核能发电促进了我国经济的快速发展。然而，沿海核电设备的增长及内陆核电的快速发展，使得更多的放射性物质进入环境，可能对水生生物和人类造成一定的影响^[1-2]。国际放射防护委员会(International Commission on Radiological Protection，ICRP)在早年明确处理环境保护问题的方法^[3-5]，积极对非人类物种的辐射防护进行研究。

水生生物适用于研究核电液态流出物的辐射影响，斑马鱼作为常用的生态毒理学模型^[6]，是生物实验中广泛使用的模式动物。近年来，实验研究电离辐射对斑马鱼不同发育阶段的影响，也成为研究辐射损伤效应和非人类物种辐射防护的重要方法^[7-8]。为更加有针对性地计算斑马鱼剂量，本研究通过实际测量，建立了斑马鱼成鱼具有内部器官的几何模型。利用蒙特卡罗计算软件GATE(the Geant4 Application for Tomographic Emission，版本8.1，Geant 4放射性断层扫描应用程序)^[9-10]，模拟计算了核电液态流出物及其周围环境监测中常见的7种放射性核素对斑马鱼造成的内外照射剂量系数，对比了内照射条件下ICRP 136^[11]导出值与本文计算值的差异，以及外照射条件下内脏器官和骨骼与全身剂量系数的差异。

1. 斑马鱼几何数据获取：结合生物实验中常选用的斑马鱼生长时期，选取3~6个月龄斑马鱼成鱼10条，置于冰水混合物中，加入过量MS222(3-氨基苯甲酸乙酯甲磺酸盐, 98%；北京百灵威J&K公司)对斑马鱼实施安乐死，并用滤纸吸干其表面水分。使用游标卡尺(SATA91511，精度±0.02，上海世达工具有限公司)测量身体几何数据，显微镜(SMZ-168, 北京麦克奥迪实业集团有限公司)下测量内脏器官长度和高度，脊柱直径。脊柱中央为质心，身体及内脏器官为椭球体，脊柱为圆柱体。图 1给出成鱼外观形态及GATE几何模型。

图 1 斑马鱼成鱼外观形态及几何模型示意图 Figure 1 Schematic diagram of appearance and geometric model of adult zebrafish

根据斑马鱼实际测量数据，经过适当的简化，转化为可用数学公式表达的几何体，以躯干中心为原点，构成斑马鱼简化几何模型。为后续描述方便，仅具有内脏器官的为斑马鱼简单模型，加入骨骼的为斑马鱼器官模型。

2. 水中外照射暴露：外照射采用体积源模型，大小为半径30 cm的水球体。假设污染源位于斑马鱼周围，均匀分布于水中，发射方向为各向同性。水体积减去鱼体积标准化为1 Bq/L水。暴露方式如图 2所示。

图 2 斑马鱼暴露方式示意图 Figure 2 Schematic diagram of zebrafish exposure

3. 水中内照射暴露：内照射模型，斑马鱼几何条件不变，水体中没有污染源，假设污染源均匀分布于斑马鱼体内，暴露方式如图 2所示。源在生物体中发射方向为各向同性。

4. GATE模拟：GATE是由国际OpenGATE合作开发的高级开源软件，主要用于医学成像及放射诊疗中的模拟计算。多年来该软件新版本定期发布，并经过了充分的使用和验证。在整个研究过程中，使用GATE模拟辐射源、几何形状，通过计算不同组织内的能量沉积得到所需的剂量系数。所有模型均包含于边长150 cm的立方体中，该立方体中充满水。模拟时，不考虑立方体外的能量沉积。一半径为30 cm的水球位于立方体中心，斑马鱼模型位于水球中心。在足够粒子数的情况下，蒙特卡罗软件单次模拟下所得的剂量数据的统计误差低于5%，则说明结果可信。因此，模拟内外照射条件时，模拟粒子数5×10⁷个，计算的相对误差＜3%。由于核素衰变是按照光谱发射，所以将源项设置为相应核素不同粒子的发射光谱，这些光谱及能量的获取均来自于ICRP 107号报告^[12]。

对于外照射，ICRP 108号报告认为其仅需考虑光子的贡献，而关于内照射，仅考虑β粒子对全身剂量的贡献^[4]。因此，该模拟外照射条件下使用核素γ谱计算，内照射考虑β衰变及内转换电子和俄歇电子，并考虑衰变子体的贡献。

研究表明，以人类器官材料组成代替动物器官，对计算结果影响不大^[13]。故本研究中，斑马鱼内脏器官材料以水代替，骨骼和肌肉以人体相应器官材料组成代替。

5. 剂量系数计算：根据文献[14]方法，剂量系数为源单位放射性活度对生物造成的剂量率，计算见公式(1)：

式中，DC为剂量系数，单位μGy ·h^-1/Bq ·kg^-1；5.76×10^-4为MeV/s至μJ/h的转换系数：M为源质量，kg；m为靶质量，kg；E_k为υ粒子辐射类型的第k种能量，MeV；Y_k为放射性核素每次衰变时能量为E_k的υ粒子在生物体内的产额，1；φ_{υ, i, j}(E_k)为源发射一次能量为E_k的υ粒子在生物体内的能量吸收分数。

1. 斑马鱼测量及模型建立：经过实际测量，建立斑马鱼简单几何模型。表 1为10条斑马鱼实际测量数据，躯干宽度取躯干高度的测量值，骨骼长度取适用于体长的近似值。根据表 1数据平均值建立如表 2所示几何形状。

表 1(Table 1)

表 1 斑马鱼测量数据(mm) Table 1 Measurement data of zebrafish(mm) 编号 躯干 内脏器官 骨骼直径 长 宽 高 长 宽 高 1 28.70 7.10 7.10 12.35 3.11 4.22 1.02 2 28.44 6.70 6.70 12.00 2.78 4.33 1.27 3 26.52 6.90 6.90 11.65 3.24 4.49 1.16 4 27.74 7.50 7.50 12.60 2.81 4.10 1.39 5 29.19 7.50 7.50 12.04 3.09 4.38 1.19 6 28.39 7.04 7.04 12.15 3.00 4.77 1.05 7 28.61 6.90 6.90 11.89 3.13 4.49 1.26 8 27.83 6.46 6.46 11.69 2.90 4.74 1.01 9 28.63 6.75 6.75 11.91 3.12 4.62 1.26 10 26.61 6.82 6.82 11.77 2.84 4.28 1.41 均值 28.07 6.97 6.97 12.00 3.00 4.44 1.20 标准差 0.89 0.32 0.32 0.30 0.16 0.22 0.14

表 1 斑马鱼测量数据(mm) Table 1 Measurement data of zebrafish(mm)

表 2(Table 2)

表 2 斑马鱼模型几何参数 Table 2 Geometric parameters of zebrafish model 组织或器官 几何形状 曲面方程 坐标位置 内脏 椭球 ${\frac{{{x^2}}}{{{{1.50}^2}}} + \frac{{{y^2}}}{{{{2.20}^2}}} + \frac{{{z^2}}}{{{{6.00}^2}}} = 1}$ (-1，-1，1.2) 脊柱 圆柱 ${{x^2} + {y^2} = {{0.60}^2}}$ (1.6，0，-0.345) 躯干 椭球 ${\frac{{{x^2}}}{{{{3.50}^2}}} + \frac{{{y^2}}}{{{{3.50}^2}}} + \frac{{{z^2}}}{{{{14.03}^2}}} = 1}$ (0，0，0)

表 2 斑马鱼模型几何参数 Table 2 Geometric parameters of zebrafish model

2. 蒙特卡罗建模正确性的验证计算：将GATE小鼠模型结果与Perri等^[15]建立的小鼠模型计算结果进行比较，以验证计算可行性。MCNP(Monte Carlo N-Particle Transport Code，蒙特卡罗粒子输运程序)是美国Los Alamos国家实验室Monte Carlo小组研制的用于粒子输运的大型多功能蒙特卡罗程序，广泛应用于辐射剂量模拟计算^[16]。使用GATE8.1和MCNP5分别计算了小鼠在受污染土壤上方(above)、受污染土壤中心(under)的外照射情况，以及污染在体内均匀分布的内照射情况。表 3给出了GATE8.1、MCNP5与Perri等^[15]报道的日本田鼠几何模型内外照射剂量系数比较。结果显示两组数据吻合较好，验证了计算方法的可行性。

表 3(Table 3)

表 3 基于GATE和MCNP计算的小鼠内外照射剂量系数及其与Perri等[15]的相对偏差(μGy·kg·Bq-1·d-1) Table 3 Mouse dose coefficients under internal and external irradiation based on GATE and MCNP and their relative deviation compared to Perri et al[15](μGy·kg·Bq-1·d-1) 核素 照射位置 DC 相对偏差(%) GATE MCNP Perri等[15] a b 134Cs 土壤中心 1.81×10-2 1.75×10-2 1.70×10-2 6.5 2.9 土壤上方 5.81×10-3 5.67×10-3 5.50×10-3 5.6 3.1 身体内部 3.85×10-3 3.96×10-3 3.90×10-3 -1.3 1.5 137Cs 土壤中心 6.37×10-3 6.25×10-3 6.00×10-3 6.2 4.2 土壤上方 2.05×10-3 2.38×10-3 2.00×10-3 -2.5 1.9 身体内部 3.22×10-3 3.30×10-3 3.30×10-3 -2.4 0.0 注：a、b分别为GATE、MCNP计算值与Perri等[15]建立模型计算值的偏差；GATE. Geant 4放射性断层扫描应用程序；MCNP. 蒙特卡罗粒子输运程序；DC. 剂量系数

表 3 基于GATE和MCNP计算的小鼠内外照射剂量系数及其与Perri等[15]的相对偏差(μGy·kg·Bq-1·d-1) Table 3 Mouse dose coefficients under internal and external irradiation based on GATE and MCNP and their relative deviation compared to Perri et al[15](μGy·kg·Bq-1·d-1)

3. GATE斑马鱼剂量系数计算：根据表 2所列几何参数建立斑马鱼模型，表 4给出了斑马鱼简单模型和具有骨骼的器官模型内外照射剂量系数。对于纯β核素³H，在外照射条件下，由于核素能量过低，斑马鱼模型无输出结果。由于内照射模拟条件为核素在模型整体的内部均匀分布，因此无法单独计算模型内部单一器官或骨骼的剂量系数。

表 4(Table 4)

表 4 不同放射性核素GATE斑马鱼模型剂量系数(μGy·kg·Bq-1·h-1) Table 4 Dose coefficients of GATE zebrafish model of different radionuclides(μGy·kg·Bq-1·h-1) 核素 照射方式 简单模型 器官模型 内脏器官 脊柱 110Ag 外照射 5.08×10-5 5.68×10-5 1.10×10-4 8.6×10-6 内照射 6.33×10-4 6.33×10-4 - - 40K 外照射 2.65×10-4 2.23×10-4 4.41×10-4 6.88×10-5 内照射 3.00×10-4 3.00×10-4 - - 60Co 外照射 3.90×10-3 3.73×10-3 7.16×10-3 9.28×10-4 内照射 1.49×10-4 1.56×10-4 - - 134Cs 外照射 2.56×10-3 2.42×10-3 4.09×10-3 5.53×10-4 内照射 1.11×10-4 1.11×10-4 - - 137Cs 外照射 2.10×10-3 1.88×10-3 3.24×10-3 5.97×10-4 内照射 1.63×10-4 1.63×10-4 - - 3H 外照射 - - - - 内照射 3.27×10-6 3.27×10-6 - - 58Co 外照射 1.59×10-3 1.78×10-3 4.71×10-3 3.31×10-4 内照射 3.04×10-5 3.05×10-5 - - 注："-".无数据; GATE.Geant 4放射性断层扫描应用程序

表 4 不同放射性核素GATE斑马鱼模型剂量系数(μGy·kg·Bq-1·h-1) Table 4 Dose coefficients of GATE zebrafish model of different radionuclides(μGy·kg·Bq-1·h-1)

4. GATE斑马鱼内照射DC与BiotaDC软件内照射DC对比：ICRP136号报告中提出，根据已知的生物体剂量系数，可对不同体积和质量生物的剂量系数进行插值计算，并提供BiotaDC软件以供计算使用。该软件假设生物体是单一的简单椭球体，填充材料为水，计算时内照射源项能量设置为连续β谱的数值积分。为对比简单椭球模型与材料异质性模型的差异，利用软件建立与本研究模型中相同大小的椭球模型，得到相同内照射条件下相应核素内照射剂量系数值，将得到的结果与本文建立的斑马鱼模型相比较，结果如表 5所示。比值越接近1，说明计算值与BiotaDC导出值越接近。结果显示，大部分核素与BiotaDC导出值有明显差异，这可能是由于使用的材料类型及源项选择不同导致的。

表 5(Table 5)

表 5 斑马鱼模型GATE内照射计算结果与BiotaDC导出结果对比 Table 5 Comparison of the calculation results of zebrafish model GATE internal irradiation and the results derived from BiotaDC 核素 简单模型/BiotaDC 器官模型/BiotaDC 3H 1.000 1.000 134Cs 0.794 0.794 137Cs 0.755 0.755 58Co 0.710 0.709 40K 0.653 0.653 110Ag 0.397 0.397 60Co 0.374 0.374 注：GATE. Geant 4放射性断层扫描应用程序

表 5 斑马鱼模型GATE内照射计算结果与BiotaDC导出结果对比 Table 5 Comparison of the calculation results of zebrafish model GATE internal irradiation and the results derived from BiotaDC

5. GATE斑马鱼器官剂量系数计算：表 6给出了外照射条件下斑马鱼内脏器官和骨骼与全身剂量系数的差异。值得关注的是，内脏器官剂量系数大于全身的剂量系数，这可能是由于小体积的靶器官接受更多的射线作用。

表 6(Table 6)

表 6 斑马鱼模型内脏、脊柱外照射剂量系数与全身外照射剂量系数之比 Table 6 The ratio of external dose coefficients of viscera and bone in zebrafish model and whole body 核素 内脏器官/全身 脊柱/全身 3H - - 134Cs 1.691 0.229 137Cs 1.723 0.318 58Co 2.648 0.189 40K 1.977 0.309 110Ag 1.928 0.151 60Co 1.918 0.249 注："-".无数据

表 6 斑马鱼模型内脏、脊柱外照射剂量系数与全身外照射剂量系数之比 Table 6 The ratio of external dose coefficients of viscera and bone in zebrafish model and whole body

随着公众环保意识的不断提升，越来越多的研究开始关注辐射带来的环境风险。已有很多研究表明，生活在核设施周围的非人类物种长期处于低剂量暴露环境中^[17-18]，因此对非人类物种的辐射影响进行评估，能够有效的保护生态环境，有助于核电可持续发展。研究人员积极对我国核电站及其周围环境辐射水平进行监测和研究，探究保护生态环境和人类的最佳方案^[19-23]。ICRP也在致力于解决非人类物种辐射防护和剂量估算的问题，但由于生物的多样性，仅根据生物的代表性提出了部分参考动植物，并针对其外形大小，以整体为单位计算了相应的剂量系数^{[4, 10]}。在之后的研究中，使用插值法对不同几何大小椭球体生物进行计算。有研究证实，非人类物种的辐射剂量数据和剂量-效应关系可外推至人体^[24]，因此，计算非人类物种辐射剂量对研究人类辐射损伤也十分有益。Akram等^[25]通过计算基于体素的大鼠和青蛙模型的全身光子和电子吸收分数的研究表明，源在体内均匀分布所带来的不确定性在30%，没有内部器官的简化模型不足以进行精确的内部剂量测定，组织不均匀性带来的能量沉积是不容忽视的。因此，虽然整体模型对保护环境而言是适用的，但对于详细研究非人类物种的辐射影响还有所欠缺。作为水生生物斑马鱼，与人类基因有87%的相似度^[26]，其本身的生活环境以及在生物实验中的优势，对研究核电液态流出物环境影响十分有利，也有助于进一步研究人体辐射剂量与生物效应的关系。因此，建立具有内部器官的斑马鱼模型，对研究人类及非人类物种辐射防护都是有利的。

综上，本研究建立了斑马鱼简单几何模型，计算了核电液态流出物及其周围环境监测中常见的7种放射性核素对斑马鱼两种模型的内外照射剂量系数。结果表明，仅考虑外照射的光子作用时，斑马鱼模型³H的输出值为0，可能是因为模拟粒子数不足所造成的计算误差，同时也证实了ICRP的考虑，即在外照射情况时，只使用光子沉积的剂量。在内照射条件下，GATE DC与BiotaDC相比，大部分核素产生了一定的差异。在加入密度高的不均匀组织后，个别核素的内照射剂量系数出现轻微上升。通过对比体素和简单椭球模型内照射剂量发现，内部结构复杂程度越高的模型，可能会带来更多的能量沉积^[27]。对于低穿透辐射(³H)两种模型的具有很好的一致性，而对于高能β-γ发射体(如⁶⁰Co和¹¹⁰Ag)，模型的一致性较差，并且GATE斑马鱼模型呈现一个较大的结果。这可能是由于模拟内照射条件时，⁶⁰Co、¹¹⁰Ag的俄歇电子和内转换电子中高能量粒子占比更高引起；同时，说明高能粒子发射体的剂量系数受内部结构复杂程度影响较大。比较斑马鱼模型内脏器官与骨骼外照射剂量系数与全身剂量系数，内脏器官出现比全身更高的值，该结果提示，全身的剂量系数有可能不足以代表身体内部某个器官的剂量系数值，甚至不能满足保护非人类物种的需要。

出于方便模型和剂量系数比较的目的，本研究进行了某些假定，这些假定在实践情况下可能存在一定的局限性。首先是假定核素在斑马鱼体内均匀分布，这一假定对于某些存在体内再分布的核素而言不一定适用^[28-29]；其次，本研究由于客观条件限制也未对斑马鱼样品开展全元素组成分析，而是用人体相应器官组成进行替代，这对于某些低能射线而言可能是误差的重要来源；第三，因鱼体较小，本研究也并未开展不同器官之间滞留核素相互影响的定量分析。上述假定和不足都是下一步斑马鱼精细化建模工作的重点。另外，将剂量模拟结果结合生物动力学实验进行参数修正和模型应用可能会对客观评估流出物辐射环境影响起到积极促进作用。

利益冲突  无

作者贡献声明  薛惠元建立模型，撰写论文；张世翔、刘坤采集和整理数据；张烨锋、李圣日负责文献收集和数据分析；万骏、崔凤梅、涂彧和孙亮指导论文修改