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2022-09-09 10:28 · 生物探索
随着生态系统循环，科学家们相继在空气、雨水、海洋生物、野生动物、植物等物体中检测到福岛放射性物质。目前人类可以防控病毒，但在不久的将来无孔不入的核污染怎么防？
摘要：2011年3月，日本大地震和海啸破坏了福岛第一核电站（The Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant，FDNPP），且事故产生的放射性废水一直排入太平洋。大多数放射性物质在事故发生后立即泄漏到大气中，其中80%最终沉积到太平洋中。随着生态系统循环，科学家们相继在空气、雨水、海洋生物、野生动物、植物等物体中检测到福岛放射性物质。目前人类可以防控病毒，但在不久的将来无孔不入的核污染怎么防？
日本暗排核废水入太平洋，生态循环下辐射大量生物
向海洋排放不是处理核废水的的唯一选择，但却是最廉价的办法。切尔诺贝利选择了本国代价最高，世界影响最小的措施，而日本选择了最具成本效益的措施。事实上，核污水能否排放，关键取决于污水中的放射性元素浓度是否符合排放限值要求。但是，核污水处理一直是一项世界性难题，水体排放也是大部分核电站的选择。
法国核能安全研究所指出：在2011年3月21日至7月中旬期间，约有2.7×1016 Bq的铯-137被排放到太平洋，其中约有82%的铯-137在2011年4月8日之前已被排放。2013年，迫于国内外压力，东京电力首次承认福岛放射性污水已泄漏进太平洋：东电已在未公示的情况下，于2011年4月5日向太平洋排放1.15万吨低放射性核废水，该水量是法定排放量的100倍；1个月后，再次向太平洋中排放约30万吨核废水。日本核能政策大臣指出：法国阿格每年排放的氚相当于福岛氚总量的14倍左右，如果反对福岛排放氚，那么就是对福岛的歧视。
东电表示2022年夏季左右，核废水将用尽FDNPP水箱容量，东电不得不向太平洋排放核废水。2021年8月26日，日本内阁通过了一项法案：从2023年开始，在随后的30年内在离岸1公里处排放经过处理的100万吨福岛核事故污染水进入太平洋，以缓解核废水储存压力。核废水中存在超过60种放射性核素，超过70%的水箱中的水需要进行二次处理才能达到排放标准。虽然日本政府表示，核废水处理已达排放标准，甚至可以直饮，但日本政府公布的重点污染区辐射清理结果与国际机构调查结果不符：近85%官方指定的“特殊净化区”仍然受到放射性污染。
图片 大量放射性核素被海洋生物吸入会影响海洋生物链，最终累积至食物链顶端的人类，对海洋渔业和人类健康产生不利影响（图1）。研究表明福岛事故以来FDNPP周围的生物群受到了影响：在蔬菜、水果、农作物和动物饲料的表面发现了放射性核素，这些核素均通过大气干湿沉降或降水到达物体表面；中度和重度污染区昆虫畸形明显，染色体畸变率高；日本患有甲状腺疾病的青少年与放射性核素之间有潜在相关性；福岛核素可以由太平洋蓝鳍金枪鱼等大型洄游海洋动物从日本运输到南太平洋和北太平洋等遥远地区；海洋物种的数量随着与FDNPP距离的减小而显著减少，繁殖能力处于极低水平；福岛地区野猪体内积累大量放射性铯-137。
图1 福岛放射性核素在生态系统中的运输途径（图源：[1]）
福岛附近海域海胆体内已累积大量放射性铯-137
2022年8月15日，东京海洋科技大学和日本福岛县渔业厅研究团队在PLOS ONE发表题为“Contamination of sea urchin Mesocentrotus nudus by radiocesium released during the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant accident”的研究成果（图4）[3]。研究结果表明在福岛附近海域海胆中的放射性铯-137来自海洋环境（如水、沉积物）和食物（如海带、海藻）的直接污染。海胆中的铯-137生态半衰期比之前报道的还要长。
图4 研究成果（图源：[3]）
放射性铯含量高的水从FDNPP向南流动，污染了福岛县南部海岸和近海地区的许多海洋生物群和海底沉积物。许多研究人员观察到各种海洋生物的放射性铯污染，包括鱼类、无脊椎动物和藻类。有研究表明底栖无脊椎动物对放射性铯的吸收取决于对特定物种的摄食习惯，与周围环境和沉积物受到的污染无关。本研究的目的是确定初级消费者海胆的铯-137污染的机制。
为了估计海胆中铯-137的生物半衰期（The biological half-life，Tbio）和生态半衰期（The ecological half-life，Teco）以及污染机制，研究人员从福岛县的四个地点收集了海胆样本（图5），并进行实验室饲养，调查海胆体内铯-137活性浓度的变化情况，以明确FDNPP事故后放射性铯-137是如何转移到初级消费者的。
图5 福岛海胆采样点（图源：[3]）
结果发现：
01 海胆中铯-137的Tbio为181天
海胆的生长率与铯-137计数显著相关。海胆体内铯-137排泄率系数为0.00389%/d，Tbio为181天。海胆性腺中铯-137的最高活性浓度为139 Bq/kg-WW，高于日本对食品放射性铯的监管限值100 Bq/kg-WW，但低于Sohtome等人报告的最大值290 Bq/kg-WW。
02 海胆中铯-137的Teco存在空间差异：Yotsukura为181天，Ena为423天
Teco测量结果反映了来自周围环境（如水、沉积物）和饮食习惯（如海带、海藻）的放射性铯的直接污染程度。Ena比Yotsukura海岸的海胆中铯-137的Teco多得多，这种差异可由采样点与FDNPP的不同距离导致。海藻中铯-137的放射浓度在Ena最高，且随时间变化的趋势线呈现指数相关性。
03 海胆通过摄取含铯-137的食物获得铯-137转移
Ena海胆中铯-137的较快净化速率可能解释了海水和沉积物中铯-137活性浓度的持续逐渐下降。因此，Teco的空间差异可能归因于沉积物中沉积的铯-137，这些铯-137通过食物摄取（例如有机物和海洋植物）转移至海胆。
此项研究表明海胆中的铯-137浓度反映的是海胆食物中的铯-137浓度，而不是海水的放射性。为了降低福岛地区生物体内的放射性物质浓度，必须首先降低生态系统中的放射性物质浓度，包括猎物生物体内的放射性物质浓度。当生态系统中的过量放射物质持续存在时，生物将会一直受到威胁。
清华大学：核废水将在3年内污染太平洋，上海在劫难逃
2022年1月，清华大学研究团队在National Science Review发表题为“Discharge of treated Fukushima nuclear accident contaminated water: macroscopic and microscopic simulations”的研究成果（图2）[2]。研究结果表明如果日本于2023年起向太平洋排放核废水，那么放射性氚将在1200天内扩散到整个北太平洋，10年内完全污染太平洋、印度洋、大西洋。
图2 研究成果（图源：[2]）
此项研究采用宏观和微观两个分析模型，分别关注污染物的整体分布和单个污染物的行为，对2023年起排入太平洋的经处理的福岛核事故污染水的扩散过程进行了分析。结果发现：
图3 实验设计及结果（图源：[2]）
01 宏观模拟：10年内核污染遍布太平洋、大西洋、印度洋
在排污初期，污染面积迅速增加，120天内达到纬度30度×经度40度。由于洋流的影响，污染物在纬度方向的扩散速度明显高于经度方向。高浓度带状区域保持在30°N附近。1200天后，污染物分别到达东部和南部的北美和澳大利亚海岸，几乎覆盖了整个北太平洋地区。然后，由于赤道洋流，这些污染物沿着巴拿马运河传播，并迅速蔓延到南太平洋。在2400天内，随着扩散到太平洋，一小部分污染物通过澳大利亚北部水域扩散到印度洋。3600天后，这些污染物几乎占据了整个太平洋。虽然污染物排放发生在日本岛附近，但随着时间的推移，污染物浓度高的水（黄色和红色部分）沿北纬35度向东移动。
02 城市分析：30°N附近核污染城市首先为宫崎，随后为上海和圣地亚哥
在30°N附近的三个受污染沿海城市方面，主要取决于与福岛的距离，污染物首先出现在宫崎附近，其次是上海和圣地亚哥。各区域污染物浓度先是快速上升，然后趋于稳定。虽然污染物最后到达圣地亚哥，但其邻近水域的污染物稳态浓度高于其他两个城市附近。这种现象是由日本附近的强洋流造成的，大部分污染物不沿陆地边缘向南北迁移，而是随北太平洋西风漂移向东扩散。在核废水排放的早期阶段，核污染物对亚洲沿海水域的影响最大。随后，由于与北美相邻的沿海水域的污染物浓度高于大多数东亚沿海地区，因此对北美的影响也很严重。
03 微观模拟：北美海域污染程度将大于东亚沿海
由于污染物颗粒的数量有限，微观模拟中的浓度低于宏观结果。因为微观模拟提供了每个污染物颗粒的位置，所以可分析污染物轨迹。与北美相邻的沿海水域污染物浓度高于东亚大部分沿海地区。
此项研究的模拟结果对于放射性核素长期扩散的定量预测、对排放计划的合理响应、后续的环境影响实验以及进一步研究放射性物质的生态敏感性具有重要意义。
极端气候频发的当下，即将到来的日本的核废水排放，势必会雪上加霜。随着生态循环，空气、海洋、地下水、植物、动物和微生物等都在劫难逃核污染。下一个三十年是日本开启的核废水排放时代，而人类后代还会有几个三十年？