拉薩河放射性核素238U和232Th分布特征及健康風險評估

秦歡歡，高柏，黃碧賢，張詩倩，劉昕瑀

1. 東華理工大學核資源與環境國家重點實驗室，南昌 330013 2. 東華理工大學水資源與環境工程學院，南昌 330013

通常來說，水體(地表水、地下水)是各種疾病和有害物質向人類和動物傳播的重要介質[1-2]。生活用水中往往含有對人體健康產生危害的放射性物質，如來自巖石和土壤的天然放射性核素(238U、226Ra、232Th和40K等)[3]以及核試驗和核事故產生的人工放射性核素[4]。一般來說，日常飲用水中天然放射性核素產生的輻射劑量比人工放射性核素產生的輻射劑量要高，長期飲用此類水會造成持續受照[1]。當人體接受的核輻射照射劑量長期超過100 mSv時，其患癌癥的風險會有較顯著的提升[5]。因此，為了預防放射性核素對水體的污染，保證人體的健康，需要對水體中天然放射性核素的含量和分布特征進行研究，評價其潛在健康風險。

目前，國內外有許多學者對放射性核素引起的水質污染問題進行了研究。Singh等[6]的研究結果表明，印度Western Haryana地區11%地下水中鈾含量超出印度原子能管理委員會設定的標準值。在我國，哈日巴拉等[7]的研究表明，巴彥烏拉鈾礦周邊飲用水中總α活度濃度超出了我國飲用水的篩選值。Fatima等[8]對巴基斯坦11種桶裝水的研究表明，不同年齡組承受放射性核素照射的有效劑量不同且低于世界衛生組織(WHO)推薦的照射劑量。丁小燕等[9]通過對我國臨水河中鈾、釷含量的研究，評估了河水的污染情況和放射性核素所致居民照射的劑量。現階段國內對于放射性核素的研究主要集中在鈾礦區或核能發電站周邊水渠、地下水等水體[10-12]，評價對象多為成年人[9,13]，對飲用水和河水中放射性核素含量、特征和污染評價也有一些研究[9,14-17]。

拉薩河發源于念青唐古拉山南麓，全長551 km，流域面積32 588 km2，平均海拔5 400 m，是西藏自治區的政治、經濟、文化、交通和宗教核心區，高原溫帶半干旱季風氣候，日照充足，氣溫較低，平均年降水量和蒸散量分別為460 mm和1 217 mm[18]。拉薩河流域上游主要是牧區，人口較少，植被以草甸為主，但由于常年放牧，草甸已退化；中游人類活動相對較多，耕地面積較小；下游是人口相對密集、農業發達的地區[19-20]。近50年來，拉薩河流域農業、工業和城市建設取得了重大進展，特別是“一江兩河”工程的啟動，進一步促進了流域農業的發展。作為西藏自治區重要的水源之一，拉薩河的水質對流域下游居民的用水和健康有很大影響。然而，由于經濟的快速發展，拉薩河流域的采礦活動較為密集，由此導致拉薩河流域面臨巨大的環境壓力。

有鑒于此，以拉薩河為研究對象，通過對中下游和支流共16個采樣點采集的水樣進行分析，測定放射性同位素238U和232Th的濃度，研究這2種核素在拉薩河的分布狀況，評估不同年齡組居民由飲水途徑攝入的238U和232Th的致癌風險，并將研究結果與其他案例的評估結果進行對比分析。本研究可以為拉薩河流域用水安全和健康風險評價提供參考依據，為保護拉薩河流域的碧水藍天、實現社會經濟和生態環境保護協調發展提供指導。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 水樣采集和實驗方法

在2017年7月23日至29日期間按中游、下游、堆龍曲支流的順序選擇了16個采樣點，包括中游6個(S1～S6)、下游7個(S7～S13)和堆龍曲支流3個(DS14、DS14-1和DS15)。利用瞬時采樣法進行河水采樣，采樣點分布如圖1所示。選取S1號采樣點作為本研究中河流的“源頭”，其余各采樣點到S1的距離為其沿程距離。采用預先清洗的高密度聚乙烯瓶作為樣品采集器，采樣前先進行2～3次潤洗，然后在河水表層下逆著水流方向采集水樣。采集到的水樣需立即用0.45 μm的濾膜進行過濾，然后用6 mol·L-1超純硝酸酸化至pH<2。在瓶口周圍用錫箔膠帶和PVC黑膠帶密封，保證不滲漏，在瓶身上做好標記，送至東華理工大學分析測試研究中心進一步分析。

每個采樣點分別采集350 mL水用于放射性核素的檢測，檢測儀器為電感耦合等離子體質譜儀(inductively coupled plasma mass spectrometer, ICP-MS) Element 2，購自賽默飛世爾科技(Thermo Fisher Scientific)(中國)有限公司，按照中華人民共和國國家環境保護標準《水質65種元素的測定 電感耦合等離子體質譜法》(HJ700—2014)中的標準方法進行238U和232Th的濃度測定。水樣經預處理后，采用ICP-MS進行檢測，根據元素的質譜圖或特征離子進行定性，內標法定量。樣品由載氣帶入霧化系統進行霧化后，以氣溶膠形式進入等離子體的軸向通道，在高溫和惰性氣體中被充分蒸發、解離、原子化和電離，轉化成的帶電荷的正離子經離子采集系統進入質譜儀，質譜儀根據離子的質荷比進行分離并定性、定量分析。在一定濃度范圍內，質荷比所對應的信號響應值與其濃度成正比。鈾和釷的方法檢出限分別為0.04 μg·L-1和0.05 μg·L-1，測定下限分別為0.16 μg·L-1和0.20 μg·L-1。使用國家標準中心提供的標準物質進行質量控制，鈾和釷標準溶液證書編號分別為GBW(E)080173和GBW(E)080174，相對標準偏差(relative standard deviation, RSD)范圍為0.1%～5%。通過實驗測得水樣中放射性核素238U和232Th的數據都是質量濃度，為了更好地進行劑量估算，可以將質量濃度換算為活度濃度，換算公式為CU=αU×HU，CTh=αTh×HTh，其中，CU和CTh分別為放射性核素238U和232Th的活度濃度(Bq·L-1)，HU和HTh分別為238U和232Th的質量濃度(g·L-1)，αU和αTh分別為238U和232Th的換算系數(Bq·g-1)，其值分別為1.2443×104Bq·g-1和4.0738×103Bq·g-1[21]。

1.2 放射性核素健康風險評價方法

20世紀80年代發展起來的健康風險評價主要以美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)和美國環境保護局(U.S. Environmental Protection Agency, US EPA)的研究為依據，是通過建立人體健康與環境污染的關系，定量分析環境污染物對人體健康造成的傷害及概率[22]，一般分為放射性物質、化學致癌物及非致癌污染物所致健康危害的風險評價[23]。這些污染物質主要通過直接接觸、攝入水體中食物和飲水3種暴露途徑對人體健康造成危害，而飲水途徑是其中很重要的暴露途徑[22]。目前，國內外已有不少針對放射性核素健康風險評價的研究[24-27]，但國內研究偏重于簡單調查，研究特點表現在以下幾個方面[24,28]：(1)研究區域多限于鈾礦區，缺少對河湖水體的研究；(2)研究內容多是簡單地對總α和總β放射性的調查評價；(3)評價對象也多針對成年人，缺少對不同年齡組人群的評價。而國外的研究則要深入得多，對放射性核素的評價不僅覆蓋了不同年齡組的人群，而且考慮了更為具體的核素種類，由此進行的健康風險評價意義更大[24,28]。本文考慮到國內外研究的現狀，以拉薩河流域不同年齡組的人群為研究對象，采用國際上廣泛接受與應用的評價方法，評估研究區人群由飲水途徑攝入238U和232Th的致癌風險，這是本文的特色與創新之處。根據國際輻射防護委員會(International Commission on Radiation Protection, ICRP)及US EPA建議的內照射劑量系數法，拉薩河流域居民通過飲水途徑攝入的放射性核素所致患癌風險可通過以下公式計算[23-25]：

(1)

式中：RL表示拉薩河所有放射性核素通過飲水途徑導致個人患癌的年風險(a-1)；RU和RTh分別表示放射性核素238U和232Th通過飲水途徑導致個人患癌的年風險(a-1)；DR表示人群中由于輻射誘發癌癥的死亡系數(Sv-1)，根據耿福明等[25]、曾光明等[23]和胡二邦[29]的研究，結合ICRP和US EPA推薦的內照射劑量系數法，此處DR取值為1.25×10-2Sv-1；DU和DTh分別表示放射性核素238U和232Th通過飲水途徑導致的人均年有效劑量(Sv·a-1)；CU和CTh分別表示放射性核素238U和232Th在河水中的活度濃度(Bq·L-1)；WUa表示a年齡組人均年飲水量(L·a-1)，根據齊文[21]和沈威等[24]的研究，同時采用我國原核工業部推薦的年齡組劃分方法，此處幼兒組(年齡<7歲)、少年組(7歲<年齡<17歲)和成年組(年齡≥18歲)的取值分別為400、500和730 L·a-1；ga表示a年齡組的飲水途徑攝入劑量的轉換系數(Sv·Bq-1)，根據齊文[21]、王志明和王金生[30]的研究以及參考《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》(GB18871—2002)，此處核素238U對應的幼兒組、少年組和成年組的劑量轉換系數分別為2.6×10-7、1.0×10-7和6.3×10-8Sv·Bq-1，核素232Th對應的幼兒組、少年組和成年組的劑量轉換系數分別為1.2×10-6、8.4×10-7和7.4×10-7Sv·Bq-1。

2 結果與討論(Results and discussion)

2.1 238U和232Th含量和分布特征

拉薩河16個采樣點的238U和232Th含量(活度濃度)如表1所示。由表1可知，拉薩河238U和232Th平均活度濃度分別為(2.62±3.46)×10-2Bq·L-1和(2.3±0.478)×10-3Bq·L-1，變異系數分別為1.32和0.206，說明238U活度濃度在空間上變化較大，而232Th活度濃度在空間上則變化較小。238U含量比全國地表水平均活度濃度(0.0200 Bq·L-1)[31]高31%，而232Th含量則比全國地表水平均活度濃度(0.00600 Bq·L-1)[31]低61.7%；同時，238U和232Th含量均遠低于世界衛生組織(World Health Organization, WHO)規定的飲用水平均活度濃度標準(10 Bq·L-1和1 Bq·L-1)[32]。

圖2是拉薩河各采樣點238U和232Th含量(活度濃度)及其比值變化曲線圖。由圖2可知，在拉薩河中游(采樣點S1～S6)，238U和232Th含量沿程均呈波動變化趨勢；在拉薩河下游(采樣點S7～S13)，238U含量沿程呈波動上升趨勢，232Th含量則沿程呈波動穩定趨勢；而在拉薩河堆龍曲支流，238U和232Th含量則沿程呈波動下降趨勢。整個拉薩河總體來看，考慮到數據的不確定性，238U含量沿程呈波動穩定趨勢，232Th含量沿程呈波動變化趨勢，238U含量在采樣點DS14-1達到最大值(0.142 Bq·L-1)，232Th含量則在采樣點DS14達到最大值(3.98×10-3Bq·L-1)，主要原因是采樣點DS14和DS14-1靠近羊八井鎮，有豐富的地熱資源和地熱開發電站。地熱資源開發會產生大量廢水，這些廢水排放至堆龍曲支流，導致河水中放射性核素含量增加。隨著采樣點遠離羊八井鎮，采樣點DS15中238U和232Th含量顯著下降。

由于自然界中Th和U常伴生一起，它們性質相近，均能放射出α、β射線，人體一旦接受Th和U的照射將會極大危害身體健康[9]。在內生作用中處于密切共生狀態的Th和U，在外生作用過程中會發生顯著的分離現象。一般來說，地球上各類巖漿巖中232Th/238U活度濃度比值在4左右，而水體中該比值則要低得多[33]。河水中232Th含量基本來自河流周邊碎屑巖顆粒，是由河流周圍的碎屑巖在高溫高壓、風化等作用下由補給水流帶入河流中的。由圖2可知，在拉薩河中游，232Th/238U活度濃度比值沿程呈先降后升趨勢，平均值0.148；在拉薩河下游，232Th/238U活度濃度比值沿程呈波動下降趨勢，平均值0.366；而在拉薩河堆龍曲支流，232Th/238U活度濃度比值沿程呈先降后升趨勢，平均值0.0750。除采樣點S7和S11外，其余樣點的232Th/238U活度濃度比值均在0.15左右，證明了拉薩河水中232Th含量遠低于238U含量。拉薩河水中238U活度濃度明顯高于232Th，并且232Th活度濃度極低，這是由鈾的水活動性強和釷在生物圈中的地質化學過程與水無關的本質特征決定的。上述特征的存在與鈾、釷地球化學行為的差異有關：在天然水中，釷表現出強的顆粒活性，極易與顆粒物相結合，而鈾則表現出水溶性特征，易從顆粒物中淋濾釋出，由此導致拉薩河水體溶解態232Th/238U活度濃度比值<1的現象。鑒于以上原因，除采樣點S7外，其余采樣點水體中較低的232Th/238U活度濃度比值揭示了拉薩河河水對沿岸土壤和巖石的沖刷較小，導致帶入河流的232Th含量較少。

表1 拉薩河各采樣點238U和232Th活度濃度Table 1 The activity concentrations of 238U and 232Th at each sampling points of Lhasa River

圖2 拉薩河各采樣點放射性核素238U和232Th活度濃度及其比值變化曲線Fig. 2 Activity concentrations and ratio curves of radionuclides 238U and 232Th at each sampling point of Lhasa River

2.2 水化學條件對238U和232Th分布的影響

拉薩河的水化學條件對238U和232Th分布具有一定的影響，為此對水化學條件與放射性核素含量進行了相關性分析，具體結果見表2。

表2 拉薩河水中238U和232Th含量與水化學參數相關性系數Table 2 Correlation coefficients of the content of 238U and 232Th and chemical parameters in Lhasa River

2.3 238U和232Th健康風險評估與分析

在表3中總結了拉薩河各采樣點通過飲水途徑攝入放射性核素238U和232Th導致幼兒、少年和成年等不同年齡組的患癌風險評估值。由表3可知，拉薩河各采樣點由238U和232Th導致不同年齡組的致癌風險數量級范圍為10-8～10-7a-1，比ICRP建議的最大可忽略風險值(5.0×10-5a-1)及US EPA設定的A類致癌物質可接受風險值(10-6a-1)[34]低。平均來看，拉薩河幼兒組、少年組和成年組的總致癌風險分別為(4.81±4.61) × 10-8、(2.29±1.81)×10-8和(3.08±2.13)×10-8a-1，變異系數分別為0.959、0.792和0.691，均低于US EPA的標準，處于可接受的水平，致癌風險低。橫向比較來看，不同年齡組總致癌風險大小順序為幼兒組>成年組>少年組，說明幼兒比少年和成年更容易因238U和232Th導致身患癌癥，238U和232Th對幼兒毒性更大，這跟幼兒各器官尚處于快速生長期、身體較弱有較大關系。

由表3可知，拉薩河流域居民通過飲水途徑攝入單個放射性核素最高致癌風險為采樣點DS14-1幼兒組攝入238U所致(18.44×10-8a-1)，而最低致癌風險則為采樣點S7少年組攝入238U所致(0.1×10-8a-1)。采樣點DS14-1位于羊八井鎮，地熱資源開發導致的尾液排放使得該采樣點238U對幼兒組、少年組和成年組產生的致癌風險均比其他采樣點要高，又由于幼兒尚處于身體發育階段，對放射性核素比較敏感，雖然幼兒組飲水量比少年組和成年組少，但也導致采樣點DS14-1幼兒組攝入238U所致患癌風險在所有采樣點、所有年齡組里是最大的。采樣點S7位于中游和下游分界處，受到水體中懸浮物吸附作用和周圍水體補給稀釋作用影響，導致該采樣點238U和232Th含量均較低，這些核素的致癌風險亦較小。

圖3是拉薩河各年齡組放射性核素238U和232Th總致癌風險柱狀圖。由圖3可知，各采樣點不同年齡組總致癌風險大小排序均為幼兒組>成年組>少年組。這是由于不同年齡人群具有不同的呼吸及腸道系統狀況和新陳代謝速度，幼兒對放射性核素更敏感，從而使得幼兒組具有更高的致癌風險。對于3個年齡組來說，總致癌風險與放射性核素238U和232Th含量分布類似，在采樣點DS14-1出現最高值，分別為19.78×10-8(幼兒組)、8.03×10-8(少年組)和9.66×10-8a-1(成年組)。

表3 拉薩河各采樣點致癌風險評估Table 3 Carcinogenic risk assessment of sampling points in Lhasa River

圖4是各年齡組中238U和232Th對總致癌風險的貢獻率餅狀圖，由圖4可知，幼兒組中238U和232Th分別貢獻了71%和29%的致癌風險，少年組中238U和232Th分別貢獻了57%和43%的致癌風險，而成年組中238U和232Th分別貢獻了49%和51%的致癌風險。在飲水途徑攝入的放射性核素導致的患癌風險中，238U的貢獻率隨年齡的增長而下降，232Th的貢獻率則隨年齡的增長而上升。這說明，拉薩河流域不同年齡人群需重點關注的放射性核素不同：幼兒和少年應多關注238U導致的致癌風險，成年則應同時關注238U和232Th導致的致癌風險。

2.4 不同河流致癌風險評估的比較與討論

為進一步了解不同河流中放射性核素238U和232Th導致的致癌健康風險，在表4中列出了拉薩河結果和我國其他河流評估結果的比較，包括238U和232Th平均活度濃度和采用同樣方式計算的平均總致癌風險。臨水河水體中238U和232Th平均活度濃度較高，分別為0.0810 Bq·L-1和1.4390 Bq·L-1[24]，平均總致癌風險分別為2.3567×10-6(幼兒組)、1.0597×10-6(少年組)和1.3742×10-6a-1(成年組)，均超過了1×10-6a-1，對人體存在潛在致癌風險。同拉薩河研究結果相比，湘江衡陽段、洞庭湖水系、額爾齊斯河支流和干流的放射性核素238U和232Th平均活度濃度均比拉薩河低，它們的總致癌風險亦低于拉薩河，風險處于可忽略的水平；我國地表水238U平均活度濃度低于拉薩河，但232Th平均活度濃度高于拉薩河，由此計算的總致癌風險則高于拉薩河，但仍處于可忽略的水平(<1×10-6a-1)。

圖3 拉薩河各年齡組放射性核素238U和232Th總致癌風險柱狀圖Fig. 3 Histogram of total carcinogenic risk of radionuclides 238U and 232Th in different age groups of Lhasa River

圖4 238U和232Th對拉薩河各年齡組總致癌風險的貢獻率餅圖Fig. 4 Pie chart of contribution rates of 238U and 232Th to total carcinogenic risk of different age groups in Lhasa River

表4 拉薩河研究結果與我國其他河湖結果的比較Table 4 Comparison of results of Lhasa River and other rivers and lakes in China

拉薩河的研究采用的是較成熟的致癌健康風險模型，相關參數是依據大量前人研究成果而確定的，因此，對于拉薩河水體放射性核素致癌風險的評價具有較強的科學性和適用性。然而，本研究結果只是對放射性核素分布及致癌健康風險評價的初步研究，僅考慮了飲水途徑攝入放射性核素238U和232Th的致癌風險，評估致癌風險時使用的參數大多數是US EPA的推薦值，不一定適用于我國[35]。后續可通過采取增加不同時間的采樣，增加其他放射性核素的測定，綜合考慮飲水、呼吸和皮膚接觸等途徑的影響，研究更符合我國人群的參數等措施，深入研究拉薩河放射性核素分布特征和健康風險，使得研究結果更具有科學指導意義。