全 文 ：文章编号：1000．8551(2oo4)o1．036．07
核 农 学 报 2004，18(1)：36～42
Acta Agricuhurae Nucleatae Sinica
核素示踪技术研究稀土元素147 Pm、 Ce和 7 Nd
的环境毒理与安全性
陈祖义
(南京农业大学，江苏 南京 210095)
摘 要 ：应用核素示踪技术研究了稀土元素( Pm、“‘Ce、mNd)的环境行为、生物富集性及其对
动物性腺的影响。综合研究结果表明：(1) Pm、“‘Ce和m Nd在土壤中具有强的吸附性，而且
难以迁移，易于在土壤和底泥中积累；(2)供试的 5种水生生物、4种陆生食用植物对“’Pm均具
有明显的富集性；(3) Pm、“‘Ce、mNd在动物体内脏器和组织间呈不均匀分布，在骨骼、骨髓、
眼、大脑、心脏、脂肪和睾丸中残留量较高，表现了明显的选择性蓄积；(4)一次性腹腔注射
200mg·kg 的 ce和 Nd对小鼠性腺激素(睾酮或孕酮)的分泌有明显的抑制作用，以200和
800mg·(kg·d)I1的 ce随饲料摄入对雄性小鼠精子畸形率明显升高。本文从稀土的环境累积
影响、与“环境优 先污染”的类似性、动物脏 器组织 中的选择性蓄积效应及其天然放射性等方面
探讨 了农业应用稀土的环境安全性 ，并就稀土农 用提 出了几点建议 。
关键词 ：稀土 ；环境行为 ；生物富集性 ；蓄积效应 ；性腺 ；安全性评价
rUDY oN ENⅥ RoNM NTAI TOXICOLOGY AND SAFETY OF RARE EARTH
ELEMENTS 忻 Pm ． Ce and 耵Nd BY RADIONUCLIDE TRACER TECHNIQUE
CHEN Zu—yi
(Nanjing Agricultural University，Nanjing，~angsu 210095)
Abstract：The enviromental behaviour，bioconcentration of rare earth elements and their efects on animal gonad
were studied by radionuclide tracer technique．The results indicated that(1)the Pm，“‘Ce andⅢNd had strong
adsorptivity in soil，SO they were hard to transfer and easily accumulated in soil or sediment；(2)all the organisms
(5 aquaties and 4 eatable plants)tested showed apparent H’Pm concentrating capabilities； (3)the residues of
‘47Pm
，
‘ ‘Ce and‘47Nd were unevenlv distributed in the animal’S viscera and tissues
，
higher residues were found in
bone，InaITOW，eye，brain，heart，adipose and testis，showing selective accumulation；(4)with intraperitioneal
dosing of Nd or Ce 200mg kg apparent inhibition to gonadial hormone(testosterone or progesterone)secretion in
mice Was found and with 200 and 800mg。(kg‘d) 0f Ce added in feed，the malformation rate of spematozoon
showed higher．From the cumulative impact comparison between environment prior pollutants，accumulation efect of
础 earth elements(RE)in animal’S viscera and tissues and their natural radionuclide of RE were investigated on
the safety of agricultural use of RE for eco—environment．
Key words：rare earth elements；envionmental behaviour；bioconcentration；accumulation efect；gonad；safety
evaluation
稀土元素(rare earth element，RE)在农业生产中作为生长调节剂和化肥添加剂用于种植业，作为饲
收稿 日期 ：2002—11—24
基金项目：国家自然科学基金资助项 目(39670417)
作者简介：陈祖义(1931～)，男，江苏无锡市人 ，教授，从事农用化学品生态环境安全性评价方面的研究。
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1期 核素示踪技术研究稀土元素 Pm、“’Ce和 Nd的环境毒理与安全性
(饵)料添加剂用于畜、禽、鱼等养殖业。随着 RE农用的不断扩大，特别是 RE化肥的大量施用，将有越
来越多的 RE进入环境(土壤)，进入生物链和食物链 。长期施用 RE的环境生态效应等问题 日益受到国
内外社会和科技界的关注并进行了多方面的研究“。 。RE的环境问题 已成为继化学农 药、重金属元 素
和有机污染物的环境 问题后 出现的一个新的环境 问题热点 ，有学者认 为 RE是一类具有“潜在危险的或
是新的环境污染元素” 。承国家自然科学基金的资助，应用核素示踪技术，以钷(ⅢPm)、铈(“ ce)和钕
(ⅢNd)为代表，进行了环境行为、生物富集性、动物脏器的蓄积性及其对动物性腺的影响等内容的试验
研究，本文择要综述，藉以揭示 RE在农业生态环境中的归趋和通过食物链传递过程中的生物富集及其
影响，旨在为综合评价农业应用 RE的环境安全性和合理使用提供科学依据。
1 RE的环境行为
1．1 mPm 的土壤吸附与解 吸附性H
外源 RE进入环境，土壤的吸附作用是制约 RE在环境(土壤)中迁移的重要因素，是评价其环境安
全性影响预测的重要指标。ⅢPm在 4种土壤中的吸附与解吸附率表明(表 1)，土壤对 Pm具有强烈的
吸附作用，而经水的解吸附作用甚微。这与其它 RE的土壤吸附性强是一致的 。
1．2 mPm、¨‘Ce和mNd在土壤中的移动性
应用土壤薄层分析(TLC)及其放射 自显影方法，测得 Pm、141 Ce和ⅢNd在4种土壤 TLC迁移率(Rf)
列于表2。表2表明，供试的 3种核素在 4种土壤中的迁移率均甚小。参照化学农药的移动性分级标
准 ]，Pm、Ce和 Nd在中性黄棕壤、碱性的黑土和黄潮土中均属“不移动”；在酸性的红壤中 Pm和 Nd属
“不移动”，而 Ce属“不易移动”。
表 1 不 同土壤对 Pm 的吸附与解 吸附性 表 2 PlI、 Ce、 Nd在 4种土壤 ，II 的迁移率(K)
注 36CI作为比核素
1．3 ‘钾Pm在水体 中的行为
由“水．土．水生生物”模拟生态系统各生态组分(水 、土 、生物 )的 Pm 比活度(Bq·g )动态测定结果
表明，水体中的mPm除水生生物吸收与富集外，主要因土壤的吸附而富集于底泥。
2 RE的生物富集性
生物富集性反映生物从环境中吸收并积累污染物进而在食物链中相应传递与富集的能力，是评价
环境中的残留污染物对生物体及整个生态系统危害的一个重要指标。本研究分别测定了 5种水生生
物，4种陆生食用植物和动物对示踪核素的吸收与富集。
2．1 mPm的水生生物富集性 们¨
试验按鱼类食性组成 3种水生食物链，从各系统生态组分(水、鱼饵生物和鱼)的放射性比活度(Bq·
g )测得的各供试生物的富集系数(BCF值)列于表 3。表 3表明，供试的5种水生生物对ⅢPin均有明
显的吸收与富集能力，尤以水生植物(萍类)及以萍为饵的草鱼的BCF值较高。
2．2 mPm在陆生食用植物的吸收与富集 川
测定了3种水生蔬菜(慈菇、荸荠和水芹菜)和甘薯的食用部位对mPm的吸收系数(表4)，4种植物
均明显的吸收与富集外源 RE( Pm)，其中，甘薯块根的富集性最为突出，吸收系数达 24．76。
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核 农 学 报 l8卷
表 3 水生生物 对 Pm 的富集性
供试生物 最大 BCF值
萍 类
草 鱼
水丝蚓
金 鱼
鳜鱼
表 4 水生蔬菜和甘薯对 Pm的富集性
注： 系5O、8O和 110d的3次平均值
2．3 mPin、“ Ce、mNd在动物体 内的蓄积性 ‘1
供试核素分别通过不同途径由动物摄人后，在动物体内的分布与蓄积情况表明(表 5)，供试核素在
体内脏器 、组织间呈不均匀分布，表现了明显的选择性蓄积。其中，骨组织具有高度蓄积性，若干“紧要
器官”如大脑、眼球和睾丸的蓄积浓度也比较高(表 6)。
表 5 Pm、“。Ce和 Nd在动物体内的分布与蓄积
注： 摄取“ PTrI 13d后，饲喂不含 RE的饲草 31d，以观察其排泄和体内再分配情况；
“因腹腔注射内脏表面受污染，心、肺、肝等脏器未检测。
表6表明，3种核素在骨组织中的蓄积比最高，且随时间而递增，具有高度的蓄积性；从ⅢPm组的结
果表明，在骨组织中主要蓄积于骨髓；在大脑、眼球和睾丸中均有较多的蓄积量。其中“‘ce在眼球中的
蓄积浓度明显高于其它器官。
RE能否通过“血．脑”和“血．睾”屏障长期以来未有定论，本研究由“ Ce和“’Nd在大脑和睾丸中的蓄
积充分说明，RE是可以通过上述 2个屏障进入大脑和睾丸。
表 6 Pin、 Ce和 Nd在大脑、眼、睾丸、骨骼中的蓄
积及其相 对比 (％)
表 7 铈 (Ce)对雄性 小鼠精子 畸形率的影响
注：相对比系各脏器的放射比活度(Bq·g一 )分别占该所测脏器比 注：与对照组比较 p
3 稀土元素对动物性腺的影响
性腺是雄性动物睾丸、雌性动物卵巢的统称，除产生精子、卵细胞外尚分泌多种性腺激素。基于化
学物质可以影响性腺激素的分泌，RE(mPm和“ ce)能在性器官(睾丸)中蓄积，研究应用放射免疫分析
D))) 一一删一～
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1期 核素示踪技术研究稀土元素⋯Pm、“ ce和⋯Nd的环境毒理与安全性 39
技术(RIA)测定了铈组雄性小鼠血清睾酮浓度和钕组雌性小鼠血清孕酮浓度的动态变化；并以镜检雄
性小鼠精子的形态变化(畸形率)。结果表明，一次性静脉注射剂量为 200rag·kg一’的铈和钕对动物性腺
具有负面影响，对小鼠性激素(睾酮和孕酮)的分泌具有抑制作用；以 200和 800mg·(kg·d)一’剂量随饲料
摄入，雄性小鼠精子畸形率明显升高(表 7)。
4 RE的环境安全性
综合上述研究结果并吸取前人有关 RE的生物效应研究等报道，对 RE农业应用的环境安全性问题
有如下几点认识。
4．1 RE的环境 累积与“累积影响” 。‘
RE不像一般化学农药会逐渐降解而失去活性，且土壤对 RE具有强的吸附性，因此，随着 RE农用
的不断发展，特别是 RE化肥的施用，使用量大，涉及面广，将使土壤中 RE浓度不断提高，长期施用势必
图 1 农业应用稀土元素在生态环境中的归趋(示意图)
环
造成 RE累积，富集于土壤表层(或耕作层)；进入水体的 RE富集于底泥，如长期使用 RE饵料的鱼塘取
其底泥肥田，将导致农 田表层土壤 RE浓度聚增。国外有报道，因长期施用污泥引起 La、ce、Nd、Sm等
RE的累积和 h 的污染Ll 。
RE的环境 (土壤 )累积可能产生 的“累积影响”，一方面是植物的吸收 ，特别是具有选择性吸收 的食
用植物 RE含量增高，加上养殖业中使用 RE的畜、禽、鱼等产品，通过食物链使人们多渠道超常摄入 RE
(图 1)；另一方面，土壤中累积 RE后，会打乱 RE自身的最佳使用条件而危及作物生长，因为按 RE农用
条件，“过多、过少、过早、过迟”均不相宜。植物吸收 RE在根系的富集易产生毒害作用n ’ ]，张自立等
从 RE对作物出苗率影响的研究结果推算出混合稀土施用的安全年限分别为：黄潮土 9～36年；红壤 11
～ 43年；黄褐土 31～122年 j。
4．2 RE与“环境优先污染物”
根据国外发表 的“环境优先污染物”的共同特点 “，分析 RE的情况，二者具有诸多的类似点
(表 8)。
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1．在环境中难降解
2．在环境中有一定残留水平
3．具有生物积累性
4．“三致作用”或毒性可捡出
在环境中不能降解，只有化学形态间的相互转化，水解甚少
可在环境中累积，富集于土壤表层，在水体中富集于底泥
生物可以吸收并在体内累积，动物脏器的选择性蓄积明显
“三致”作用虽尚未定论，但已有研究报道，稀土的远期效应可能引起“三致”，稀土对生物的毒
性 可捡 出 ·
s．对人体健康和生态环境构成潜在的威胁至 磊吉 薹 冀 品 嚣 量稀土可危及人体健康·稀土的
4．3 RE在脏器 、组织 中选择性蓄积与生物效应
基于 RE在动物体内具有明显的选择性吸收与蓄积，吸取前人对 RE生物学效应的研究结果表明，
由于 RE的生物化学作用，一定剂量的 RE对机体细胞、器官、组织的作用可诱发多种效应 ；铈 、钕
等元素化合物对中枢神经系统具有抑作用(临床上作神经抑制剂用) ’ 。赣南稀土区生物效应研究表
明，人们长期摄人低剂量 RE，儿童智商显著低下，成人中枢神经传导显著下降，表现 RE对高级神经中
枢的毒性敏感，易产生大脑毒性而影响大脑功能；按该地区成人食谱及 RE含量计算，成人 日摄人量为
6．0～7．0mg即属不安全量，可致人体亚临床损害，据此建议成人日允许摄人 RE量为4．2mg 。
RE在睾丸中的蓄积影响，有报道镧和铕可抑制大鼠精子的活力，半数抑制浓度(IC )为 5×10。
M ；Meyer等研究报道，镧离子( )可以使血睾屏障功能失调，影响睾丸间质细胞分泌睾酮，并可能
引起精子畸形率上升 。因此，RE在睾丸中的蓄积及其对动物性腺可能产生的负面影响可危及生殖
乃致后代。
RE对眼睛的生物效应表明，一定剂量的 RE对眼睛有损害作用，可强烈地刺激眼结膜，引起角膜溃
疡等眼疾 ]。Samochocka报道，镱在眼球中的蓄积可影响微量元素硒在眼睛中的浓度分布，降低其在大
脑 中的水平 J。
RE在骨组织中的蓄积效应 ，可能引起机能 的变
化和机械弹性产生抑制作用，脚趾背面的轻度拱起；
诱发骨髓细胞 突变效应 的程度随骨组织中的累积量
的增加而相应升高 。 。因此，RE在体内，特别如
大脑、睾丸、眼和骨组织等“紧要器官”中的蓄积，潜
在诱发负面效应而危及人们健康，应予高度重视，应
减少或避免人们超常摄人 RE。
表 10 6种稀土元素在 不同器官 中的生物半排期 (d)
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1期 核素示踪技术研究稀土元素 Pm、 ce和 Nd的环境毒理与安全性 4l
4．4 RE的天然放射性核素与射线的“内照射”【32 J
RE虽属“非放射性物质”，但是含有放射性核素 的物质 ，因为镧 、铈 、钕 、钐 、镥和钆等元素均具有 天
然放射性核素(表 9)，此外，RE中还可能伴随有铀、钍等放射性核素而使 RE制品具有低比度的放射性。
表9表明：(1)RE的天然放射性核素以Ct衰变为主，按农用稀土元素组成比，ce和 Nd二者占64～
68％，而 ce和⋯Nd的丰度亦高，是 RE的主要 a射线源；按射线的相对生物效应 a(10～20)》G(1)>7
(1)。据报道 ，Ct辐射会诱发肿瘤 已经成为不争的事实 ，它与辐射致 细胞 DNA链 断裂损 伤密切 相关 ；
(2)RE的天然放射性核素半衰期较长，且这些 RE在主要器官中的生物半衰期亦较长(表 10)，因此，按
放射毒理，长寿命核素一旦进入环境和人体危害性更大，因为内照射的特点是作用时间是连续的，它们
对机体(细胞)产生持续辐照，直至衰变完或全部被排出体外时为止；其次，具有选择性蓄积的器官受辐
照量大，损伤尤为严重，如机体摄人亲骨性的核素对骨髓的造血功能和骨骼的损伤特别严重 ；(3)RE
的放射性来 自多个核素，具有多种射线，它们又在体内选择性蓄积于多个脏器组织，按放射防护学的辐
射叠加性效应 ，将会增加其危害程度。
为此，人们通过食物链长期摄人低剂量 RE及其在体内的选择性蓄积不仅有其化学毒性而可能诱
发负面效应的问题 ，还应考虑因脏器蓄积 RE中的天然放射性核素在体内局部高浓度形成“内辐射源”
长期持续的低剂量辐照可能诱发负面效应的问题。RE工业环境的放射污染已有对 RE作业人员产生
辐射危害 ；另据报道 ，居民的癌症有 10％是 由于天然本底辐射引起的∞ 。这提示人们 ，在当前人群 已
受环境本底辐射影响的情况]。，人为大量使用含有低放射性的物质，无疑对环境和人们的辐射剂量贡献
将会增加其潜在危害性。
5 结语
基于 RE的环境行为、生物富集性及其对性腺的负面影响，吸取前人有关 RE生物效应的研究结果，
考虑到 RE的环境累积可能产生的“累积影响”，RE与“环境优先污染物”具有的相似性 ，RE的天然放射
性同位素而具有低水平放射性等情况，RE农业应用，特别是 RE化肥和 RE饲(饵)料的大量使用，对生
态环境可能产生负面影响而具有潜在的不安全性，应引起高度重视。吸取残留性农药、其它重金属元素
和有机污染物对农业生态环境 的污染危害的历史教训 ，正视赣南稀土区生物效应的现实情况 ，应充分考
虑农业中长期地大量使用 RE，还有众多 RE厂的“三废”排放 ，使环境 RE浓度提高的后果，致使人们从
多渠道、长期摄入低剂量 RE及其在体内的蓄积而可能诱发负面效应的问题。
人们在开发利用 RE资源的同时，保护好人们赖以生存的环境和健康，免使 RE成为潜在危险的或
新的环境污染元素 。为此建议 ，RE不宜作为肥料和饲 (饵)料添加剂 ；对于具有明显选择性吸收的食用
植物(如甘薯、苋菜、空心菜、红皮菜、慈菇、水芹菜等)以及食用时免洗或少洗的食用植物(如茶叶、食用
菌、草莓等)应尽量少用或不用，以免使 RE直接进入食物链而使人们超常摄入 RE；应加强对农业环境
和农产品 RE残留量的检测等。其次，对于众多稀土厂的“三废”，特别是其“废水”的放射性污染应进行
治理达标后排放。
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