1955~2021年全球降水中的氚浓度持续升高

编者按

聚焦全球降水氚污染问题, 中国科学院遗传与发育生物学研究所尚白军等总结了氚污染对生态系统与人体健康的潜在威胁, 综合分析了1955~2021年间全球大气降水中氚浓度的时空变化特征,发现北半球人口密集区降水氚浓度显著高于南半球, 未来氚浓度可能持续富集并接近安全阈值。该项研究成果发表在《中国科学：地球科学》2025年第8期。

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引言

氚(Tritium)作为氢的β衰变同位素, 其半衰期为12.32年(Hande等, 2023), 是核设施释放的主要放射性物质。由于该同位素在环境中的普遍存在性及难以消除性(Normile, 2014), 其生物富集效应会引发严重的环境与健康风险。尽管氚β射线的穿透能力有限, 但长期氚暴露仍可能导致DNA损伤, 并显著提升患癌风险、生殖系统危害及染色体畸变发生率(Adam-Guillermin等, 2012; Kamiya等, 2015; Nie等, 2021)。除直接健康威胁外, 研究表明氚暴露与白血病死亡率升高存在关联, 且这种关联在历史暴露案例中表现更为显著(Richardson和Wing, 2007)。

在海洋生态系统中, 氚会在食物链中不断富集, 影响物种健康并破坏捕食者与被捕食者之间的动态平衡。对于依赖渔业的地区而言, 这一过程会带来经济风险——海产品污染不仅直接影响人类消费者, 还可能导致渔业减产、增加监测成本, 并对旅游业产生负面影响(Buesseler, 2012; Zhao等, 2021)。氚浓度会在食物链的每个营养级显著增加。这一过程不仅影响单一物种, 还会破坏生态系统的稳定性, 可能导致某些物种种群数量减少, 从而扰乱整个生态系统的平衡。此外, 氚还会通过与饮食习惯相关的多种转移途径进入人体。当氚进入人体后, 由于其化学性质与普通氢原子相似, 易代替水分子中的氢原子形成氚水(HTO), 导致氚在生物体内存留时间更长, 从而加剧生物风险(Wang等, 2024)。氚在海洋生态系统中的生物富集效应对严重依赖鱼类、贝类等海产品出口的国家和地区经济构成威胁。此类经济损失可能通过多种形式显现, 包括渔业产量下降、污染监测成本上升, 以及渔业关联旅游业的潜在衰退。在区域经济发展与海洋生态环境健康密切相关的地区, 这种影响尤为显著。更严重的是, 生物体内富集的氚不仅对生物多样性构成严重威胁, 还将通过受污染海产品的食用直接危及人类健康(Buesseler, 2020; Ma等, 2024)。除生物富集问题外, 自然环境中氚还可能通过取代稳定氢同位素的方式进入水循环与有机物质循环(Le Goff等, 2014), 从而增加人体摄入这种放射性物质的可能性。

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全球降水中的氚浓度

氚可通过大气循环、水循环及洋流等多种自然过程广泛传播并迁移至不同环境介质, 其分布范围广阔且在规模及复杂性上均具有显著生态风险。例如, 氚能够改变海洋生物的基因表达, 影响其生理及生殖过程效能(Ferreira等, 2024), 进而对生物多样性及生态系统服务功能构成威胁。此外, 氚可渗入地下水、河流及湖泊, 造成水土污染, 这不仅直接危害农渔业生态安全, 还可能打破生态系统平衡, 威胁全球生态系统的稳定性。例如, 鱼类种群长期暴露于污染水域可能导致繁殖率下降或生长异常, 这种种群层面的扰动会通过食物链传递, 引发生态系统失衡。本研究分析了1955~2021年全球大气降水中氚浓度的时空变化特征(图1), 结果显示全球降水氚浓度处于极高值域, 其中埃德蒙顿(53.57°N, 113.52°W)多年平均氚浓度高达790.7TU。值得注意的是, 北半球(承载全球90.18%人口)降水氚浓度显著高于南半球(仅承载全球9.82%人口)。尤其需要警惕的是, 如此高浓度的氚浓度可能导致前所未有的额外辐射暴露。虽然这些发现凸显了全球降水氚污染(尤其是人口稠密地区)对公共健康与生态安全的潜在威胁, 但截至目前, 这一重大问题尚未得到全球层面的充分关注与系统性应对。

图 1 全球降水中氚浓度的空间分布特征

北半球高值区突显了区域污染差异, 同时表明人口稠密地区的辐射暴露风险显著升高

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全球降水中的氚浓度可能已接近安全阈值

决策者和公众往往低估了氚对环境和生物体构成的潜在威胁。氚具有相对较长的半衰期, 这意味着其对人类健康和环境的影响可能持续数十年。这表明受氚污染的区域在漫长时间内将面临双重挑战: 一是生态系统自我修复机制难以逆转污染损害, 二是人体健康风险持续增加。1986年切尔诺贝利核灾难等历史事件, 已凸显了含氚物质的风险背景——这场灾难性核泄漏对人类与生态环境造成的危害至今仍在持续。同样令人不安的是日本政府将逾130万吨含氚核污水排入太平洋的计划。未来大气降水中的氚浓度很可能持续富集并逼近辐射安全阈值, 这意味着氚辐射对人体健康的风险将持续升级, 任何额外的辐射增量都可能对人类造成灾难性后果。

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防范氚对社会系统及生态系统造成危害的措施

鉴于氚的长半衰期特性及其生物富集效应, 必须实施全球性监管以保护环境和人类健康。若缺乏有效管控, 氚将通过大气、水、食物链持续扩散, 加剧多介质污染, 可能导致生态系统结构与功能的不可逆转破坏, 并给子孙后代遗留长期健康隐患。

因此, 我们呼吁国际社会充分认识到氚对人类健康和全球生态系统的潜在威胁, 对氚造成的环境与健康持续性、不可逆影响开展全面科学评估。同时, 倡导大力研发核废水排放前氚高效分离技术, 推动技术创新以降低环境释放风险。此外, 建议通过缔结具有法律约束力的国际条约, 制定基于风险评估的水体氚浓度全球统一安全标准, 为可接受的氚排放限值提供明确的指导。最后, 必须实施严格监管措施, 禁止将氚浓度超过安全标准的核废水排入海洋或淡水系统。

【参考文献】

[1] Adam-Guillermin C, Pereira S, Della-Vedova C, Hinton T, Garnier-Laplace J. 2012. Genotoxic and reprotoxic effects of tritium and external gamma irradiation on aquatic animals. In: Whitacre D, ed. Reviews of Environmental Contamination and Toxicology. Reviews of Environmental Contamination and Toxicology, vol 220. New York, NY: Springer

[2] Buesseler K O. Fishing for answers off Fukushima. Science, 2012, 338: 480 -482

[3] Buesseler K O. Opening the floodgates at Fukushima. Science, 2020 , 369: 621 -622

[4] Ferreira M F, Turner A, Jha A N. Controlled release of radioactive water from the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant: Should we be concerned?. Environ Sci Technol, 2024, 58: 4840 -4843

[5] Le Goff P, Fromm M, Vichot L, Badot P M, Guétat P. Isotopic fractionation of tritium in biological systems. Environ Int, 2014, 65: 116 -126

[6] Hande V, Orita M, Matsunaga H, Kashiwazaki Y, Xiao X, Schneider T, Lochard J, Taira Y, Takamura N. Thoughts, perceptions and concerns of coastal residents regarding the discharge of tritium-containing treated water from the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant into the Pacific Ocean. BMC Public Health, 2023, 23: 2436

[7] Kamiya K, Ozasa K, Akiba S, Niwa O, Kodama K, Takamura N, Zaharieva E K, Kimura Y, Wakeford R. Long-term effects of radiation exposure on health. Lancet, 2015, 386: 469 -478

[8] Ma X, Cao Y, Zheng T, Yu S, Zou H, Gong X, Cao Y, Ren H. Determination and human health risk assessment of TFWT, OBT and carbon-14 in seafood around Qinshan Nuclear Power Plant. Food Chem-X, 2024, 22: 101243

[9] Normile D. The trouble with tritium. Science, 2014, 346: 1278

[10] Nie B J, Fang S, Jiang M, Wang L, Ni M, Zheng J, Yang Z, Li F. Anthropogenic tritium: Inventory, discharge, environmental behavior and health effects. Renew Sustain Energy Rev, 2021, 135: 110188

[11] Richardson D B, Wing S. Leukemia mortality among workers at the Savannah River site. Am J Epidemiol, 2007, 166: 1015 -1022

[12] Wang D, Zhou Q, Yin Y, Lu D, Hu L, Richmond R H, Moon H B, Yan B, Jiang G. Implications of Fukushima’s radioactive water discharge on global environmental sustainability. Environ Sci Technol, 2024, 58: 3061 -3064

[13] Zhao C, Wang G, Zhang M, Wang G, de With G, Bezhenar R, Maderich V, Xia C, Zhao B, Jung K T, Periáñez R, Akhir M F, Sangmanee C, Qiao F. Transport and dispersion of tritium from the radioactive water of the Fukushima Daiichi nuclear plant. Mar Pollut Bull, 2021, 169: 112515

了解详情，请阅读全文

中文版

: 尚白军, 付同刚. 2025. 全球降水中氚浓度的持续升高(1955~2021): 地球科学视角下的人类与生态系统健康风险解析. 中国科学: 地球科学, 55(8): 2870–2872

英文版

: Shang B, Fu T. 2025. Escalating tritium in global precipitation (1955–2021): Geoscientific insights into risks to human and ecosystem health. Science China Earth Sciences, 68(8): 2750–2752, https://doi.org/10.1007/s11430-025-1637-3