开罗大都会地区土壤样本的自然放射性和放射性风险评估

《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》：Natural radioactivity and radiological risk assessment of soil samples from greater Cairo

开罗大都市区土壤中天然放射性核素（226Ra、232Th、40K）浓度及辐射危害评估显示，所有计算的辐射危害指数均低于国际安全标准，证实公众无显著辐射风险。通过γ射线光谱法对81个复合土壤样本的分析，发现40K浓度最高（267±26.4 Bq/kg），226Ra和232Th浓度较低且分布受地质和人为因素影响。比较国内外研究数据表明，开罗土壤放射性水平显著低于高背景地区，为当地环境辐射监测和建筑材料评估提供了基准数据。

　　本研究旨在评估开罗大都会地区土壤中天然放射性核素的浓度及其对公众健康可能带来的辐射危害。研究通过使用高纯度锗（HPGe）伽马射线谱仪对从多个地点采集的土壤样本进行测量，分析了22?Ra、232Th和??K的特定活度，并计算了多个与辐射危害相关的指标，包括镭当量活度（Ra?q）、外部危害指数（H?x）、内部危害指数（H??）、伽马指数（Iγ）以及年有效剂量当量（AEDE）。研究结果表明，所有计算出的危害参数均低于国际推荐的安全限值，表明开罗地区的土壤放射性水平对人体健康构成的潜在风险可以忽略不计。此外，与国内外其他研究进行比较分析显示，开罗大都会的土壤放射性水平显著低于高背景辐射地区的数值。这些发现为环境辐射监测提供了新的数据支持，并有助于未来对埃及地区地质和辐射特征的深入研究。

开罗大都会是埃及政治与经济的核心区域，拥有超过2000万人口，近年来经历了显著的城市扩张。这一扩张主要由人口增长、工业化进程以及农村向城市迁移等因素推动。随着城市化的加快，自然放射性核素的分布和浓度可能受到人为活动的显著影响。例如，建筑过程中使用的材料如水泥、陶瓷和花岗岩等，通常含有较高的23?U和232Th含量。此外，燃煤发电厂的工业排放、汽车尾气以及非规范的废弃物燃烧等过程也会影响城市土壤中放射性核素的浓度。这些因素在大都市如开罗尤为关键，因为其缺乏完善的废弃物管理系统，导致污染物更容易积累。

自然放射性核素主要来源于地质结构，但在城市环境中可能由于人为活动而发生变化。例如，工业排放和建筑施工可能导致某些放射性核素在土壤中局部富集。此外，农业活动也可能影响土壤中的放射性水平，尤其是在使用富含钾的肥料时，可能会导致??K的浓度升高。这些现象在其他地区的研究中也有所体现，例如匈牙利工业城市的阁楼灰尘中23?U和??K的浓度比农村土壤更高，表明空气中的放射性沉积对城市土壤具有显著影响。类似地，塞尔维亚工业区附近的土壤中232Th和??K的浓度也高于农村地区，这可能与附近工业活动导致的辐射污染有关。然而，在埃及，大多数研究集中在农村农业地区，这使得对城市土壤中放射性核素的了解相对有限。

本研究通过采集81个复合土壤样本，覆盖了开罗大都会的27个不同地点，每个地点采集3个样本。样本均来自地表以上30厘米的表层土壤，以代表受到人类活动和自然因素影响最显著的区域。研究选择了多个城市，包括Mostord、Al-Obour、Al Shorouk、New Cairo、Waseem、15th of May、6th of October和Sheikh Zayed，这些城市代表了不同的地理环境和人类活动特征，从而为整个开罗大都会地区的环境条件提供了全面的视角。每个样本由同一区域的五个均匀混合的子样本组成，以减少空间异质性的影响。土壤样本在采集后经过烘干、破碎、均质化和筛分（≤2毫米）处理，以确保分析结果的准确性。

研究使用高纯度锗（HPGe）伽马射线谱仪对土壤样本中的放射性核素进行测量。该仪器包括一个共轴n型HPGe探测器、一个低温恒温器以及一个前置放大器，具有25%的相对效率。为了减少背景辐射的干扰，探测器被铅屏蔽包围。测量过程中，探测器施加了4500伏的偏置电压，以获得优异的能量分辨率（1.18 keV在122 keV处，1.9 keV在1.33 MeV处）。数据通过APEX软件进行收集和处理，每个样本的测量时间设置为28,800秒。最低可检测活度（MDA）根据方程（1）计算，该方程基于Currie（1968）的方法。研究发现，22?Ra、232Th和??K的MDA分别为2.3、1.7和14 Bq/kg。

为了评估放射性核素的浓度，研究还测量了22?Ac和2??Tl的活动浓度，这些核素的伽马射线发射线具有特定的能量特征。22?Ra的活动浓度基于21?Bi和21?Pb的光子峰进行测定，而??K的活动浓度则直接通过其特征伽马射线发射线（1460.8 keV）进行测量。通过这些方法，研究人员能够准确地确定土壤中放射性核素的浓度，并进一步评估其对环境和人类健康的潜在影响。

为了确保测量的准确性，研究使用了国际原子能机构（IAEA）的标准参考材料RGU-1进行仪器校准。效率校准（ξ）通过方程（2）进行计算，该方程考虑了净计数、活动浓度、计数时间、转换概率（伽马产率）和衰变校正因子等参数。校准过程不仅提高了测量的精确度，还确保了数据的可比性。此外，研究还探讨了土壤中放射性核素对空气吸收剂量率（Dr）的影响，Dr的计算基于22?Ra、232Th和??K的活动浓度，并采用联合国原子辐射效应科学委员会（UNSCEAR）推荐的半经验公式。Dr的值反映了土壤对空气的辐射贡献，是评估辐射危害的重要指标。

为了评估公众的年有效剂量当量（AEDE），研究结合了Dr值、剂量转换因子（0.7 Sv/Gy）以及户外和室内暴露的占用因子（0.2和0.8）。户外AEDE的计算基于Dr值乘以24小时和365.25天，而室内AEDE则考虑了更长时间的暴露。通过这种方式，研究人员能够估算出个体在不同环境下的辐射剂量，并进一步评估其对健康的影响。研究发现，AEDE值在户外和室内均处于较低水平，表明开罗大都会的土壤放射性水平对公众的健康风险较小。

为了评估土壤中放射性核素对辐射危害的综合影响，研究计算了镭当量活度（Ra?q）这一关键指标。Ra?q通过将22?Ra、232Th和??K的活动浓度进行加权计算，其中1 Bq/kg的22?Ra、1.43 Bq/kg的232Th和0.077 Bq/kg的??K被赋予相同的辐射贡献。这一方法使得研究人员能够将复杂的放射性核素数据简化为一个综合指标，从而更直观地评估土壤的辐射风险。研究还指出，Ra?q值必须低于370 Bq/kg，以确保年外部剂量不超过1.5 mSv，这是人类因建筑材料中的自然辐射而接受的最大可接受剂量。

外部危害指数（H?x）是评估土壤中放射性核素对外部辐射危害的另一种方法。H?x基于Ra?q值进行计算，并通过将Ra、Th和K的活动浓度分别除以370、259和4810来确定。H?x值低于1表示材料的外部辐射危害可以忽略不计。研究发现，所有样本的H?x值均低于1，表明开罗大都会的土壤对公众的外部辐射危害极低。此外，内部危害指数（H??）用于评估吸入氡气及其短寿命子体可能带来的内部辐射危害。H??的计算同样基于Ra、Th和K的活动浓度，分别除以185、259和4810。研究指出，H??值也必须低于1，以确保内部暴露不会对呼吸系统造成显著危害。所有样本的H??值均处于安全范围内，进一步验证了开罗土壤的低辐射风险。

伽马辐射风险指数（Iγ）用于评估建筑材料中的天然放射性核素对伽马辐射的综合影响。Iγ通过将Ra、Th和K的活动浓度分别除以150、100和1500进行计算，其值低于1表示材料不适合用于建筑。研究发现，所有样本的Iγ值均在安全范围内，表明开罗地区的土壤可以安全地用于建筑和环境建设。此外，研究还计算了环境暴露导致的癌症风险（ELCR），该指标基于有效剂量（E）、寿命（DL）和风险因子（RF）。研究发现，ELCR值在0.00045到0.00071之间，表明长期暴露在这些土壤中对癌症风险的影响较小。

研究的数据显示，开罗大都会的土壤中天然放射性核素的浓度相对较低，且所有计算出的危害参数均低于国际推荐的安全限值。这表明，尽管该地区经历了快速的城市扩张和工业化，但土壤中的放射性水平并未显著增加，对公众健康构成的威胁可以忽略不计。此外，研究发现，开罗大都会的土壤放射性水平远低于高背景辐射地区的数值，例如埃及的黑砂、也门、印度、伊拉克、马来西亚和沙特阿拉伯等地。这一比较分析突显了开罗大都会土壤的低背景辐射特征，并强调了跨区域调查在环境辐射风险评估中的重要性。

为了进一步提升对埃及地区天然放射性分布的理解，研究提出了若干未来研究方向。首先，建议扩大研究范围，包括埃及其他已知高背景辐射的地区，以便更全面地了解全国范围内的放射性趋势。其次，建议建立长期的辐射危害监测计划，以检测由于地质或环境变化可能引起的放射性水平波动。第三，建议进行详细的矿物学和地球化学分析，以确定土壤中放射性核素富集的主要来源。第四，建议开展流行病学研究，评估放射性暴露水平与当地居民长期健康影响之间的潜在关联。最后，建议利用遥感技术和地理信息系统（GIS）进行空间建模，以预测可能具有较高天然放射性水平的区域。

综上所述，本研究为开罗大都会地区的环境辐射监测提供了新的数据支持，并揭示了该地区土壤中天然放射性核素的低浓度特征。尽管该地区经历了快速的城市化和工业化，但土壤中的放射性水平并未显著增加，表明其对公众健康的风险较小。未来的研究应进一步探讨这些放射性核素的来源及其在不同环境条件下的变化趋势，以支持更有效的环境辐射安全政策制定。