全 文 ： 77 1
第 17卷 第 3期
1 99 7年 5月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
国)
Vd．1 7，No．3
M ay， l997
放射性铈在模拟水生生态系中的行为
．钟伟垦 陈传群张永熙 孙，- 4明 厂 ／ ● — ——～’， ———一’ 一’，⋯ J
潞 枇 肌 ⋯ Q／ 。 ‘ 1 L／
摘要 研究“ ce在水一底泥一水生动植物系统中的迁移和消长动态 结果表明．系统各组分中“ Ce浓度与
时间关系由多项指数描述。其中池水中的 Ce浓度随时间延长单调地降低；底泥中 ce浓度随时间延
长增加；水生动植物中川 Ce浓度则各 自在经历某一最大值后逐渐降低 水生动植物对“ Ce皆有一定的
富集能力．其大小次序依次为 金鱼藻>>螺蛳>鱼I而鱼悻中的 Ce主要集中于内脏，螺壳与螺 由
中“ ce浓度无显著差异。
关键诃：放射性铈， 放射生态学，示踪动力学 壅 塑 旅集系
BEHAV10R 0F RAD10ACTIVE CERIUM IN A
SIMULATED AQUATIC EC0SYSTEM
W ang Shouxiang Zhong W eiliang Chen Chuanqun
Zhang Yongxi Sun Zhiming
(Institute ofNuclearAgr~ulturaJ＆⋯ ．ZhejiaagAgrlcMt~alUniversity，Hangzhm~，910029．( m )
Abstract The dynamics of transport．accumulation and disapperance of ⋯ Ce in pond water
silt—aquatics system were studied，The results showed that the relation between the concentra—
tion of “Ce in each compartment and the time could be described by multi—component expo-
nential laws．The concentration of ⋯ Ce in po nd water decreased monotonously with time．
but the concentration of i Ce in silt would increase with time，The concentration of 1 41 Ce
in the aquatics increased to their n诅xin诅 then decreased slowly， Ce could be concentrated
by the aquatics to a certain degree，and the magnitude of their concentration factors was：
hornwort>> snail~ fish．The uptake of ⋯ Ce by fish was mainly in the viscera，wheras its
concentration showed little differences in the shell and flesh of snail．
Key words： ⋯Ce，radioccology，aquatic，ecosystem，tracer kinetics，concentration fac一
浙江省自然科学基金项目
’现在华南农业大学生物物理教研室工作
收稿日期：1995 08 08，修改祷收到日期：1996 02—02。
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278 生 态 学 报 17卷
放射性铈(“ ce、 “ Ce)是重要的核裂变产物 ，其生物学毒性较高，进入人体后主要在肝脏和骨骼
中积累，从而产生损伤 所以在放射生态学研究中，放射性铈与放射性锶、铯、碘一样成为研究者的关注
对象
本研究采用模拟污染物的同位紊示踪技术研究了“ ce进入水体后的输运和消长的动态过程 ，并通过
示踪动力学盼分室模型建立了其行为规律的数学模型，为评价其对水体的影响提供科学资料和理论嵌据。
1 材料与方法
试验在 1×1×0．6 1Tx。的内衬塑板的水泥池内进行(两次重复)，每池装 5O．0 kg风干的杭州华家池小
’
粉土 (其理化参数为 t有机质 1．9 ，pH 6．O(水漫)、5．5(盐漫)，交换性总酸 0．5mmol／kg干土 ，交换性
钙 59mmol，kg干土 ，交换性镁 7．5mmol／kg干土，
Bellamya purificata)1O0枚(每枚重约 2 g)，金鱼藻 (Ceratophylurn demersum)200 g。驯养 10 d后，池内
水生动植物基本处于正常生长状况，然后每池引入比活度为8．22×10 cpm／ml(1994—09—2 下同)的“ Ce
(NO )：溶液 250．0 ml，合池水中“ ce初始浓度为822．0 cpm／ml。
取样分别在“ ce引入后 1 h、6 h、1 d、3 d、6 d、11 d、16 d、21 d、26 d和 35 d进行。每次直接吸取
水样 1、O0 ml(3次重复)，经红外灯烘干。取底泥(表层约 1．5 cm深)适量，经尼龙纱沥水后烘干、研碎过
筛(粒径
鳞、肉、鳃、骨(头)和内脏，螺蛳分壳和肉，采取与垒鱼藻相似的方法处理。金鱼藻、鱼和螺蛳灰化后各
称取 100．0mg平铺于测样皿，均设 3只重复。各样品均在 G—M计数装置上测定“ ce活度，测定误差控
制在 5 以内。
2 结果分析与讨论
2、1 “ ce在模拟水生生态系统各组分中的分配
测定结果如表 1所示。鱼和螺蛳体内的浓度系由c= ．G／三巩 折算而得。此处 优．、G分别为各组
分的质量和“ ce浓度。
衰 1 模拟水生生志系中“‘ce的分配动志
l圳 e 1 Tk distrJbution dy田眦nk 0f ‘‘ Q 缸 the m ultted a(1ustic e螂 ys‘蛐l
由表 1可见，水中“ ce淮度随时间延长急速地降低，引入后仅 1 h，便由初始的 822．0 epm／ml降为
466．5 cpm／ml，至 6 h后则降为 18．5．6 cpm／ml，为初始淮度的 22．5 ，随着时间的推移，池水中“ ce的
淮度越来越低，3 d后基本趋于平衡。其原因可能有以下几方面。 “ Ce(N03)a进入水体后以“ ce蚪状态
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3期 王寿祥等：放射性铈在模拟水生生态系中的行为 279
存在．水解生成 Ce(OH) 沉淀．并且它还与水体中悬浮微粒发生凝聚沉淀作用，从而使 进^底泥
或为金鱼藻的羽毛状枝叶所吸附；其次．底泥中部分阴离子，如 cog一、H。POi-等可释放到水相中，与
” ce 形成沉淀物” Ce (CO )。、 CePO 。随着底泥及水生动植物对池水中 “ ce的逐渐富集，池水
中 ce浓度便继续下降。但与此同时．由于解吸、溶出作用，池水中 ce浓度逐渐趋于平衡
底泥中 ce浓度则随时间延长而增大．约在第 u 天达到平衡 这是由于底泥对“ ce的吸附大部分
是通过有机质络合、沉淀物吸附及铁锰氧化物吸附而发生的 ]，而且因被表层底泥吸附的” ce可以向探
层迁移．从而减少了溶出和解吸的机会。
“ ce进^池水后，由于鱼的呼吸、进食及体表吸附等．使鱼体各组织、器官 中“ ce发生积累，而由
于解吸、排泄等作用．又使鱼体各组织、器官中“ ce浓度降低。鱼体各部位中 “ ce浓度随时阃变化情况
列于表 2=
前已述及．n ce进入系统后．首先为池水中悬浮颗粒所吸附．并发生聚凝沉降}这些聚凝物部分被鱼
的体表所吸附．或在鱼的呼吸、摄食过程中为鱼鳃所滞留。因此，当 ce进入系统后 ，鱼 鳞 和 鱼 鳃
中 t ce浓度便迅速上升，几小时内便达最大值。但由于这种最初的吸附主要为表面物理吸附．且因池水
中 ce浓度下降很快，加之怖( Ce)并非生物必需的营养元素 ，即缺乏生物功能 一．故在鱼的游动和生
长过程中，鱼鳞与鳃中吸附的大部分 ce又重新释放或分配，只有小部分被其真正吸收固定
鱼内脏中 ce浓度增高极快，试验开始后 l h即 已选最大值，为池水初始浓度的45倍，并始终居鱼
体各部分中“t ce浓度之首，随后开始下降。这主要是由于因摄食的聚凝物被鱼的胃晡道所阻留，而在短
时间内” ce的排泄极为有限，并且，对连续摄取铈的生物(鱼)来说．胃肠道便是关键器官 ]，但鱼的胃
肠道对 的吸收毕竟是很低的，因此 ，随着时间的延续，胃晡道中的“ ce被排出体外．内脏中“ ce
浓度也就随之降低。鱼体各部分 中“ ce浓度的差异是很大的．其大小次序为 ：内脏>鳃>鳞>骨、头>
肉。
表 2 鱼体备部分中“ ce浓度与时间关系 (cpm／g鲜重)
Treble 2 Cmlentratlml of Ce In different parts of fish∞ -f~etion of Ume(epm／g fresh~mple)
表 1的数据还表明，金鱼藻对 ce有较强的吸附、吸收能力=在“：ce弓『^ 池水仅 ld，其吸附“ ce的
量就达到最大值 }随着时间的延长，金鱼藻中 ce含量开始下降。这是由于系统刚引入“ ce时，其与水
中悬浮颗粒发生凝聚和络合沉淀作用；古 ce的凝聚物被具有巨大比表面积的金鱼藻羽状枝叶所吸附，
部分被吸收。其采被吸附于表面的“ ce由于水流搅动等原因发生解吸、溶出而重新进^池水，从而使金
鱼藻中 ce的浓度下降，井趋平衡。
螺蛳中“ ce浓度随时间变化的状况与其它水生动植物相似。但是， ce由池水弓『^ 后仅 6 h，螺
壳和螵肉中的“ ce浓度即已达最大值(表 3)。随后由于释放、生理排泄等原因，其浓度逐渐下降。但螺壳
中“tce浓度下降幅度较小 至于螺肉，它可分为螺体的头部和胃肠 内脏两部分 ；螺体的头部是螺蛳摄食、
爬行等活动的重要器官，所以摄入的 ce首先在头部积累。但由于代谢作用，头部的 ce又逐渐向肠胃
内脏转移，而肠胃对 ce的吸收率是很低的，因此，螺肉中“ ce浓度趋于稳定时与其最大值相差很大，
仅为其 3 左右。
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表 3 螺体备部分中“’ce浓度与时间关系(cpm／g鲜样)
Table 3 Com~nlrAt／on 川 Ce血 dff~ t阳r把of蛆矗|l粘 日f衄cl蛔 oftime (印m，g}fresh 呻 Je)
总之 ． “ ce在水生生态系中的行为过程是
极其复杂的，它受复杂的物理，化学及生物学过
程所翩约和支配 ； Ce进入水环境后，将被水
生动植物吸收、富集而影响其利用价值，这应引
起注意 。
2．2 “ ce在模拟水生生态系中的迁移模型
“ ce在所论系统中的迁移模型可用池水一底
泥一鱼罐￡鱼藻一螺瞬5分室模型原理求得。由于在
模拟试验条件下， ce不会挥发和散失，故所
论系统是封闭的}其次，该 5十分室中． “ Ce
量对时间的变化率是由 5个总共含 2O个转移系
数的微分方程构成的方程组，欲求得各转移系数
值相当困难，但若忽略一些次要过程(图 1)，剜
问题将大为简化。此时各分室中 ce量 对时
间的变化率分别为：
图 1 封闭5分室模型
Fig．1 A dosed five—compartment model
孥一 ∑铀 + + + 警=
警 m一^3 吼，訾= “吼一^ ，鲁 岛5吼一^5
和用初始条件 =0，C ≠O，G．。=0( 2．3，4，5)，和 C．=qJm~，此处 C．、 、巩 分别为第 i分室
中 Ce的浓度、活度及质量，解得：
Cl—CⅢ (Ae—l + Be一2‘+ C -。 + De一|‘I)
Cz： C
—
1．o
—
m ~(1 e一1-一 e-q21一 kt2C
e一 · —
kt 2D
e-~iI)
c =号 c e ‘+ e + e ‘一 e
c．= c e ‘+ e一 + e ‘+ e
c = c e + e一+去 e + e一
杖 单 ：
= 警等 一 ( 2一q)( j一1)(口{～。】) 一
( l一 口3)(^‘1一 q)( 5l一 口3) n (b L一 口．)(^．1一 )( l一 口·)
。 一 ( 一 )( 一 )( 一 ) 一 (q 一 )( 一 )( — q)
而 及 为与转移系数有关的常数
根据表 1的数据．井利用初始条件 CⅧ=822．0 cpm／ml以及各分室质量数据(忽略试验过程中各分室
质量的变化 ：因取样使质量减少，与动植物生长、繁殖增加相抵销)。用最小二乘法经计算机拟舍得各分
一
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室中“ ce浓度随时间变化的数学模式分别为 ：
C1=822．0(0．046 e_’“ 一 0．085 e一 一 2．84 e Ⅲ 一 3．70 e )；
C2— 6632．3(1— 0．838 e。 “” 一 0．084 e一 。 + 1．625 e ⋯5 一 1．703 e-‘5 )‘
0 =3807．9 e 一 8623，7 e ”+ 103484．2 e ⋯ 一 98468．4 e-‘55。 {
C‘=21495．5 e一 m 一 50855．2 e一 ⋯ + 614456．2 e一 一 585096．5 e_‘55。 {
Cs=2663．0 e一。“ 一 6724．1 e一 。” + 79024．8 e一 ¨ 一 74968．6 e一‘5 5c
其中各转移系数(速率常数)为 )：
。= 2．092， = 0．107t 1．= 0．5i0，
．
5= 0．068，k3,： 1．240， 】= 1．230， 51一 L．260。
由上述各数学模式即可计算出任一时刻系统各组分中“ Ce的浓度，并可给_出预测；此值与实验值比
较，平均相对偏差 3O 左右，这主要是 由于实验分析测量等过程中存在一定的误差 ，以及在建模过程中
略去了一些次要过程。
2．3 水生生物对 Ce的浓集系数CF
水生生物对“ Ce的富集能力可用浓集系数(或富集系数)CF来表示。其定义为：水生系统的某一组
分中放射性梭素的浓度与同一时间、空间点上水中该核素的浓度之比。实验结果见表 4。
可见 ，任何时期金鱼藻的CF值皆远高于鱼和螺蛳，这显然与金鱼藻的羽毛状叶具有巨大的比表面积
有关。至于鱼和螺蛳，在 6 d前，鱼的 CF值大于螺蛳的CF值 ，但之后，则相反；究其原因，前面有
关“ Ce在它们体 内消长特点的分析讨论中已做了介绍。
3 主要结论
3．I 放射性铈进入水体后将在系统各组分同发生迁移、消长和分配。各组分中 Ce浓度与时同关系由
多项指数描述．其中水中“ ce浓度随时间单调降低，而底泥基本上呈增高趋势 但随时同的延长+这种
降低或增高逐渐趋缓。水生动植物中” ce浓度剐皆在经历某一最大值后逐渐降低。
表4 水生生物对 ce的CF值与时间的关系
"table 4 CFVII峭 of “Ce 8q呻 t．c orgam~ms聃 afuuctlon 0ftI眦
3．2 水体 中“t Ce的行为不仅与物理、化学因素有关 ，而且与生物因素有密切关系。在本研究条件下，具
有巨大 比表面积的金鱼藻能较强地富集“ ce，经一定时同之后，螺蛳的富集能力也较强。
参 考 文 献
冉 勇，刘 铮．土壤和氯化物对稀土元素的专性吸附殛其机理．科学通报，1992．18：1708
[美]魏切尔 F w．舒尔茨 V著 俞誉福等译．放射生态学(第一卷)．北京 原于能出版社 1968．246~247
[美]魏切尔 FW．舒尔茨 V著． h石等译．放射生态学(第二卷)．北京：原子能出版社 1991 96~156
王寿祥，黄 丹，胡秉民等．棱农学中的若干示踪动力学分室横型．生物数学学报 ，1992，7(4)：79~82
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