（生物物理学专业论文）60co95zr在生态环境中的行为动力学.pdf

致谢 值此论文完成之际，谨向导师王寿祥教授，以及陈传群教授、史建君副研究员深 表谢意! 本论文是在导师悉心指导下完成的。在论文的选题、试验设计、实验实施及 撰写至定稿过程中凝聚了导师的宝贵心血；在平时的学习和生活中，得到了导师的关 心和鼓励。三年来，他们以渊博的知识，严谨的治学态度教导了我，使我终生受益。 导师严谨治学，不倦追求真理的学者风范对我的成长产生了深远的影n 向，我会永远铭 记导师的谆谆教诲。并衷心地祝愿导师及家人身体健康。 在我学习和从事论文研究期间，有幸聆听了陈子元院士、孙锦荷教授、徐步进教 授、华跃进教授、舒庆尧教授、张永熙副教授、郭江峰副教授、叶庆富副教授、孙志 明老师、柴立红老师等老师们的教诲，受益匪浅。在此谨表由衷的谢意! 并热忱感谢 核农所的领导和全所老师们为我的学习提供了优良的条件和诸多帮助与关照! 在试验和论文撰写过程中，还得到了龚荐教授、罗时石教授、葛才林副教授、蔡 志强老师等老师们的热情支持和李岩博士后、汤兴俊博士、李建科博士、周新文博士、 博士生刘新、李晋楠、张明洲、王忠华、刘立丽、硕士生马美萍、吴立成等以及本所 众师友们的热心帮助。 感谢国家自然科学基盒委员会对本研究提供的资助。 特别感谢我的父母在培育我成跃的道路上所付出的辛勤劳动和无微不至的关怀! 本文献给我的夫人樊国华和爱子赵登阳，感谢他们始终如一的宽容和爱心，没有 他们的理解和支持，顺利完成学业是一件难以想象的事情。 我还要感谢论文评阅及答辩委员会各位专家和教授，您能在百忙之中挤时问评审 论文并提供宝贵的意见，令我感激至深! 最后，再次感谢每一位曾给予我关心、帮助和支持的老师、同学、朋友和家人! 赵希岳 2 0 0 2 年4 月于杭州浙江大学 摘要 核电在我国近期内将有较快的发展，而6 0 c o 、”z r 是核反应堆主要活化产物和裂变 产物之一；元素钴是动植物重要的微量营养元素。鉴于核污染事故的突发性及危害的 严重性，需要对6 0 c o 、”z r 在环境、动植物中的行为有较为系统的研究。本文利用核 素示踪技术研究了6 0 c o + ”z r 在不同生态系，不同动、植物中的运转，并利用示踪动力 学分室模型原理，通过计算机拟合建立了6 0 c o 、”z r 在系统中行为规律的数学模式，为 阐明放射性钴、错的环境行为提供了基础资料。主要研究内容分为以下五个部分。 第一部分：采用b h l 2 4 4 型多道能谱仪测量了6 0 c o + ”z r 固体样品和水样的能谱图。 确定了各自的测量道。并对其测量的重复性、样品量和活度对测量结果的影响等进行 了测定分析，确定了相应的校正曲线。 第二部分：研究了”c o + ”z r 在小粉土、黄红壤、青紫泥和海泥中的吸附和解吸。 结果表明，6 0 c o 、”z r 进入淹水土壤之后，迅速地被土壤吸附而达到吸附平衡，不易解 吸a 吸附率和分配系数大小排列顺序均为：海泥 青紫泥 小粉土 黄红壤；解吸因 数的大小排列顺序为：黄红壤 小粉土 青紫泥 海泥。6 0 c o 、9 s z r 在土壤中的动态变 化可用封闭二分室进行描述。 第三部分：采用土柱法研究了6 0 c o + ”z r 在2 种土壤( 小粉土、红黄壤) 中的淋溶 和垂直迁移。结果显示：( 1 ) 淋溶后收集到的全部淋溶水中“c o 、9 s z r 的含量较少，不 过引入量的4 3 3 。( 2 ) 滞留于土壤中的“c o 、9 5 z r 绝大部分分布在土壤表层l c m 内， 占土壤中总量的8 7 4 7 。( 3 ) 土壤中6 0 c o 、”z r 含量随土壤深度按单项指数规律衰减。 第四部分：研究了6 0 c o + ”z r 在小麦一土壤、蚕豆一土壤系统中的迁移、消长和分配 动态，并建立了其行为规律的数学模型。结果表明：( 1 ) ”c o 、”z r 由表土进入系统 后即在系统中发生迁移，小麦、蚕豆主要经根吸收6 0 c o 、9 5 z r ，然后向其各部位转移和 分配。小麦、蚕豆植株中6 0 c o 、”z r 比活度起初随时间迅速增高，在达到某一最大值 后开始下降。根中”c o 、”z r 比活度显著高于植株其它部位，小麦各部位中6 0 c o 、9 s z r 比活度的大小顺序为：麦根 麦秸 麦壳 麦粒，蚕豆各部位中6 0 c o 、9 s z r 比活度的大 小顺序为，豆根 豆秸 豆壳 豆粒。( 2 ) 土壤中6 0 c o 、9 5 z r 主要滞留于表层6 c m 内， 其比活度与距土表深度呈单项指数负相关。( 3 ) 。c o 、”z r 在小麦一土壤、蚕豆一土壤系 统中比活度的动态变化规律由多项指数描述。( 4 ) 小麦、蚕豆对土壤中的6 0 c o 、”z r 具 有一定的富集能力，其c f 值约2 6 3 。 第五部分：研究了6 0 c o 、9 5 z r 在水生生态系统中的分布积累。6 0 c o 、”z r 进入水中 后，在水生生态系统中发生沉淀或与其他离子进行络合或被水生生物吸收或被吸附等 形式在系统中迁移和转化，从而在系统各部分中分配和积累。在引入后的很短时间内， 池水中的6 0 c o 、”z r 比活度迅速降至一定值后缓慢下降；底泥通过与6 0 c o 、“z r 进行离 子交换，对6 0 c o 、”z r 凝聚物的吸附富集了大量的6 0 c o 、”z r ；水葫芦也可在短期内吸 附大量的6 0 c o 、”z r ；鲫鱼和螺蛳对6 0 c o 、9 5 z r 的吸附能力较弱，6 0 c o 、，s z r 在鱼体内 的分布主要集中在内脏中，螺蛳肉中6 0 c o 、”z r 的富集率大于在壳中的富集率。6 0 c o 、 ”z r 在系统各部分的量均受时间的影响。 利用封闭五分室模型原理，对6 0 c o 、”z r 在水生系统各部分的动态行为进行数学表 达。 本文对6 0 c o 、”z r 在与人类生活联系紧密的生态系统中的行为作了研究，并首次将 示踪动力学分室模型应用于含有6 0 c o 、”z r 的模拟水生生态系中，对于a o c o 、9 5 z r 在生 态系统各部分的转移进行了较为科学的量化表达，为可能的核事故的应急处置及核燃 料后处理提供了部分参考，为制定有关法规提供了部分基础数据，同时也充实和丰富 了我国的放射生态学理论，缩短了该领域中我国与先进国家间的差距。 关键词：6 0 c o ；”z r ；吸附；解腹；淋溶；小麦一土壤系统；蚕豆土壤系统；水生 生态系；分室模型；迁移动力学；浓集系数；放射生态学 第一章前言 1 1 核电及其发展 自从1 9 5 4 年原苏联建成了5 m w e 的世界上第一座核电站以来，核电在些发达 国家迅速发展起来。4 0 多年来，核电技术日趋成熟，经验更加丰富，如今它已成为当 代三大能源之一。截至2 0 0 1 年底，世界核电装机容量达到3 5 4 9 g w e ，预计到2 0 0 5 年 世界核电装机容量将达到3 6 1 5 g w e ，2 0 1 0 年将增长到3 6 4 6 g w e t “”。 核电的发展正方兴未艾。我国已把发展核电作为解决能源问题的重要途径。目前 我国大陆上有两个核电站，四台核电机组在运行，它们是浙江省秦山核电站一期一台 3 0 0 m w e 压水堆核电机组，广东省大亚湾核电站两台9 0 0 m w e 压水堆核电机组。“九五” 期间，我国有8 台机组6 6 x 1 0 3 m w e 装机容量的核电工程陆续开工并正在建设。1 9 9 9 年，我国核发电量占总发电量的1 1 5 。1 9 9 6 年6 月2 日秦山二期2 x 6 0 0 m w e 压水堆 核电工程开工建设，第一台机组已于2 0 0 2 年4 月并网发电，2 0 0 3 年4 月第二台机组亦 将投入商业运行。1 9 9 7 年5 月1 5 日与大亚湾核电站毗邻的广东岭澳2 x 1 0 3 m w e 压水 堆核电工程开工建设，两台机组计划于2 0 0 3 年全部投入商业运行。1 9 9 8 年6 月2 日秦 山三期2 x 7 0 0 m w e 重水堆核电工程开工建设，将于2 0 0 2 年、2 0 0 3 年相继投入运行。1 9 9 9 年1 0 月2 0 日江苏省连云港田湾核电站2 x 1 0 3 m w e 压水堆核电工程开工建设，计划分 别于2 0 0 4 年、2 0 0 5 年投入运行。2 0 0 2 年1 月初，我国已经开始三门核电站的准备工 作。到2 0 0 5 年前后，我国将有近9 x 1 0 3 m w e 的核电机组运行发电，至2 0 1 0 年，我国 大陆核电装机容量估计将达2 1 0 4 m w e 3 1 。 1 2 核电的发展对生态环境的影响 核能作为一种能源已被很多国家所接受并用于发展电力，但因为核安全及核废物 对人类可能造成的影响使得许多国家在利用核能时采取非常谨慎的态度 4 1 。 核电在正常运行条件下是一清洁的能源，但它在带给人类能量的同时也可能造成 一定程度的污染，势必产生潜在的环境问题。核电站运行及其工艺过程、乏燃料处理、 废物处置乃至事故所可能造成的对生态环境的放射性污染已愈来愈引起公众的关切。 尤其是由突发事件造成的核泄漏等事故造成的危害是深重和久远的。如1 9 7 9 年3 月美 国三里岛核电站和1 9 8 6 年4 月前苏联切尔诺贝利核电站的事故( 尽管其直接原因是工 作人员的错误操作或判断失误) ，特别是切尔诺贝利核电站的严重事故，不仅使得动植 物( 包括人) 受到辐射损伤，甚至死亡，而且造成大量放射性核素进入环境，其污染 物已遍布北半球的广大地区，欧洲部分地区受到严重污染，我国北京也曾检测到污染 物i ) 的存在睁“】。 核电站反应堆的放射性污染物可以分为两大类：裂变产物和活化产物。裂变产物 产生于燃料元件可裂变物质的裂变，活化产物则产生于裂变过程中生成的大量中子照 射反应堆的结构材料、冷却剂等而感生出的放射性物质。反应堆产生的某些裂变产物 并无类似的营养元素，但仍然具有潜在的生物学意义，对生物体可能有较大的影响。 例如”z r ，虽然它的溶解度较小，但是对植物和动物的外照射贡献较大。这些核素列于 表1 1 中【”】。 表1 1 具有潜在生物学意义的某些裂变产物放射性核素 t a b l e1 1s o m ef i s s i o np r o d u c tr a d i o n u c l i d e so f p o t e n t i a lb i o l o g i c a li m p o r t a n c e 放射性核素 裂变产额( ) 3辐射类型半衰期 类似的重要元素 r a d i o n u c l i d e f i s s i o ny i e l d ( ) 3r a d i a t i o n h a l f - l i f e i m p o r t a n te l e m e n t a n a l o g s 一 3 h o 0 1b 1 2 年h 8 5 k r 0 2 9b 、y 1 0 年 9 0 s r5 7 7 02 8 年 c a 8 9 s r47 9 b5 1 天 c a ”7 c s61 5 0 、y3 0 年 k 1 3 1 i 3 1 b 、y8 1 天 i 1 2 9 1 0 9 b 、y1 7 x 1 0 7 年i 1 4 4 c e 66 0 b 、y2 8 5 天 ”3 r u3 0 b 、y4 0 天 1 0 6 r uo3 8 b 、y1 年 ”z r 6 2b 、y 6 5 天 b a6 3 2 b 、y 1 2 8 天 c a 9 y 5 4b 、y 5 8 天 1 4 3 c e 557 b 、y3 3 时 塑生一卫 ! ：! ! ! 丞 4 a 、指2 35 u 的热中子裂变产额a b a s e du p o nt h e r m a ln e u t r o nf i s s i o no f2 ”u b 、可进一步衰变成放射性子体bd e c a y t or a d i o a c t i v ed a u g h t e r s 反应堆中的中子，除了维持链式核反应以外，它还与非裂变性核素作用，结果产 生种类繁多的放射性核素，即所谓“活化产物”，见表1 2 ”。 表1 2 核反应堆内由中子活化产生并具有生物学意义的某些放射性核素 t a b l e1 2s o m er a d i o n u c l i d e sp r o d u c e db yn e u t r o na c t i v a t i o ni nn u c l e a rr e a c t o r s w h i c ha r eo fp o t e n t i a lb i o l o g i c a ls i g n i f i c a n c e 6 0 c o 是冷却剂回路中的腐蚀产物，是在中子辐照下活化生成的核素6 】。它是中等 毒性的放射性核素。通过水的排放进入环境。6 0 c o 进入人体后的关键器官是胃肠道。 鉴于核废物存在着潜在的环境危害，必须了解核素进入土壤、水等环境的量以及 由此进入动植物体内的量及其动态行为，并在此基础上寻找净化放射性污染物及降低 放射性核素进入动植物体内的合理、有效的途径。 1 3 本项研究的立题依据、意义及研究内容 1 3 1 核电的可持续发展与放射生态学研究 前已述及，核电的迅速发展，势必产生潜在的环境问题。核电站运行及其工艺过 程、乏燃料处理、废物处置乃至事故所可能造成的对生态环境的放射性污染已愈来愈 引起公众的关切。人们为了寻找有关的科学结论，五十年代起环境学家、生态学家及 生物学家就致力于放射性污染物对环境影响的研究并随即诞生了一门综合性的学科一 放射生态学，它是关于放射性核素在生物圈的迁移和电离辐射对生物体天然群落影响 的科学邮1 。其研究内容和方法，从核爆污染水平的监测到模拟试验的动态分析，到运 用计算机建立数学模型对后果进行预测，其中，美国、俄罗斯、日本等国都开展了1 ”c s 、 ”s r 等放射性污染物的生态学行为研究d 8 - 2 4 】，且许多研究建立或应用数学模型；美国、 日本、澳大利亚等国研究了植物对氚水的吸收和含量测定，氚在土壤、地下水或河水 中的迁移或水平调查等。目前国外有关核电站放射性污染生态学研究的最集中的特点 是模型化、规范化及由此提出核事故应急措施、减少核事故危害的实验资料；国际原 子能机构正是依据这方面的研究成果制订了有关的安全法规、标准。我国现行的有关 辐射安全标准和法规基本皆沿用国外的；但是由于世界各地生态环境、耕作制度、饮 食习惯等不尽相同，甚至有较大的差异，因此，这些法规、准则就难以达到合理和完 全适用的程度，这就要求我国的科学工作者通过自己的劳动去获取资料，以期制订出 符合我国国情的法规、准则或标准。 我国于六十年代后期曾有个别单位开展过核爆污染物的监测和对环境影响的研 究，目前中科院海洋研究所、国家海洋三所、中国农科院原子能利用研究所及浙江大 学原子核农业科学研究所等先后开展了”s r 、”7 c s 、6 0 c o 、3 h 等污染生态学研究，并 取得可喜的成果。尽管某些研究已达到国外同类研究的先进水平 2 5 - 3 4 】，但总的说来，我 国在该领域内的研究不仅与国外同类研究有较大差距，也与我国核电发展的要求极不 相称。因此，继续、深入地开展放射性污染物在农业生态环境中行为的研究，是实现 日益增长的能源需求与保持高质量环境完美统一的需要，是实现可持续发展的需要， 这就是确定本项研究的出发点。 1 3 2 研究内容 本研究是国家自然科学基金项目“核电站活化产物在农业生态环境中迁移模型的 研究( 3 9 5 7 0 1 4 9 ) ”和“”z r 在农业生态环境中的消长动力学研究( 3 9 9 7 0 1 4 7 ) ”在研究 内容上的拓展。 陈传群、王寿祥等曾开展了主要裂变产物”s r 、”4 c s 和氚水( h t o ，也是活化产 物) 等生态行为的研究【6 】。 作为目前核电站主要堆型压水堆，在正常运行情况下，其主回路中活化产物主要 有6 】：“m n 、“m n 、”c o 、5 9 f e 和”c o 。”z r 是核电站反应堆的主要裂变产物之一，裂 变产额高达6 2 ，是b 、y 辐射体，压水堆核电站的主要放射性液态流出物，比如秦 山核电站一期1 3 0 0 m w e ，设计( 液态流出物，不包括气载流出物) 5 4 m n 的环境释 放率为2 4 b q + s 、5 9 f e 为0 3b q s 。、5 8 c o 为15 b q s 。、6 0 c o 为2 2 b q - s 。、”z r 为3 2 9 b q s 1 胡竹舟等，秦山核电工程( 3 3 0 万千瓦) 环境影响初步评估，中国辐射防护研究院， 1 9 8 9 ，1 1 ：1 7 1 9 ( 内部资料) 。由于6 0 c o 的活化产额高、”z r 的裂变产额高，y 射线 穿透力强，故其对公众产生的内、外照射危害已引起人们的高度重视。 尽管6 0 c o 单独在动植物、环境中的作用，报道较多，在动植物体内作用的机理 目前研究较深入，”z r 较少。但对于钴在生态系统中如何吸附、分配和积累的研究国 内以定性和静态描述为主，对于定量、动态描述则报道较少，而当前环境污染风险管 理要求进一步开展评价方法学的研究，开发更为合适的风险评价的定量模式，包括： 事故发生概率、事故排放初始强度、污染物环境迁移动态、污染物时空分布、暴露、 在生物体分布、风险计算等各种模型 3 5 - 3 7 i 。 由于各国的生态环境不同，情况就更加复杂。对于6 0 c o + ”z r 在动植物、环境中的 作用，未见报道。其在生态环境中的行为有待于进一步研究。根据它们的浓度和毒性， 本研究拟选取混合“双核素”6 0 c o + 9 5 z r 为研究对象，运用示踪动力学的分室( 或隔室， 库室，c o m p a r t m e n t ) 模型原理建立6 0 c o 、”z r 在生态环境中迁移和积累行为的数学模型， 并运用计算机拟合获得数值解。通过研究定量地给出“c o 、”z r 在淡水生物和陆生作物 中的浓集因子及其动态变化规律，为其产生的内、外照射剂量负担的估算，为制订有 关标准、法规提供依据。 具体研究内容如下： 第一部分 6 0 c o + 9 5 z r 样品测量方法的研究 第二部分土壤对6 0 c o + ”z r 的吸附动态及水浸解吸 第三部分6 0 c o + ”z r 在土壤中淋溶和迁移的研究 第四部分6 0 c o + ”z r 由灌溉进入小麦土壤、蚕豆土壤系统中的消长动态 第五部分6 0 c o + ”z r 在淡水生态系中的输运动态 1 3 3 研究目的和意义 为了适应我国核电迅速发展的需要，应注重研究压水堆核电站反应堆中的主要活化 产物6 。c o 和裂变产物”z r 在生态环境中的迁移、输运和消长的动态过程，建立其行为 规律的数学模型，从而直接或间接地为核电站正常运行过程中排出的6 0 c o 、，s z r 在环境 和作物中的输运和积累状况作出科学评定，为可能产生的核事故对生态环境的影响及 应采取的应急措施，为制订适合我国国情的有关标准和法规提供实验资料和理论分析， 缩短我国在该领域内与世界先进国家间的差距。 根据目前的研究现状与该领域的要求，本文从动力学角度研究了s o c o + ”z r 在土 壤一水系统中的吸附、解吸和淋溶，在小麦一土壤、蚕豆一土壤及水底泥水生动植物系统 中的迁移、积累和分布，并运用分室模型与计算机技术对6 0 c o + ”z r 在上述系统中行为 规律进行定量表征，这在国内尚未见报道，国外也不多见。本研究对评价放射性钴、 锆对生态环境的影响程度和制订适合我国国情的有关标准提供了部分基础资料。 1 46 0 c o 、9 5 z r 的基本性质及其研究现状 1 7 3 5 年，瑞典化学家g b r a n d t 发现钴元素。1 8 2 4 年，瑞典的j jb e r z e l i u s 制备 了锆”。 “c o 放射d 、y 射线，b 射线的能量为0 3 1 8 m e v ( 9 9 9 ) 和1 4 9 1 m e v ( o 1 1 ，主 要v 射线的能量为1 1 7 3 m e v ( 9 9 8 6 ) 和1 3 3 3 m e v ( 9 99 8 ) 。9 5 z r 放射b 、v 射线，主 要b 射线的能量为o 3 6 0 m e v ( 4 3 ) 和0 3 9 6 m e v ( 5 5 ) ，y 射线的能量为0 7 2 4 m e v ( 4 4 5 ) 和0 7 5 7 m e v ( 5 4 6 ) ，本试验采用多道y 谱仪测量6 0 c o 、”z r 的活度，从而达到测定 6 0 c o 、”z r 含量的目的。 6 。c o 半衰期为5 2 y ，”z r 半衰期为6 5 d ，试验过程中放射性活度的自然衰变可以 通过衰变定律进行校正p j 。 1 4 1 6 0 c o 、9 5 z r 的生物化学性质 钴的几种放射性同位素是用核反应堆或核爆炸中的中子活化产生的。其中最常见 的是“c o ( t 2 2 6 7 d ) 、5 8 c o ( t = 7 1 d ) 年n6 0 c o ( t = 5 2 y ) 。由于6 0 c o 的半衰期较长，y 射线的穿 透力强以及它在药学、工业和科学研究中的广泛应用 4 0 4 4 】，所以它是最受关注的核素 之一。通常认为钴是环境中的一个微量元素，作为一个微量组分存在于动植物体内， 在某些生物化学反应中起着一定的作用。目前，对于钻的物理、化学及生理特性的认 识已经比较成熟。钴存在6 种化合态( i ，0 ，+ i ，+ i i ，+ 1 1 1 ，+ ) ，其中c o ( i i ) 和c o ( i i i ) 在溶液中能够存在，而c o ( i i ) 比c o ( i i i ) 稳定得多，故本实验采用c o ( i i ) 。钴配合物是最初人工合成载氧模型体系，也是公认的血红蛋白和其它天然氧载 体可行的模型化合物之一，如c o ( i i ) s c h i f f 碱的螯合物。c o 能可逆地结合氧，其第五 个配位键还可被嘌呤、嘧啶等替代。 在动物营养中钻是一个有生命活性的、动物必需的微量营养元素。当食草的牲畜 长期采食缺钴的草料时，会产生生长缓慢、厌食和贫血等病症，但若给这种病畜补以 加钴的食物时，这些病状就很快消失了。因而人们认为钴盐对动物不是有特别毒害作 用的，但人类若服用了较大剂量钴盐时会对胃、肠、消化道产生刺激作用而造成呕吐 和腹泻。不过小剂量的钴对于医治恶性贫血是有重要作用的。在1 9 2 6 年人们发现肝脏 中抗恶习性贫血因子后导致了在1 9 4 8 年发现维生素b 。不久之后就发现维生素b 。中 含有钴。 维生素b 。：通称为氰基钴氨( 图1 1 ) ，其中含有氧化态为+ 1 1 1 的钻原子。钻啉环 是b ：( 氰钴胺素) 的重要组成部分，其中钴位于中心位置。这个化合物有点类似于金属卧 啉，不同点在于用4 个吡咯啉环代替了4 个吡咯环。在其中钴原子八面体被1 个氰基 碳原子和5 个氮原子所包围( 5 个氮原子中4 个来自于吡咯啉环和一个来自于苯并咪唑 环) 。其上的氰基可以被其它阴离子取代，例如维生素b ：。是羟基钴胺，而维生素b 。：。 是亚硝酸根钴胺( 3 8 】。 图1 1 维生素b 1 2 f i g1 1 v i t a m i n b t 2 钴化合物也对某些抗生素有协同治疗作用 炎症时则常在青霉素中加入钴盐进行临床治疗 使产出的牛奶中含有青霉素【4 5 1 。 c o n h 2 特别是对青霉素。在治疗乳牛的乳腺 因为单独使用大剂量的青霉素时，会 钴是人体必需微量元素之一。人体约含钴5 1 0 毫克，大部分存在于肝脏中，为维 生素b 。：的主要成分。钴对人体的作用主要由维生素b 。：的功能表现，维生素b 1 2 可以 增加叶酸的利用率，因而影响核酸和蛋白质的生物合成，促进红细胞发育和成熟。人 体钴缺乏表现为维生素b 。：缺乏症状，可以发展为巨红细胞性恶性贫血。钴的需要量尚 不清楚，一般膳食中可供给钴1 5 0 6 0 0 ug d 。 羊的饲料中如果缺少钴，将会引起严重的脱毛症。然而，只要在饲料中加入微量 的钴一每昼夜l m g ，便可治好脱毛症。 由于6 0 c oy 射线的穿透力强，e o c o 常用来治疗人体内生长的恶习性肿瘤，它不伤 害有机体，却能破坏癌细胞的快速繁殖，抑制它们的活动能力。 有人发现青光眼急性发作时，血中钴含量减少，采用“钴食”疗法能使患者的眼 压很快恢复正常1 。 维生素b ：对于反刍动物影响最大。也有报道当碘缺乏时，钴还能激活甲状腺的活 性。当然，当动物体内钴含量超过一定含量，对动植物有明显的毒性，其毒性与其催化产 生自由基有关。对于植物，尤其是豆科植物生长有益。 锆虽然稀有而且缺少明显的生物功能，”z r 也没有营养类似物，它的行为不能从 一般的营养元素来推测，但并不能排除它是一个潜在的生物危害物。因为”z r 是高裂 变产额的裂变产物，并具有0 、y 辐射的潜在危害。大部分稳定锆与锆矿石中的氧化 物结合口。由于锆倾向于形成胶体，进行水解和聚合，因而使锆的水溶液化学变得复 杂。一般来说，环境中锆的化学形式是非常难溶的，以致该核素在生物系统中的流动 性很低。在沉降有裂变产物碎片的地区，对生物样品中的”z r 进行测量后发现这些裂 变碎片主要结合于外表面。正是由于它的裂变产额高、v 射线穿透力强，通常认为”z r 及其子体”n b ( t = 3 5 d ) 是新产生的裂变碎片沉积现场的外部y 辐射的重要来源“。 1 4 26 0 c o 、9 5 z r 在土壤、矿物质方面的研究 土壤是环境生物链中最基础的一环。钴在土壤中可被吸附、固定或螯合。影响土 壤吸附钻的因素有土壤的p h 值、粘土矿物类型及粘粒含量、有机质含量、氧化物类型 及含量等”8 4 ”。被粘土吸附的钴主要位于粘土表面，并可能通过共沉淀和生成络合物 等方式而被土壤中的氧化锰所吸附 5 6 , 5 7 l 。与钾、钙、镁相比，钴被粘粒吸附较牢 司1 5 8 】。 钻的固定是参与到粘土矿物的晶格建造中去，有一部分则可能类似于k + 的晶格固定。 钴也可被有机物螯合9 ”。钴的有机螯合物移动性较好，在土壤中也易迁移。蔡祖聪等 研究了中国主要土壤对钴的吸附特征，揭示出影响我国土壤对钴吸附容量的主要因素 是粘土矿物类型，其次为土壤有机质及粘粒含量 。y a s u d a ，h 等通过b a t c h 技术测量了 包括6 0 c o 在内的五种放射性核素在水稻和早稻田土壤中的扩散系数以及影响扩散系数 的因素，研究表明：在水稻土和早稻土中k 。并没有明显的差异，而6 0 c o 与交换性钙的 量呈现出显著的相关一瞄i t 6 0 j 。李宽良等研究了锶、钻、铯的竞争吸附与迁移动态机理， 研究表明：离子间的竞争吸附作用可使用权弱者从吸附态解吸迁移，并导致其迁移浓 度大于环境的输入浓度m 】。 为解决核废物地下处置安全问题 6 26 5 】，y f u j i k a w a 等研究分析了6 。c o 在几种岩石 粉末、碎片、片层上的吸附，认为吸附系数和岩石大小、孔隙度有关，而和分配系数 无关；解吸系数和岩石大小、孔隙度及分配系数有关；其数量级从0 到i 0 3 t 6 “。叶明吕 等应用间歇法测定了六种地质材料( 选自江苏的花岗岩、紫色页岩、凝灰岩，上海的 泥土，浙江的一种泥土和花岗岩) 对几种放射性核素( 包括6 0 c o ) 的吸附比。结果表 明，所研究的四种岩石对6 0 c o 的吸附都比较好，两种泥土对6 0 c o 的吸附比都很高 ( 1 0 4 1 7 2 6 1 ) 【6 7 】。 近年来，史建君等研究了”z r 在小粉土、黄红壤、青紫泥和海泥中的吸附和解吸。 结果表明，”z r 进入淹水土壤之后，迅速地被土壤吸附而达到吸附平衡，且不易解吸m 】。 1 4 36 0 c o 、9 5 z r 在动物方面的研究 同一陆生生态系统中，不同动物种类对6 0 c o 的吸收情况是不同的。在哺乳动物 中，钴容易由消化道吸收，并且相当迅速地从体内排除。通常积累c o 的主要器官是肝 脏和肾脏。在陆地生态系中，6 。c o 的动物与植物浓度比分别是：无脊椎动物中食草性 动物为0 4 ，食肉性动物为0 5 ，哺乳动物中的食草性动物其值为o3e “1 。e k b a s t i a n 等 研究了e n i w e t a k a t o o l 地区土壤6 0 c o 浓度与鼠( r a t t u sr a t t u s ) 组织中6 0 c o 浓度的关系 及6 0 c o 在鼠体内的有效半衰期，发现鼠组织与土壤的6 0 c o 浓度比为0 1 1 0 0 f 6 9 1 。鹿的 肺组织可方便地用来监测不溶性气溶胶，如”z r 和”p u t ”1 。放射性钴( 6 0 c o ) 进入动 物体内后，参与造血过程，对肝、肾等造成损伤，其生物半衰期为5 2 0 天m 】。r gc u d d i h v 等研究了来自切尔诺贝利核反应堆释放的放射性粒子的特性。发现它们主要是由”z r _ ”n b ，”3 r u ，”6 r u _ 1 0 6 r h ，”4 c s ，”7 c s _ 1 3 7 b a ，c e “1 和“4 c e _ 1 4 4 p r 等放射性元素组成，如 果在反应堆附近地区的人们吸入类似的颗粒物，那么最大部分的有关辐射剂量将移到 肺组织m 1 。由于”z r 的吸收率低，连续不断地摄取”z r 的关键器官是胃肠道，被吸收 的少量”z r 通常保留较长的周期。 1 4 46 0 c o 、9 5 z r 在植物方面的研究 进入环境中的放射性核素又会在土壤、作物中迁移，随食物链进入人和动物体内， 不仅使人畜受到体内辐射损伤，部分核素还参与人体的生理生化反应及代谢过程，危 害程度因射线能量、核素半衰期及进入食物链的量不同而有所差异。 目前国内外有关放射性核素环境行为研究报道较多的是在经过大气沉降活跃期大 部分放射性核素进入土壤后的研究，此时由植物根系吸收放射性核素进入植物体， 般放射性核素在植物体内的积累量为根 茎 叶。进入植物体内输运的形式，国内外 学者对部分离子有过研究。d , 4 m 仁等研究了水稻叶片中放射性核素的积累情况，证明 根部吸收的核素从蒸腾流沿导管运送到叶身，进入活动中心叶的叶肉细胞，随光合产 物再运送到接受器官。而p a t e 等报道，许多植物体内有传递细胞，它有从蒸腾流夺取 溶质的特殊构造。传递细胞在草本的双子叶植物中广泛分布，在木本的双子叶植物中 很少，在单子叶植物叶中几乎没见到。o b r i e r 和z e e 等推断：小麦的子叶鞘节和其它 节以及小穗颖壳附着部分传递细胞，这些传递细胞，具有吸收沿导管移动的溶质而转 移到共质体的机能。川原等发现，在水稻节中有传递细胞，从蒸腾液流运送来的溶质， 可能在节中被传递细胞吸收，通过两片以上的叶直接传送到分散维管束或运送到主维 管束筛部 7 1 - 8 0 】。 陆地生态系中有关放射性钴的行为的资料比水域生态系中的更少，对植物与土壤 中的6 0 c o 浓度比为o 0 1 2 0 量级1 。据t i f f i n 报道，在番茄木质部中钴以c o ”的形式 输送，在韧皮部中则以络合阴离子态输送，其分子量为1 0 0 0 5 0 0 0 。也有报道指出，钴 也像铁一样，可能与柠檬酸结合。在植物体内进行输送【8 2 。6 0 c o 可从土壤通过植( 作) 物根系吸收，转移到地上部各个器官，且地下部吸收量高于地上部 8 3 , 8 4 1 。e o c o 在水稻体 各部分的积累为稻根 稻草 稻壳 糙米吣j 。”c o 从土壤到大米的转移系数，其最低 值的数量级为1 0 - 3 【b 5 i 。k b e a u g e l i n s e i l l e r 等研究了影响地衣吸收6 0 c o 的多种因素【8 6 】。 m u r a m a t s u ，y 等用多种核素示踪的方法研究了放射性核素在蘑菇体中的积累浓度的比 例，研究表明在蘑菇体内的浓集系数”r b ，6 5 z ns 4 m n 远远大于6 0 c o ，”y m ，”2 r h ，”1 t e 等。 在华盛顿的喀斯开山脉的高山分水岭上，有一条流经贫瘠土地的小溪，在过滤这条溪 水的地衣中发现落下灰的放射性浓度异常的高。”z r 的放射性比活度为1 6 2 8 b q g 干地 衣重”。徐世明等研究了6 0 c o 在小麦、油菜、玉米中的吸收、积累和转移规律，研究 表明6 0 c o 可从土壤通过作物根系吸收，转移到地上部各个器官【6 3 】。植物根部对土壤中 ”z r 的吸收是非常低的，根据国际辐射防护委员会的报告，摄食以后该核素的吸收分数 通常是 1 0 。李冕丰等测量了b a ，s r ，y ，z r 四种核素在广东白菜中，从土壤到白菜 的转移系数，研究了不同季节、不同元素浓度、不同施放方式以及不同生长期对转移 系数的影响【8 ”。 1 4 56 0 c o 、9 5 z r 在水生生态系迁移规律方面的研究 水生生物和陆生生物很容易从环境中积累钴的放射性核素。淡水生物中钻的浓集 因子的数值为1 0 0 一1 0 0 0 0 0 ( 2 ”，在海洋生态系中，钴的浓集因子一般在1 0 1 0 0 0 范围内 2 4 1 。 尽管锆的溶解度低、进入生物的能力差，但是可能由于表面吸附作用的缘故，在 水生物中观察到的”z r 的浓集因子相当高。据报道，淡水植物和动物中的浓集因子为1 0 2 1 0 4 数量级，文献报道在海洋生物中的浓集因子数值在1 1 0 3 范围m 】。 r n u c h o 等研究了淡水浮垂藻类s c e n e d e s m u so b l i q u u s 对6 0 c o 的滞留作用【8 8 1 。 lf o u l q u j e r 等研究了6 0 c o 在河水生态系中的迁移情况m 1 。j r b a u d i n 等研究了不同食物 类型对淡水鱼体内6 0 c o 积累的影响 9 0 l ，陈时华等研究了两种单胞藻类在不同浓度载体 条件下对6 0 c o 吸收和吸附情况，淡水单胞、藻类在不同浓度载体条件下对”c o 的吸收 和吸附状况不同。试验表明，活藻的浓集系数与载体浓度成正比；等量死藻随载体浓 度的增加，吸附降低”。淡水浮游藻类对6 0 c o 的滞留作用，表明其细胞的生理学条件 与放射性钴的解吸作用无关瞰】。6 。c o 在淡水生态系悬浮物上的浓度( c s ：5 0 0 2 0 0 0 m g l ) 与分配系数k d 成单项指数相关性 9 3 1 。j r b a u d i n 等研究了虹鳟体内“m n 、6 。c o 和”7 c s 的食物摄取、滞留和组织分布，研究表明：一般情况下，5 4 m n 富集在骨骼和软组织中， 。c o 富集在皮、头骨和肌肉中，”7 c s 在肌肉中。在摄取的最后阶段，5 4 m n 的最大浓度 在肝内，6 0 c o 的最大浓度在肾内，c s 在消化道内。g a b i r d 等研究了加拿大s h i e l d 湖中6 0 c o 和”7 c s 在鲑鱼体内的富集，研究表明：6 0 c o 主要分布于肌肉、内脏、腮、肾 和肝，”7 c s 主要分布于肌肉内9 5 , 9 6 1 。蔡福龙研究了扁藻对”c o 、c s 的浓集机理【9 7 】。 郝彦威在多脑河鱼类对放射性核素富集的研究中指出，鱼的污染主要是通过食物链的 途径，人体因食用鱼类而产生的剂量负担，对于”c o 来说，胃肠道是关键器官i 。 随着核能的发展，存在着大部分放射性废物不断排入海洋，使海洋遭受放射性污 染的潜在危险。由各种途径进入海洋的人工放射性核素主要是由裂变产物和中子活化 产物所组成。在海水和海洋生物中发现的几个重要裂变产物有”s r 、”y 、3 7 c s 、“。c e 、 9 5 z 卜n b 、6 r u r h ，在裂变后立即发现的还有”1 i 和”o b a 。在海洋系统中具有重要意 义的几个主要活化产物有s s 。f e 、e s z n 、5 7 ”c o 、5 4 m n 和5 1 c r 。在海水中还存在着低浓 度的”c 和氚。海水中同样存在着极低浓度的2 ”p u 和其他超铀放射性核素。 放射性核素的物理化学形式对它在天然环境中的行为有着相当大的影响。由于海 水中存在的化学物质和其他物质有很大变化，因而大多数放射性核素的物理化学形式 很难预言。一般认为c s 、s r 、z n 倾向以离子形式存在，而r u 、c e 、z r 、y 、n b 和f e 则倾向以悬浮粒子和胶体的形式存在。这些元素的放射性核素可能有着相同的倾向。 放射性核素5 7 6 0 c o 、5 4 m n 和5 9 f e 在海水中主要以不溶液性的形式存在) 。 关于放射性核素在海洋生物中积累的一般模式问题，其中6 0 c o 和”7 c s 的产额较高， 位于备受关注的核素之列。较多的研究资料表明，海洋生物能够不同程度地浓集海洋 环境中的6 。c o 。一般选海藻类和贝类作为6 0 c o 的指标生物”。 a n d r e wb c u n d y 等研究了在核反应堆关闭后海洋环境中放射性核素的衰减，结果 发现在英格兰中、南沿海广泛分布有6 0 c o 等放射性核素，并与富含粘土的沉积物和生 物群发生明显的相互作用pj 。b s a l b u 等研究了喀拉海核废物堆放引起的放射性污染一 1 9 9 2 至1 9 9 4 年俄罗斯一挪威联合考察的结果，发现a b r o s i m o v 和s t e p o v o g o 峡湾的堆 放容器附近的沉积物含有较高的6 0 c o 等放射性核素【l 。r i c h a r d1 m c l e a n 等研究了萨斯 奎汉纳河下游水中沉积物对6 0 c o 、”4 c s 、”7 c s 、6 5 z n 运送和贮存的评价呷”。 1 9 7 6 年，中国科学院海洋研究所放射生态组进行了海洋生物对放射性核素6 0 c o 等 浓缩因子的测定研究。认为：鱼的内脏、蛤仔的贝壳、海带的中部和梢部对6 0 c o 的富 积能力较高：在实验室条件下，海带、蛤仔、对虾、黑鲷和石鲽对”c o 的累积达到平 衡需要相当长的时间【”“。 蔡福龙等研究了几种海洋浮游生物对6 0 c o 的浓集o ”，探讨了海水和海洋食物链网 传递6 0 c o 的规律”，观察了6 0 c o 在人工海洋小生境中的行为 i o s ，为了解6 0 c o 在海洋 中的生态行为提供了部分资料。尹毅等研究了海水的p h 值和沉积物与放射性核素吸附 性能的关系，结果表明p h 值和沉积物对海水中某些放射性核素如6 0 c o 等的吸附有显 著影响“。 综合上述，国内外对6 0 c o 的生态学行为研究有些报道，而对”z r 则报道甚少。 此外，在研究了放射性核素在动植物、环境中的积累和分布情况的基础上，国内 外部分学者( 主要是国外) 还通过模型研究放射性核素的动力学行为，放射生念学中 最常见的模型是分室模型，k i r c h n e l ，g 用迁移函数模型模拟放射性核素在土壤中的迁 移，d a i e v , c h 对在放射性废料中的核素地下迁移进行了拟合，b u n z l ，p 等对放射性核素 在土壤中的行为及长期效应进行了拟合并对一定时期后的行为进行了预测，m o n t e ，l 等 研究了在意大利中部水体中的放射性核素的平衡模型，z i k a ，e m 等运用模型研究了在 r o c k yf l a t s ，c o l o r a d o 等地的土壤放射性核素的行为等；胡二帮等研究了一个预测核事 故后果的动态食物链模式与程序，王寿祥等曾采用分室模型解决了”s r 、h t o 在环境 中行为的数学模型的建立，冯永红研究了6 0 c o 在菜豆一土壤系统中的迁移模型，钟伟良 研究了”1 c e 在农业生态系中的行为，魏建鹏研究了6 0 c o 在模拟生态系中的迁移动力 学，而对于”z r 的报道则更少，史建君副研究员做了部分研究工作【1 0 7 。2 ”。 1 5 本研究的特色与创新 本研究的特色之一在于采用模拟污染物的同位素示踪技术进行了混合“双核素” 。c o + ”z r 在土壤中的吸附、淋溶、迁移，在陆生生态、淡水生态系中的转运和消长动 态的实验研究，而不局限于环境中。c o 、”z r 的来源分析和监测：其二，本研究给出 了6 0 c o 、”z r 在环境中消长的定量表达式，即运用示踪动力学分室模型原理建立其行 为规律的数学模型，对实验数据进行计算机拟合，使该方法在整体上有所改进、创新 和完善；在同类研究中，国内未见报道，国外也属鲜见。 预期研究成果：提供6 0 c o + 9 5 z r 在土壤中的吸附、淋溶，在陆生和水生生态系统中 行为的动力学模式，为预测和评估6 0 c o + ”z r 环境影响提供基础资料，丰富我国放射生 态学理论。 第二章6 0 c o + 9 5 z r 样品测量方法的研究 采用b h l 2 4 4 型微机多道一体化能谱仪( 北京核仪器厂生产) 对固体样品( 土样 和动植物样品) 和水样的测量方法进行研究摸索，以期找出最佳测定方法，为开展本 论文后面的研究( 6 0 c o + ”z r 在生态环境中的行为动力学研究) 提供技术支撑。 第一节固体样品中6 0 c o + 9 5 z r 的测量方法研究 2 1 1 材料和方法 2 1 1 1 供试土壤 供试土壤小粉土，采自浙江大学华家池校区实验农场，主要理化参数：p h 值6 0 有机质1 9 0 ，粘粒( 小于o 0 0 1 r a m ) 1 2 5 。粉碎后3 0 目过筛。 2 1 1 2 供试核素的化合物：6 0 c o c l 2 + 9 5 z