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

(中國疾病預防控制中心輻射防護與核安全醫學所放射生態研究室，北京 100088)

隨著我國核事業的不斷發展，進入環境中的放射性物質不斷增多，放射性核素對環境的影響得到廣泛關注。美國、加拿大等國家早在20 世紀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]。報告較系統地總結了電離輻射對水生生物的效應。國際原子能機構從20 世紀70 年代起開展電離輻射對植物、動物及其生態系統的有關研究，1992年發表了第332號技術報告《在現代輻射防護標準水平電離輻射對植物和動物的影響》[2]，2003 年開展了“輻射安全環境模型”(EMRAS)項目。歐洲從2000年年末陸續開展了FASSET(電離輻射對非人類物種影響的評價框架)、EPIC(北極電離污染的環境保護)、ERICA(電離污染的環境危險——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，提供一個估算環境電離輻射的框架。我國在20 世紀90 年代發布了“中國自然保護綱要”和“中國21世紀議程”，2003年發布了“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 多位科學家共同完成ERICA 項目，評價電離輻射對環境中生物和生態系統的影響。該項目的基礎是2000—2003年的“環境影響的評價框架”(Framework for Assessment of Environmental Impact，FASSET)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境中受到的外照射劑量和生物通過食物受到的內照射劑量。該模型建立有以下基本假設：①在環境介質中核素濃度達到平衡，生物體中核素濃度與環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種元素及其對應的63個核素，見表1，在ERICA方法中，用戶可以根據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，分別代表淡水生態系統、海洋生態系統和陸地生態系統，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雜，涉及的數據也最多。在評價過程中，如果滿足第一級和第二級的篩選標準，確定輻射生物效應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境介質(包括水、空氣、土壤、沉積物等)的最大活度濃度，需要輸入的數據少，簡單保守，不考慮參考生物種類。環境介質中估算或者實測的核素活度濃度與環境介質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中，則將生物在不同環境介質中的危害商相加，得到該生物的RQcons。如果RQ＜1，則認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，則需要繼續評價。其篩選公式為：

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

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，使用更為準確的參數進行評價；第三種情況，RQexp≥1，電離輻射對環境有影響，需要進一步調查分析，進行三級評價。在該級篩選中，使用者可以添加默認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(Kd)和生物濃集因子(CR)等參數。整個評估方法較為靈活，適用性廣。對于水生生態系統，二級篩選的公式為：

三級篩選和二級篩選一樣，參數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，而且參數還有不同的分布函數可以選擇，且三級篩選可以使用不斷更新的生物電離輻射效應文獻。

1.2 RESRAD-BIOTA方法

RESRAD-BIOTA 方法是由USDOE 開發的一個基于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：①生物體處在源介質中，受到連續的照射，介質中放射性核素的濃度是均勻恒定的；②在預測陸生和兩棲動物的放射性核素濃集因子時，程序采用了動態和異速生長技術；③計算內照射時，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，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。在一、二級篩選中，該方法僅設定了4種參考生物，在三級篩選中，程序可設定8 類不同大小等級的參考生物，這8 類生物的體型尺寸數據是限定不能更改的[12]。

RESRAD-BIOTA 主要考慮了29 種元素對應的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基礎[13]，具體來說，GRADED 方法3個步驟為：①數據收集，包括獲得各核素在不同介質中的最大濃度和平均濃度、生物在各介質中居留的時間份額、核素在不同介質間的轉移參數以及核素在生物體內的代謝數據等；②初步分級(一般篩選)，使用介質中的最大核素濃度值與由輻射劑量限值導出的生物濃度指南比較，判斷生物在接受了預期最大劑量時，是否能夠保證其安全；③考慮了場址具體數據包括生物體型大小、食物結構、呼吸量和飲水量后的輻射劑量率評估。程序將物種分為簡單的幾類—水生動物、濱岸動物、陸地動物和陸地植物；環境介質分為水、沉積物、土壤3種；在分級方法中包括內、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。一級篩選是將環境介質(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 j 中的濃度；BCGi，j為核素i在介質j中的生物濃度指導限值；該值與核素、介質、參考生物等參數有關，是由生物的輻射劑量率限值反推出的各核素在不同介質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，并估算各核素在環境介質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雜的過程，使用了生物動力學模型，它的評價判斷更為精確和詳細，涉及的參數也更復雜，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，兩者有一定的區別，在實際應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，在一、二級篩選中，設定了4 種參考生物，在三級篩選中，設定了8 種參考生物，且體型尺寸數據不可更改[12]。而ERICA程序比較靈活，可自己設定參考生物及相應的體形尺寸數據，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

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

表3 不同國家機構對不同生物類型的劑量限值規定

3 兩種方法的應用實例

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

白曉平等[16]利用兩個程序分別在我國某濱海核電廠液態放射性流出物對廠址附近一類淺水魚所產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，均遠小于相應的劑量率限值，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，該結果顯示RESRAD-BIOTA 程序的計算結果偏于保守。作者認為，在非人類物種輻射效應評價的研究中，ERICA 程序在適用性、靈活性、系統性、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。電離輻射對該地區生物的影響不顯著，兩種方法之間的結果差異是由于用于計算生物體內濃度活度的轉移參數不同引起的。該研究結果顯示了ERICA 和RESRADBIOTA均是靈活有效的評估非人類物種輻射效應的方法。

4 總結和展望

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