钚的放射毒理學放射化學與放射毒理教研室劉曉梅

liuxiaom@2014.03.24天然放射性核素是天然放射性系列中的核素的統稱。自然界中天然存在某些放射性核素，它們不斷產生連續的衰變，構成放射性系列。人工放射性核素是指利用反應堆的中子流和加速器的高能帶電粒子流，人為制備的放射性核素。應用人工方法可得到所有元素的放射性同位素，已經得到的人造放射性核素有近千種。核燃料芯塊這些放射性物質主要是鈾、钚的裂變產物，其中危害較大的有90鍶、137銫、131碘放射性的來源核武器試驗的沉降物核燃料循環的“三廢”排放核燃料循環的各個階段均會產生“三廢”，這會給周圍環境帶來一定程度的污染，其中最主要的是對水體的污染。同位素分離核材料核化學化工鈾礦冶煉鈾同位素富集燃料元件制造核燃料后處理永久貯存核廢物處理處置核反應堆核燃料循環天然鈾高富集鈾核武器钚低富集鈾鈾钚醫療照射其它目前，由于輻射在醫學上的廣泛應用，已使醫用射線源成為主要的環境人工污染源。1.運輸事故、遺失、偷竊、誤用，以及廢物處理等失去控制而造成。2.一般居民消費用品，包括含有天然或人工放射性核素的產品。發現及應用輻射和化學特性體內代謝損傷效應加速排除钚的放射毒理學1941年，Seaborg首先發現钚（plutonium，Pu)，原子序數為94，在钚之后的元素成為超钚或钚后元素。钚有16種同位素，其中最重要的為239Pu。由于在自然界中不存在超钚元素，它們都是借助于核反應而獲得的人工放射性元素。钚及超钚元素的研究工作迅速開展并發展。钚的制備钚及超钚核素在軍事工業、核動力工業、宇宙航行、氣象研究、生物學和醫學等領域，具有廣泛的發展前景。用途

239Pu具有較高的熱中子裂變截面，是核反應堆（nuclearreactor）和核武器（nuclearweapon）的重要燃料。238Pu半衰期較長，是很有前途的能源，可作為人造地球衛星上熱電轉換電池的燃料、人工心臟起搏器的能源以及海底作業工作服加熱器的熱源等。環境污染發生的情況1：（1）核工業（nuclearindustry）設施（核燃料后處理廠、核燃料加工廠及核反應堆）向環境中的排放引起放射性污染（radiocative

contarninatior）

。（2）運輸事故環境污染發生的情況2：

（3）核武器試驗（nucleartest）向環境中釋放的241Am活度為239Pu、240Pu的10倍以上，241Pu的物理半衰期（β衰變）較短，可衰變成為241Am。（4）以钚為燃料的空間用能源在返回地球時的完全毀壞。含钚的核爆炸W87核彈的示意圖化學性質钚是錒系元素中化學性質較高活潑的元素之一。金屬陽離子都具有較強的水解和絡合能力，尤其四價。其與離子勢的大小成正相關，與離子的荷電量及半徑之比成正相關。溶液的pH值：在生理pH條件下钚及超钚核素的水解和絡合能力極強。在中性溶液中，钚離子趨于4價態。在生理條件下，4價最為穩定，并以某種復合物的形式存在，4價钚離子最易水解。钚水解形成的氫氧化物溶解度極低。钚水解形成的氫氧化物進一步聚合形成聚合物，聚合程度較低的稱為“單體钚”（monomericplutonium），聚合程度較高的稱為“聚合體”（polymericPlutonium）。四價钚與酸反應形成钚鹽，大部分钚鹽在中性或堿性環境中易水解生成膠體氫氧化物。钚鹽的水解程度視溶液中钚鹽的種類及濃度而定，濃度愈高，水解趨勢愈強。難溶性钚化合物有氧化钚、氫氧化钚和氟化钚等。難溶性的钚化合物中最重要的是二氧化钚。四種離子氧化態Pu（III）--Pu3+

藍紫色；Pu（IV）---Pu4+（黃棕色）；Pu（V）---PuO2+（粉紅色）；Pu（VI）--PuO22+（粉紅色）；Pu（VII）---PuO5

3+（綠色）--七價離子較稀有。钚溶液所呈現的顏色決定氧化態和酸陰離子的性質。

239Pu是高能α輻射能，物理半衰期2.44×104a，衰變過程中釋放6種能量各異的α粒子，同時還釋放γ射線和X射線，衰變生成的子體是235U。

238Pu也是高能α輻射能，物理半衰期87.75a，衰變過程中釋放α粒子、γ射線和X射線，衰變生成的子體是234U。輻射特性中子照射天然鈾生成钚的反應過程核素物理半衰期

aα粒子的能量

MeV比活度(GBq/g)價態239Pu244005.162.283~4238Pu87.755.50644243Am79505.287.253~4241Am4585.49123~4244Cm17.65.8730803~4252Cf2.6466.12199003钚及超钚元素的輻射特性和價態（部分）比活度、α粒子的能量隨原子序數的增大而增高，而物理半衰期卻隨之變短；中子發射率隨自發裂變半衰期的縮短而增大核裝料239Pu是劇毒放射性核素，半衰期約2.4萬年，其氧化物難溶于水，能長期留存于肺中，不斷放出α粒子嚴重傷害肺部。體內代謝吸收在血液中的存在形式分布排除放射性钚不易于流動和揮發，主要沉降在泄漏地區周圍，故其影響主要局限于核事故泄漏污染的當地，一般先進入水中，再進入土壤。其2萬多年的半衰期和進入人體可導致較大的內照射危險，成為放射防護十分關注的重點。放射性钚具有：處理困難、毒性強、半衰期極長、不輕易飛散等特點。钚可通過呼吸道、消化道及皮膚進入體內，在事故情況下多見的是吸入，其次是吸入合并皮膚創傷。

1、呼吸道吸收吸入的钚在呼吸道的沉積。吸收和轉移同巨噬細胞的吞噬作用、氣管和支氣管的纖毛運動、钚離子的溶解和吸收，以及通過淋巴系統的轉移等有關。吸收呼吸道吸收的過程主要取決于顆粒的大小、溶解度及價態。

顆粒的大小：粒徑小、比表面積大的粒子易于溶解和吸收，表現為在體內其它器官組織中的滯留量較多和自體內的排除量較大。吸收

溶解度：不同的钚化合物自肺臟的吸收率差異很大，易溶解的钚化合物，如檸檬酸钚、抗壞血酸钚等極易吸收；易水解的钚化合物，如硝酸钚、氯化钚等吸收較少；難溶性的钚化合物，如氧化钚等吸收最少。

價態：三價钚和六價钚化合物的吸收率高于四價钚化合物，這與六價钚在生理條件下形成易吸收的钚酰離子有關。2、胃腸道吸收胃腸道對钚的吸收極少，且波動幅度較大，一般認為位于10－6~10－3之間。（1）钚在pH較高的小腸內水解成難溶性的氫氧化钚。（2）可與腸內容物中的磷酸鹽或草酸鹽等陰離子形成難溶性钚化合物。影響因素1

化合物形式對胃腸道的吸收具有重要影響。通常是，钚的檸檬酸鹽的吸收率＞硝酸鹽＞钚的氧化物。钚由胃腸道的吸收也顯示出種系間的差異，倉鼠胃腸道吸收率為吸收范圍的下限區，而小鼠則為上限區。影響因素2

攝入的钚量對胃腸道的吸收也有明顯影響，攝入量較小時，吸收率相對較高；而攝入量較大時，吸收率相對較低。動物的年齡對钚由胃腸道的吸收影響甚大。3、皮膚吸收钚通過人的皮膚吸收很少，钚化合物的化學形式、溶解度、溶液的酸度及皮膚污染面積等對吸收率有一定的影響。可溶性化合物的吸收率高于難溶性化合物。溶液的酸度增高，吸收率也相應增大。放射自顯影觀察表明：侵入皮膚的钚能長期沉積下來，主要定位在毛囊部位。4、傷口吸收钚自傷口的吸收率與創面大小、深度及钚化合物種類有密切關系，通過傷口進入體內的钚通過血液循環主要分布于淋巴結、肝臟和骨骼。特別注意的是钚向淋巴結的轉移不僅數量多、而且速度快。4、傷口吸收2

钚經傷口向體內轉移的過程：創傷部位的钚一部分與體液中的絡合劑陰離子形成絡合物，然后向其他組織器官轉移；一部分則在創傷部位水解形成膠體氫氧化物，經巨噬細胞吞噬，然后進入網狀內皮系統，其中主要進入淋巴結和肝臟，然后并以緩慢的速度解聚并進入體液中，還有一部分可殘留于創傷局部。

钚自傷口向體內轉移的過程中，淋巴系統起重要的作用。可溶性钚化合物主要通過與淋巴液中的鐵轉遞蛋白及其他蛋白質結合轉移，而難溶性钚化合物則主要由吞噬細胞吞噬后進行轉移。體液肝臟骨骼其他器官尿網狀內皮系統創傷部位①②③①為膠體不溶性顆粒；②為Pu-蛋白質和Pu-其他絡合物；③為緩慢解聚、溶解創傷部位钚轉移的模式示意圖（二）在血液中的存在形式進入血液的钚，一部分水解形成膠體氫氧化物，進而聚合形成大分子聚合物，另一部分與血液中的蛋白質或其他天然絡合劑形成絡合物。在生理pH條件下，钚極易水解和聚合，初始聚合成“單體钚”，進而聚合為“聚合钚”，兩者在血液中的存在是相對的，在機體的代謝過程中，它們可以相互轉化。“單體钚”擴散性強，能通過生物膜，進入各個器官和組織，主要沉積在骨骼，其次是肝臟。

血液中的钚離子可與鐵轉遞蛋白、白蛋白以及天然絡合劑形成絡合物，其中主要是形成Pu-鐵轉遞蛋白，其次是Pu-白蛋白。“聚合钚”擴散性相對較弱，主要靠吞噬細胞的吞噬作用轉移到器官和組織中，主要沉積在肝臟、腎臟和骨髓等網狀內皮系統中。Pu4+Pu(OH)3+Pu(OH)22+Pu(OH)4[Pu(OH)22+]nPu－蛋白質絡合物Pu－其他配位體絡合物水解沉淀聚合钚在血液中存在形式絡合物形成（三）分布自血液清除的钚，選擇性的滯留在骨骼和肝臟，其他器官組織則很少。

1、钚在骨骼中的滯留

骨骼是钚的主要滯留器官。钚在骨骼中的沉積特點：（1）钚在骨骼中的滯留是一個動態變化的過程。生長中的骨骼不斷的吸收和重建，沉積在骨表面的钚可被埋入或吸收。钚在骨骼中的沉積特點（續）：（2）钚在骨骼內的分布不均勻，主要滯留在骨表面。（3）腰椎骨、胸骨含量最高，股骨次之，肋骨、顱骨和頜骨最低。（4）處于不同生理狀態下的骨內膜，钚濃度也有顯著性差異，處于吸收狀態的骨內膜钚濃度最高。滯留在骨表面的钚，既能與基質中的蛋白質結合，又能與骨細胞表面的膜蛋白結合，主要是與糖蛋白、唾液蛋白及軟骨蛋白結合，進入到骨細胞內的钚可與細胞器膜上的糖蛋白結合。在钚向骨表面滯留的同時，一部分钚也向骨髓中轉移。聚合钚和易于水解的钚鹽，在骨髓中的滯留量較高。骨髓中的钚，多滯留在巨噬細胞中，并與其溶酶體相結合。钚在造血骨髓中的滯留量多于脂肪骨髓。2、钚在肝臟中的滯留肝臟也是钚的主要滯留器官，最初钚均勻的分布在肝細胞內，隨后繼續濃集，晚期大量的钚沉積在竇狀隙襯里的網狀內皮細胞及肝門脈區域的組織中，形成濃集的放射灶，呈“星狀體”。钚誘發的肝臟損傷與其在該器官由相對均勻到高度濃集的分布特征有關。肝小葉肝實質細胞受钚粒子照射后，產生從退行性變直到壞死的一系列病理變化，釋放出來的钚粒子重新被枯否氏細胞或網狀內皮細胞吞噬，形成濃集的星狀體。同時，星狀體的增多也與肝臟受钚粒子照射后網狀內皮細胞增生活躍有關。肝钚可通過兩種途徑被清除。（1）主要通過肝膽系統將钚轉移至腸道，隨糞便排除。（2）通過血液循環，轉移到其他器官組織。3、钚在肺臟的滯留滯留在肺的钚，如果是可溶性化合物，自肺廓清較快。主要轉移至肝臟和骨骼，向肺淋巴結轉移量少；如果是難溶性的钚化合物，主要向肺淋巴結轉移。钚職業性工作者吸入性內污染，一般以二氧化钚為主。以含量計，骨骼最多，以濃度計，則氣管—支氣管淋巴結為最高。4、钚在其他器官的滯留钚還可滯留在脾臟、腎臟和腎上腺等器官，并呈不均勻性分布。钚在生殖系統內的滯留量很少。（四）排除體內的钚主要通過腸道和腎臟排除，但排除速率非常緩慢，并受钚的溶解度及價態的影響。易溶性钚腎臟難溶性钚腸道早期＋6腎臟＋4腸道晚期腸道

三、體內钚含量的測定（1）體外直接測量

239Pu、238Pu均能釋放出低能γ射線和X射線，故可在體外直接測量體內的放射性活度。（2）由吸入钚量估算肺含量及體含量。（3）根據排泄物中的钚含量估算體含量及肺含量。損傷效應钚是極毒類放射性核素之一，損傷的靶器官主要是骨骼和肝臟；但是，當吸入難溶性钚化合物時，肺和淋巴結也是受到危害的器官。（一）確定性效應

1、外周血象的變化和造血系統的損傷白細胞數的減少與劑量有直接關系，骨髓呈現出廣泛性壞死及纖維化，出現膠樣化骨髓和纖維化骨。2、骨骼的損傷钚致骨骼的損傷效應除了直接作用外，钚致骨血管纖維化，使骨骼血液循環破壞也是重要因素之一。

3、肝臟的病理變化肝小葉壞死和結締組織增生，或營養不良性變及脂肪浸潤等，并往往出現腹水、皮下水腫及黃疸等。

4、肺臟的損傷肺臟的病理變化主要表現為兩種類型：（1）以炎癥病變性壞死為特征，肺組織出現嚴重的炎癥反應，如水腫、出血和廣泛性壞死。（2）以廣泛的纖維性增生為特征，肺組織中膠原纖維明顯增多。

5.注射局部皮膚出現硬化并伴有惡性腫瘤發生。

6.染色體畸變是钚內污染人員的醫學觀察指標之一。（二）隨機性效