核能作为一种理想的清洁能源，具有经济、高效的特点。除去已退役的核电机组，目前全球仍有445座商用核电机组在运行，总装机量达到了387 GW^[1]。核电在运行过程中，放射性物质可能会随着核电液态流出物进入到附近水域，这些放射性物质的主要核素种类包括¹³⁷Cs、⁹⁰Sr、³H等，随着全球核电机组数量的增长，放射性物质的排放量也将增加，对生态环境产生的影响也会愈发强烈。

处于放射性水域的水生生物会对核素进行浓集，浓集一段时间后其体内的核素浓度会达到相对稳定的状态，此时通过检测水生生物体内的核素浓度结合浓集系数(concentration factor，CF)，便可对目标水域的放射性水平进行估算，并进一步测算通过食物链传递导致其他营养级受到的辐照剂量^[2]。

目前，国内外已针对部分常见水生生物对放射性核素浓集动力学行为开展了实验室研究，并得出了相应的CF^[2]，如戚勇等^[3]对广东大亚湾海域珍珠贝和梭子蟹浓集Cs和Co过程的研究，Benedict等^[4]开展的贻贝不同组织对氚化水和有机结合氚的富集作用及遗传毒性研究等。此外，还有部分研究通过测定环境生物样品获得相应的CF，以评估放射性核素对海洋环境、生物以及人类健康的影响，如Smith等^[5]对福岛核事故后太平洋海域中层鱼和蓝鳍金枪鱼体内¹³⁷Cs的CF进行测定和计算，以及姚志鹏等^[6]对福岛核事故后舟山渔场中鲳鱼、小黄鱼、带鱼等生物样品中¹³⁷Cs比活度进行测定和剂量评估。国际原子能机构(IAEA)在2004年出版的第422号报告中对已有文献中的相关实验数据进行汇总分析，给出了多种类型的水生生物对不同种类核素的CF推荐值，其中鱼类对Cs的CF推荐值为100 L/kg^{[2, 7]}。

在食物链的传递过程中，放射性核素在不同营养级鱼类之间的富集程度存在差异；同一营养级但摄食和代谢水平不同的鱼类个体对放射性核素的富集作用通常也不同^[8]。因此不同鱼类尤其是体型差异较大的鱼类之间，CF也存在较大区别，若统一采用IAEA给出的CF推荐值可能导致计算结果出现较大偏差。作为实验室常用的水生模式生物之一，成年斑马鱼长度仅3~5 cm，为典型的小体型鱼类^[9]，且对水体环境的变化十分敏感，是理想的环境监测指示生物^[10]。因此本文以斑马鱼为研究对象，探究其对核电站液态流出物中主要放射性核素之一的¹³⁷Cs的浓集与排出动力学过程，以期为核电发展对水生生物的影响评估提供一定的参考。

1 斑马鱼简介

斑马鱼(Danio rerio)源自印度、尼泊尔、缅甸等国^[11]，如图 1所示，其全身遍布多条深蓝色条纹，因此又名蓝条鱼、花条鱼^[10]。斑马鱼被用于实验室研究的时间较短，但发展十分迅速，目前已成为广泛使用的水生模式生物^[12]，具有对水体环境变化非常敏感、体型小、繁殖能力强、产卵量大且胚胎透明等优势^[13]。除用于环境科学、药物毒理学、水产学、农学等领域外，已有越来越多的科研人员将其应用于放射生物学领域的研究，例如放射性射线对胚胎生长发育的影响、电离辐射对生物的种群效应、放射增敏剂和辐射防护药物研发等^[14-17]。

2 实验材料及方法 2.1 放射性条件下斑马鱼的饲养

实验所用斑马鱼为野生型AB品系，购自中国科学院水生生物研究所。饲养于特制的小型亚克力养殖缸中，养殖缸的长×宽×高为28.8 cm×14.6 cm×9.1 cm，容积为3 L。整个实验阶段共饲养45尾斑马鱼成鱼，分为3个养殖缸，每缸13条，另有6条于非放射性养殖液中单独饲养，作为空白对照。设计搭建的斑马鱼养殖装置实物图如图 2所示。由图可知，养殖缸内设隔板，便于排泄物的清理；水体温度采用小型加热棒控制在(28±1)℃，同时放置水体温度计，密切监测水体温度的变化；采用小型氧气泵向水中充氧，以保持水中氧气含量。每日投喂孵化好的丰年虾，喂食后利用吸管吸取缸底粪便，以减少水体中氨氮的含量，并更换约1/3体积的新鲜养殖水。其中，更换用的新鲜养殖水需经过3 d自然曝气，再经水体紫外消毒灯杀菌30 min。此外，斑马鱼对光周期十分敏感，因此在养殖过程中需注意光暗周期的控制，这对斑马鱼的正常生理活性非常重要，最佳光暗周期比设置为14∶10。

2.2 放射性¹³⁷Cs养殖液的配制

根据《核动力厂环境辐射防护规定》(GB6249-2011)第6章第8条“滨海厂址槽式排放口处的放射性流出物中除³H和¹⁴C外的其他放射性核素活度浓度不超过1 000 Bq/L”的要求，本实验设定¹³⁷Cs的活度浓度为1 000 Bq/L。

取一定量活度为3.7×10⁵ Bq的液体¹³⁷Cs放射源加入蒸馏水定容至50 mL，得到活度浓度为3.7×10⁴ Bq/L的母液。之后加入蒸馏水对母液进行稀释得到活度浓度为1 200 Bq/L的初始¹³⁷Cs养殖液。

向初始¹³⁷Cs养殖液中加入一定量浓盐酸酸化，得到pH值为2.0的酸性¹³⁷Cs养殖液，以降低容器壁对¹³⁷Cs核素的吸附作用。

采用少量多次的方式向酸性¹³⁷Cs养殖液中加入氢氧化钠溶液，同时使用上海仪电科学仪器股份有限公司生产的型号为PHS-3C的pH计进行实时测量，最终得到pH值在8.0~8.5且活度浓度约为1 000 Bq/L的弱碱性¹³⁷Cs养殖液。

2.3 斑马鱼的活体测量

本实验采用高纯锗γ谱仪对实验斑马鱼进行活体测量，整个测量过程需要持续6~8 h，若氧气浓度不足或采用液氮制冷的高纯锗探头直接接触测量容器，会导致斑马鱼因缺氧或水体温度过低而死亡。此外，由于能谱测量过程中被测物体的几何形状、位置等均会对测量效率产生影响，因此还需控制斑马鱼的移动范围，避免测量效率失准。

本文设计的斑马鱼活体测量容器如图 3所示。容器为亚克力材质，整体为圆柱体，双层中空结构，顶部为可分离的容器盖，容器盖和容器连接处由橡胶圈密封以避免漏气，容器盖下方连接有一个带孔洞的隔板，盖上有可封闭的进气口和出气口各一个。测量开始前，将待测斑马鱼连同非放射性养殖液放入测量容器，封闭容器盖，利用进气口向容器内缓慢通入氧气，将容器内原有的空气通过出气口逼出，进气速率控制在0.3~0.6 L/min，连续注气3~5 min后拔出进气管，关闭进气口和出气口，即可保持斑马鱼的正常生存条件，此外还可利用容器的横向和径向空间对斑马鱼的活动进行限制。

在实验前对斑马鱼在黑暗环境下的生活状态进行观察，发现斑马鱼对光照较为敏感，在黑暗条件下几乎不进行活动，主要沉在水体底部。据此，本文采用Monte Carlo模拟计算的方式进行效率刻度，将斑马鱼简化为内部为水的椭球体，并假设放射性核素均匀分布在斑马鱼体内；测量模型则根据测量容器尺寸建立，整体为圆柱体，确保斑马鱼整体被水包裹。此外，为确定活体效率刻度的可靠性，将12尾测量后的斑马鱼进行灰化处理，测量结果对比如表 1所示。由表可知，死亡后的测量结果与活体测量结果基本吻合，相对误差绝对值平均为8.16%，证明活体效率刻度可靠。

2.4 浓集与排出动力学实验

实验分为浓集动力学实验与排出动力学实验2部分。实验开始前，除斑马鱼需经过7 d的适应预养外，还需向浓集养殖缸中加入2 L活度浓度与正式实验一致的酸性¹³⁷Cs养殖液并浸泡3 d，以降低养殖缸壁对¹³⁷Cs核素的吸附作用，之后使用弱碱性¹³⁷Cs养殖液进行替换。

浓集实验期间，每日投喂孵化好的丰年虾，喂食后更换约1/3的新鲜弱碱性¹³⁷Cs养殖液，保持水体中¹³⁷Cs活度浓度的恒定。浓集实验共进行58 d，分别在第1、2、5、10、15、20、25、30、45、50、51、58 d取样进行活体测量。待斑马鱼体内的¹³⁷Cs核素水平基本维持稳定后，结束浓集实验。

排出实验开始前，将斑马鱼转移至非放射性养殖液中，清洗斑马鱼体表残留的¹³⁷Cs核素，之后再转移至未污染的排出养殖缸中。排出实验期间，每日定期更换缸中的非放射性养殖液，清理食物残渣及斑马鱼产生的排泄物，同时补充等量晾晒曝气且杀菌后的新鲜非放射性养殖液，其中，排出过程的前期阶段需要增加非放射性养殖液的更换频率，整个排出过程共进行198 d，分别在第1、3、6、10、17、22、33、60、109、128、198 d取样进行活体测量。

2.5 计算方法

CF指生物体或组织内某种核素的比活度与环境介质(水体)中该核素的活度浓度的比值，是衡量生物体从水体环境中浓集核素能力的指标，可用于研究核素在水体环境中的转移过程，评价放射性污染物对水体环境和人类健康造成的危害^[2]。

$ \mathrm{CF}(\mathrm{~L} / \mathrm{kg})=\frac{\text { 生物体或组织内核素比活度 }(\mathrm{Bq} / \mathrm{kg} \text { 湿重 })}{\text { 水体中核素的活度浓度 }(\mathrm{Bq} / \mathrm{L})} \text {. } $

(1)

3 实验结果与讨论 3.1 斑马鱼生物学特征

本实验测量的斑马鱼生物学特征参数包括体重、体长、体宽，这些参数对测量效率刻度的确认至关重要。根据统计，45尾斑马鱼的体长为3.0~3.8 cm，体宽为5~10 mm，平均体重为0.37 g。

3.2 斑马鱼对¹³⁷Cs的浓集规律

在采集鱼样的同时采集水样，经检测水体中¹³⁷Cs的活度浓度始终维持在1 000 Bq/L左右。

斑马鱼对¹³⁷Cs的浓集曲线如图 4所示，其中t_u为浓集时间。由图可知，实验初期斑马鱼对¹³⁷Cs的吸收较快，其体内¹³⁷Cs的比活度基本呈直线上升趋势；直至第50 d左右斑马鱼体内¹³⁷Cs的比活度基本保持不变，达到平衡。将第50、51、58 d鱼体内¹³⁷Cs比活度的平均值作为平衡状态时生物体内核素的比活度，并将对应天数水体中¹³⁷Cs活度浓度的平均值作为平衡状态时水体中核素的活度浓度，计算得到平衡状态下，斑马鱼对¹³⁷Cs的CF值为(5.81±0.23)L/kg。

在整个浓集实验过程中，斑马鱼体内¹³⁷Cs的比活度变化趋势与戚勇等^[3]对广东大亚湾海域珍珠贝和梭子蟹的浓集过程研究结果基本吻合，珍珠贝和梭子蟹的组织器官对¹³⁷Cs的CF平均值分别为6.6和7.7 L/kg。Wang等^[4]和Smith等^[5]对福岛核事故后¹³⁷Cs在太平洋海域生物体内的累积研究中发现，中层鱼和蓝鳍金枪鱼对¹³⁷Cs的CF值分别为8~100 L/kg和3 000 L/kg。斑马鱼的CF值与这些生物相比均较低，说明斑马鱼对¹³⁷Cs的富集水平相对较低。另外，从上述各CF值可以看出，斑马鱼与同属食物链较底层的珍珠贝和梭子蟹的CF值较为接近，而与处于食物链顶层的蓝鳍金枪鱼存在显著差异，这一方面印证了放射性核素在不同营养级之间的富集程度存在差异，另一方面也说明IAEA给出的鱼类对Cs的CF推荐值100 L/kg较为笼统，不同鱼类在食物链中的层级差异较大，因此其CF值通常也会存在较大差异。

由于斑马鱼体型较小，单独检测各器官的放射性核素比活度较为困难，因此本文未对斑马鱼的各组织器官进行单独研究。但一般认为，¹³⁷Cs在生物肌肉中的CF值较高，中国科学研究院海洋研究所放射生态组的研究证实了这一点，在黑鲷和石鲽鱼的所有组织中，肌肉组织对¹³⁷Cs的CF值最高，分别为21.4和15.8^[18]。韩宝华等^[19]对¹³⁷Cs在龙虾中的浓集过程展开研究后也得到了相似的结论：龙虾不同部位对¹³⁷Cs吸收机理不同，¹³⁷Cs容易被龙虾肉吸收，其CF值为25.2。

3.3 斑马鱼对¹³⁷Cs的排出规律

斑马鱼对¹³⁷Cs的排出曲线如图 5所示，其中t_b为排出时间。由图可知，实验初期斑马鱼体内¹³⁷Cs比活度下降较快，直至第10 d左右，排出的速率开始降低。从第60 d以后斑马鱼体内¹³⁷Cs比活度的下降曲线趋于平缓，下降速率减弱，在¹³⁷Cs活度浓度为1 000 Bq/L的实验条件下，斑马鱼对¹³⁷Cs的生物半排期T_b-1/2约为70 d。从第128 d至第198 d，斑马鱼体内¹³⁷Cs比活度基本保持不变，维持在2 370 Bq/kg左右。

在排出实验中，整个排出过程呈现先快后慢的变化趋势，直到第198 d实验用斑马鱼全部死亡时，斑马鱼体内仍有一部分的¹³⁷Cs未能排出，这表明斑马鱼对¹³⁷Cs的排出过程持续时间较长，代谢水平相对较低，不易排出。这与广东大亚湾海域珍珠贝的闭壳肌对¹³⁷Cs的排出特点一致^[3]。

3.4 浓集过程动态转移模型

描述放射性核素从水体到水生生物中的转移过程可以采用系统分析法。系统分析法也可称作转移系数法，一般的数学模式是与时间、空间有关的微分方程组。

¹³⁷Cs在水体与斑马鱼之间的动态转移行为较为简单，本文建立的模型仅包括水体与斑马鱼2个库室，其模型框图如图 6所示。图 6中，C₀(t)和C₁(t)分别为水体和斑马鱼库室中的¹³⁷Cs在时间t的比活度，Bq/kg；k₀₁和k₁₀分别为¹³⁷Cs从水体库室到斑马鱼库室，以及从斑马鱼库室到水体库室的迁移速率常数，1/d。

采用系统分析法分析所建立的水体—斑马鱼两库室模型，得到的用以描述浓集过程中，放射性核素在水体和斑马鱼体内动态转移的微分方程如下式：

$ \frac{\mathrm{d} C_1\left(t_{\mathrm{u}}\right)}{\mathrm{d} t_{\mathrm{u}}}=k_{01} C_0\left(t_{\mathrm{u}}\right)-\left(k_{10}+\lambda_{\mathrm{p}}\right) C_1\left(t_{\mathrm{u}}\right) . $

(2)

式中，λ_p为放射性衰变常数，1/d。

由于本文水体中核素的比活度不随时间改变，C₀(t_u)实质上是一个常数C₀。因此斑马鱼体内的放射性核素的比活度随时间变化的参数方程为

$ C_1\left(t_{\mathrm{u}}\right)=K_{\mathrm{u}} \exp \left[-\left(k_{10}+\lambda_{\mathrm{p}}\right) t_{\mathrm{u}}\right]+\frac{k_{01} C_0}{k_{10}+\lambda_{\mathrm{p}}} . $

(3)

其中K_u为求解过程引入的无量纲系数。

设其平衡状态下的CF值为c_ss，摄取半衰期为T_u-1/2，水体密度为ρ₀，再结合起始比活度为0的初始条件，可得到浓集过程中放射性核素在斑马鱼体内动态转移模型为

$ C_1\left(t_{\mathrm{u}}\right)=C_0 \rho_0 c_{\mathrm{ss}}\left(1-\exp \left(\frac{-\ln 2}{T_{\mathrm{u}-1 / 2}} t_{\mathrm{u}}\right)\right) . $

(4)

依据斑马鱼对¹³⁷Cs的浓集曲线(见图 4)可得其c_ss值约为5.81 L/kg，摄取半衰期T_u-1/2约为30 d。ρ₀取1 kg/L，则

$ C_1\left(t_{\mathrm{u}}\right)=5810 \times\left(1-\exp \left(\frac{-\ln 2}{30} t_{\mathrm{u}}\right)\right) . $

(5)

根据式(5)对各采样时间下斑马鱼体内¹³⁷Cs的比活度进行计算，并与浓集实验中的实测值进行对比，结果如图 7所示。由图可知，除了浓集过程后期(t_u>45 d)，模型计算值与实测值的一致性较高。对于浓集过程后期尤其是达到平衡状态时，对应的¹³⁷Cs比活度建议直接使用其平衡状态下的CF值进行计算。

3.5 排出过程动态转移模型

在排出过程中，放射性核素在水体和斑马鱼体内动态转移的微分方程如下：

$ \frac{\mathrm{d} C_1\left(t_{\mathrm{b}}\right)}{\mathrm{d} t_{\mathrm{b}}}=-\left(k_{10}+\lambda_{\mathrm{p}}\right) C_1\left(t_{\mathrm{b}}\right) . $

(6)

则斑马鱼体内的放射性核素比活度随时间变化的参数方程为

$ C_1\left(t_{\mathrm{b}}\right)=K_{\mathrm{b}} \exp \left[-\left(k_{10}+\lambda_{\mathrm{p}}\right) t_{\mathrm{b}}\right] . $

(7)

其中K_b为求解过程引入的无量纲系数。

设排出过程放射性核素起始比活度为C_b，可得到排出过程中放射性核素在斑马鱼体内动态转移模型为

$ C_1\left(t_{\mathrm{b}}\right)=C_{\mathrm{b}} \exp \left(\frac{-\ln 2}{T_{\mathrm{b}-1 / 2}} t_{\mathrm{b}}\right) . $

(8)

由3.2节和3.3节可知T_b-1/2约为70 d，C_b约为5 810 Bq/kg，则

$ C_1\left(t_{\mathrm{b}}\right)=5810 \times \exp \left(\frac{-\ln 2}{70} t_{\mathrm{b}}\right) . $

(9)

根据式(9)对各采样时间下斑马鱼体内¹³⁷Cs的比活度进行计算，并与排出实验中的实测值进行对比，结果如图 8所示。由图可知，模型计算值与实测值的一致性较低。依据斑马鱼对¹³⁷Cs的排出曲线(见图 5)，斑马鱼体内的¹³⁷Cs比活度在排出阶段后期(t_b>128 d)基本不再变化，这可能是部分核素累积到斑马鱼肌肉等部位后，基本不再排出。

根据该假设，对式(6)进行修正可得

$ \frac{\mathrm{d} C_1\left(t_{\mathrm{b}}\right)}{\mathrm{d} t_{\mathrm{b}}}=-k_{10}\left(C_1\left(t_{\mathrm{b}}\right)-C_{\mathrm{f}}\right)-\lambda_{\mathrm{p}} C_1\left(t_{\mathrm{b}}\right) . $

(10)

其中C_f为引入的修正参数，代表斑马鱼无法排出的核素比活度。

则修正后的参数方程为

$ C_1\left(t_{\mathrm{b}}\right)=K_{\mathrm{b}} \exp \left[-\left(k_{10}+\lambda_{\mathrm{p}}\right) t_{\mathrm{b}}\right]+\frac{k_{10} C_{\mathrm{f}}}{k_{10}+\lambda_{\mathrm{p}}} . $

(11)

由于¹³⁷Cs的半衰期长达30.17 a，其λ_p值仅为6.29×10^-5/d，在求解过程中可忽略，最终得到的排出过程修正动态转移模型近似为

$ C_1\left(t_{\mathrm{b}}\right)=\left(C_{\mathrm{b}}-C_{\mathrm{f}}\right) \exp \left(\frac{\ln \frac{0.5 C_{\mathrm{b}}-C_{\mathrm{f}}}{C_{\mathrm{b}}-C_{\mathrm{f}}}}{T_{\mathrm{b}-1 / 2}} t_{\mathrm{b}}\right)+C_{\mathrm{f}} . $

(12)

依据斑马鱼对¹³⁷Cs的排出曲线(见图 5)，C_f值约为2 370 Bq/kg，则

$ C_1\left(t_{\mathrm{b}}\right)=3440 \times \exp \left(\frac{\ln \frac{535}{3440}}{70} t_{\mathrm{b}}\right)+2370 . $

(13)

根据式(13)重新对各采样时间下斑马鱼体内¹³⁷Cs的比活度进行计算，并与修正前的模型计算值、实测值进行对比，结果如图 9所示。由图可知，修正后的动态转移模型计算值与实测值的一致性相对较高。但需要注意的是，该修正动态转移模型是在忽略λ_p情况下得到的近似形式，因此仅适用于¹³⁷Cs这类长半衰期的放射性核素。

4 结论

不同鱼类对放射性核素的浓集与排出特点通常存在较大差异，为了给核电发展对水生生物的影响评估提供基础数据，本文以广泛使用的小体型模式鱼类——斑马鱼为研究对象，设计养殖装置和方法，开展斑马鱼对核电站液态流出物中主要放射性核素之一的¹³⁷Cs的浓集与排出过程的实验研究。主要的研究结论如下：

1) 斑马鱼对¹³⁷Cs的富集水平相对较低，在放射性活度浓度约1 000 Bq/L的养殖条件下，浓集实验开始后斑马鱼对¹³⁷Cs的浓集速度较快，后期达到平衡，平衡时斑马鱼对¹³⁷Cs的浓集系数(CF)为(5.81±0.23)L/kg；

2) 斑马鱼对¹³⁷Cs的排出过程呈现先快后慢的变化趋势，直到第198 d实验用斑马鱼全部死亡时，斑马鱼体内的¹³⁷Cs比活度仍保持在2 370 Bq/kg附近，表明斑马鱼对¹³⁷Cs的排出过程持续时间较长，代谢水平相对较低，不易排出。

斑马鱼对水体环境变化较为敏感，其对¹³⁷Cs的浓集排出特点可为放射性核素对水生生物的影响研究及水环境评价工作提供一定的参考。