别是果实中值的4、9和17倍, 同样的情况也出现在新鲜枝干和果实的TF比值中, 新鲜橄榄、杏和葡萄枝干的TF值为各自果实的3、11和12倍。M.Al-Oudat等人同时还对用橄榄直接榨取的新鲜橄榄油中Cs和Sr的含量进行了检测, 发现Cs和Sr在橄榄油中的TF与果实TF相比要小很多。对于Cs来说, 其在橄榄油中的TF是可以忽略不计的, 其值在0.00066至0.0016之间, 浓度从观察第一年的9Bq/kg降至第三年的4Bq/kg。对放射性核素在植物组织的聚集, 不同的核素在植物组织的分布上存在差异, 同一种核素在不同种类植物的组织分布是有一定规律的。90Sr主要分布在植物的营养器官; K在生物体内分布于植物的生长部分, 主要以可溶的离子形式存在; 与K同族的Cs也主要分布在植物的生长部分。J.J.Wang等人[6]对台湾地区生长的水稻中Sr和Cs的转移因素值研究得出, 水稻中51%的Sr分布在植物的叶中, < 2%的Sr分布在糙米和精白米中, 水稻壳中的Sr含量是米中的17倍; Cs在植物中的分布相对平均, 其中叶轴和花轴处含量最高, 为19.8%, 其次为粗稻谷壳(18.4%)和精稻谷壳(14.4%), 分布在糙米和精白米的137Cs的比例分别为7.4%和5.3%, 远高于90Sr, 这可以证明Cs主要分布在植物的生长器官, 而Sr主要在叶等营养器官。90Sr在精白米中的TF为0.037, 而Cs为0.097。稻谷壳中Cs和Sr的TF均比大米要高, 精白米中的核素含量是所有植物组织中最低的。
4 研究土壤中实际核素转移的评价指标——有效转移因素(ATF)传统的土壤-生物核素转移一般运用TF值进行比较, 但从土壤方面来考虑, 传统TF值存在着两方面的不足之处。其一是土壤的内容未明确定性, 土壤放射性活度是表层土还是深层土或是全部土壤的放射性活度未明确指出; 其二是土壤中的部分核素, 如40K与土壤紧密结合, 其核素不是100%可以进行生物转移的。A.Baeza和J.Guillen等人[7]在对多种微量元素从土壤向真菌的转移研究中, 引入了ATF这一概念。把采样所得到的土壤经1M的NH4OAc离子交换、1M HCl弱酸交换, 6M HCl强酸提取后余下的土壤经过γ探测所得到的就是土壤中剩余的核素量。AF (%)=100-强酸提取中核素的比例(%)-余下的土壤中核素的比例(%)。
ATF (available transfer factor)是指生物体内的核素的活度与土壤中未与土壤颗粒紧密结合的核素(即可转移的核素)活度的比值。
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A.Baeza和J.Guillen等人对137Cs, Th, U, 241Am, 239、240Pu, 90Sr, 226Ra, 40K的研究发现, 在缺乏有机质, 酸性多沙的花岗岩来源土质中生长的真菌, 对于Th, U, 传统的TF值是相当低的, 但考虑到这两种元素可转移的成分在土壤中相当微量, Th元素中可转移含量最高的232Th, 其转移量也不过为所有土壤中232Th含量的(0.61 ±0.07)%, 其ATF值就可以达到相当可观的102数量级。
5 减少植物吸收土壤中放射性核素的方法有效减少生物对人工放射性核素的吸收从而达到减少对人类的辐射效应的方法有二, 一为转移土壤中的放射性核素; 二是减少生物从根部对放射性核素的吸收, 后者又分为①使核素与土壤紧密结合, 从而减少其可转移的核素含量; ②使用盐水灌注土壤; ③多次种植收割[2]。
吸附是土壤中影响放射性核素迁移的最重要的物理化学过程。William L Robison等人[2]对马绍尔群岛比基尼环礁的137Cs从土壤向种植物的转移中发现, 低浓度的土壤K含量和珊瑚礁天然缺乏粘土质是造成137Cs大量向植物组织转移的原因, 运用大量的K肥可以有效地抑制植物对土壤中的放射性核素137Cs的吸收。钾肥可以被雨水溶解并被植物的根组织吸收, 137Cs和K会竞争性的被植物吸收, 从而有效地减少植物对137Cs的摄取。一年或两年大量使用K肥(1 000~2 000kg/公顷)后, 即使停止使用, 仍可以使当地的种植物对137Cs的吸收保持在一个相对较低的水平(5%~10%实验前摄入量)平均达2.5a以上的时间, 最长的椰子树保持了3%~5%的低137 Cs摄入到8a, 通过这个方法可以达到提早受放射性核素影响地区的人口回住的时间。使用钾肥减少137Cs吸收的作用机理是因为植物吸收137Cs主要受内部K含量和土壤中137Cs/K的比值决定的。试验组椰子树的K肥使用量是对照组的4.8倍, 而试验组茎和叶中的K含量分别是对照组的5.6和5.3倍, 说明在使用大量钾肥后, K在植物的主要的营养器官(茎和叶)中大量累积, 提高了植物内部的K的含量, 减少了植物对土壤中的Cs的吸收和流入。Smolder等人[8]对培养液中的植物吸收Cs的研究表明, 添加Ca2+和Mg2+到培养液中, 亦可以有效地减少植物对Cs的吸收。
F-I.Chou等人[9]对六种在台湾地区生长的植物的研究中发现, 137Cs在两种常见绿肥---苜蓿和油菜的TF值比四种常见植物---菠菜、莴苣、卷心菜和萝卜的TF值要高。六种植物中, 油菜最高(~0.5), 最低为菠菜(< 0.2)。用油菜检测土壤中钾含量增加对137Cs吸收的影响, 发现试验组TF值(土壤K含量372mg/kg)比对照组(土壤K含量183mg/kg)的TF值要明显降低, 对四份土壤(两份对照, 两份试验)连续50d施以自来水和含100ppmK的溶液(相当于施加普通化肥后植物每天吸收的K的含量), 对照组中每天施加自来水的油菜TF值最高, 为1.18, 而实验组中每天施加K溶液的油菜TF值最低, 为0.28。这说明适当的土壤中高钾可以限制植物对137Cs的吸收, 而某些植物可被用来富集消除土壤中的污染核素。
6 脉管植物和无脉管植物对核素吸收的比较A.T.Ramli等人[10]对马来西亚的高本底地区Palong土壤中核素238U和232Th向多种植物的转移中发现, 在干苔藓中, 238U的含量(0.445mg/kg干重)分别是238U在草和油棕榈中含量的17倍和31倍; 而232Th的含量(2.36mg/kg干重)分别是草和油棕榈中含量的23和157倍。A.Baeza和J. Guillen[7]等人所测得的西班牙森林蘑菇中的U和Th的TF值在10-2到10-1的区间内, 比美国EPA的U(0.0025)和Th (0.001)均明显高出一至两个数量级。这说明真菌、苔藓等无脉管植物具有重金属富集的特点, 可以被用作很好的环境放射性指示物, 用来监测环境的放射性水平。
7 结束语土壤和植物中的放射性核素含量是重要的环境监测指标。虽然天然放射性核素保持在一个相对稳定的水平, 但是随着人类核爆及太空飞行器的事故的发生, 环境中的人工核素的种类和含量会不断变化和增加。对土壤中放射性核素和陆生植物体的放射性核素监测, 可以提供环境本底辐射参数, 并对其产生的辐射剂量进行评估。对已受到放射性核素污染的地区, 为避免人类因食物链摄入放射性核素, 可以采取一些措施降低植物对核素的吸收, 确保人类不会因为食用含过量的放射性核素的植物而受到内照射和辐射损伤。
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