中山大学学报论丛
S UPP LEM EN T T O THE JO U RNA L
1996年 第2期OF SU N YAT SEN U N IV ERSIT Y No.2 1996
天然放射性核素210Po,210Pb
在生物体内的分布和代谢
陈舜华 钟创光
(中山大学生物学系,广州510275)
摘 要 210Po和210Pb在自然界中分布十分广泛,虽然它们所放出的α粒子由于射程短而
无外照射的危险,但若进入生物体内则是危险的核素.从50年代至今,国外学者从陆地至
海洋的不同环境条件,不同生物种类,均有为数颇多的报告,但国内关于210Po和210Pb的
有关研究则鲜有报导,本文就已有的部分资料作些综合介绍.
关键词 天然放射性核素,钋210,铅210,外照射,危险
分类号 X835
1 210Po和210Pb的重要性及其由来
钋-210(Polonium-210)为Pierre和M arie curie于1898年首次在铀矿中分离出来,它是一种高能量的α辐射体,能量为5.305Mev(～100%),无非放射性同位素,在人类环境的放射性元素中可能是最危险的一种,也是人类受到天然本底辐射的重要组成部分,这种放射性核素在个体人组织中占天然内辐射等效剂量总数30%以上,210Po 在个体中的总量等于从环境中吸收的量与组织中骨骼积累的210Pb衰变所形成的210Po的数量之和,在软组织中,肝脏的210Po含量最高,由于烟草含有210Po,因此吸烟而导致210Po进入肺部对人类造成的危险而受到关注[1].
海洋环境中各种生物对210Po和210Pb有不同的浓集系数,并有相当高的浓集能力, 210Pb通过食物链沉积于人体骨骼之中,加上210Pb衰变为210Po,因而210Po发射α粒子对人的骨骼辐射剂量很高,通过海洋生物对这两种核素的积累最后进入人体所造成的剂量影响引起国外学者的高度重视,因而进行了室内示踪研究或现场调查研究.
210Pb和210Po的生成过程:铅-210(Lead-210)是由地壳的氡气(226Ra的子体 ※222Rn)扩散到大气中,经过几个半衰期的衰变生成的产物,这些形成的210Pb随降雨再返回地表,210Pb先衰变为210Bi,然后再衰变为210Po,即210Pb※210Bi※210Po,由于这种衰变使210Po在大气中维持一定的总量.
收稿日期:1995-12-15 陈舜华,女,61岁,教授
2 环境中210Pb 和210Po 等浓度变化及影响因素
环境中的222Rn ,210Pb ,210Bi ,210Po 的浓度与空气流的来源密切相关,Fernado ,P .Carvalho [2]
测定了欧洲大陆大西洋沿岸葡萄牙里斯本地表空气中上述4种核素的浓度,发现在海洋空气流中222Rn 的浓度非常低,约为0.1Bq ·m -3,在大陆空气流中其浓
度高达2～10Bq ·m -3,222Rn ∶210Pb 的放射性比率各不相同,其平均值分别为1×103和5
×104,在短时间的间隔取样,发现大气中210
Pb 的浓度与悬浮微粒的浓度成正比,地表空气中210Pb 的浓度有季节性波动,在秋冬季可持续测得较高的210Pb 浓度,然而地表空气中210Pb 的浓度并不受季节性降雨的影响,但与不同来源的空气流所受季节性影响有关,主要是秋冬季节空气流来自大陆,春夏季节空气流来自海洋,如在Sacavem 地区210Pb 浓度年平均为180μBq ·m -3
,大大低于内陆报导的数值,证明海洋气流的重大影响,虽然气溶胶的平均停留时间(M RT )为3.8d ,与其他地区的报导值相近,但测量数值表明:一年中不同季节的M RT 值有所不同,原因是本地区的氡及氡子体的浓度,特别是210
Pb 的浓度主要受大范围的气候条件控制,尤其受海洋性或大陆性气流交替进入当
地地表空气的影响,在这两种气流中222Rn ∶210
Pb 浓度比率截然不同.
210Pb 和210Po 在环境中的浓度除了受自然条件的影响外,还受到人为的工业生产的影响[3],这是一个很值得重视的问题,提示在磷矿和磷肥工业生产过程中排出的废料而使该地区的沉积物和悬浮物中天然的210
Pb 和210
Po 水平升高.例如在葡萄牙Tagus 港湾一个磷肥工厂排放废物的排放点(图1),海底表层沉积物和悬浮物中210Pb 和210Po 的浓度比非排放点及其他地区要高得多,测得排放点210Pb 的浓度高达1580Bq ·kg -1(干重)大大高于沉积物210
Pb 的天然本底(68±19Bq ·kg -1
(干重)),港湾的其余区域,210
Pb 在沉积物中及悬浮物中的浓度基本低于Barreiro 半岛磷废物排放点所测得的浓度,
在港湾上游,不管是在底部的沉积物还是悬浮物,均测到比预计来自自然界(大气沉积、河流带入)的210Pb 平均浓度要高的浓度,估计这是由于天然存在的可溶性Pb 的高效清除作用,使其附着于悬浮物上,并在淡水与海水混合区域与铁-锰氢氧化物发生共沉淀的结果.
3 210Pb 和
210
Po 在海洋生物的研究
3.1海洋生物对210
Po 及210
Pb 的浓集和辐射剂量
海洋生物能够浓集环境中的放射性核素,包括210Po 和210Pb .尽管海洋中210Pb 和210Po 的天然本底比较低,但海洋中不同海层及不同种类的生物能够不同程度地浓集这两种放射性核素到较高的水平,甚至可达环境中海水浓度的103
～105
倍[4]
,浮游动物对210Po 的浓集可达34～51Bq ·kg -1(鲜重),又如桡足类(Opepods )甚至可达90Bq ·kg -1,而凝胶状的浮游动物只有1Bq ·kg -1.以浮游动物为生的上海层真骨鱼(Epipelagic teleosts )的肌肉含210Po 的浓度比其他鱼的浓度高,为2～21Bq ·kg -1,而底层真骨鱼(Demersal teleosts )和E lasmo branchs 210
Po 含量比较低,分别为0.5～7Bq ·kg -1和0.2～0.7Bq ·kg -1范围内,鱼的肝脏、性腺、骨骼等210Po 浓度最高,中海层的鱼类其整体210Po 浓度可达800Bq ·kg -1,因为210Po 的放射性浓度变化范围非常大,因
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图1 T agus 港湾表面沉积物中颗粒小于63μm 部分的210Pb 浓度(Bq ·kg -1(干重))的分布方括号内数值是未经过筛(几乎全部是沙子)的样品中210Pb 的浓度.虚线划分的区域:Ⅰ.T ag us 河;
Ⅱ.港湾上部;Ⅲ.港湾中部;Ⅳ.港湾南部边缘的航道及磷酸盐排放区;Ⅴ.入海航道;Ⅵ.近岸海区.Ci -C4(★)是测定210Pb 在沉积物层中垂直分布状况时的取样点[3]
Fig .1 Distribution of 210Pb concentra tio ns (Bq ·kg -1dry w t .)in the <63μm fraction of surface sediments in the T agus estuary .
此生活在不同海层的生物,其吸收率差异比较大,与环境条件有直接关系.
表1 海洋有机体中的平均
210
Po 浓缩因子和
210
Po /
210
Pb 放射性比率
[4]
T ab .1 M ean 210Po concentration factors in marine o rganisms and 210Po /210Pb activity ratios 项目
颗粒状物
(>0.45μm )浮游物
(<333μm )
桡足类磷虾
水母浮游动物
真骨鱼(鲱科)
肌肉
骨
肝脏
性腺
210Po 浓缩因子1041046×1043×1046×102
3×1046×1033×1043×1056×104 210Po /210Pb
1～6
102
65
130
10
60±12
～90
～10
～70
～90
评价环境中放射性所产生的影响,最主要的目的在于确定放射性剂量对人和海洋生物的辐照剂量,因为剂量最直接关系到生物体可能造成危险性的量,因此国际辐射防护委员会对各种放射性剂量规定了限制标准,在重视核裂变产物对环境中人和生物的剂量估算的同时,各国学者也重视天然放射性核素210Pb 和210Po 对生物产生辐射的影响,并进行剂量估算的研究[4],其基本点是利用组织中210Po 的放射性数据,通过简化的数学模型对放射性剂量D α(μGy ·h -1)进行了计算,计算过程根据两个基本假设,首先是210Po 的浓度是稳态的,其次是210Po 在组织中均匀分布,在此条件下,无限体积(即
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远远大于60μm 的α粒子范围)的吸收剂量率,可用下式计算:
D α=577×10-6×
E α×C
其中,E α是210
Po α粒子能量,单位为Mev ,c 是组织中210
Po 的浓度,单位为Bq ·kg -1
;
年等效剂量率H (mSv ·y -1)采用α辐射品质因数为20通过下式计算:
H α=0.101×E α×c
表2列出海洋生物种类,由于体内积累210Po ,按上述公式要求,计算其吸收剂量及等效剂量.
表2 内部积累引起的210Po 的辐射剂量率[4]
T ab .2 M ean 210Po co ncentration factors in manine organismes and 210Po / 210Pb activity vatios 组别/种类组织 210Po 吸收剂量等效剂量
(Bq ·kg -1湿重)
(μGy ·h -1)(mSv ·y -1)
(rem ·y -1)桡足类整体
89±30.27248(4.8)磷虾54±20.16529(2.9)水母0.7±0.1
0.0020.4(0.04)沙丁鱼肌肉110.0345.9(0.59)(n =4)
肝脏5501.68295(29.5)性腺3190.98171(17.1)骨1600.4986(8.6)胃
4781.4626(2.6)Piloric caecca
398012.22.13×103(213)肠
1037931.85.6×103
(560)Aphanopus carbo
(n =9)
肌肉0.20.00060.1(0.01)肝脏60.01810(1.0)性腺110.03418(1.8)骨20.0063(0.3)肠43
0.132
23
(2.3)
上述由于210Po 放射性浓度变化范围非常大,所以海洋生物组织的等效剂量率的变
化范围也很大,以凝胶状浮游动物的年等效剂量率为0.4mSv ·y -1到沙丁鱼内脏肠道为5.6×103
mSv ·y -1
,因此可以得出结论是,海洋中同一水层的生物具有广阔的放射剂量变化范围,它是由210Po 的食物链传递决定的.
3.2 用示踪技术研究210Po 进入海洋生物的途径
采用示踪技术(双标记方法)进行研究,以区别海洋动物(鱼和对虾)对溶解于海水中的210Po 的生物积累以及从食物中对208Po 的生物积累[5],实验发现海虾(Paleamon serranus )对海水中Po 的积累,主要是虾壳对Po 的吸收,吸入内部组织的则比较少(主要是用于渗透压的调节).用208Po 标记食物则易于被虾的内部组织吸收和积累,类
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图2 金枪鱼肌肉组织样品的Po 的α图谱[4]
Fig .2Polonium alpha spectrog ram of a sample of muscle tissue from tuna
似的实验对海鲈鱼(Serranus scriba )的研究表明:鱼的内部器官对Po 的积累,并不直接来自海水中溶解的210Po ,内部器官所结合的Po 几乎全部是208
Po 所标记的食物,对虾和鱼对Po 的吸收率分别约为0.35和0.05,这相当于从食物中吸收蛋白质的吸收效率.对虾和鱼的消化道所吸收的208Po 在组织中分布状况与对照组的生物中天然存在的210Po 的分布状况相似,而海水中溶解的210Po 分布状况则不同,从这两种途径的吸收试验表明:对虾和鱼体内所积累的Po 97%以上是来自食物所标记的208
Po .
实验研究结果进一步表明,较高一级的海洋生物对Po 的积累依赖于较低一级生物所吸
收的Po ,因此,Po 在食物链的转移主要取决于动物对食物的吸收率和进食频率.
4 210Po 在动物体内器官组织及亚细胞水平的分布和代谢
自从50年代以来,各国学者开展了210Po 和210Pb 在哺乳动物的研究,包括鼠、猫、兔和狗的分布和代谢,也有报导在灵长类和人体组织的分布和代谢,这些研究涉及210Po 及 210Pb 在体内的器官组织、细胞(如红血细胞)以及亚细胞(各种细胞器)以及分子水平(原生质蛋白质)的研究,目的是通过动物模拟实验,获得参数后进一步推测到人类的辐射效应以及210
Po 在体内结合的机制提供科学的依据.Lanzola 等[6]
报导210Po 在大鼠体内器官组织及亚细胞水平的分布,应用柠檬酸钋-210或胶体钋-210通过静脉注射或口服方式引入体内,实验结果表明,不论通过那种途径或使用那种标记物的形式引入动物体内也不论注射后时间长短(2h ～8d 或47d )注射总量的50%～80%的210
Po 主要分布在肝脏、肾脏和肠道.通过Sephadex G -200对胞液的各种分部进行分离,发现210Po 非专一地与蛋白质结合.
Fellman 等[7]用柠檬酸钋-210静脉注射研究210Po 在灵长类———狒狒体内的分布和生物动力学的研究,包括收集排泄物和血液及体内组织样品的分析,从注射后1,7,14,30,80,91d 的持续时间内进行的实验,结果表明:210
Po 在狒狒的软组织中分布为
注射总量的29%沉积于肝脏,7%在肾脏,0.6%在脾脏,210Po 在所有组织中的保持可
以用单指数函数描述,210Po 在组织中的浓度分为高、中、低三个组:210Po 含量最高组为
网状内皮组织系统,中等组为卵巢、甲状腺、肾上腺、胰腺.最低组为脑、肌肉和骨骼.210Po 在血液中的分布实验表明,210Po 在狒狒的红血细胞与血浆的比率为5.5,这个比率与其他动物相比是比较低的,与兔的比率8.5～15.6相接近,而远低于鼠的比率22.8～41.7.
210
Po 在狒狒的排泄过程可用一种单指数函数描述,其半排出期为15.6d ,其中尿的生物半排出期为15.6±1.5d ,粪便为14.4±2.5d ,210Po 在尿中的排泄为注射210Po 的
(37.7±4)%;210Po 在粪便中排泄为注射210Po 的(55.1±11.2)%;粪与尿的比率为1.5
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±0.3,鼠的粪便与尿的比率为10,人的这种比率约为狒狒(比率)的近6倍,更接近于鼠的这种比率.
表3 狒狒体内吸收的Po 在选定器官中的分布参数[7]
T ab .3Distributio n parameters for systemic Po in selected o rgans of the baboon
器官分配系数±SE 生物半衰期(d ±SE )回归r 2
肝29×10-1±1×10-215.4±0.60.99肾7×10-2±1×10-224.5±3.00.95脾6×10-3±2×10-324.9±3.00.95胰腺3×10-3±4×10-424.7±2.20.95肾上腺5×10-4±6×10-625.2±6.30.83骨骼6×10-2±3×10-333.8±2.70.97肺9×10-3±5×10-344.9±18.00.66卵巢3×10-4±2×10-548.2±22.80.61甲状腺
7×10-5±6×10-6
49.5±31.2
0.56
5 哺乳动物对
210
Po 吸收机制的研究
关于210Po 与动物组织结合机制的研究,在70年代初期,Lanzola 等[6]便已开始进行210Po 与鼠的肝、肾、肠等组织结合的研究,并进一步研究210Po 与组织亚细胞分子结合试验,表明210Po 并非专一地与蛋白质结合;90年代初Aposhian 等[1]开展了210Po 在动物体内代谢机制的研究,着重研究在生物系统中分子水平的相互作用,提出210
Po 掺入大鼠的肝脏后的代谢过程,通过热稳定性,丙酮沉淀法,柱层析法等多项技术判定210Po 与鼠肝脏的金属巯蛋白(metallothionein )相结合,这有助于解释210Po 引起细胞内部辐射损伤原因的结论.
金属硫蛋白最先是由M argoshes 和Vallee [1]分离出来,这种物质中巯基含量很大,并存在多种组织之中,哺乳纲动物的金属硫蛋白有60～61种氨基酸残基(其中20种为半胱氨酸)是个很特殊的小蛋白质分子,分子量约为6000～7000,它们能与7个等价的2价金属离子相结合,金属含量很高,金属硫蛋白能与具有重要生理作用的金属,例如锌和铜以及一些显然没有生理作用的金属例如镉、汞、铂、金、银相结合[8],因此提出金属硫蛋白在生物体内随时随处为各种生物功能的需要提供锌、铜等金属离子是有道理的.
金属硫蛋白广泛存在于动物的肝脏、肠和其他的薄壁组织,据报导[8]它的存活期为1～4d ,由于210Po 在体内与金属硫蛋白相结合,致使210Po 排出体外比较缓慢是其原因之一,也是导致α辐射在体内连续增高辐射损伤的原因.
为证明210
Po 与鼠肝的金属硫蛋白相结合而进行了如下实验[1]:体外实验是每天给雄鼠皮下注射CdCl 2(1mg /kg )连续注射3d 以刺激金属硫蛋白的合成,第四天将肝脏取出处理,取得60%～90%的丙酮沉淀的分部.实验结果:整个纯化过程中210Po 的洗
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脱与金属硫蛋白非常接近(图3、4),经70℃加热,丙酮沉淀,G -75层析(图3)放射性210Po 的V e /V o 比值约为2.1～2.3,以镉的测定为标记测得金属硫蛋白的V e /V o 约为2.1.至于为何210Po 有3个峰(图3),而通常情况下金属硫蛋白只有一个峰(镉峰).由于210
Po 没有载体,Po 不存在非放射性同位素,这样要使足够的210
Po 进入动物体内并取代金属硫蛋白内所有的Cd 就非常困难,并且很危险,因此色谱图上显示有210Po 的多个峰可能代表含不同量的Po 和Cd (或其他金属)的金属硫蛋白.
图3 引入
210
Po 后,在Sephadex G -75柱上
对鼠肝金属硫蛋白的纯化210Po (★)Cd (■)
[1]F ig .3Purification of rat liver metallo thionein o n Sephadex G -75after administratio n of
210
Po
(★)210Po (■)cadmium .
图4 引入210Po 的鼠肝经G -75柱层析部分纯化后,分部的DEA E 色谱图[1]Fig .4DEA E chromatog raphy of the par tially puri -fied G -75fraction [1]the liver of a rat given 210Po (★);Cd (■);金属硫蛋白(+)
近20年来,科学家们力图从结构和功能的关系揭示其机理,并发展其应用,因此动物肝脏金属硫蛋白与210Po 结合的研究对分析生物体内在分子水平上与210Po 进行有机结合的论点以及对阐明这种结合的机理,说明在生物体内滞留的原因,引向更深入的研究都是很有意义的.
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Distribution and Metabolism of Natural Radionuclides
Polonium -210and Lead -210in O rganisms
Chen Shunhua
Zhong Chuangguang
A bstract 210
Po and 210Pb are w idely dispersed in nature .Although the α-particles they
emitted are not danger of external radiation exposure due to their short emitting range ,they are dangerous nuclides w hen they enter the body of living org anisms .Lots of reports w ere made by foreig n scientists on different species under various environmental conditions from
land to ocean .But domestic reseaches on 210Po and 210
Pb were rarely seen .This paper is
a comprehensive introduction to the materials now available .
Keywords natural radionuclides ,polonium -210,lead -210,external radiation exposure ,danger
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