1986年切尔诺贝利事故后, 在生物个体和种群中观察到了损害现象^[1]。辐射不仅对人类产生危害, 同时对非人类物种的危害也是不容忽视的。上世纪中叶人们开始研究辐射对人类的效应。一直以来, 人们认为如果人类受到足够的保护, 那么非人类物种也将很好地被保护^[2]。可是这种说法也逐渐暴露其缺点。因此需要发展一个评价非人类物种辐射效应的框架体系证明我们的环境也得到很好的保护^[3]。但从1977年和1991年的ICRP出版物来看, 人们还缺乏一个感知的认识, 同时要发展能够适用于非人类物种而不是人类的一系列标准和框架具有困难性, 同时生态系统物种繁多, 所以一直未能形成一致的标准和框架。随着社会可持续发展要求, 非人类物种的辐射防护也逐渐引起人们的重视, 人们也逐渐从以人类中心论, 生物中心论过度到以生态中心论的观点, 认识到人类与生物共存的重要性^[4]。ICRP于2003年发表了第91号出版物的环境政策和建立人类和非人类物种辐射影响评价的共同框架^[5]。基于2003年ICRP建议书, 2007年ICRP新建议书直接增加了对环境辐射防护的考虑^[6]。

1 不同生物辐射的相似性

不同生物辐射损伤具有明显的相似性。这是因为辐射在生物体中诱发生物效应的靶均是DNA。所有DNA分子的直径均为2nm, 辐射在其中的能量沉积是相似的。这就使得非人类物种的辐射生物效应与人类有许多相似性。电离辐射可以诱发许多不同类型的DNA损伤, 但不是所有DNA损伤都是辐射防护所关心的, 人们最关心的是难以准确修复的DNA双丝断裂。

2 非人类物种的辐射生物效应

对于人类的辐射防护, 所关心的是随机性躯体效应(癌症)、随机性遗传效应和确定性效应, 其中主要是随机性效应; 对于非人类物种的防护, 目前试图区分随机性效应和确定性效应可能尚不成熟, 因此最好将辐射效应在较宽的范畴上分类, 如早期发病率、死亡率、繁殖成活率下降和细胞遗传学损伤可能是现实可取的^[7]。

2.1 陆生动物的辐射生物效应

植物的辐射损伤表现为形态或表观异常、结果少或产量低、繁殖能力丧失、枯萎以及在强照射情况下的死亡。植物的辐射敏感部分通常位于根部和芽的分生组织, 而对于树木则是环绕树干的年轮, 分生组织的这种浅表部分使其特别易受来自沉积放射性核素的辐射照射的损害。植物的不同发育成长阶段和外部生长的条件(如温度、湿度和气候等因素)也可影响植物的敏感性。对植物来说, 在致死剂量的10%以下时, 效应不十分明显; 在致死剂量的25%~ 30%时, 不能结籽; 在致死剂量的40%~50%时, 可观察到成花抑制; 而50%~60%的致死剂量则可严重抑制生长^[8]。

一般说来, 大型植物比小型植物具有更高的辐射敏感性, 按辐射敏感性递减的次序分别为:乔木、落叶乔木、灌木、草本植物、地衣和真菌。高等植物的急性致死剂量范围为10~ 1 000Gy (按整株植物的平均吸收剂量); 苔藓、地衣和单细胞植物等低等植物, 都有很高的辐射耐受性, 其致死剂量的上限可能要高出一个数量级。

2.2 陆生动物的辐射生物效应^[8]

哺乳动物对辐射最敏感的, 随后是鸟类、鱼类、爬行动物和昆虫。爬行动物和无脊椎动物的辐射敏感性较低。哺乳类动物的损伤和死亡, 除了异常的大剂量照射情况外, 大都是由于造血系统障碍和胃肠道粘膜紊乱所造成的。哺乳动物受到10~15Gy照射后, 可在10d内死于胃肠道损伤。胃肠道综合症的LD₅₀对大鼠、小鼠、猕猴和狗分别为11、12、9和8Gy。哺乳动物在受到1.6~10Gy的全身照射后数周内死于骨髓功能衰减。在不同的动物种类中, 最终的死因大都是粒细胞减少、血小板减少或淋巴细胞减少。

对人类以外的其他物种, 出生率是比死亡率更为灵敏的辐射敏感参数, 抑制繁殖率所需的最小剂量可能还不到产生直接死亡所需剂量的1/10, 例如小鼠的LD_50/30为6~12 Gy (取决于不同的品系和种属), 但新生小鼠在其最敏感的阶段, 0.08Gy的急性照射即可造成卵母细胞数减少50%, 这可能导致育龄期缩短。

睾丸慢性照射也是敏感的。在雄性小鼠中, 睾丸于5~8月龄时受²³⁹Puα照射, 平均吸收剂量率为36μGy/h, 结果是睾丸重量减轻大约10%, 致使精子排出量减少大约8%。大鼠在75 d内受到剂量率为580μGy/h的照射, 其睾丸重量比对照减轻7%, 相当于精子生成过程受到破坏。

发育中的胚胎对辐射相当敏感, 在生命周期中的这一阶段受到损伤, 可降低生殖率和出生后的生存率。哺乳动物孕体发育的时间进程一般划分为3个主要时期, 即着床前期、主要器官发生期和胎儿期。着床前期, 急性照射最显著的效应是胚胎的早期死亡; 在主要器官发生期, 急性照射最具特征的反应是诱发畸变。

2.3 辐射对水生生物的效应^[8]

研究表明, 在水环境中, 鱼类对急性辐射最为敏感, 发育中的鱼胚更是如此。在照后60d的评价期内海洋鱼类的急性照射LD₅₀范围为10 -25Gy, 而海洋无脊椎动物LD₅₀范围的上限为几百Gy。胚胎在非常低的剂量即可受到影响, 如鳟鱼胚胎的LD_50/90为0.16Gy。对于慢性照射, 0.01~0.03 Gy/h的剂量率对螺、海洋扇贝、蛤和蓝泳蟹的死亡率都没有影响。在水生生物中, 繁殖效应是一个较为敏感的辐射效应指标。0.0032~0.017Gy/h的慢性照射将降低淡水藻的繁殖力, 而剂量率低于0.001 Gy/h的慢性照射似乎不可能对鱼类的生殖腺产生有意义的影响。

3 参考动物和参考植物

如同在人类生物效应的评价中应用参考人, 评价非人类物种时也可利用参考动物和参考植物的概念^[9]。建立系统的参考动物和参考植物的目的是选择和界定参考生物, 界定非人类物种辐射生物效应的评价终点, 并获得主要环境中典型生物合理完整的相关资料。该方法不能就辐射对整个环境的影响提供总评价, 而是对这些生物产生的辐射效应的可能性及严重程度提供一个判断的基础。利用这些资料和其他环境数据作为估计具有类似生命周期和照射特征的生物体危害的基本参考点, 可以评价其他个体和相关种群的后果, 以对相关情况做出管理决定。

在选择候选参考动植物时, 应该考虑以下内容^[10]:①在生态系统中所发挥的作用②来源丰富③具有放射敏感性④在不同放射污染情况下, 能被诱导或产生严重的生物学效应⑤具有经济价值⑥在不同的照射情况下, 有足够的剂量测定模型和正确的剂量评估⑦生物利用率和生物学信息。

对于每一个参考动物或参考植物, 人们还应该能够获得它们的就下述内容方面内部相一致的数据:基本生命周期生物学; 用单位照射量产生的剂量来表示的辐射照射的途径; 用以估算关键器官所受剂量的照射几何学和剂量模型; 有关个体辐射效应和几个效应终点的基本知识(如早期死亡率、繁殖成活率降低以及可观察到的DNA损伤); 导出考虑水平^[9]。

为了选择和确定参考动植物, ICRP成立了任务组。任务组已经开始考虑对十一个种类的参考动物和植物, 以分类学的科进行分类。它们是:啮齿动物、鸭、青蛙、淡水鱼、海洋比目鱼、海蜗牛、蜜蜂、蚯蚓、松树、草以及褐色海藻。它们代表了生活在陆地、淡水和海洋环境中的生物。

4 参考剂量学模式^{[11, 12]}

为了更好计算各种生物的受照剂量Pentreath设想出简单的剂量学模型类别。

类型A:实体球、椭圆球或圆柱体, 用来计算对成体、胚胎和卵(蛋)的剂量;

类型B:如同A, 但内部带有一个中轴圆柱状腔, 特用来表示动物体内的肠, 其中主要含有不同活度的β粒子和γ辐射体;

类型C:如A或B, 再加上一个(或多个)体内实体球、椭圆球或圆柱体, 以表示腺体组织、体内胚胎或所关心的其他特殊组织(由于细胞遗传学效应);

类型D:粒子辐射的点源剂量分布函数的特殊应用, 例如用于特殊组织层或尺寸很小的靶器官;

类型E:特殊多器官剂量模式, 诸如对某些哺乳动物建立的那些模式。

考虑"环境"几何形状的可能种类同样是很重要的。为了方便, 可将上述这些模式划分为以下几个简单类型:

情况A:被空气包围(4π);

情况B:被水包围(4π);

情况C:被土壤/沉积物包围(4π);

情况D:在空气和土壤/沉积物的分界面上(2π);

情况E:在水和土壤/沉积物的分界面上(2π);

情况F:被空气或水包围(4π), 然后被土壤或沉积物包围。

5 非人类物种与人类辐射防护比较^[10]

为了评估电离辐射对人类和非人类物种的辐射效应, 最近人们用放射影响因子(RIF)作为依据来比较人类和非人类物种的辐射防护, RIF为人或非人类物种实际暴露的剂量率比上标准剂量, 即RIF_{h, b}=D_{h, b}/CDV_{h, b}。根据上面公式如果对与人类和非人类物种有RIF_{h, b} >1, 人类和非人类物种将不会得到保护, 如果RIF_{h, b} < 1, 人类或非人类物种将受到保护。在相同照射情况下, RIF值的评估可以对人类和非人类物种做一个直接比较, 如果RIF_b>RIF_h, 人类受到的保护将少于非人类物种, 如果RIF_b < RIF_h, 人类将得到比非人类物种更多的保护。

6 国际主要非人类物种辐射剂量评估方法

为了研究辐射中非人类物种的安全性, 国际上开展了许多方面的工作, 其中包括美国能源部门的分级方法(GRADED), 其分级方法包括三个层次。在第一层次中, 收集环境介质数据和明确评价区域的目的是要获得环境介质的组成和结构, 包括水体、土壤和沉积相。第二层次主要是进行初步分级(一般筛选), 使用介质中的最大核素浓度值与由辐射剂量限制导出的参考浓度比较, 判断生物在接受了预期最大剂量时, 是否能够保证其安全。如果该比值小于1则认为生物是安全的, 没有必要进一步进行剂量率评估; 如果大于等于1, 则认为是不安全的, 需要进行进一步筛选, 即二级筛选和三级筛选^[13]。

2000年11月欧洲七个国家的15个单位参加了FASSET计划, 这个计划的目的是发展评价电离辐射生物和生态系统影响的方法和工具, 以及支持防护辐射对环境有害效应的努力, 计划到2003年10月完成。计划分为四个方面:①环境剂量学; ②放射性核素在生态系统中的转移; ③电离辐射生物效应; ④建立评价框架。计划的主要目标是:①建立一套不同照射情况下的参考生物。②建立一组参考生物的模型, 包括环境放射性核素转移模式、照射和剂量学模式以及生物效应模式。③评议现有个体、种群和生态系统辐射生物效应的数据。④评议在各种环境管理和保护纲要中应用的现有的环境评价框架^[14]。

欧共体完成FASSET后, 在2004年3月制定了一个新的计划"电离污染环境危害:评价和管理" (ERICA)。该计划由7个欧洲国家的15个机构在2004~2007年间建成。计划的目标是:对电离辐射污染的环境效应, 特别是生物和生态效应, 提供有关科学、管理和社会问题的一套完整的方法。ERICA计划产生了两个主要的成果:评估和处理电离污染危害的ERICA集成方法和ERICA工具(一个有数据库支撑的软件程序), 两者相互作用可以引导使用者进行环境评估过程。ERICA计划是60多个欧洲科学家共同努力的结果。同时融入了大量专家, 政治决策者及不同领域决策者的观点和建议^{[15, 16]}。

7 结语

我国对非人类物种的研究还处在早期阶段, 重视程度还不够深, 因此我们应该紧跟国际步伐, 准确分析我国非人类物种所受到的放射性影响并提出有效的防护措施和对策, 对各种可能受到影响的物种生活习性进行研究, 对核素分布、扩散途径、转移行为和生物浓集特征进行研究, 尽可能做到非人类物种和人一样能得到很好的防护。