Химия и Химики № 3 2014. Аквариум с тритием (модельная экосистема для исследования распределения трития)

Как известно, водород состоит из нескольких изотопов, причем в биологическом плане они далеко не равноценны. Причиной этого является существенное различие атомных масс изотопов водорода, которое влияет на физические и химические свойства соединений.

Миграция дейтерия - тяжелого изотопа водорода в биологических объектах довольно хорошо изучена. С тритием - сверхтяжелым водородом дело обстоит иначе. В отличие от протия и дейтерия тритий радиоактивен. Период полураспада трития составляет 12.3 года. Ядро трития излучает бета-частицу со средней энергией 5.7 кэВ (максимальная энергия 18.59 кэВ), превращаясь при этом в ядро гелия-3.

В природной среде тритий образуется в основном в атмосфере за счет ядерных реакций между протонами и нейтронами космических лучей и ядрами азота, кислорода и аргона. Общее количество природного трития составляет около 1.3·10¹⁸ Бк (3.6 кг), ежегодно образуется около 6.2·10¹⁶ Бк (173 г).

Рождаясь в атмосфере, тритий сосредоточен в основном в гидросфере (около 90 % природных запасов). Основная форма нахождения трития в природе - тритиевая вода HTO. Естественное содержание трития в воде мизерное и не представляет существенной опасности для человека. За стандарт фонового содержания трития принята т.н. тритиевая единица (ТЕ, англ. - TU), которая соответствует содержанию трития 3.2·10^-10 г/л (0.12 Бк/л).

Можно предположить, что длительное время содержание трития в природе оставалось почти постоянным: оно определялось равновесием между образованием трития в ядерных реакциях и его естественным распадом. Однако во время атомных испытаний 1945-1975 гг. в атмосферу было выброшено большое количество трития - 2.4·10²⁰ Бк (665 кг). Большая часть этого трития распалась, но оставшегося количества оказалось достаточно, чтобы повысить естественное содержание трития более чем в 20 раз. Кроме того, тритий образуется при работе атомных реакторов.

По причине низкой энергии бета-излучения и невысокого содержания в окружающей среде тритий долгое время не вызывал опасений. Действительно, проникающая способность бета-частиц трития низкая - их полностью поглощает одежда и внешний слой кожи. Однако тритий - изотоп водорода, поэтому он легко способен проникать внутрь организма, замещая протий в воде и биологических молекулах. Особенно опасно встраивание трития в структуру ДНК. Замещая обычный водород (протий), тритий способен оставаться в молекулах ДНК надолго. Причем в результате распада трития автоматически образуется свободный радикал - даже без участия ионизирующего излучения. Распадаясь, тритий превращается в изотоп гелия, что приводит к разрыву химической связи, образованной тритием с другими атомами. В результате структура ДНК повреждается.

Поэтому исследование миграции трития в организмах и экологических системах представляет значительный интерес. Если дейтерий и тяжелые изотопы кислорода "отторгаются" из биологических организмов, то в случае трития в некоторых случаях наблюдается накопление.

Ниже показаны модельные аквариумы. Они представляют собой пластиковые ящики с водой. В воду добавлен ил - донные отложения. В аквариумы поместили разные виды водорослей (купили на рынке, где продавались товары для аквариумов) и запустили по десятку карасей. Добавили тритиевую воду (суммарная активность - несколько тысяч Бк/л). Аквариумы накрыли полиэтиленом. Для освещения служили лампы дневного света. С помощью компрессора пропускали воздух.

Караси с горем пополам прожили несколько месяцев. Понемногу дохли. Потом выяснилось, что плохо растут водоросли. Чтобы усилить их рост в воду стали барботировать углекислый газ, который получали в колбе реакцией соды и фосфорной кислоты. В результате три последних карася всплыли вверх пузом.

Сейчас эксперимент в завершающей стадии. После его окончания планируется проанализировать воду, донные отложения и растения на содержание трития.

Для изучения данной тематики можно воспользоваться книгой Долін В.В., Пушкарьов А.В., Шраменко І.Ф. та ін. Тритій у біосфері (2012) / Тритий в биосфере [ссылка], а также другой литературой, выложенной на форуме в теме по тритию.