坦桑尼亚维多利亚湖金矿区受金矿开采影响的水生系统中天然放射性核素：基于ERICA的放射性风险评估

《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》：Naturally occurring radionuclides in gold-mining-impacted aquatic systems of the Lake Victoria Goldfields, Tanzania: An ERICA-based radiological risk assessment

　　

坦桑尼亚维多利亚湖金矿区（LVGF）的金矿开采活动引发了人们对河流污染及天然放射性核素（NORs）在水生生态系统中累积的担忧，但关于其生态影响的信息仍然有限。本研究评估了马拉河（Mara River）、莫里河（Mori River）及相关支流水体和沉积物中238U、235U、234U、232Th、230Th和226Ra的活度浓度，并评价了其对水生生物群的放射性风险。研究人员于2024年3月和8月共采集40个水样和42个沉积物样品，通过放射化学分离结合α能谱法测定所选核素的活度浓度，并采用ERICA工具（Environmental Risk from Ionising Contamination: Assessment and Management，电离污染环境风险评估与管理工具）估算水生生物群的放射性风险。升高的234U/238U活度比（>1）表明234U通过α反冲优先活化迁移。沿马拉河沉积物中238U超过UNSCEAR（联合国原子辐射效应科学委员会）全球平均值约8–11倍，支流中最高约达十四倍。水生生物群总剂量率为3.70 μGy h?1至197 μGy h?1，其中浮游动物、昆虫幼虫、双壳类和腹足类数值最高，超过ERICA筛选水平10 μGy h?1约二十倍，且以226Ra主导暴露。敏感性评估支持将其列为优先开展精细化评估的对象。由于未直接测量生物效应或生物群中放射性核素浓度，上述结果构成所选情景下暴露的筛选性估算。该数据集为目标性监测及水生生物群的进一步评估提供了基线信息。

研究背景方面，天然放射性核素（NOR）广泛存在于地壳中，包括²³⁸U、²³⁵U、²³⁴U、²³⁰Th和²³²Th，对人类和非人类生物群的背景辐射暴露有实质贡献。其在水生系统中的迁移受地球化学条件控制，尤其是pH、溶解性有机质、矿物组成、氧化还原条件及沉积物—水相互作用，通过溶解、水解、络合、吸附/解吸和共沉淀等过程实现。核素从基岩或采矿残留物释放后，经地表径流、矿山排水、尾矿渗滤、风蚀和大气沉降进入附近水生系统；在河流和湖泊中，核素可保持溶解态或与悬浮颗粒和沉积物结合，沉积物成为长期汇和二次污染源。金矿开采通过使矿化岩石暴露于风化、侵蚀和淋滤，可显著提高天然放射性核素的环境可利用性；含铀和钍矿物的核素可能在矿石开采、破碎、加工和废物处置过程中释放。撒哈拉以南非洲同时存在大规模和手工金矿开采与脆弱淡水生态系统，核素从地质富集物质中活化迁移带来水生食物网生物累积的潜在可能，其对水生生物群的放射性风险值得关注。刚果民主共和国Ulindi河沿岸手工金矿开采与沉积物中极高水平的²³⁸U、²²⁶Ra和²³²Th相关，活度浓度达UNSCEAR全球沉积物平均值的71至89倍；南非Witwatersrand盆地金矿尾矿²³⁸U升高，放射性危害指数超过国际推荐安全限值。但上述系统在地质、开采类型与强度、沉积物特征和采样设计方面与马拉河流域不同，报道值只能作为指示而非直接可迁移。此外，本研究的富集反映地质成因与采矿相关贡献的叠加，二者相对量级未定量区分，凸显了场地特异性评估的必要性。LVGF指环绕维多利亚湖的含金太古宙绿岩带，延伸至东非和中非，包括坦桑尼亚、肯尼亚、乌干达、卢旺达、布隆迪和刚果民主共和国的部分地区；本研究采用其坦桑尼亚既定含义，指这些绿岩带在坦桑尼亚的部分。在坦桑尼亚境内，LVGF跨越Tabora、Shinyanga、Simiyu、Geita、Mwanza、Kagera和Mara等地区，约占该国黄金产量的90%。尽管经济贡献显著，LVGF内的金矿开采活动已通过有毒物质活化释放与周围生态系统退化相关联，污染土壤、水和植被。近期研究表明采矿活动释放有毒金属，可能影响人类和动物健康。虽然热带地区与手工和小规模金矿开采（ASGM）相关的汞和砷污染受到相当关注，但金矿区放射性维度，包括水生环境中天然放射性核素的活化迁移，受到的关注相对较少，在坦桑尼亚尤其如此。LVGF现有放射性评估主要集中于陆地环境。Focus等（2021）报道Geita的Rwamagasa手工金矿区土壤中²²⁶Ra（80.44 Bq kg^?1）、²³²Th（94.62 Bq kg^?1）和⁴⁰K（1536.7 Bq kg^?1）的最大活度浓度，放射性评估表明人类年有效剂量平均超过全球平均值8%，提示环境放射性增强和潜在人类暴露风险。Mwimanzi等（2025）评估Geita金矿土壤、废石和尾矿中的天然放射性，观察到尾矿和废石中²²⁶Ra（70 Bq kg^?1）、²³²Th（73 Bq kg^?1）和⁴⁰K（877 Bq kg^?1）升高，超额终生癌症风险值超过全球平均值。氡（Rn）是金矿开采和铀易发地区的额外关注点，地下水和地表水中溶解的²²²Rn可经摄入和吸入贡献人类暴露；但氡不在本评估范围内，本研究聚焦溶解态和沉积物结合态核素及其生态剂量。尽管以往研究记录了LVGF内矿山土壤、尾矿、废石和采矿坑的放射性水平，但关于水生环境中的赋存、季节性行为和放射性风险的信息有限。国际监管框架已将电离辐射对非人类生物群的影响视为关注事项。国际放射防护委员会（ICRP）建立了参考动物和植物（RAPs），并推导出用于筛选环境剂量率的参考水平。ERICA综合方法提供了广泛使用的分级框架，纳入物种特异性剂量转换系数、核素从环境介质向生物体转移的浓度比，并提出默认筛选剂量率10 μGy h^?1。尽管ERICA工具已成功应用于多种天然放射性物质（NORM）污染的陆地和淡水环境，但其在受金矿开采影响的坦桑尼亚热带淡水生态系统中的应用仍基本未被利用。鉴于LVGF水生环境可获得的放射性、水化学和生态信息有限，本研究旨在测定地表水和沉积物中²²⁶Ra、²³⁸U、²³⁵U、²³⁴U、²³²Th和²³⁰Th的活度浓度；表征河流水生系统的水参数；评估季节变化和放射性核素不平衡模式；并使用ERICA工具评估水生生物群的放射性风险。

研究人员开展的研究方面，研究区位于坦桑尼亚西北部Mara地区，南纬1°00′至1°45′、东经33°30′至35°00′，海拔800–1500 m。该区为热湿赤道气候，双峰降雨，长雨季3月至5月，短雨季10月至12月，温度14 °C至30 °C。水文上以马拉河为主，发源于肯尼亚Mau Escarpment，穿越Maasai Mara国家保护区和Serengeti国家公园，最终汇入维多利亚湖；莫里河和马拉河支流也在研究区内汇入维多利亚湖水系。地质上，该区下伏Nyanzian和Kavirondian超群太古宙绿岩带，包括玄武岩、安山岩和流纹岩等变质火山岩，以及条带状铁建造、燧石和页岩等变质沉积岩，并被花岗岩、花岗闪长岩和英云闪长岩等花岗质体侵入，另有元古代沉积岩和第四纪冲积沉积物；这些建造赋存金和重矿物等重要矿产。采样方面，2024年3月和8月雨季（15个样）和旱季（25个样）共采集40个水样；每个采样点取水面下0–15 cm三份平行样，两季共约120 L水。样品现场经0.45 μm孔径滤膜过滤，采集后12 h内用超纯浓HNO₃酸化至pH < 2，以减少核素吸附于容器壁，储存于1 L预洗高密度聚乙烯（HDPE）瓶（用10% v/v HNO₃预洗并用去离子水多次冲洗）；采样时每个预洗采样瓶先用表层水冲洗三次。所有样品运至斯洛文尼亚卢布尔雅那Jo?ef Stefan研究所实验室分析。沉积物样品共42个，其中旱季25个、雨季17个，于2024年3月和8月从距岸约1 m的河岸0–30 cm深度用塑料勺取三份平行样，装入塑料袋；每个样采集约200 g表层沉积物。上述数量代表来自各站点—季节组合的独立环境样品。样品在60 °C干燥至恒重，过1 mm筛，转入聚乙烯容器，贴标签后运至Jo?ef Stefan研究所环境科学系实验室分析。雨季水体和沉积物采样点较少，原因是高水位、强河流流速、河岸淹没、道路可达性差和野生动物存在妨碍了部分站点的安全进入；水和沉积物样品大多在同一站点采集，两介质间可达性略有差异。

技术方法方面，主要包括：水样铀同位素（²³⁸U、²³⁵U、²³⁴U）经放射化学分离后α能谱测定；水样²²⁶Ra经放射化学分离测定；沉积物样品经灰化、锂硼酸盐熔融和消解处理；采用TEVA和UTEVA萃取色谱树脂同时分离沉积物中²³⁸U、²³⁵U、²³⁴U、²³²Th、²³⁰Th和²²⁶Ra；以α能谱系统测量核素活度浓度，化学回收率分别用²³²U、²²⁹Th示踪剂和¹³³Ba经γ能谱测定；采用IAEA 313河流沉积物标准物质进行质量控制验证；统计分析采用Shapiro-Wilk和Kolmogorov-Smirnov检验、Spearman秩相关、主成分分析（PCA），并用ArcGIS制作空间分布图；采用ERICA工具2.0.230版进行水生生物群放射性风险评估。样本队列来源为坦桑尼亚Mara地区马拉河、莫里河及其支流的现场水体和沉积物样品。

研究结果方面，3.1地表水理化特征：水参数呈现明显季节变异，反映水文过程、水—岩相互作用、人类活动和沉积物输运的综合影响；多数参数旱季变异性更大，尤其电导率（EC）、总溶解固体（TDS）和浊度，提示径流减少和蒸发增强的浓缩效应。EC为71.5–3080 μS/cm，TDS为33.7–1970 mg/L；最高EC和TDS出现在旱季马拉河MR_43站点，表明溶解物质含量升高。雨季EC和TDS总体较低，可能反映降雨稀释和河流流量增加，但部分站点（MR_25、MR_33、MR_34和MR_37）局部升高，可能指示径流将受扰动采矿集水区的溶解物质带入河流系统。与Mara流域以往研究报道的EC和TDS约252 μS/cm和308 mg/L、以及高达2103 μS/cm和1052 mg/L相比，本研究观测值总体处于既往报道范围内；但部分采样点EC和TDS相对升高，可能反映与土地利用活动和集水区扰动相关的局部溶解溶质浓度增加，对生活、农业和饮用水具有潜在影响。水温20.5 °C至30.83 °C，反映研究区热带气候条件。摘要层面的核心结果包括：²³⁴U/²³⁸U活度比>1指示²³⁴U经α反冲优先活化迁移；马拉河沉积物²³⁸U超过UNSCEAR全球平均值约8–11倍，支流最高约十四倍；水生生物群总剂量率3.70–197 μGy h^?1，浮游动物、昆虫幼虫、双壳类和腹足类最高，超过ERICA筛选水平10 μGy h^?1约二十倍，²²⁶Ra主导暴露；敏感性评估支持将这些生物类群列为精细化评估优先对象。由于未直接测量生物效应或生物群中核素浓度，结果为所选情景下暴露的筛选性估算，数据集为目标性监测和进一步评估提供基线信息。

讨论与结论部分，论文将观测到的放射性富集置于地质成因与采矿活动叠加的背景下讨论，指出二者相对贡献未定量区分，强调场地特异性评估的必要性；同时指出与刚果民主共和国Ulindi河和南非Witwatersrand盆地等系统在地质、开采类型与强度、沉积物特征和采样设计上的差异，报道值应视为指示性而非直接可迁移。研究采用ERICA工具进行Tier 2评估，默认剂量转换系数遵循ICRP第136号出版物并包含一年计算期内的子体生长；默认校正因子考虑水体和沉积物中无支持子体衰变对内外照射剂量的影响，因此母体核素报告的剂量包含该期间形成子体的贡献。ERICA默认不确定性因子3.0用于计算保守风险商，α辐射在计算加权剂量率时采用默认权重因子10。估算的总加权剂量率与ERICA筛选剂量率10 μGy h^?1比较；超过该筛选值表明需要进一步评估，但其本身不证明不良生态效应，该筛选值既非监管剂量限值也非生物效应阈值。期望风险商（RQ）为估算总加权剂量率与筛选剂量率之比；保守RQ由期望RQ乘以默认不确定性因子3.0得到。RQ低于1表明筛选评估中关注可忽略；期望RQ低于1而保守RQ高于1表明置信度不足和筛选关注；两者均高于1表明值得进一步评估的关注。在无法排除筛选关注的情况下，应考虑精细化暴露评估，可包括概率评估。研究结论指出，由于未直接测量生物效应或生物群中放射性核素浓度，结果构成所选情景下暴露的筛选性估算；该数据集为目标性监测和水生生物群进一步评估提供了基线信息。