镧系元素(Lanthanide)包括元素周期表中原子序数57 ~ 71的15个元素。除钷为人工放射性元素外, 其余14个都存在于自然界。狭义的稀土即指镧系元素, 镧至铕被称为轻稀土(或铈组)元素, 钆至镥为重稀土(或钇组)元素^[1]。我国稀土资源丰富, 储量约占世界80 %, 产量占世界一半。由于其在工、农和医药卫生广泛应用, 特别是稀土肥料长期施用引发的与环境密切相关的残留和积累问题越来越引起人们关注^[2]。系统准确地研究稀土元素在生态系统中迁移、转化和环境效应和人体健康影响日益受到重视^{[3, 4]}。辐射防护领域对镧系元素的重视是因为它包括不少重要人工裂变产物放射性核素, 如¹⁴⁴Ce、¹⁴¹Ce、¹⁴⁷Pm和¹⁴⁰La等, 特别是¹⁴⁴Ce和¹⁴⁷Pm裂变产额高, 当混合裂变产物放置后活度在总活度贡献增高, 是核爆炸或反应堆事故主要污染因素之一。人体元素和化学类似元素定量研究信息是放射性核素生物动力学模型的最重要资料来源。镧系元素迄今少有人体直接资料, 其生物动力学模型和参数只能根据类似的锕系元素Pu和Am人体或动物数据导出^[5]。在特定国家或地区正常条件下, 土壤天然放射性核素浓度和公众膳食组成相对稳定, 当地长住居民器官组织中天然放射性核素负荷量及所致内剂量与土壤浓度、膳食摄入量保持相对平衡或稳定关系^[6], 对微量元素也应是如此。

本文依据我们近年来完成的我国成年男子14种镧系元素膳食摄入量和人体主要器官组织负荷量水平研究结果^[7], 结合全国土壤元素背景值资料^[1], 探讨镧系元素从我国土壤经膳食向成年男子关键器官和全身的转移及其人体主要器官组织分布。

1 材料和方法

采样、测定和数据处理方法在新近报道中已有介绍^[7], 这里仅就其转移和分布研究应用予以补充。

1.1 资料依据

1990年全国总膳食研究, 按国际规范首次将我国划分为四个膳食类型地区, 为我国膳食营养质量和污染的长期监测奠定基础^[8]。我们就在这四个不同膳食类型地区, 完成了两项国家自然科学基金课题《中国参考人元素摄入量和主要器官、组织负荷量研究》。前一课题报道过42种元素(包括La、Ce和Eu)膳食摄入量和31例尸体器官、组织负荷量结果^{[9, 10]}。后一课题补充采集21例尸体10种器官、组织样品, 重点研究了镧系元素, 首次测定了我国膳食12类食品和52例尸体10种器官、组织样品中其余11种镧系元素浓度, 汇总发表了14种镧系元素膳食摄入量和器官、组织负荷量结果^[7]。全国30个省、市、自治区开展的我国土壤环境元素背景值研究也包括这些镧系元素^[1]。这些结果为本文转移和分布研究提供了较完整的可用依据。考虑这些微量元素浓度不符合正态分布, 中位数比算术均值能更好表示集中趋势和代表值, 本文尽量采用中位数作为代表值。

1.2 元素浓度测定方法

各种食物和器官、组织样品除La、Ce和Eu采用仪器中子活化分析测定外, 其余元素都用电感耦合等离子体质谱法测定^[7]。

1.3 全身负荷量估算方法

考虑到本文所测定10种器官组织已占体重62 %, 并包括主要蓄积器官骨骼和肝, 肺组织测定结果会受吸入尘土影响, 为估算人体全身负荷量, 假定其他未测定软组织或器官与已测软组织或器官(肝和肺除外)镧系元素平均浓度相同, 就可由已测软组织或器官元素浓度和参考人相应器官组织重量按式(1)计算出该元素在未测定软组织或器官中平均浓度, 并按式(2)大致估算出元素全身负荷量。

(1)

(2)

式中, B_b、B_d、B_d1和B———分别为骨骼、所测软组织或器官(肝、肺除外)、所测定软组织或器官(包括肝和肺)及全身元素负荷量, g;

C_u———本次未测定软组织或器官中元素平均浓度, g kg^-1;

W_d、W_u———分别为中国参考人对所测各软组织或器官(肝、肺除外)和未测定软组织或器官重量推荐值, kg^[11]。

1.4 转移模式和分异评价方法

UNSCEAR报告书沿用环境隔室转移模式描述释入环境人工放射性核素的陆地环境转移, 其基本参数是转移系数P_ij。其2000年报告书指出: “在大多数情况下, 委员会侧重评价环境中天然存在核素和人工实践或事件释放所致平均年剂量。因此, 使用转移系数或平衡模式就足够了, 不需使用复杂的时间相关剂量模式”^[12]。这表明微量元素同样可采用这种转移模式, 本文采用了图 1所示转移模式和转移系数定义。膳食摄入量是膳食组成和食品浓度综合反映, 代替食品浓度更为合理和有较好可比性。关键器官或全身负荷量是可分析量, 表达人体隔室更为确切。

P₂₃———该人群元素膳食摄入量与土壤中浓度之比, I/C, g a^-1/g kg^-1;

P₃₄———该人群元素关键器官(或全身)负荷量与膳食摄入量之比, Q_C或Q_B/I, g/ga^-1;

P₂₃₄———该人群元素全身(或关键器官)负荷量与土壤中浓度之比, Q_C或Q_B/C, g/gkg^-1。

不同镧系元素在环境转移中能力差异(即分异)在地球化学中最早重视, 现已扩展应用到生物界。通常用轻、重稀土组总值之比(LREE/HREE)或元素La与Lu结果之比(La/Lu)表达轻、重稀土的分异^[1]。考虑前者是两组元素结果综合反映, 本文采用为分异评价指标。

2 结果和讨论 2.1 镧系元素从我国土壤向成年男子膳食和关键器官及全身的转移

镧系元素的关键器官为骨骼和肝脏。现依据我国镧系元素全国土壤背景值(C土)、年摄入量(I)和成年男子骨骼、肝脏及全身负荷量(QC或Q_B), 分别计算各镧系元素从土壤经膳食摄入量, 进而向关键器官和全身转移系数P₂₃、P₃₄或P₂₃₄, 列于表 1。

对表 1结果可作如下讨论:

(1) 镧系元素从我国土壤经膳食向全身总转移系数为2.44×10^-2g/gkg^-1。其中, 从土壤向膳食为0.131 ga^-1/gkg^-1, 膳食向全身为0.176 g/g a^-1。表明镧系元素从膳食向全身总转移系数比土壤向摄入量食高, 从摄入量向骨骼转移系数比向肝脏的高一个数量级。

(2) 镧系元素摄入量仅比土壤浓度的LREE/HREE稍大些, 表明在这转移过程轻稀土组稍有富集, P23的LREE/HREE稍大于1支持这一点。我国膳食以植物性食物为主, 本文结果一致于文献从土壤向植物转移中轻稀土富集的报道^[1]。

(3) 两关键器官或全身负荷量约为摄入量或土壤浓度LREE/HREE的两倍, 表明在这转移过程分异的总趋势为轻稀土组较大富集。从摄入量向骨骼或全身负荷量转移系数P₃₄的LREE/HREE约为P₂₃的两倍也支持这结论。

(4) 镧系元素从摄入量向骨骼转移系数P34的LREE/HREE大于1, 而向肝脏的小于1, 表明在这一转移中轻稀土相对趋于骨骼沉积、而重稀土趋于在趋于肝脏沉积。这种分异差异与文献报道^[4]一致。

(5) 我国镧系元素膳食摄入量、关键器官或全身负荷量估算值与我国土壤背景值都符合奥多-哈尔金斯规则, 即原子序数为偶数的元素丰度值比相邻两个原子序数为奇数的元素丰度值要高^[1], 表明该系元素之间性质很相似, 向人体转移过程未发生大的分异。

2.2 我国成年男子不同镧系元素器官组织负荷量的分布

按本研究器官、组织中负荷量估算值和所计算的全身负荷量, 计算出各镧系元素在这些器官、组织的相对分布, 见表 2。由表 2可见, 镧系元素在我国成年男子10种器官、组织中负荷量相对分布以骨骼最高(36.5 %), 其后依次为肌肉(25.6 %)、肺(8.8 %)和肝(2.7%), 其余器官、组织均不大于1.0 %。在这些分布较多的器官、组织中, 肌肉和肝的LREE/HREE分别为1.14和1.17, 而骨骼和肺则相应为0.82和0.83, 表明轻稀土组在肝和肌肉分布大于重稀土组, 而在肺和骨骼分布小于重稀土组。

本文依据近年完成的我国成年男子14种镧系元素膳食摄入量和相同地区尸体主要器官组织负荷量水平研究结果, 结合全国土壤元素背景值, 获得了从我国土壤经膳食向成年男子关键器官和全身的转移系数及其在人体10种主要器官组织分布及轻、重稀土组分异结果。在辐射防护领域为镧系放射性核素内剂量估算、相关卫生标准制定和生物动力学模型及参数确定提供了人体直接资料的依据, 对毒理学、生态学和食品卫生等领域广泛研究和实践也有重要意义。