Testing a fundamental assumption in radiation exposure assessments : a study of 137Cs dose in Norwegian reindeer

Abstract

Measuring external contaminant exposure in free-ranging animals is challenging, because of lacking adequate contaminant monitors. Therefore, most wildlife contaminant exposure data are obtained from computer simulation models, like ERICA Tool. However, assumptions used and estimates from models are rarely verified, because of the lack of empirical exposure data. Also, the spatial heterogeneous distribution of radionuclides and the temporal use of habitats by organisms complicate dosimetry simulations. Validation tests of dosimetry models are important for protecting the environment, as they are a core component of ecological risk assessments. We wanted to test if 1) ERICA estimates of individual external dose based on mean soil contaminant concentrations are conservative, and 2) accounting for the spatial-temporal heterogeneity improves dose estimates. We compared external 137Cs dose rates obtained from ERICA Tool with empirical data collected using GPS-coupled contaminant monitors on three semi-domesticated reindeer grazing in the Chernobyl fallout affected mountainous Jotunheimen area, central parts of Southern Norway. Accumulated dose readings and satellite coordinates were obtained on an hourly basis for a period of 5 months. GPS locations were used to define home range and core area for the three individuals. Airborne radiometric survey data on radionuclide concentrations in soil were used to calculate mean soil contaminant concentration in the whole reindeer herding area (grand mean) and area-weighted means for home ranges and core areas. Dose rates were estimated using both grand mean and area-weighted means. We found that modelled estimations using grand mean did not result in a conservative estimate, it under-predicted external 137Cs dose rates in reindeer by 70% on average. Using area-weighted means to account for the spatial-temporal heterogeneity improved the estimates somewhat, but there were still under-predictions of 53% and 46% for area-weighted means for home range and core area, respectively. Thus, simulated dose rates using data reflecting central tendencies in contaminant concentrations might misguide risk assessors. The active dosimeters provided information about variation in dose, giving us the opportunity to briefly look into the potential of using reindeer to map contaminants, by checking for correlations between dose rates and 137Cs concentrations in soil. The results showed some correlation (rs=0.51 on average), but data with higher dose rate values and radionuclide concentrations are needed to obtain more reliable results. Future research should focus on collecting empirical dosimetry data and further test estimation models for different animal species and areas with different contamination concentrations and patterns.

Måling av ekstern kontaminanteksponering hos vilt er utfordrende, på grunn av mangelen på egnet måleutstyr. Det meste av data om ville dyrs eksponering for kontaminanter er derfor hentet fra simuleringsmodeller, som ERICA Tool. Men, antagelser som brukes og estimater fra modellene blir sjeldent verifisert, på grunn av mangel på empirisk eksponeringsdata. I tillegg vil dosimetrisimuleringene kompliseres den heterogene romlige fordelingen av radionuklider og dyrenes tidsbruk av habitater. Dosimetrimodeller er sentrale komponenter i økologisk risikoanalyse, og det er derfor viktig å verifisere dem. Vi ville teste 1) om estimater av individuell ekstern dose fra ERICA, basert på gjennomsnittlig kontaminantkonsentrasjon i jord, er konservative, og 2) om estimater forbedres ved å inkludere den heterogene tidsbruken og fordelingen av radionuklider. Vi sammenlignet eksterne 137Cs doser fra ERICA Tool med empirisk data samlet inn med GPS-koblede dosimetre på tre tamreiner i Jotunheimen, et av områdene i Norge som mottok mest radioaktivt nedfall fra Tsjernobyl-ulykken. Akkumulerte dosemålinger og satellittkoordinater ble innhentet hver time i 5 måneder. GPS-lokasjoner ble brukt til å definere hjemme- og kjerneområde for de tre individene. Radionuklidkonsentrasjon i jord fra radiometriske undersøkelser ble brukt til å finne gjennomsnittskonsentrasjonen av 137Cs i hele beiteområdet og områdevektet gjennomsnittskonsentrasjoner av 137Cs i hjemme- og kjerneområder. Doserater ble estimert for både gjennomsnittskonsentrasjon i beiteområder og områdevektet gjennomsnittskonsentrasjon for hjemme- og kjerneområder. Modellerte estimater med gjennomsnittskonsentrasjon for hele beiteområdet var ikke konservative, med en gjennomsnittlig underestimering av ekstern 137Cs dose hos rein på 70%. Ved å bruke områdevektede gjennomsnittskonsentrasjoner, for å inkludere den romlige og temporale heterogeniteten, ble estimatene noe forbedret, men hadde fortsatt en underestimering på 53% og 46% for arealvektet gjennomsnittskonsentrasjoner i henholdsvis hjemme- og kjerneområde. Dette viser at estimerte doserater med utgangspunkt i data basert på sentrale tendenser i forurensningskonsentrasjoner kan være villedende. Ved å bruke aktive dosimetre fikk vi informasjon om variasjonen i dose og mulighet til å se på potensialet for å bruke rein til kartlegging av kontaminanter. Dette ble undersøkt ved å se etter korrelasjon mellom eksterne 137Cs doserater og 137Cs konsentrasjoner i jord. Resultatene viste en moderat korrelasjon (rs=0.51 i gjennomsnitt). Det trengs data med høyere doserater og radionuklidkonsentrasjoner for å oppnå mer pålitelige resultater. Videre forskning burde fokusere på innsamling av empirisk dosimetridata og videre testing av estimeringsmodeller for andre dyrearter og områder med ulike konsentrasjoner og fordelinger av forurensende stoffer.