非人類物種輻射劑量估算及評價方法

何映雪，姜曉燕，閆 冬，范 莉，丁庫克

(中國疾病預(yù)防控制中心輻射防護與核安全醫(yī)學(xué)所放射生態(tài)研究室，北京 100088)

隨著我國核事業(yè)的不斷發(fā)展，進入環(huán)境中的放射性物質(zhì)不斷增多，放射性核素對環(huán)境的影響得到廣泛關(guān)注。美國、加拿大等國家早在20 世紀(jì)80 年代就開始著手研究電離輻射非人類物種評價和防護問題，1991年美國國家輻射防護和測量委員會(National Council on Radiation Protection and Measurements，NCRP)發(fā)表了第109 號報告《電離輻射對水生生物的影響》[1]。報告較系統(tǒng)地總結(jié)了電離輻射對水生生物的效應(yīng)。國際原子能機構(gòu)從20 世紀(jì)70 年代起開展電離輻射對植物、動物及其生態(tài)系統(tǒng)的有關(guān)研究，1992年發(fā)表了第332號技術(shù)報告《在現(xiàn)代輻射防護標(biāo)準(zhǔn)水平電離輻射對植物和動物的影響》[2]，2003 年開展了“輻射安全環(huán)境模型”(EMRAS)項目。歐洲從2000年年末陸續(xù)開展了FASSET(電離輻射對非人類物種影響的評價框架)、EPIC(北極電離污染的環(huán)境保護)、ERICA(電離污染的環(huán)境危險——評價和管理)等項目。2003 年，國際放射防護委員會(International Commission on Radiological Protection， ICRP)出版了第91 號出版物《評價非人類物種電離輻射影響的方法》[3]，建議發(fā)展評價和管理非人類物種輻射影響的方法。2005 年，ICRP 成立了第5 委員會，專門研究環(huán)境電離輻射防護。ICRP 2007 年意見書中提議采用參考動物和植物的概念，提供一個估算環(huán)境電離輻射的框架。我國在20 世紀(jì)90 年代發(fā)布了“中國自然保護綱要”和“中國21世紀(jì)議程”，2003年發(fā)布了“放射性污染防治法”，明確提出了防治放射性污染保護環(huán)境的要求。

針對電離輻射對非人類物種的影響評價，一些國際組織和政府部門提出了一系列輻射防護的評價方法，包括RESRADBIOTA、ERICA、R&D128、ECOMOD、LIETDOS-BIO、SCK-CEN、EDEN 和EPICDOSES3D 等[4]。其中國際上使用較為廣泛的兩種方法為美國能源部推薦的RESRAD-BIOTA 程序[5]和歐盟推薦的ERICA程序[6]。

1 方法介紹

1.1 ERICA方法

ERICA方法是基于ERICA項目所建立的模型，用于估算非人類物種輻射劑量。2004—2007年，由歐洲7個國家的15個團體共計60 多位科學(xué)家共同完成ERICA 項目，評價電離輻射對環(huán)境中生物和生態(tài)系統(tǒng)的影響。該項目的基礎(chǔ)是2000—2003年的“環(huán)境影響的評價框架”(Framework for Assessment of Environmental Impact，F(xiàn)ASSET)項目[7]和 EPIC 項目。ERICA 項目的成果是ERICA總方法和ERICA工具[8]。

1.1.1 ERICA方法的原理ERICA 模型建立的基本原理是，生物受到的輻射劑量包括生物在環(huán)境中受到的外照射劑量和生物通過食物受到的內(nèi)照射劑量。該模型建立有以下基本假設(shè)：①在環(huán)境介質(zhì)中核素濃度達到平衡，生物體中核素濃度與環(huán)境中核素濃度也達到平衡；②核素在生物體的所有組織中都是平均分布的，不考慮組織內(nèi)差異；③吸收劑量是整個生物體體積的平均值；④外照射劑量計算式假定生物全部處于無窮大的介質(zhì)中[8]。

1.1.2 ERICA方法涉及核素及參考生物ERICA 模型涉及了31種元素及其對應(yīng)的63個核素，見表1，在ERICA方法中，用戶可以根據(jù)需要添加除惰性氣體外的其他核素[8]。

ERICA模型共選擇了38種參考生物，分別代表淡水生態(tài)系統(tǒng)、海洋生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)，見表2[8]。

表1 ERICA方法涉及的核素種類

表2 ERICA總方法選取的參考生物

1.1.3 ERICA 方法計算公式ERICA 方法采用了分級篩選評價的體系，分為三級篩選評價，其中，第三級的篩選評價最復(fù)雜，涉及的數(shù)據(jù)也最多。在評價過程中，如果滿足第一級和第二級的篩選標(biāo)準(zhǔn)，確定輻射生物效應(yīng)很低乃至可以忽略時，便可退出評價體系。否則，則進行下一級評價[9]。

一級篩選評價需要輸入環(huán)境介質(zhì)(包括水、空氣、土壤、沉積物等)的最大活度濃度，需要輸入的數(shù)據(jù)少，簡單保守，不考慮參考生物種類。環(huán)境介質(zhì)中估算或者實測的核素活度濃度與環(huán)境介質(zhì)濃度限值的比值為危害商RQ[9]，所有核素的危害商相加得到總的危害商RQcons。如果生物處于不同的介質(zhì)中，則將生物在不同環(huán)境介質(zhì)中的危害商相加，得到該生物的RQcons。如果RQ＜1，則認(rèn)為生物劑量率小于劑量率限值，電離輻射對非人類物種的危害可忽略，終止評價；如果RQ≥1，則需要繼續(xù)評價。其篩選公式為：

其中，Ci，j為第i種核素在介質(zhì) j 中的濃度；EMCLi，j為相應(yīng)的環(huán)境介質(zhì)濃度限值，該值是由生物劑量率限值反推得到的，與核素、介質(zhì)、參考生物等參數(shù)有關(guān)。

二級篩選同時使用危害商的計算值(RQexp)和危害商的保守值(RQcons，等于RQexp乘不確定因子)來進行評價。二級篩選評價結(jié)果分三種情況。第一種情況：未超過劑量率限值，RQcons＜1，電離輻射對環(huán)境的影響可忽略，終止評價；第二種情況，RQcons≥1，RQexp＜1，可能超過劑量率限值，可能對環(huán)境有潛在影響，需要重新考慮二級篩選評價過程，使用更為準(zhǔn)確的參數(shù)進行評價；第三種情況，RQexp≥1，電離輻射對環(huán)境有影響，需要進一步調(diào)查分析，進行三級評價。在該級篩選中，使用者可以添加默認(rèn)核素以外的放射性核素和參考生物，可以修改核素在水和沉積物中的分配系數(shù)(Kd)和生物濃集因子(CR)等參數(shù)。整個評估方法較為靈活，適用性廣。對于水生生態(tài)系統(tǒng)，二級篩選的公式為：

三級篩選和二級篩選一樣，參數(shù)選取有更大的靈活性，使用者不僅可以重新編輯輸入不同的參數(shù)，而且參數(shù)還有不同的分布函數(shù)可以選擇，且三級篩選可以使用不斷更新的生物電離輻射效應(yīng)文獻。

1.2 RESRAD-BIOTA方法

RESRAD-BIOTA 方法是由USDOE 開發(fā)的一個基于GRADED 方法的用于估算生物所受的輻射劑量率程序[11]。該方法采用了三級篩選的方法進行生物輻射影響的評價。

1.2.1 RESRAD-BIOTA 方法的基本原理RESRAD-BIOTA方法有如下幾點基本假設(shè)：①生物體處在源介質(zhì)中，受到連續(xù)的照射，介質(zhì)中放射性核素的濃度是均勻恒定的；②在預(yù)測陸生和兩棲動物的放射性核素濃集因子時，程序采用了動態(tài)和異速生長技術(shù)；③計算內(nèi)照射時，程序保守的假定所有衰變能均沉積在生物體中并包括其子體；④計算外照射時，程序假設(shè)生物體浸沒在土壤、沉積物或水中，并且射線能量均沉積在生物體內(nèi)，不考慮生物體自身的屏蔽。

1.2.2 RESRAD- BIOTA 方法的參考生物及涉及核素RESRAD-BIOTA方法的參考生物選擇較為籠統(tǒng)。在一、二級篩選中，該方法僅設(shè)定了4種參考生物，在三級篩選中，程序可設(shè)定8 類不同大小等級的參考生物，這8 類生物的體型尺寸數(shù)據(jù)是限定不能更改的[12]。

RESRAD-BIOTA 主要考慮了29 種元素對應(yīng)的46 種放射性核素的計算，不能添加其他核素[11]。

1.2.3 RESRAD-BIOTA 方法的步驟RESRAD-BIOTA 程序以GRADED 方法的三個步驟作為技術(shù)基礎(chǔ)[13]，具體來說，GRADED 方法3個步驟為：①數(shù)據(jù)收集，包括獲得各核素在不同介質(zhì)中的最大濃度和平均濃度、生物在各介質(zhì)中居留的時間份額、核素在不同介質(zhì)間的轉(zhuǎn)移參數(shù)以及核素在生物體內(nèi)的代謝數(shù)據(jù)等；②初步分級(一般篩選)，使用介質(zhì)中的最大核素濃度值與由輻射劑量限值導(dǎo)出的生物濃度指南比較，判斷生物在接受了預(yù)期最大劑量時，是否能夠保證其安全；③考慮了場址具體數(shù)據(jù)包括生物體型大小、食物結(jié)構(gòu)、呼吸量和飲水量后的輻射劑量率評估。程序?qū)⑽锓N分為簡單的幾類—水生動物、濱岸動物、陸地動物和陸地植物；環(huán)境介質(zhì)分為水、沉積物、土壤3種；在分級方法中包括內(nèi)、外照射劑量的源項及照射途徑。

1.2.4 RESRAD-BIOTA 方法的計算公式RESRAD-BIOTA模型采用了三級篩選的方法進行評估。一級篩選是將環(huán)境介質(zhì)(水、沉積物或土壤)中的核素濃度與由生物劑量率限值反推出的參考濃度(Biota Concentration Guide，BCG)進行比較。如果比值≥1，則認(rèn)為生物是不安全的，需要進一步的篩選。其篩選公式為：

其中，Ci，j為第i種核素在介質(zhì) j 中的濃度；BCGi，j為核素i在介質(zhì)j中的生物濃度指導(dǎo)限值；該值與核素、介質(zhì)、參考生物等參數(shù)有關(guān)，是由生物的輻射劑量率限值反推出的各核素在不同介質(zhì)中對不同生物的濃度限值。

二級篩選是使用代表特定廠址的參數(shù)和條件，將核素濃度與特定廠址的參考濃度(特定廠址BCG)進行比較，并估算各核素在環(huán)境介質(zhì)中對生物造成的輻射劑量率。在該級篩選中，同時估算了核素對生物的輻射劑量率。生物輻射劑量率包括外照射劑量率和內(nèi)照射劑量率。對于核素i，其計算公式為：

三級篩選是一個獨特而復(fù)雜的過程，使用了生物動力學(xué)模型，它的評價判斷更為精確和詳細(xì)，涉及的參數(shù)也更復(fù)雜，涉及的參考生物種類也更多。

2 ERICA方法和RESRAD-BIOTA方法的比較

ERICA 方法和RESRAD-BIOTA 方法雖然都是廣泛用于非人類物種電離輻射評價的方法工具，兩者有一定的區(qū)別，在實際應(yīng)用中也有一些適用范圍的差異。下面對這兩種方法進行對比討論。

2.1 參考生物

兩種方法在參考生物上的選擇有一定的差異，RESRADBIOTA程序參考生物的選擇比較籠統(tǒng)，在一、二級篩選中，設(shè)定了4 種參考生物，在三級篩選中，設(shè)定了8 種參考生物，且體型尺寸數(shù)據(jù)不可更改[12]。而ERICA程序比較靈活，可自己設(shè)定參考生物及相應(yīng)的體形尺寸數(shù)據(jù)，且參考生物可分為魚類、甲殼類、浮游植物等多種生物類群。

2.2 適用的放射性核素

RESRAD-BIOTA 程序主要考慮了29 種元素對應(yīng)的46 種放射性核素的計算[12]，不能添加其他核素；ERICA 程序主要考慮了31 種核素對應(yīng)的63 種放射性核素，且用戶可以添加其他需要的元素。

2.3 其他參數(shù)

RESRAD-BIOTA程序里生物評價標(biāo)準(zhǔn)采用的是美國能源部的標(biāo)準(zhǔn)，而ERICA程序里采用的評價標(biāo)準(zhǔn)的劑量限值是可以選擇的，可以選擇美國能源部的標(biāo)準(zhǔn)或其他標(biāo)準(zhǔn)。不同國家對不同生物的劑量限值規(guī)定[14]見表3。

表3 不同國家機構(gòu)對不同生物類型的劑量限值規(guī)定

3 兩種方法的應(yīng)用實例

劉悅等[15]以大亞灣核電站所在的自然生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，以對蝦、黑鯛、毛蚶和小球藻4種水生生物為代表，建立它們的劑量學(xué)模型，并使用RESRAD-BIOTA 和ERICA 程序?qū)ζ鋭┝窟M行估算。他們得出的結(jié)果顯示，在計算各生物體對其濃集因子數(shù)最大的單個核素的吸收劑量率的結(jié)果對比，由于RESRAD-BIOTA所用的是美國能源部保守模型，得到的是保守值，因此在計算結(jié)果中，RESRAD-BIOTA的最大值是比較合理的，但該最大值是ERICA結(jié)果的300多倍，這主要是由于計算模型的不同造成的。這一結(jié)果與理論相符合。

白曉平等[16]利用兩個程序分別在我國某濱海核電廠液態(tài)放射性流出物對廠址附近一類淺水魚所產(chǎn)生的輻射影響進行評估，采用RESRAD-BIOTA 和ERICA 程序得到該類淺水魚的總劑量率分別為5.42×10-3μGy/h和4.82×10-4μGy/h，均遠(yuǎn)小于相應(yīng)的劑量率限值，因此，該類淺水魚是安全的。其中，RESRAD-BIOTA程序得到的總劑量率比ERICA程序約大1個量級，該結(jié)果顯示RESRAD-BIOTA 程序的計算結(jié)果偏于保守。作者認(rèn)為，在非人類物種輻射效應(yīng)評價的研究中，ERICA 程序在適用性、靈活性、系統(tǒng)性、有效性等方面來看，更值得推薦。

?uji?等[17]利用 ERICA 工具和 RESRAD-BIOTA 工具對塞爾維亞最大的一個煤燃發(fā)電廠周邊陸生生物的輻射劑量進行了評估，研究了9種核素的影響。在ERICA方法中選取了從苔蘚到大型哺乳動物13 種參考生物作為研究對象；在RESRADBIOTA 方法中選取了8 種參考生物作為研究對象。結(jié)果顯示，利用ERICA 方法計算得到的生物輻射劑量率為0.3～14.4 μGy/h，RESRAD-BIOTA 程序計算的動物和植物的輻射劑量率分別為7 和3 μGy/h。電離輻射對該地區(qū)生物的影響不顯著，兩種方法之間的結(jié)果差異是由于用于計算生物體內(nèi)濃度活度的轉(zhuǎn)移參數(shù)不同引起的。該研究結(jié)果顯示了ERICA 和RESRADBIOTA均是靈活有效的評估非人類物種輻射效應(yīng)的方法。

4 總結(jié)和展望

本文通過對兩種方法的原理過程和應(yīng)用實例的比較認(rèn)為：ERICA 方法和RESRAD-BIOTA 方法都是有效的非人類物種輻射效應(yīng)評估手段，兩種方法評估結(jié)果的差異來自評估過程中參數(shù)的差異，RESRAD-BIOTA 方法比較籠統(tǒng)，評價結(jié)果偏保守，而ERICA方法比較靈活，參數(shù)和參考生物的選擇均可以進行自定義。在具體的應(yīng)用中，可根據(jù)實際需要選擇不同的評價方法，或者根據(jù)評價過程的不同階段采用不同的評價方法進行評估。