鱼类放射性污染特征及除污染研究

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(1.辽宁大学轻型产业学院,辽宁沈阳 110036; 2.辽宁行政学院,辽宁沈阳 110161)

鱼类放射性污染特征及除污染研究

高琦1,2,胡星宇1,张立炎1,彭雪1,薛友林1,*

(1.辽宁大学轻型产业学院,辽宁沈阳 110036; 2.辽宁行政学院,辽宁沈阳 110161)

本文概述了日本福岛核电站事故发生后,鱼类受污染的情况,详细分析了海水鱼间,淡水鱼间,海水鱼与淡水鱼间放射性物质含量产生差别的原因,以及相应的除污染措施。

福岛核电站事故,放射性物质影响,淡水鱼,海水鱼,净化

2011年3月11日,受东北地区地震及海啸影响,日本福岛第一核电站三组机组(第1,3,4组)先后发生氢爆炸,并且有三组机组(第1,2,3组)发生炉心融化,致使大量放射性物质泄漏到外部,对周围的环境造成巨大影响。水产养殖业和捕捞业作为日本东北地区的重要产业,其水产品的污染情况倍受消费者关注。

1 海水环境和淡水环境污染情况

海水中放射性污染物质以137Cs和134Cs为主,其余还有90Sr和131I[1]。与半衰期较长的137Cs,134Cs(30年)和90Sr(29年)不同,131I的半衰期较短(大约8 d),所以在海水中含量下降迅速,在一段时间内就降到了允许范围内[2]。放射性污染物浓度被证明与深度及海底地形有关,深度增加,铯浓度降低,且随时间推移降低趋势明显。远洋地区(北太平洋海域)较福岛核电站附近海域受影响较小。而由于海底泥土对海水中的阴阳离子有吸附作用,使得海底放射性污染程度高于海水,放射性物质的浓度与海底泥土的平均粒径呈正相关性[3]。对于淡水而言,只需要考虑137Cs和134Cs,大体情况和海水几乎相同。且经过对许多淡水水体的调查,虽然海水中的90Sr的含量值一度超过了安全范围,但却没有足够的数据证明淡水中的90Sr有超过安全范围的现象。基于2011年日本政府的水产厅公布的数据,在福岛核电厂的北部和西部地区的许多淡水鱼已经被严重污染。福岛县作为污染最严重的地区,高浓度的放射性铯甚至会在淡水域内残留十年甚至更久的时间[4]。

图1 海水(斜线区域)及淡水(横线区域)的检测区域Fig.1 Detection of pollution in seawater(horizontal lines)and freshwater(diagonal lines)注:其中淡水的检测区域覆盖福岛县及周边的6个县,FDNPP为福岛核电站所在地,圆圈代表辐射范围[5]。

2 海水鱼及淡水鱼放射性物质含量概况

海洋环境受到放射性污染,海水鱼就会受到影响。从2011年4月到2012年4月,超过40%鱼种类被检测出放射性物质含量超过日本的监管限制(100 Bq/kg,2012年4月强制执行,适用于2012年1月后生产的所有食品,除了饮用水(监管限制:10 Bq/L)和牛奶(50 Bq/L))。

其中无脊椎动物铯的含量与鱼类相比较低,软体动物章鱼,鱿鱼等,以及贝类都呈现了较低的铯污染情况,并且迅速下降或低于检测限[6]。从生理上来看,海水鱼和淡水鱼体液的渗透压几乎是相同的,电厂事故早期海水鱼和淡水鱼的放射性铯浓度也几乎相同。而之后三个月的检测则显示,海水鱼中铯浓度下降更快[7]。也就是说与淡水鱼相比,海水鱼更不容易积累放射性铯,其积累铯的能力与鱼的种类,鱼类的栖息地,空间分布都有较大关系。中上层鱼类铯含量较底栖鱼类更低,且浓度下降速度快。在一些海底栖鱼类中,铯浓度下降的趋势更为平缓,被检测到时有浓度高于监管限制的情况出现,这可能是因为地栖鱼类通过底栖食物网持续摄取放射性铯。底栖生物的食物网放射性铯的主要来源,估计是爆炸碎屑沉积物中的放射性铯。

淡水鱼与海水鱼的污染情况并不相同,与海水鱼相比,淡水鱼及淡水域内的甲壳类动物污染状况相对较严重。不仅如此,由于渗透调节机制的不同,相比海洋鱼类,淡水鱼体内的放射性铯有较长的生物半衰期。这一特点会造成放射性铯在淡水生物群内造成长期污染。

2.1海水鱼中放射性物质含量产生差别原因

2.1.1 无脊椎动物放射性物质含量低 在乌贼、章鱼等软体动物,贝、虾等甲壳类动物中,放射性物质本身就比较少。这是因为海水鱼有渗透压调节机制,而海中无脊椎动物没有,所以离子可以在体内外自由移动。其导致铯在无脊椎动物中的浓缩系数(生物体内某种元素或难分解的化合物的浓度同它所生存的环境中该物质的浓度的比值,以表示生物浓缩的程度)远远小于鱼类。虽然机理还没有明确,但无脊椎动物与鱼类相比,铯排出体外的速度比较快[8]。

2.1.2 底栖鱼类比中上层鱼类铯浓度高 底栖鱼类的放射性铯来源为底栖食物网,爆炸产生的放射性残片沉入海底,加之海底泥土放射性也要高于海水,因此底栖鱼类更易摄取放射性物质,这就使得其铯浓度高于中层鱼类。此外由于放射性物质已经进入食物网中,这种污染得以持续,并将在未来一段时间内继续保持,铯浓度的下降速度也因此较为缓慢[9]。

2.1.3 不同鱼类铯浓度下降速度不同 事实上,鱼类中铯的消除率受到身长,海水温度,海水浓度的影响。研究表明,同种鱼类,当其身长越长时,其铯的消除率也相应提高。体积较大的鱼类,对铯的稀释效果更强,代谢效果也越好。以石斑鱼为例,石斑鱼铯浓度下降速率较其他鱼类较慢。这是因为其生长速度较慢,身长的改变较慢,同理,同种石斑鱼因雌性相对雄性生长速度较快,所以其铯浓度降低速率也就更快。此外,在一定范围内,海水温度升高,代谢加强,铯的消除率也随之升高,这就是其季节性变化的原因[10]。

2.2淡水鱼中放射性物质含量产生差别原因

2.2.1 水体地理位置 调查发现,由于大气的运动,铯逐渐沉降在地表,在2011年3月12日到4月6日之间释放到大气的137Cs总量约为1.3×1016Bq,事故发生后的一个月,总沉降物的18%就已经沉积在土地上。距核电站的距离的不同,导致放射性的幅度也不同,距离越远,污染程度降低,因此尽管是同一物种,随距离的加大,物种体内的放射性也相对降低。

2.2.2 鱼类的生活区域 根据禅寺湖鱼样实验可知,在为期150 d的实验中发现,尽管在铯污染严重的水域环境下生存,鱼体内的铯含量与生存在自然水域内鱼体内的放射性铯含量相比并未有太大区别,也就是说,水体本身对于鱼类肌肉组织放射性铯的水平并无显著影响,至少在目前日本淡水系统是这样的,鱼体内的放射性物质含量与距水底的距离有关,可能是由于淡水鱼都生活在河里或湖里,而这些环境中的浮游生物和河底淤泥对鱼类的放射性会产生一定的影响。因为据有关调查发现,鱼体内的放射性含量和河床样品(包括河床上的沙石、淤泥、微藻)的放射性铯含量呈正相关。底层鱼类比上层鱼类更接近这些环境,因此导致上层鱼类和底层鱼类的放射性铯含量也有不同,并且该情况在草食性鱼类中较为明显[11]。随着时间的增长,水的放射性下降,上层鱼类都表现出放射性下降,但是福岛海岸的一些底层鱼类,和本州岛的中部和北部的一些淡水鱼,仍然表现出高浓度的放射性铯,也就是说,底层鱼类的放射性铯含量普遍高于上层鱼类,在此方面与海水鱼情况相同。

2.2.3 饵料的污染水平 通过分别喂食鱼类特制的高放射性铯食物和无放射性食物,定期观察发现,使用高浓度放射性铯的颗粒培养的鱼放射性铯的浓度快速增长。结果表明,淡水鱼铯污染主要是通过食物链导致鱼的肌肉组织内铯的放射性水平超过安全范围,而水通过鳃进入肠道进而排出体外,因此对肌肉组织中的放射性水平影响很少或没有影响。

不同鱼种由于营养水平的差异,导致摄食不同,进而自身的放射性铯含量也不同,通过查找相关资料,将草食、杂食和肉食鱼进行对比发现,草食鱼的铯污染中位数最低,杂食性鱼类中位数约为草食性鱼的1.6倍,食肉性鱼约是草食性鱼的1.9倍[11]。在其他研究中也有相关说明,肉食性鱼类的平均放射性铯浓度显著高于其他鱼种。主要是由于随着食物的摄入,鱼体自身的放射性存在一定的积累,而营养水平越高,积累的量也就越大,因此就表现出草食性鱼类的放射性水平较低,而肉食性的较高。

表1 海水鱼和淡水鱼受污染情况对比Table 1 Comparison of pollution between marine fishes and freshwater fishes

2.3淡水鱼与海水鱼放射性物质含量产生差别的原因

鱼类的渗透压调解器官有鳃,肾脏和肠,其中鳃中存在的盐细胞(存在于硬骨鱼类鳃上皮中的嗜酸性分泌细胞),为调节各类离子的摄入和排出的主要途径。实验证明,淡水盐度小于0.1%,海水盐度约为3.5%,而淡水鱼和海水鱼本身的盐分浓度为0.9%。这就意味着,为了维持渗透压,海水鱼要排除更多量盐分。这之中鳃起着至关重要的作用,海水鱼和淡水鱼的鳃都可以吸收水分及盐分,同样也可以通过鳃中的盐细胞排出盐分。淡水鱼通过加大排尿量,排出身体内多余的水分,并利用鳃上的盐细胞吸收盐分保持自身的体液浓度;海水鱼大量的摄入海水,与此同时减少排尿量,利用鳃上的盐细胞来排出多余盐分。铯可以在盐细胞中形成沉淀,然后通过ROMK(钾的输送体)排出体外[12],调节渗透压的同时,也使自身铯的浓度降低。

铯在海水鱼中的代谢速率高于淡水鱼,这就意味着其在海水鱼和淡水鱼的半衰期不同。134Cs的物理半衰期为约为两年,137Cs的物理半衰期则长达三十年,但是137Cs在海水鱼中的生物半衰期(生物脱离污染环境时,将体内的污染物经代谢作用将其一半排出体外所需的时间)却只有50 d,在淡水鱼中为100 d。从生物学半衰期角度来看,海水鱼短于淡水鱼。铯的含量减少到最初的1/1000大约需要半衰期的10倍时间。以六线鱼(多生活在日本海域的珊瑚礁区)为例,铯的浓度从25800 Bq/kg减少到26 Bq/kg大约需要500 d。淡水鱼与海水鱼受污染情况的对比参见表1。

2.4除污染的方式

对鱼类的除污染方式主要从三方面考虑:第一,是对鱼的生存环境进行改善,切断污染循环链,即海水及淡水除污染;第二,是对鱼类本身的污染物质去除,尽可能排出鱼类体内辐射成分;第三,是在端上餐桌之前,对于可食部分(主要是鱼肉)除污染。

2.4.1 海水及淡水除污染

2.4.1.1 利用沸石吸附铯离子 TEPCO(福岛第一核电站许可证持有者)从2011年6月17日开始启用高浓度放射性废水处理系统。这套系统中的铯吸附设备,就是利用填充在吸附柱内的沸石的离子交换作用来去除废水中的铯等核素的[13]。

2.4.1.2 利用层状钛酸钾吸附锶离子 事实上在已有的废水处理系统当中,对锶的处理还有很大的进步空间,处理后的水中锶的浓度依然很高。日本研究者从对锶具有高吸附能力的层状钛酸钾着眼,开发了二氧化钛酸钾锶吸附颗粒(Moleculite)。其具有耐热性,高浓度锶的吸附特性,以及良好的耐辐射性[14]。

2.4.1.3 利用其余吸附剂 通过使用颗粒活性炭和粉末活性炭来减少碘和铯的含量[15]。

2.4.2 鱼类除污染 在环境水和饵料中加入钾离子,可以去除鱼类污染。正如前文所说,铯离子可以通过ROMK(钾的输送体)排出体外,而ROMK本身是钾离子的输出体。在环境水及饵料中加入钾离子,可以加快钾的代谢,使鱼类摄入的盐类离子变多,则为了降低渗透压排出的量也就越多,铯的摄入量没变,排出量提高,以此达到除污染的目的。此种方法适用于海水鱼及淡水鱼,但是在对海水鱼的除污染效率要高于淡水鱼[16]。把鱼肉制作成鱼糕制品,可以间接去除鱼肉中的污染成分。鱼糕生产过程通常包括洗涤步骤,使用较低浓度的盐溶液:如用0.1%的氯化钠溶液。实验证明用一定体积的盐溶液清洗鱼肉部分可以在相当大的程度上减少铯的残留。并且鱼肉切地更细碎可以加大去除程度,但同时也会降低鱼类原有的味道,并且存在氨基酸、核苷酸等小分子化合物减少的现象。因此,适当的条件下,应确定风险减少和食品质量之间的平衡[17]。

3 总结

鱼类受放射性物质的污染情况受多种因素的影响,研究这种影响因素在福岛核电站事故过去六年的今天仍具有意义。受污染海水与淡水环境日趋正常,海水鱼与淡水鱼的放射性物质含量也已经达到标准,但对放射性物质去除方法研究仍需继续。党的十八届五中全会提出了“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念,发展清洁化能源是我们的首要任务。根据“十三五”计划草案,每年将有6～8所核电站建成,这意味着我国核电的发展正面对前所未有的机遇,但同时也将迎来更为艰巨的挑战。经济与环保是核电的优点,但安全性是其基本保障。如何确保安全性,并在发生事故时采取正确的应对措施是我们需要首先考虑的问题。本研究通过对日本福岛核电站事故发生后,鱼类受影响情况及影响因素的分析,为辐射污染后如何恢复渔业提供思考,也为加速去除鱼类污染提供借鉴。

[2]Kaoru Nakata,Hiroya Sugisaki. Impacts of the Fukushima Nuclear Accident on Fish and Fishing Grounds[C]. Springer Japan:The University of Tokyo,2015; 101-109.

[3]土壌-河川-海洋系でのセシウムの挙動解析：XAFS による化学素過程を中心に。http://www.a.u-tokyo.ac.jp/rpjt/event/20160326Abs03.pdfj.

[4]Kaoru Nakata,Hiroya Sugisaki. Impacts of the Fukushima Nuclear Accident on Fish and Fishing Grounds[C]. Springer Japan:The University of Tokyo,2015; 221-229.

[5]放射能調査報告書平成23年調査結果.http://www1.kaiho.mlit.go.jp/KANKYO/OSEN/housha/ho2011.pdf.

[6]平成23年度海洋环境放射能综合评价事业海洋放射能調査結果.http://www.kaiseiken.or.jp/publish/itaku/rep2011. pdf.

[7]Radioactivity Survey Data,NIRS.http://www.nirs.org/radiation/radchart.htm.

[8]無脊椎動物のセシウム濃度が低いことhttp://www.fsgyoren.jf-net.ne.jp/siso/buhin/yagi_kaisetu.pdf.

[9]Toshihiro Wada,Yoshiharu Nemoto,Shinya Shimamura,et al. Effects of the nuclear disaster on marine products in Fukushima[J]. Environmental Radioactivity,2013,123:246-254.

[10]Akira Matsumoto,Yu Shigeoka,Hisayuki Arakawa,et al. Biological half-life of radioactive cesium in Japanese rockfish Sebastescheni contaminated by the Fukushima Daiichi nuclear power plantaccident[J]. Environmental Radioactivity,2015,150:68-74.

[11]Toshiaki Mizuno,Hideya Kubo. Overview of active cesium contamination of freshwater fish in Fukushima and Eastern Japan[J].Scientific Reports,2013,3(4):1742.

[12]Fumiya Furukawa,Soichi Watanabe,Satoshi Kimura,et al. Potassium excretion through ROMK potassium channel expressed in gill mitochondrion-rich cells of Mozambique tilapia[J]. Ajp Regulatory Integrative & Comparative Physiology,2012,302(5):568-576.

[13]日本東京電力株式会社. 高レベル放射性汚染水処理設備，貯留設備( タンク等),廃スラッジ貯蔵施設，使用済セシウム吸着塔保管施設及び関連設備( 移送配管，移送ポンプ等)[OL]. 東京:東京電力株式会社,2013[2013-03-12]http://www.tepco.co.jp/press/release/2016/pdf/161025j0101.pdf.

[14]森浩一,岩崎守,三村均,神田仁智.層状チタン酸カリウムを基材としたストロンチウム吸着剤の開発.日本イオン交換学会誌[J].2015,26:34-40.

[15]Koji Kosaka,Mari Asami,Naoya Kobashigawa,et al. Removal of radioactive iodine and cesium in water purification processes after an explosion at a nuclear power plant due to the Great East Japan Earthquake.[J]. Water Research,2012,46(14):4397-4404.

[16]海水魚におけるセシウムの取り込みと排出. http://www.a.u-tokyo.ac.jp/rpjt/event/2012090804-slide.pdf.

[17]Tomoko M Nakanishi,Keitaro Tanoi. Agricultural Implications of the Nuclear Fukushima Accident[C]. Springer Japan:The University of Tokyo,2014;97-103.

Characteristicsofthefishcontaminatedbyradioactivenuclidesandmeasurestoremovecontamination

GAOQi1,2,HUXing-yu1,ZHANGLi-yan1,PENGXue1,XUEYou-lin1,*

(1.College of Light Industry,Liaoning University,Shenyang 110036,China;2.Liaoning Administrative College,Shenyang 110161,China)

In this paper,a brief review is given about the contaminated conditions of fishes,after the Fukushima Nuclear Power Plant(FDNPP)accident. It elucidates the differences of radioactive substance content between freshwater fishes and marine fishes and the measures to eliminate pollution.

Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant accident;effects of radioactive substance;freshwater fashes;marine fishes;decontamination

2017-02-21

高琦(1980-)，女，讲师，博士，主要从事农产品加工研究，E-mail:gaoqi0925@163.com。

*通讯作者:薛友林(1980-)，男，博士，副教授，主要从事农产品加工及食物营养研究，E-mail:xueyoulin@lnu.edu.cn。

国家自然科学基金青年科学基金项目(31201285)；教育部留学回国人员科研启动基金项目(2013693)；辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2014009)；辽宁大学大学生创新创业训练项目(X201610140202，X201610140218，X201610140221，X201610140222)。

TS201.6

:A

:1002-0306(2017)17-0216-04

10.13386/j.issn1002-0306.2017.17.041