第7章+放射性物质通过.ppt

第7章放射性物质通过生物链向人的转移 人是生物圈中最高等的动物 处于整个生物链的终端 生态系统中的能量传递和物质迁移过程 环境放射性物质通过植物 动物 人这一生物链向人转移 核设施 核爆炸等释放出放射性核素 在空气 水体 土壤 并在其中进行迁移 弥散 环境中的放射性核素对人体造成外照射 通过吸入 食入对人体造成内照射 放射性物质辐射人体的途径 7 1放射性物质的生物链转移7 1 1生物链转移的基本途径水 空气 土壤等非生物环境物质中的放射性核素在一定条件下可进入植物组织中 这是其向生物链转移的第一个环节 陆生植物通过根吸收土壤中的放射性核素 叶 径吸附放射性核素 水生植物通过吸附 吸收而从水中摄取放射性核素 植物被动物食肉动物食用 放射性物质从植物向动物动物转移 食草动物被食肉动物食用 放射性物质进一步转移 食物网 进入环境中的放射性物质通过生物链向人转移的基本途径可概括为 1 2 3 4 生物膜的组成和结构 概念生物膜是构成细胞所有膜的总称 包括围在细胞质外围的质膜和细胞器的内膜系统组成膜脂膜蛋白糖类无机盐金属离子水 外周膜内膜系统 污染物在生物体内的转运及生态效应 生物膜的分子结构模型 流体镶嵌模型1972年美国Singer和Nicolson提出 认为生物膜是一种流动的 嵌有各种蛋白质的脂质双分子层结构 其中蛋白质犹如一座座冰山漂移在流动脂质的海洋中 与过去模型的主要差别突出了膜的流动性显示了膜蛋白分布的不对称性 生物膜的特性 膜分子结构的不对称性 膜分子结构的流动性 膜分子结构的不对称性 1 膜脂的分布不对称 即膜脂双分子层内外两侧的脂种类 含量不同 如人红细胞质膜 膜的外层卵磷脂 鞘磷脂较多膜的内层脑磷脂 磷脂酰丝氨酸较多 2 膜蛋白的分布不对称3 糖蛋白和糖脂中的多糖只分布在膜的非细胞质一侧 线粒体 内 外 二 膜分子结构的流动性 膜的流动性主要是指膜脂及膜蛋白流动性 合适的流动性对生物膜表现其正常功能十分重要 膜脂的流动性 膜脂的流动性主要决定于磷脂分子 在生理条件下 磷脂大多呈流动的液晶态 磷脂在膜内可作旋转运动 翻转运动 侧向运动等 当温度降至一定值时 膜脂从流动的液晶态转变为类似晶体的凝胶态 这个温度称为相变温度 凝胶状态也可再熔解为液晶态 各种膜脂由于组分不同而具有各自的相变温度 膜蛋白的流动性 膜蛋白只能做侧向扩散和旋转扩散 其速度平均比膜脂小10 100倍 物质通过生物膜的方式 污染物质在生物体内的各个过程 大多涉及其必须通过机体的各种生物膜 物质通过生物膜的方式根据机制可分为以下五种 1 膜孔滤过2 被动扩散3 被动易化扩散4 主动转运5 胞吞和胞饮 1 膜孔滤过 直径小于膜孔的水溶性物质 可借助膜两侧的静水压和渗透压经膜孔滤过 2 被动扩散 脂溶性物质顺浓度梯度扩散通过有类脂层屏障的生物膜 扩散速率服从Fick sLaw 式中 物质膜扩散速率 膜厚度 膜两侧物质的浓度梯度 扩散面积 扩散系数 2 被动扩散 扩散系数取决于通过物质和膜的性质 一般脂 水分配系数越大 分子越小 或在体液PH条件下解离越少的物质 扩散系数也越大 而容易扩散通过生物膜 特点 被动扩散不需耗能 不需载体参与 因而不会出现特异性选择 竞争性抑制及饱和现象 3 被动易化扩散 有些物质可在高浓度侧与膜上特异性蛋白质载体结合 通过生物膜 至低浓度侧解离出原物质特点 它受到膜特异性载体及其数量的限制 因而呈现特异性选择 竞争性抑制及饱和现象 4 主动转运 在需消耗一定的代谢能量下 一些物质可在低浓度侧与膜上高浓度特异性蛋白载体结合 通过生物膜 至高浓度侧解离出原物质 特点与被动易化扩散相同 5 胞吞和胞饮 少数物质与膜上某种蛋白质有特殊的亲和力 当其与膜接触后 可改变这部分膜的表面张力 引起膜的外包或内陷而被包围进入膜内 固体物质的这一转运称为胞吞 而液体物质的称为胞饮 物质以何种方式通过生物膜 主要决定于机体各组织生物膜特性和物质的结构 理化特性 其中物化性质包括脂溶性 水溶性 解离度 分子大小等 被动易化扩散和主动运转式是正常的营养物质及其代谢物通过生物膜的主要方式 污染物质在机体内的转运 污染物在机体内的运动过程包括吸收 分布 蓄积 排泄和生物转化 前三者统称转运 而排泄与生物转化又称为消除 1 吸收 吸收是污染物质从机体外 通过各种途径通透体膜进入血液的过程 吸收的途径主要是机体的消化管 呼吸道和皮肤 2 分布 分布是指污染物质倍吸收后或其代谢转化物质形成后 由血液转送至机体各组织 与组织成分结合 从组织返回血液 以及再反复等过程 在污染物的分布过程中 污染物的转运以被动扩散为主 脂溶性污染物质易于通过生物膜 高脂溶性低解离度的污染物质经膜通透性好 容易通过血脑屏障 由血液进入脑部 如甲基汞化合物 非脂溶性污染物质很难进入脑部 如无机汞化合物 3 排泄 排泄是污染物及其代谢物质向机体外转运的过程 排泄器官由肾 肝胆 肠 肺 外分泌腺等 而以肾和肝胆为主 4 蓄积 吸收超过排泄及其代谢转运 则会出现污染物在体内蓄积 蓄积量是吸收 分布 代谢转化和排泄各量的代数和 主要集中在体内的某些部位 机体的主要蓄积部位是血浆蛋白 脂肪组织和骨骼 污染物质常与血浆蛋白结合而蓄积 污染物质的生态效应 生物富集 指生态系统中同一营养级上许多生物种群或者生物个体 从周围环境中蓄积某种元素或难分解的化合物 使生物体内该物质的浓度超过环境中的浓度的现象 生物放大 指生态系统的食物链上 高营养级生物以低营养级生物为食 某种元素或难分解化合物在生物机体中浓度随营养级的提高而逐步增大的现象 生物放大的结果使食物链上高营养级生物体中该类物质的浓度显著超过环境中的浓度 7 1 2放射性物质在生物体内的蓄积和平衡放射性物质经由生物链向人体转移的过程中 会在生物体内蓄积起来 生物体中核素的浓度逐渐增高 并在一定的条件下趋于平稳 放射生态学中将一个生态系统划分为若干相互关联又相互分离的结构实体 这些实体是一个完全均匀的体系 它能受纳 输出和保持一定数量的放射性物质 它被称为隔室 设一隔室中某种放射性核素的总活度为Q 隔室内物质的总重量为M 则隔室内该核素的浓度为 1 隔室内核素总活度Q随时间的变化为 2 通常隔室中的核素输出为一级动力学过程 即输出速率与隔室中的核素的总活度成正比 3 式中K为输出常数 将式 3 代入 2 中 既有设输入速率为不随时间变化的恒定值 且t 0时Q 0 0 则有隔室中核素浓度C随时记的变化为这表明隔室中的某种核素的浓度C与Rin成正比 与K及M成反比 并随时间推延而逐渐增大 直到达到平衡 对于动物和人等隔室 输出速率常数K即代谢常数 b与核素衰变常数 r之和 有效衰减常数 e 生物体内核素的有效半减期为当某一隔室中存在m个输入项和n个输出项时 则 生物半衰期存在于生物体内某特定组织中的放射性同位素 由于生物学的过程 比如通过代谢或排泄就会使之从该组织中排出 在这种情况下 当放射性同位素的量降到开始量的1 2时所需的时间就称为生物半衰期 组织中存在的放射性同位素通过自发衰变和生物过程两方面使放射性减少 此两过程共同造成的 使放射性强度降为开始时的1 2时所需的时间叫做有效半衰期 射线对组织的作用是有效半衰期越长作用越大 如果生物半衰期是T 物理半衰期为T 那么有效半衰期可由下式求出 7 1 影响放射性核素生物链转移及蓄积的因素 放射性核素的性质半衰期 短寿命放射性核素在环境中迁移的范围小 对环境及人影响不大 长寿命放射性核素的比活度小 对环境及人的影响不大 T1 2介于几天至一千年左右的放射性核素对环境及生物体的影响较大 如 核武器试验产生约200种裂变产物 沉降到陆地环境并可被检测到的只有几十种 转入土壤可被根部吸收可在生物体内监测到的只有90Sr 137Cs等几种 131I等短寿命核素则主要通过牧草 奶牛 牛奶 人这类短而快速的生物链向人体转移而对人造成内照射 物理形态 放射性核素的物理形态对其环境行为有相当大的影响 释入大气中的核素如与空气尘埃相结合 其在大气中的迁移与颗粒物的大小 形状和密度等有关系 核素颗粒越大 水溶性性越小 生物可利用性越小 化学性质 放射性核的化学性质对其在生物体内的吸收和蓄积有着非常密切的关系 化学性活泼的水溶性核素 易被生物摄取并积贮 反之 则难 不少放射性核素的稳定同位素是生物的必需的营养元素 这样 放射性核素连同稳定核素一起被积贮 如45Ca 89Sr 90Sr 240Ba 226Ra等与钙相似 22Na 40K 86Rb 137Cs等与钾相似 129I 131I与127I的化学性质相同 3H与1H的化学性相同 与稳定碘行为完全相同的131I通过摄食途径进入食草动物体内在甲状腺内高度浓集 一些食用过污染牧草的羊的甲状腺内131I的浓度比牧草中的高出104倍以上 90Sr的化学性质与钙相似 被动物摄入首先在骨组织中蓄积 且排除速率极低很难除去 85Kr 95Zr 144Ce 239Pu等核素 它们不存在类似的稳定性营养元素 其在环境中的行为不能用一般营养元素的相似性进行预测 如144Ce和239Pu可分别蓄积在肝脏和骨组织内 长期缓慢的蓄积可对这些器官组织造成相当大的内照射 放射性核的化学形态同样影响放射性核的积贮 迁移 如分子碘主要经吸入途径进入生物体内 离子态碘则以水溶态经食入被生物蓄积 有机碘最易被人体吸收 2 生物的特性和行为生物的某些固有特性和行为特征对其吸收 蓄积放射性核素的能力有很大的影响 外表形态和表面性质 比表面越大 从空气 水或土壤中吸收蓄积的能力越大 生理和代谢特征 生物代谢速率越快 生物对放射性核素的摄取 吸收和排泄也就越快 生物的物理和代谢作用随年龄 性别 健康状况以及温度 日照等气候因素有关 寿命及生长期 寿命及生长期是一个重要的影响因素 主要表现对长寿命放射性核素的蓄积 对短寿命的核素并不明显 生长寿命长 对半衰期长的核素蓄积能力强 动物的迁徙 生境选择及摄食习性 生物与污染源越接近 生物体内蓄积的放射性核素越多 3 生态系统的特性生态系统的特性对放射性核素的生物链转移起着决定性的作用 物理特性 包括其与放射性污染的接近程度 气候 地形 体积和形态等 化学特性 生态系统中生物必需的营养元素和成分的含量水平对放射性核素的生物链转移和蓄积有很大的影响 在无机营养元素和成分含量较高的生态系统中 生物对核素的蓄积水平较低 反之 较高 其根本原因是无机营养物对化学性质相似的放射性核素具有很强的化学稀释和吸收竞争作用 生物特性 生态系统的生物特性包括生物物种构成 生物量及群落结构特征 生物量越多 相对蓄积量越少 不同种类的植物对放射性核素的蓄积能力不同 生态系统的结构十分复杂 各种结构与性质不同的生态系统构成了自然界错综复杂的食物网关系 能量 无机物和放射性物质通过食物网途径得以传递 迁移和再分配 使环境放射性核素高度分散于多种生物体内 其分散程度显然与生态系统中群落和物种的多样性有密切的关系 7 1 4放射性核素食入量的估算公众因饮水及食用食物而摄入放射性核素的量可按下式进行估算 7 2放射性物质的水生物链转移在水生态系统中 水和水底沉积物中含有氧 氮 钙等生物所必需的营养物质 生物植物通过光合作用及代谢作用 将它们转化成自身的组成部分 与此同时 一些放射性核素也被蓄积在水生植物体内 水生植物被食草水生动物食入 放射性核素在水生动物中发生转移 海洋食物链示意图 构成海洋生物量的金字塔 7 2 1水生物对放射性物质的吸收机制各类水生物摄入 吸收水中放射性核素的途径和机制有很大的差异 这与水生物体的结构 生活习性 摄食方式及水环境条件等因素有关 藻类是处于水生物链的第一营养级上 它对水体中的放射性核素的摄取以吸附 离子交换 扩散 穿透等方式进行 吸附是细胞壁对放射性物质的吸着作用 物理吸附一般是可逆的 对放射性核素的选择性差 化学吸附是细胞壁与核素之间以化学键作用的相互吸差 有一定的选择性 离子交换是发生于细胞间质内的吸附机制 扩散是放射性离子随载体物质一起穿透细胞壁 而后在细胞内与胞浆中的同位素或载体离子之间发生的交换过程 穿透则是无载体的有机放射性物质通过细胞壁上一些微孔进入细胞内的过程 7 2 2水生物对放射性物质的蓄积1 水生物吸收 蓄积放射性物质的浓集因子对于水生动物通过饮水途径从水中摄入 吸收和蓄积放射性核素的过程 输入速率可表示为 核素浓度随时间的变化 当吸收 蓄积达到平衡时通常将水生物中的核素的平衡浓度与水中核素的浓度的比值定义为浓集因子一般用浓集因子CF描述水生物对水中放射性核素蓄积能力的大小 2 影响水生物蓄积能力的因素水生物的特性 一般用实验室或野外实地测量的水生物与水中核素浓度的比值作为浓集因子值 以表示某种水生物对某一种核素的蓄积能力 生物的种类 生活习性 年龄 体型大小等都影响放射性核素的蓄积 水环境条件 1 水中稳定元素的浓度 用浓集因子表示水生物对水中放射性核素的蓄积能力 则水生物体内核素的浓度与水中核素浓度成正比 其实 并不是这样的 由于生物的自身调节作用 使生物体内的常量元素保持稳定 其对微量放射性核素的蓄积则涉及与体内稳定核素之间的交换 一般情况 水生物对放射性核素和与其化学性质相似的常量稳定元素的吸收量与水中常量元素的浓度正相关 但浓集因子值的大小却与两者在水中的浓度成反比 而且两者的浓集因子值存在明显的差异 2 温度 水温对处于较高营养级的高等水生物的生物活性有较大的影响 水温升高时 水生物对放射性核素的吸收及排泄速率加快 生物半减期随之缩短 其对核素的蓄积水平必然有所降低 3 酸度 水的酸度也会影响水生物对放射性核素的蓄积能力 通常酸度较高时 水生物的吸收能力明显下降 7 2 3水生物体内放射性核素浓度的估算1 基本公式通常采用浓集因子法估算人所食用的水生物体内放射性核素的蓄积浓度 2 浓集因子CF值的选用理论上浓集因子是水生物体内的平衡蓄积浓度与水中浓度之间的比值 水生物与水之间达到平稳所需的时间取决于核素半衰期与物物半减期的长短 水生物吸收蓄积达到10倍有效半减期后 其体内核素达到平稳 7 3放射性物质的陆地生物链转移7 3 1通过农作物的转移导致农作物污染的机制 气载流出物与再悬浮物的沉积和表面吸附所导致的外表面污染 放射性物质通过植物的根 叶 茎 果等进入植物 人体 1 气载放射性核素的沉积气载放射性流出物释放后t时刻沉积所致烟羽下风向 x y 点处地面上沉积核素浓度的累积增长速率为该点处同一时刻气载核素的沉积率 考虑到核素衰变及清除的因素 1 上式可改为 在气载流出物连续释放 各种气候参数保持不变的条件下有故 2 的解为长期连续释放条件下 地面上沉积核素的面积污染浓度最终将趋于平衡 2 1 放射性核素通过沉积 清除 衰变等过程 沉积所到人体食用的农作物被放射性核素污染的浓度按下式进行估算 2 农作物根部从土壤中的吸收农作物通过根系对土壤中各种元素吸收能力的大小常以浓集系数CR表示 影响农作物对土壤核素吸收的因素 1 核素的物理化学形态 放射性核素的物理化学形态对其在土壤中的滞留及其被农作物的吸收有很大的影响 核素离子在固 液两相间的分配系数值愈大 其与土壤中矿物质颗粒的结合愈牢 作物对其相对吸收量愈小 以不同氧化态存在于土壤中的放射性核素 作物的吸收能力也有所不同 2 作物种类及核素在作物中的易位 不同作物的种类对放射性核素吸收能力不同 核素在作物体内的易位程度影响放射核素的污染 可溶性核素 易位能力强 易位能力影响核素在植物各部位的分布 3 土壤的性质 土壤的性质对核素在土壤中的滞留及作物的吸收有明显的影响 矿物颗粒较大的砂质土壤对核素的滞留容量远比具有很大表面积的细小颗粒构成的粘性土壤小 4 化学性质相似的稳定性元素 土壤中存在的与放射性核素化学性质相似的稳定性元素 对农作物吸收放射性核素的本领有很大的影响 常采用不同环节中放射性核素与稳定元素浓度比值的变化预测核素在食物链中的迁移 一般将某一环节与前一环节中两者浓度比的变化称为观察比 鉴别因子 5 肥料和化学添加剂 肥料和化学添加剂的施用可影响土壤中稳定元素的浓度及其酸碱度 从而影响放射性核素的吸附 6 螯合剂 螯合剂是一类有机物 它们可与放射性核素金属离子形成稳定的螯合物从而影响放射性核素的吸附 7 核素在土壤中的分布 作物吸收土壤中的矿物质时 大部分来自土壤的表层 随着土壤的深度加深而减少 如 在发生事故性污染的情况下 将表层污染土壤翻耕至深层 可明显降低农作物对土壤核素的吸收 为一有效的防护措施 根部吸收所致农作物污染浓度的估算 根据浓集系数CR的定义 农作物中放射性核素污染浓度估算为 3 H 3和C 14造成的农作物污染农作物中H 3污染浓度的估算 农作物中C 14污染浓度的估算 7 3 2通过动