Izotopové složení vody je procento molekul s různou izotopovou hmotností (izotopologů) ve vodě. Obsah vody tvořené lehkými stabilními izotopy 1 H 2 16 O („lehká voda“, na rozdíl od „ těžké vody “ obsahující zvýšené množství těžkého izotopu vodíku 2H ) v přírodní vodě je 99,73 - 99,76 mol. %. [1] [2]
Izotopy jsou odrůdy atomů stejného chemického prvku, které mají stejný jaderný náboj a strukturu elektronových obalů, lišících se hmotností jader. Hmotnostní rozdíl je způsoben tím, že izotopová jádra obsahují stejný počet protonů p a různý počet neutronů n . Kombinace různých izotopových atomů dávají sadu izotopologických molekul.
Izotopologové jsou molekuly, které se liší pouze izotopovým složením atomů, ze kterých jsou složeny. Izotopolog je složen z alespoň jednoho atomu určitého chemického prvku, který se od ostatních liší počtem neutronů.
Molekula vody se skládá ze dvou atomů vodíku a jednoho atomu kyslíku.
Existenci izotopů vodíku poprvé potvrdil v publikaci [3] z roku 1932 americký fyzikální chemik G. Urey .
Vodík má dva stabilní izotopy - protium (H) - 1 H a deuterium (D) - 2 H.
Kyslík má tři stabilní izotopy: 16 O, 17 O a 18 O (tabulka 1).
| Živel | Vodík | Kyslík | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Izotop | H | D | 16 O | 17 O | 18 O |
| Počet protonů v jádře | jeden | jeden | osm | osm | osm |
| Počet neutronů v jádře | 0 | jeden | osm | 9 | deset |
| Atomová hmotnost | jeden | 2 | 16 | 17 | osmnáct |
Kombinace 5 stabilních izotopů vodíku a kyslíku dává soubor 9 molekul izotopologů vody (tabulka 2).
| izotopolog | 1H2160 _ _ _ _ | 1 HD 16 O | D216O _ _ _ | 1H2170 _ _ _ _ | 1 HD 17O _ | D217O _ _ _ | 1H2180 _ _ _ _ | 1 HD 18O _ | D218O _ _ _ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Izotopy vodíku | 1 h _ | 1H , D | D | 1 h _ | 1H , D | D | 1 h _ | 1H , D | D |
| Izotopy kyslíku | 16 O | 16 O | 16 O | 17 O | 17 O | 17 O | 18 O | 18 O | 18 O |
| Molekulová hmotnost | osmnáct | 19 | dvacet | 19 | dvacet | 21 | dvacet | 21 | 22 |
Molekula 1 H 2 16 O je nejlehčí ze všech izotopologů vody. Právě voda 1 H 2 16 O by měla být považována za klasickou nebo lehkou vodu.
Lehká voda jako monoizotopové složení 1 H 2 16 O je limitujícím případem izotopové čistoty. V přirozených podmínkách taková čistá světlá voda neexistuje. Pro získání izotopologu 1 H 2 16 O se provádí jemné vícestupňové čištění přírodních vod nebo se syntetizuje z počátečních prvků 1 H 2 a 16 O 2 .
Přírodní voda je vícesložková směs izotopologů. Obsah nejlehčího izotopologu v něm výrazně převyšuje koncentraci všech ostatních dohromady. V přírodních vodách obsahuje 1 000 000 molekul v průměru 997 284 molekul 1 H 2 16 O, 311 molekul 1 HD 16 O, 390 molekul 1 H 2 17 O a asi 2005 molekul 1 H 2 18 O.
Koncentrace molekul vody obsahující těžké izotopy D, 17 O, 18 O v přírodní vodě se pohybuje v mezích stanovených v hlavních standardech izotopového složení hydrosféry SMOW a SLAP (tabulka 3). Hmotnostní množství izotopologů v přírodní vodě se vypočítávají na základě přímého stanovení jejich obsahu molekulovou spektroskopií [4] .
| Izotopolog vody | Molekulová hmotnost | Obsah, g/kg | |
|---|---|---|---|
| SMOW | POLÍČEK | ||
| 1H2160 _ _ _ _ | 18,01056470 | 997,032536356 | 997,317982662 |
| 1 HD 16 O | 19,01684144 | 0,328000097 | 0,187668379 |
| D216O _ _ _ | 20,02311819 | 0,000026900 | 0,000008804 |
| 1H2170 _ _ _ _ | 19,01478127 | 0,411509070 | 0,388988825 |
| 1 HD 17O _ | 20.02105801 | 0,000134998 | 0,000072993 |
| D217O _ _ _ | 21,02733476 | 0,000000011 | 0,000000003 |
| 1H2180 _ _ _ _ | 20,01481037 | 2,227063738 | 2,104884332 |
| 1 HD 18O _ | 21.02108711 | 0,000728769 | 0,000393984 |
| D218O _ _ _ | 22,02736386 | 0,000000059 | 0,000000018 |
Jak je patrné z tabulky 3, v přírodní vodě může hmotnostní koncentrace těžkých izotopologů dosáhnout 2,97 g/kg, což je významná hodnota, srovnatelná např. s obsahem minerálních solí.
Přírodní voda, která se svým obsahem izotopologu 1 H 2 16 O blíží standardu SLAP, a také speciálně čištěná s výrazně zvýšeným podílem tohoto izotopologu ve srovnání se standardem SLAP, je definována jako extra čistá lehká voda (méně přísná definice, která je použitelná v reálném životě).
V lehké vodě je podíl nejlehčího izotopologu (mol. %):
99,76 < 1H2i60 < 100 .
Pokud z vody splňující normu SMOW odstraníme všechny těžké molekuly o hmotnostním obsahu 2,97 g/kg a nahradíme je 1 H 2 16 O, pak se hmotnost 1 litru takto lehké a izotopově čisté vody sníží o 250 mg. . Parametry lehké vody, především její „lehkost“ a izotopové složení lze tedy měřit metodami jako hmotnostní spektrometrie , gravimetrie , laserová absorpční spektroskopie [6] , NMR .
Obsah těžkých izotopů vodíku a kyslíku v přírodních vodách je určen dvěma mezinárodními standardy zavedenými Mezinárodní agenturou pro atomovou energii (IAEA) [7] [8] :
Podle mezinárodního standardu VSMOW je absolutní obsah deuteria a kyslíku-18 ve vodě oceánu [9] : D VSMOW / 1 H VSMOW=(155,76±0,05)⋅10 −6 , neboli 155,76 ppm 18 O VSMOW/ 16 O VSMOW \u003d (2005,20 ± 0,45) ⋅ 10-6 nebo 2005 ppm. Pro standard SLAP jsou koncentrace ve vodě [10] : deuterium D/H=89⋅10 −6 nebo 89 ppm, kyslík-18 18 O/ 16 O=1894⋅10 −6 nebo 1894 ppm.
Obsah lehkého izotopologu 1 H 2 16 O ve vodě odpovídající izotopovému složení VSMOW je 997,0325 g/kg (99,73 mol. %). Podíl nejlehčího izotopologa ve vodě odpovídající izotopovému složení SLAP je 997,3179 g/kg (99,76 mol. %).
Norma SLAP charakterizuje nejlehčí přírodní vodu na Zemi. Voda v různých částech světa není ve své lehkosti stejná.
Izotopologové se od sebe liší fyzikálními, chemickými a biologickými vlastnostmi (tab. 4).
| Fyzikální vlastnosti | 1H2160 _ _ _ _ | D216O _ _ _ | 1H2180 _ _ _ _ |
|---|---|---|---|
| Hustota při 20 °C, g/cm3 | 0,9970 | 1,1051 | 1,1106 |
| Maximální teplota hustoty, °C | 3,98 | 11.24 | 4.30 |
| Teplota tání při 1 atm, °C | 0 | 3,81 | 0,28 |
| Bod varu při 1 atm, °C | 100 | 101,42 | 100,14 |
| Tlak par při 100 °C, Torr | 760,00 | 721,60 | 758,10 |
| Viskozita při 20 °C, centipoise | 1,002 | 1,247 | 1,056 |
Rovnovážný tlak par izotopologů vody se liší, a to poměrně výrazně. Čím menší je hmotnost molekuly vody, tím vyšší je tlak par, což znamená, že pára v rovnováze s vodou je vždy obohacena o lehké izotopy kyslíku a vodíku. Vzhledem k malé hmotnosti prvků je rozdíl v hmotnostech izotopů velký, proto jsou schopny v přírodních procesech silně frakcionovat: D/H → 100 %, 18 O/ 16 O → 12,5 %. Izotopy vodíku a kyslíku se nejúčinněji frakcionují v procesech odpařování-kondenzace a krystalizace vody.
Výsledky experimentálních studií naznačují rozdíl ve fyzikálně-chemických vlastnostech lehké vody a deionizované vody přirozeného izotopového složení [11] .
Těžké izotopology v přírodní vodě jsou nečistoty ve vztahu k 1 H 2 16 O, které lze podle některých studií považovat za strukturální defekty [12] .
Odstranění heterogenity vody z hlediska izotopového složení vede ke zvýšení její homogenity. Lehká voda je více homogenní kapalina. Těžké izotopové molekuly obsažené ve vodě v přirozených koncentracích nemají prakticky žádný znatelný vliv na neživé systémy. V největší míře se účinky lehké vody projevují u biologických objektů, které se vyznačují kaskádovými reakcemi.
Poprvé byly inhibiční (inhibiční) vlastnosti těžké vody pro růst semen objeveny v roce 1934 Gilbertem Lewisem. [13]
Kultivace buněk v těžké vodě prudce urychluje proces stárnutí a vede ke smrti kultury. [14] [15]
V pokusech na savcích (myších), kteří byli krmeni váženou vodou (3% těžká voda), se ukázalo, že negativní účinky narůstají z generace na generaci, včetně snížení aktivity samců a schopnosti laktace u samic, snížení na váze novorozenců a zhoršení stavu vlny. Třetí generaci zvířat, která pila váženou vodu, se nepodařilo získat.
Naopak pitná voda s nízkým obsahem deuteria způsobila zvýšenou sexuální aktivitu u samců již v první generaci. U samic byla pozorována vícečetná březost s větším nárůstem hmotnosti potomků. [14] [15]
Reakce biosystémů při vystavení vodě se může lišit v závislosti na kvantitativních a kvalitativních změnách v jejím izotopovém složení. V průběhu evoluce živých organismů docházelo k selekci biochemických procesů s jejich laděním pouze na jeden izotop, obvykle světlo [16] . V lidském těle „dochází k frakcionaci izotopů, doprovázené odstraňováním těžkých stabilních izotopů vodíku a kyslíku z vody“ [17] . Použití vody se zvýšenou koncentrací těžkých izotopů, zejména deuteria, vyvolává výrazné toxické účinky na úrovni těla [18] [19] . Zároveň byla na různých lokalitách zaznamenána pozitivní biologická aktivita vod s nižším (v poměru k přirozenému) obsahem těžkých izotopologů, zejména deuteria a kyslíku 18 [20] [21] . Systematické studie prováděné v Ústavu biomedicínských problémů Ruské akademie věd při Ústavu biomedicínských problémů Ruské akademie věd o vytvoření biotopu pro kosmonauty s optimálním izotopovým složením biogenních chemických prvků ukázaly, že voda se sníženou obsah těžkých izotopových molekul ve srovnání s přirozeným obsahem těžkých izotopových molekul je nezbytnou součástí systému podpory života kosmonautů při dlouhodobých letech [22]
Lehká voda jako univerzální médium, ve kterém probíhají všechny biologické reakce, zvyšuje rychlost těchto reakcí ve srovnání s vodou přirozeného izotopového složení. Tento efekt je známý jako kinetický izotopový efekt rozpouštědla [23] .
Transportní vlastnosti lehké vody byly prokázány při studiu vlivu těžkých izotopologů ve složení přírodní vody na dynamiku odstraňování barviva methylenová modř z čichového systému drápatých žab [24] .
Čištění vody od těžkých izotopologů má nejsilnější vliv na energetický aparát živé buňky. Dýchací řetězec mitochondrií se vyznačuje kaskádovými reakcemi. Těžké izotopology zpomalují rychlost respiračních řetězových reakcí. Na příkladu reakce tvorby peroxidu vodíku mitochondriemi s kyselinou jantarovou jako substrátem byl experimentálně prokázán obecný inhibiční účinek izotopologů těžké vody. Snížení jejich obsahu ve vodě na úroveň pod přirozené koncentrace deinhibuje a významně urychluje studovanou reakci [25] .
Lehká voda vykazuje protinádorovou aktivitu, což je ukázáno v pracích vědců prováděných ve výzkumných centrech v různých zemích [26] [27] [28] [29] . Podle G. Shomlai výsledky klinických studií provedených v letech 1994-2001. v Maďarsku ukázaly, že míra přežití pacientů, kteří konzumovali lehkou vodu v kombinaci s tradičními metodami léčby nebo po nich, je vyšší než u pacientů, kteří používali pouze chemoterapii nebo radiační terapii [30] .
Toxikoprotektivní vlastnosti lehké vody byly potvrzeny experimentálními studiemi [31] [32] , z nichž vyplývá, že lehká voda, přečištěná od těžkých izotopologů, díky svým transportním vlastnostem účinně odstraňuje toxiny a produkty metabolismu z těla.
Byl také zaznamenán vliv lehké vody na pacienty s diabetem II. Výsledky otevřené preklinické studie trvající 90 dní ukázaly, že pod vlivem lehké vody u dobrovolníků došlo ke snížení zvýšené hladiny glukózy nalačno a inzulinové rezistence [33] .
Existuje také názor, že existence zvláštních biologických vlastností lehké vody nebyla prokázána [34] .
Úroveň deprese v populaci USA vysoce koreluje s geografickou distribucí deuteria a řada nezávislých experimentů na zvířatech potvrdila příčinnou souvislost deprese a anhedonie s obsahem deuteria v pitné vodě. Bylo prokázáno, že nahrazení běžné pitné vody vodou ochuzenou o deuterium působí proti depresi způsobem srovnatelným s antidepresivy. Pitná voda ochuzená o deuterium by mohla být základem nové strategie prevence deprese. [35] [36]