魚類放射性污染特征及除污染研究

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(1.遼寧大學輕型產業學院,遼寧沈陽 110036; 2.遼寧行政學院,遼寧沈陽 110161)

魚類放射性污染特征及除污染研究

高琦1,2,胡星宇1,張立炎1,彭雪1,薛友林1,*

(1.遼寧大學輕型產業學院,遼寧沈陽 110036; 2.遼寧行政學院,遼寧沈陽 110161)

本文概述了日本福島核電站事故發生后,魚類受污染的情況,詳細分析了海水魚間,淡水魚間,海水魚與淡水魚間放射性物質含量產生差別的原因,以及相應的除污染措施。

福島核電站事故,放射性物質影響,淡水魚,海水魚,凈化

2011年3月11日,受東北地區地震及海嘯影響,日本福島第一核電站三組機組(第1,3,4組)先后發生氫爆炸,并且有三組機組(第1,2,3組)發生爐心融化,致使大量放射性物質泄漏到外部,對周圍的環境造成巨大影響。水產養殖業和捕撈業作為日本東北地區的重要產業,其水產品的污染情況倍受消費者關注。

1 海水環境和淡水環境污染情況

海水中放射性污染物質以137Cs和134Cs為主,其余還有90Sr和131I[1]。與半衰期較長的137Cs,134Cs(30年)和90Sr(29年)不同,131I的半衰期較短(大約8 d),所以在海水中含量下降迅速,在一段時間內就降到了允許范圍內[2]。放射性污染物濃度被證明與深度及海底地形有關,深度增加,銫濃度降低,且隨時間推移降低趨勢明顯。遠洋地區(北太平洋海域)較福島核電站附近海域受影響較小。而由于海底泥土對海水中的陰陽離子有吸附作用,使得海底放射性污染程度高于海水,放射性物質的濃度與海底泥土的平均粒徑呈正相關性[3]。對于淡水而言,只需要考慮137Cs和134Cs,大體情況和海水幾乎相同。且經過對許多淡水水體的調查,雖然海水中的90Sr的含量值一度超過了安全范圍,但卻沒有足夠的數據證明淡水中的90Sr有超過安全范圍的現象。基于2011年日本政府的水產廳公布的數據,在福島核電廠的北部和西部地區的許多淡水魚已經被嚴重污染。福島縣作為污染最嚴重的地區,高濃度的放射性銫甚至會在淡水域內殘留十年甚至更久的時間[4]。

圖1 海水(斜線區域)及淡水(橫線區域)的檢測區域Fig.1 Detection of pollution in seawater(horizontal lines)and freshwater(diagonal lines)注:其中淡水的檢測區域覆蓋福島縣及周邊的6個縣,FDNPP為福島核電站所在地,圓圈代表輻射范圍[5]。

2 海水魚及淡水魚放射性物質含量概況

海洋環境受到放射性污染,海水魚就會受到影響。從2011年4月到2012年4月,超過40%魚種類被檢測出放射性物質含量超過日本的監管限制(100 Bq/kg,2012年4月強制執行,適用于2012年1月后生產的所有食品,除了飲用水(監管限制:10 Bq/L)和牛奶(50 Bq/L))。

其中無脊椎動物銫的含量與魚類相比較低,軟體動物章魚,魷魚等,以及貝類都呈現了較低的銫污染情況,并且迅速下降或低于檢測限[6]。從生理上來看,海水魚和淡水魚體液的滲透壓幾乎是相同的,電廠事故早期海水魚和淡水魚的放射性銫濃度也幾乎相同。而之后三個月的檢測則顯示,海水魚中銫濃度下降更快[7]。也就是說與淡水魚相比,海水魚更不容易積累放射性銫,其積累銫的能力與魚的種類,魚類的棲息地,空間分布都有較大關系。中上層魚類銫含量較底棲魚類更低,且濃度下降速度快。在一些海底棲魚類中,銫濃度下降的趨勢更為平緩,被檢測到時有濃度高于監管限制的情況出現,這可能是因為地棲魚類通過底棲食物網持續攝取放射性銫。底棲生物的食物網放射性銫的主要來源,估計是爆炸碎屑沉積物中的放射性銫。

淡水魚與海水魚的污染情況并不相同,與海水魚相比,淡水魚及淡水域內的甲殼類動物污染狀況相對較嚴重。不僅如此,由于滲透調節機制的不同,相比海洋魚類,淡水魚體內的放射性銫有較長的生物半衰期。這一特點會造成放射性銫在淡水生物群內造成長期污染。

2.1海水魚中放射性物質含量產生差別原因

2.1.1 無脊椎動物放射性物質含量低 在烏賊、章魚等軟體動物,貝、蝦等甲殼類動物中,放射性物質本身就比較少。這是因為海水魚有滲透壓調節機制,而海中無脊椎動物沒有,所以離子可以在體內外自由移動。其導致銫在無脊椎動物中的濃縮系數(生物體內某種元素或難分解的化合物的濃度同它所生存的環境中該物質的濃度的比值,以表示生物濃縮的程度)遠遠小于魚類。雖然機理還沒有明確,但無脊椎動物與魚類相比,銫排出體外的速度比較快[8]。

2.1.2 底棲魚類比中上層魚類銫濃度高 底棲魚類的放射性銫來源為底棲食物網,爆炸產生的放射性殘片沉入海底,加之海底泥土放射性也要高于海水,因此底棲魚類更易攝取放射性物質,這就使得其銫濃度高于中層魚類。此外由于放射性物質已經進入食物網中,這種污染得以持續,并將在未來一段時間內繼續保持,銫濃度的下降速度也因此較為緩慢[9]。

2.1.3 不同魚類銫濃度下降速度不同 事實上,魚類中銫的消除率受到身長,海水溫度,海水濃度的影響。研究表明,同種魚類,當其身長越長時,其銫的消除率也相應提高。體積較大的魚類,對銫的稀釋效果更強,代謝效果也越好。以石斑魚為例,石斑魚銫濃度下降速率較其他魚類較慢。這是因為其生長速度較慢,身長的改變較慢,同理,同種石斑魚因雌性相對雄性生長速度較快,所以其銫濃度降低速率也就更快。此外,在一定范圍內,海水溫度升高,代謝加強,銫的消除率也隨之升高,這就是其季節性變化的原因[10]。

2.2淡水魚中放射性物質含量產生差別原因

2.2.1 水體地理位置 調查發現,由于大氣的運動,銫逐漸沉降在地表,在2011年3月12日到4月6日之間釋放到大氣的137Cs總量約為1.3×1016Bq,事故發生后的一個月,總沉降物的18%就已經沉積在土地上。距核電站的距離的不同,導致放射性的幅度也不同,距離越遠,污染程度降低,因此盡管是同一物種,隨距離的加大,物種體內的放射性也相對降低。

2.2.2 魚類的生活區域 根據禪寺湖魚樣實驗可知,在為期150 d的實驗中發現,盡管在銫污染嚴重的水域環境下生存,魚體內的銫含量與生存在自然水域內魚體內的放射性銫含量相比并未有太大區別,也就是說,水體本身對于魚類肌肉組織放射性銫的水平并無顯著影響,至少在目前日本淡水系統是這樣的,魚體內的放射性物質含量與距水底的距離有關,可能是由于淡水魚都生活在河里或湖里,而這些環境中的浮游生物和河底淤泥對魚類的放射性會產生一定的影響。因為據有關調查發現,魚體內的放射性含量和河床樣品(包括河床上的沙石、淤泥、微藻)的放射性銫含量呈正相關。底層魚類比上層魚類更接近這些環境,因此導致上層魚類和底層魚類的放射性銫含量也有不同,并且該情況在草食性魚類中較為明顯[11]。隨著時間的增長,水的放射性下降,上層魚類都表現出放射性下降,但是福島海岸的一些底層魚類,和本州島的中部和北部的一些淡水魚,仍然表現出高濃度的放射性銫,也就是說,底層魚類的放射性銫含量普遍高于上層魚類,在此方面與海水魚情況相同。

2.2.3 餌料的污染水平 通過分別喂食魚類特制的高放射性銫食物和無放射性食物,定期觀察發現,使用高濃度放射性銫的顆粒培養的魚放射性銫的濃度快速增長。結果表明,淡水魚銫污染主要是通過食物鏈導致魚的肌肉組織內銫的放射性水平超過安全范圍,而水通過鰓進入腸道進而排出體外,因此對肌肉組織中的放射性水平影響很少或沒有影響。

不同魚種由于營養水平的差異,導致攝食不同,進而自身的放射性銫含量也不同,通過查找相關資料,將草食、雜食和肉食魚進行對比發現,草食魚的銫污染中位數最低,雜食性魚類中位數約為草食性魚的1.6倍,食肉性魚約是草食性魚的1.9倍[11]。在其他研究中也有相關說明,肉食性魚類的平均放射性銫濃度顯著高于其他魚種。主要是由于隨著食物的攝入,魚體自身的放射性存在一定的積累,而營養水平越高,積累的量也就越大,因此就表現出草食性魚類的放射性水平較低,而肉食性的較高。

表1 海水魚和淡水魚受污染情況對比Table 1 Comparison of pollution between marine fishes and freshwater fishes

2.3淡水魚與海水魚放射性物質含量產生差別的原因

魚類的滲透壓調解器官有鰓,腎臟和腸,其中鰓中存在的鹽細胞(存在于硬骨魚類鰓上皮中的嗜酸性分泌細胞),為調節各類離子的攝入和排出的主要途徑。實驗證明,淡水鹽度小于0.1%,海水鹽度約為3.5%,而淡水魚和海水魚本身的鹽分濃度為0.9%。這就意味著,為了維持滲透壓,海水魚要排除更多量鹽分。這之中鰓起著至關重要的作用,海水魚和淡水魚的鰓都可以吸收水分及鹽分,同樣也可以通過鰓中的鹽細胞排出鹽分。淡水魚通過加大排尿量,排出身體內多余的水分,并利用鰓上的鹽細胞吸收鹽分保持自身的體液濃度;海水魚大量的攝入海水,與此同時減少排尿量,利用鰓上的鹽細胞來排出多余鹽分。銫可以在鹽細胞中形成沉淀,然后通過ROMK(鉀的輸送體)排出體外[12],調節滲透壓的同時,也使自身銫的濃度降低。

銫在海水魚中的代謝速率高于淡水魚,這就意味著其在海水魚和淡水魚的半衰期不同。134Cs的物理半衰期為約為兩年,137Cs的物理半衰期則長達三十年,但是137Cs在海水魚中的生物半衰期(生物脫離污染環境時,將體內的污染物經代謝作用將其一半排出體外所需的時間)卻只有50 d,在淡水魚中為100 d。從生物學半衰期角度來看,海水魚短于淡水魚。銫的含量減少到最初的1/1000大約需要半衰期的10倍時間。以六線魚(多生活在日本海域的珊瑚礁區)為例,銫的濃度從25800 Bq/kg減少到26 Bq/kg大約需要500 d。淡水魚與海水魚受污染情況的對比參見表1。

2.4除污染的方式

對魚類的除污染方式主要從三方面考慮:第一,是對魚的生存環境進行改善,切斷污染循環鏈,即海水及淡水除污染;第二,是對魚類本身的污染物質去除,盡可能排出魚類體內輻射成分;第三,是在端上餐桌之前,對于可食部分(主要是魚肉)除污染。

2.4.1 海水及淡水除污染

2.4.1.1 利用沸石吸附銫離子 TEPCO(福島第一核電站許可證持有者)從2011年6月17日開始啟用高濃度放射性廢水處理系統。這套系統中的銫吸附設備,就是利用填充在吸附柱內的沸石的離子交換作用來去除廢水中的銫等核素的[13]。

2.4.1.2 利用層狀鈦酸鉀吸附鍶離子 事實上在已有的廢水處理系統當中,對鍶的處理還有很大的進步空間,處理后的水中鍶的濃度依然很高。日本研究者從對鍶具有高吸附能力的層狀鈦酸鉀著眼,開發了二氧化鈦酸鉀鍶吸附顆粒(Moleculite)。其具有耐熱性,高濃度鍶的吸附特性,以及良好的耐輻射性[14]。

2.4.1.3 利用其余吸附劑 通過使用顆粒活性炭和粉末活性炭來減少碘和銫的含量[15]。

2.4.2 魚類除污染 在環境水和餌料中加入鉀離子,可以去除魚類污染。正如前文所說,銫離子可以通過ROMK(鉀的輸送體)排出體外,而ROMK本身是鉀離子的輸出體。在環境水及餌料中加入鉀離子,可以加快鉀的代謝,使魚類攝入的鹽類離子變多,則為了降低滲透壓排出的量也就越多,銫的攝入量沒變,排出量提高,以此達到除污染的目的。此種方法適用于海水魚及淡水魚,但是在對海水魚的除污染效率要高于淡水魚[16]。把魚肉制作成魚糕制品,可以間接去除魚肉中的污染成分。魚糕生產過程通常包括洗滌步驟,使用較低濃度的鹽溶液:如用0.1%的氯化鈉溶液。實驗證明用一定體積的鹽溶液清洗魚肉部分可以在相當大的程度上減少銫的殘留。并且魚肉切地更細碎可以加大去除程度,但同時也會降低魚類原有的味道,并且存在氨基酸、核苷酸等小分子化合物減少的現象。因此,適當的條件下,應確定風險減少和食品質量之間的平衡[17]。

3 總結

魚類受放射性物質的污染情況受多種因素的影響,研究這種影響因素在福島核電站事故過去六年的今天仍具有意義。受污染海水與淡水環境日趨正常,海水魚與淡水魚的放射性物質含量也已經達到標準,但對放射性物質去除方法研究仍需繼續。黨的十八屆五中全會提出了“創新、協調、綠色、開放、共享”的發展理念,發展清潔化能源是我們的首要任務。根據“十三五”計劃草案,每年將有6～8所核電站建成,這意味著我國核電的發展正面對前所未有的機遇,但同時也將迎來更為艱巨的挑戰。經濟與環保是核電的優點,但安全性是其基本保障。如何確保安全性,并在發生事故時采取正確的應對措施是我們需要首先考慮的問題。本研究通過對日本福島核電站事故發生后,魚類受影響情況及影響因素的分析,為輻射污染后如何恢復漁業提供思考,也為加速去除魚類污染提供借鑒。

[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 による化學素過程を中心に。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年度海洋環境放射能綜合評價事業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]日本東京電力株式會社. 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，使用済セシウム吸著塔保管施設及び関連設備( 移送配管，移送ポンプ等)[OL]. 東京:東京電力株式會社,2013[2013-03-12]http://www.tepco.co.jp/press/release/2016/pdf/161025j0101.pdf.

[14]森浩一,巖崎守,三村均,神田仁智.層狀チタン酸カリウムを基材としたストロンチウム吸著剤の開発.日本イオン交換學會誌[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，講師，博士，主要從事農產品加工研究，E-mail:gaoqi0925@163.com。

*通訊作者:薛友林(1980-)，男，博士，副教授，主要從事農產品加工及食物營養研究，E-mail:xueyoulin@lnu.edu.cn。

國家自然科學基金青年科學基金項目(31201285)；教育部留學回國人員科研啟動基金項目(2013693)；遼寧省教育廳科學研究一般項目(L2014009)；遼寧大學大學生創新創業訓練項目(X201610140202，X201610140218，X201610140221，X201610140222)。

TS201.6

:A

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

10.13386/j.issn1002-0306.2017.17.041