Биологические свойства воды с разным изотопным составом. Научная электронная библиотека Изотопы в составе воды

Важнейшие для здоровья параметры питьевой воды

Изотопный состав питьевой воды

Данная тема в настоящее время в России не популярна, но крайне важна в силу своих перспектив.

Что представляет собой вода - H 2 O - с точки зрения образующих ее элементов?

99,727% приходится на долю молекул воды, состоящих из протия и кислорода-16, т.е. на долю молекул 1 H 2 16 O.

Более тяжелая вода представлена в пропорциях: H 2 18 O - 73.5%; 1 H 2 17 O - 14,7%; 1 HD 16 O - 11,5%. В воде пресноводных источников содержание тяжеловодородной воды 1 HD 16 O составляет около 330 мг/литр, а тяжелокислородной воды 1 H 2 18 O - около 2 грамм/литр. Такие концентрации сопоставимы с содержанием солей и даже превышают их предельно допустимые нормы . Содержание дейтерия изменяется от 90 ppm в воде из антарктического льда до 180 ppm в водоемах Сахары.

Научно доказано, что природная вода с пониженным содержанием тяжелых изотопов водорода и кислорода обладает стимулирующими и лечебными свойствами . Т.е. живая клетка реагирует даже на небольшое изменение содержания тяжелых изотопов в воде.

Дейтерий - универсальный ингибитор жизни. Он всегда присутствует в любой воде. Его концентрация определяет качество питьевой воды.

Если рассматривать дейтерий как микроэлемент, входящий в состав не только воды, но важнейших органических соединений, то по значимости его можно поставить на одно из первых мест, если не на первое место. Среди других элементов в организме человека D оказывается сразу за натрием. Его содержание в плазме крови в 4 раза больше, чем калия, в 6 раз больше, чем кальция, в 10 раз больше, чем магния и намного больше содержания таких важнейших микроэлементов, как фтор, железо, йод, медь, марганец и кобальт. Про кальций знают все. Кто обращает внимание на дейтерий?

В домашних условиях полностью очистить воду от дейтерия невозможно, да это и не нужно. Для получения оздоровительного эффекта важно лишь снизить его концентрацию. Из доступных вариантов известен метод приготовления протиевой воды. Суть метода в замораживании отфильтрованной воды в холодильнике. Когда на поверхности воды и стенках емкости появится первый лед, воду надо перелить в другую емкость, а лед выбросить, т.к. он будет содежать повышенную концентрацию дейтерия. Причина этого в том, что тяжелая вода замерзает при +3,8°C. При казалось бы очевидной надежности такого метода, он не дает существенного снижения содержания тяжелой воды, т.к. в действительности первой замерзает не тяжелая вода, а вода, находящаяся ближе всего к холодным стенкам емкости. Однако, если активно перемешивать воду в процессе ее охлаждения, то образующиеся в ней кристаллы, действительно содержат повышенную концентрацию тяжелой воды.

Снижение концентрации тяжелой воды даже на 2-3% резко увеличивает биостимулирующие свойства воды.

Бытовые приборы для определения концентрации дейтерия не известны.

Бытовые приборы для приготовления легкой воды неизвестны.

Но один из революционных скачков в качестве подготовки питьевой воды в ближайшие годы будет сделан именно в этом направлении.

Глоссарий

Изотоп - атом одного и того же химического элемента, ядро которого имеет то же число протонов, что и основной элемент, но разное количество нейтронов. В силу этого изотопы имеют различные атомные массы.

Протий - стабильный изотоп водорода с массовым числом 1. Ядро атома протия состоит из одного протона.

Дейтерий - D, 2 Н, тяжёлый водород, стабильный изотоп водорода с массовым числом 2. Большое различие в массах D и 1 Н обусловливает существенную разницу в их свойствах (например, скорости некоторых химических реакций различаются для веществ, содержащих D и 1 Н, в 5-10 раз).

Тритий - наиболее тяжелый изотоп водорода с массовым числом 3.

ppm - parts per million - количество частиц на миллион.

n . Комбинации различных атомов-изотопов дают набор молекул-изотопологов.

Изотопологи - молекулы, различающиеся только по изотопному составу атомов, из которых они состоят. Изотополог имеет в своём составе, по крайней мере, один атом определенного химического элемента, отличающийся по количеству нейтронов от остальных.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Впервые существование изотопов водорода подтверждено в публикации 1932 г. американским физико-химиком Г. Юри .

Водород имеет два стабильных изотопа - протий (Н) - 1 H и дейтерий (D) - 2 H.

У кислорода три устойчивых изотопа: 16 O, 17 O и 18 O (табл.1).

Комбинации 5 стабильных изотопов водорода и кислорода дают набор 9 молекул-изотопологов воды (табл.2).

Молекула 1 H 2 16 O является самой лёгкой из совокупности всех изотопологов воды. Именно воду 1 H 2 16 O следует считать классической или лёгкой водой.

Природная вода представляет собой многокомпонентную смесь изотопологов. Содержание самого лёгкого изотополога в ней значительно превосходит концентрацию всех остальных вместе взятых. В природных водах в 1000000 молекул в среднем содержится 997284 молекул 1 H 2 16 O, 311 молекул 1 HD 16 O, 390 молекул 1 H 2 17 O, и около 2005 молекул 1 H 2 18 O.

Концентрация молекул воды, содержащих тяжёлые изотопы D, 17 O, 18 O, в природной воде колеблется в пределах, зафиксированных в основных стандартах изотопного состава гидросферы SMOW и SLAP (табл.3). Весовые количества изотопологов в природной воде рассчитаны на основании данных прямого определения их содержания методом молекулярной спектроскопии.

Таблица 3. Рассчитанные весовые количества изотопологов в природной воде, соответствующие международным стандартам SMOW (средняя молекулярная масса = 18,01528873) и SLAP (средняя молекулярная масса = 18,01491202), .

Изотополог воды	Молекулярная масса	Содержание, г/кг
		SMOW	SLAP
1 H 2 16 O	18,01056470	997,032536356	997,317982662
1 HD 16 O	19,01684144	0,328000097	0,187668379
D 2 16 O	20,02311819	0,000026900	0,000008804
1 H 2 17 O	19,01478127	0,411509070	0,388988825
1 HD 17 O	20,02105801	0,000134998	0,000072993
D 2 17 O	21,02733476	0,000000011	0,000000003
1 H 2 18 O	20,01481037	2,227063738	2,104884332
1 HD 18 O	21,02108711	0,000728769	0,000393984
D 2 18 O	22,02736386	0,000000059	0,000000018

Как видно из таблицы 3, в природной воде весовая концентрация тяжёлых изотопологов может достигать 2,97 г/кг, что является значимой величиной, сопоставимой, например, с содержанием минеральных солей.

Природная вода, близкая по содержанию изотополога 1 H 2 16 O к стандарту SLAP, а также специально очищенная с существенно увеличенной долей этого изотополога по сравнению со стандартом SLAP, определяется как особо чистая лёгкая вода (менее строгое определение, которое применимо в реальной жизни).

В лёгкой воде доля самого лёгкого изотополога составляет (мол.%):

99.76 < 1 H 2 16 O ≤ 100.

Если из воды, отвечающей стандарту SMOW, удалить все тяжёлые молекулы, массовое содержание которых составляет 2,97 г/кг и заменить их на 1 H 2 16 O, то масса 1 л такой лёгкой и изотопно чистой воды уменьшится на 250 мг. Таким образом, параметры лёгкой воды, в первую очередь, её «лёгкость» и изотопный состав поддаются измерению с помощью таких методов, как масс-спектрометрия , гравиметрия , лазерная абсорбционная спектроскопия , ЯМР .

Международные стандарты на природные воды различного изотопного состава

Стандарт VSMOW (Vienna Standard Mean Ocean Water) определяет изотопный состав глубинной воды Мирового океана.
Стандарт SLAP (Standard Light Antarctic Precipitation) определяет изотопный состав природной воды из Антарктики.

По международному стандарту VSMOW абсолютное содержание дейтерия и кислорода-18 в океанической воде составляет: D VSMOW / 1 H VSMOW=(155,76±0,05)⋅10 −6 , или 155,76 ppm 18 O VSMOW/ 16 O VSMOW =(2005,20±0,45)⋅10 −6 , или 2005 ppm. Для стандарта SLAP концентрации в воде составляют : дейтерия D/H=89⋅10 −6 или 89 ppm, кислорода-18 18 O/ 16 O=1894⋅10 −6 или 1894 ppm.

Стандарт SLAP характеризует самую лёгкую природную воду на Земле. Вода в различных точках земного шара неодинакова по своей лёгкости.

Физические свойства изотопологов воды

Изотопологи отличаются друг от друга по физическим, химическим и биологическим свойствам (табл.4).

Равновесное давление паров у изотопологов воды различается, и весьма существенно. Чем меньше масса молекулы воды, тем выше давление пара, а это означает, что пар, равновесный с водой, всегда обогащён лёгкими изотопами кислорода и водорода. Относительно малой массы элементов разница масс изотопов велика, поэтому они способны сильно фракционировать в природных процессах: D/H → 100 %, 18 O/ 16 O →12,5 %. Изотопы водорода и кислорода наиболее эффективно фракционируют в процессах испарения-конденсации и кристаллизации воды.

Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о различии физико-химических свойств легкой воды и деионизированной воды природного изотопного состава .

Тяжёлые изотопологи в природной воде являются примесями по отношению к 1 H 2 16 O, которые по некоторым исследованиям можно рассматривать как дефекты структуры .

Устранение гетерогенности воды по изотопному составу приводит к увеличению её гомогенности. Лёгкая вода является более однородной жидкостью. Тяжелоизотопные молекулы, содержащиеся в воде в природных концентрациях, практически не оказывают заметного влияния на неживые системы. В наибольшей степени эффекты лёгкой воды проявляются на биологических объектах, для которых характерны каскадные реакции.

Биологические свойства тяжелой и лёгкой воды

Впервые ингибирующие (тормозящие) рост семян свойства тяжёлой воды были открыты в 1934 году Гилбертом Льюисом.

Культивирование клеток на тяжелой воде резко ускоряет процесс старения и приводит к гибели культуры.

В экспериментах на млекопитающих (мышах), которых поили утяжелённой водой (3% тяжелой воды) было показано, что негативные эффекты нарастают от поколения к поколению, в том числе снижалась активность самцов и способность к лактации у самок, снижался вес новорождённых и ухудшалось состояние шерсти. Третье поколение животных, пивших утяжелённую воду, получить не удалось.
Напротив, поение животных водой с пониженным содержанием дейтерия вызывало повышенную половую активность у самцов уже в первом поколении. У самок наблюдалось многоплодие при большем приросте веса потомства.

Реакция биосистем при воздействии на них воды может изменяться в зависимости от количественных и качественных изменений её изотопного состава. В ходе эволюции живых организмов произошёл отбор биохимических процессов с настройкой их только на один изотоп, как правило, лёгкий . В организме человека происходит «фракционирование изотопов, сопровождающееся удалением тяжёлых стабильных изотопов водорода и кислорода воды» . Применение воды с повышенной концентрацией тяжёлых изотопов, в частности, дейтерия, вызывает выраженные токсические эффекты на уровне организма . В то же время на разных объектах зарегистрирована положительная биологическая активность вод с пониженным, относительно природного, содержанием тяжелых изотопологов, в частности дейтерия и кислорода 18 . Проводимые в ГНЦ РФ «Институт медико-биологических проблем» РАН систематические исследования по созданию среды обитания космонавтов с оптимальным изотопным составом биогенных химических элементов показали, что вода с пониженным по сравнению с природным содержанием тяжелоизотопных молекул является необходимым компонентом системы жизнеобеспечения космонавтов во время длительных полётов

В качестве универсальной среды, в которой идут все биологические реакции, лёгкая вода увеличивает скорость этих реакций по сравнению с водой природного изотопного состава. Этот эффект известен под названием кинетический изотопный эффект растворителя .

Транспортные свойства легкой воды доказаны при изучении влияния тяжелых изотопологов в составе природной воды на динамику выведения красителя метиленового синего из обонятельной системы шпорцевых лягушек .

Наиболее сильное влияние очистка воды от тяжёлых изотопологов оказывает на энергетический аппарат живой клетки. Дыхательную цепь митохондрий отличают каскадные реакции. Тяжёлые изотопологи замедляют скорость реакций дыхательной цепи. На примере реакции генерации перекиси водорода митохондриями с янтарной кислотой в качестве субстрата экспериментально доказан общий ингибирующий эффект тяжёлых изотопологов воды. Снижение их содержания в воде до уровня ниже природных концентраций деингибирует и достоверно ускоряет исследованную реакцию .

Лёгкая вода проявляет противоопухолевую активность, что показано в работах учёных, проводимых в исследовательских центрах разных стран . По данным Г.Шомлаи, результаты клинических испытаний, проведённых в 1994-2001 гг. в Венгрии, показали, что уровень выживаемости больных, употреблявших лёгкую воду в сочетании с традиционными методами лечения или после них выше, чем у больных, использовавших только химио- или лучевую терапию .

Токсикопротекторные свойства легкой воды подтверждены экспериментальными исследованиями , из которых следует, что легкая вода, очищенная от тяжелых изотопологов, за счет своих транспортных свойств эффективно выводит токсины и продукты метаболизма из организма.

Также отмечено влияние легкой воды на пациентов с сахарным диабетом II типа. Результаты открытого предклинического исследования продолжительностью 90 дней показали, что под действием легкой воды у добровольцев снизился повышенный уровень глюкозы натощак и снизилась инсулинорезистентность .

Есть и мнение о недоказанности существования особых биологических свойств лёгкой воды .

Уровень депрессии среди населения США в значительной степени коррелирует с географическим распределением дейтерия, а причино-следственную связь депрессии и ангедонии с содержанием дейтерия в питьевой воде подтвердила серия независимых экспериментов на животных. Было показано, что замена обычной питьевой воды на воду, обедненную по дейтерию, противодействует депрессии сопоставимо с результатами приема антидепрессантов. Питьевая вода, обедненная по дейтерию, может стать средством, лежащим в основе новой стратегии профилактики депрессии.

См. также

Примечания

Кульский Л. А., Даль В. В., Ленчина Л. Вода знакомая и загадочная.- Киев: «Радянська школа», 1982.- 120 с.
Петрянов-Соколов И. В. Самое необычное вещество в мире.// Химия и жизнь. 2007. № 1. с.26.
Harold C. Urey, F. G. Brickwedde, and G. M. Murphy. A Hydrogen Isotope of Mass 2 // Columbia University and the Bureau of Standards.
Rothman et al., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 1998, 60, 665. Rothman et al., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 2003, 82, p.9.
Патент RU 2295493. «Способ и установка для производства лёгкой воды». Соловьев С. П.
Lis G., Wassenaar L. I., Hendry M. J. High-Precision Laser Spectroscopy D/H and 18 O/ 16 O Measurements of Microliter Natural Water Samples.// Anal. Chem. 2008. V. 80 (1). P. 287-293
Ферронский В. И., Поляков В. А. Изотопия гидросферы. М.: Наука, 1983 г.
Craig, H. Standard for Reporting Concentrations of Deuterium and Oxygen-18 in Natural Waters. // Science. 1961. V. 133. PP. 1833−1834.
Hagemann R., Niff G., Roth E. Absolute isotopic scale for deuterium analysis of natural waters. Absolute D/H ratio for SMOW. // Tellus. 1970. V.22. N6. PP.712-715.
De Wit J.C., van der Straaten C.M.; Mook W.G. Determination of the Absolute Hydrogen Isotopic Ratio of VSMOW and SLAP. // Geostandards Newsletter. 1980. V. 4. N. 1. PP. 33−36.
V.V. Goncharuk, V.B. Lapshin, T.N. Burdeinaya, T.V. Pleteneva, A.S. Chernopyatko et al. Physicochemical Properties and Biological Activity of the Water Depleted of Heavy Isotopes // 2011, published in Khimiya i Tekhnologiya Vody, 2011, Vol. 33, No. 1, pp. 15-25. Journal of Water Chemistry and Technology, 2011, Vol. 33, No. 1, pp. 8-13.
Смирнов А. Н., Лапшин В. Б., Балышев А. В., Лебедев И. М., Гончарук В. В., Сыроешкин А. В. Структура воды: гигантские гетерофазные кластеры воды. // Химия и технология воды. - 2005.- № 2. - C. 11-37; Смирнов А. Н., Сыроешкин А. В. Супранадмолекулярные комплексы воды. // Рос. хим. ж. - 2004.- Т.48 - № 2. - C. 125-135
Lewis, G. N. ,Biology of heavy water. Science, 79, 151 (1934)
Торопцев И.В. и др. Биологическая роль тяжелой воды в живых организмах. Вопросы радиобиологии и гематологии, Издательство Томского университета, 1966г.
Оригинал публикации Торопцев И.В. и др. Биологическая роль тяжелой воды в живых организмах. Вопросы радиобиологии и гематологии, Издательство Томского университета, 1966г.
Синяк Ю. Е.., Григорьев А. И. Оптимальный изотопный состав биогенных химических элементов на борту пилотируемых космических аппаратов. // Авиакосмическая и экологическая медицина. 1996. Т. 30, № 4, С. 26.
Синяк Ю. Е., Скуратов В. М., Гайдадымов В. Б., Иванова С. М., Покровский Б. Г. Григорьев А. И. Исследование фракционирования стабильных изотопов водорода и кислорода на международной космической станции. // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2005. Т. 39, № 6, С. 43.

Молекулы воды отличаются друг от друга по своему изотопному составу. В настоящее время известны 5 различных изотопов водорода. Из них только два являются стабильными: самый легкий протий - с атомной массой 1, его обозначают символом 1Н - состоит из 1 протона и 1 электрона, и тяжелый водород, или дейтерий с атомной массой 2, его обозначают символом 2D - состоит из 1 протона, 1 нейтрона и 1 электрона. Третий сверхтяжелый водород (с атомной массой 3) соответственно состоит из 1 протона, 2-х нейтронов и 1 электрона. Тритий радиоактивен, его период полураспада около 12,3 лет. Время жизни остальных изотопов не превышает нескольких секунд .

У кислорода обнаружены шесть изотопов: О14, О15, О16, О17, О18 и О19. Три из них: О16, О17 и О18 - стабильные, а О14, О15 и О19 являются радиоактивными изотопами. Стабильные изотопы кислорода содержатся во всех природных водах: их соотношение таково: на 10000 частей О16 приходится 4 части О17 и 20 частей О18 .

Изотопные или изотопические эффекты воды основаны на различиях в свойствах изотопов водорода и кислорода, обусловленных разницей их атомных масс, моментов инерции, прочности соответствующих химических связей. Относительное различие масс изотопов тем меньше, чем больше атомный номер элемента. У изотопов водорода оно составляет 100 % для дейтерия D (2H) и 200 % для трития Т (3H) по сравнению с протием Н (1H). Поэтому для водорода изотопные эффекты выражены наиболее сильно .

Существует 42 изотополога (комбинации различных атомов-изотопов дают набор молекул-изотопологов) воды (включая стабильные и нестабильные изотопы водорода и кислорода). Из них тридцать три молекулы воды радиоактивные, и девять стабильных, устойчивых молекул воды.

Вероятность образования молекул с разным изотопным составом не одинакова. Самой распространенной является молекула с наименьшей массой, состоящая из водорода - 1 (протия) и кислорода - 16. Содержание других более тяжелых молекул в природе не превышает 0,23 % , содержание изотопных модификаций водыв природе представлено в табл. 1.

Таблица 1

На рис. 6 показано, что количество 2Н в атмосферной влаге и в природных водах зависит от климата, близости региона к морям и ледникам, высоты над уровнем океана. В мировой практике принято выражать содержание дейтерия в ‰ или ppm. Ppm - это число монодейтерированнных
молекул воды на 1 миллион молекул, содержащих только легкий изотоп 1Н. По мере испарения воды с поверхности океана содержание дейтерия изменяется на 20 ppm.

Рис. 6. Фракционирование водорода в атмосферном водяном цикле

В замкнутых водоемах тяжелой воды больше, так как по сравнению с обычной она испаряется менее интенсивно. Поэтому тяжелой воды больше в местностях с жарким климатом .

Обогащается дейтерием и поверхность океана на экваторе (155 ppm) и в тропиках, где свою лепту вносят частые атмосферные осадки, при образовании которых идут процессы конденсации воды из паровой фазы, а тяжелая вода конденсируется быстрее, чем легкая , следовательно, осадки обогащены тяжелой водой.

Самое низкое содержание 2Н в водяных парах над антарктическими льдами ≈ 90 ppm. Невелика доля дейтерия и во льдах Гренландии (126 ppm). Содержание дейтерия в природных водах различного происхождения показано в табл. 2 .

Стоит обратить внимание на то, что содержание дейтерия в природных водах Иркутской области ниже, чем в Европейской части России и в Европе. Так, D/Н в Байкале составляет 137,0 ppm, а в некоторых минеральных источниках - 132,0 ppm, в то время как содержание D аналогичных источниках в Европе не менее 145-150 ppm. Такие данные
могут использоваться при идентификации источника минеральных
и столовых вод (табл. 2).

Таблица 2

Исходя из изотопного состава, выделяют легкую, тяжелую и полутяжелую воду.

Вода только с легкими изотопами в природе не встречается. Нулевая вода состоит из чистого легкого водорода и кислорода воздуха. Эта вода выбрана в качестве эталона: у нее очень постоянный состав. С ней удобно сравнивать воду неизвестного состава: определив разницу в плотности, легко найти содержание дейтерия. Формально протиевую воду называют легкой водой. Рабочим эталоном легкой воды считают смесь разновидностей воды состава 1H216O, 1H217O и 1H218O, взятых в том же соотношении, в котором присутствуют в воздухе соответствующие изотопы кислорода .

Тяжелая вода - это вода, в которой протий полностью замещен на дейтерий и представлена формулой D2О. Изотопный состав по кислороду в этой воде соответствует обычно составу кислорода воздуха. Плотность тяжелой воды 1104 кг/м3. Тяжелая вода кипит при более высокой и замерзает при более низкой температуре, чем легкая .

Полутяжелой называют воду со смешанными молекулами состава HDO. Она есть во всякой природной воде, но получить ее в чистом виде невозможно, потому что в воде всегда протекают реакции изотопного обмена. Атомы изотопов водорода очень подвижны и непрерывно переходят из одной молекулы в другую. Приготовить воду, средний состав которой будет соответствовать формуле полутяжелой воды, нетрудно. Но из-за реакции обмена она будет представлять собой смесь молекул с разным изотопным составом H2O, HDO, D2O .

Кроме всех перечисленных вод, еще существует тяжелокислородная вода с атомной массой кислорода 18 .

Изотопные модификации молекул воды оказывают различное действие на структуру воды. Например, происходит самоорганизация упорядоченной структуры приповерхностного слоя воды в результате ее стабилизации молекулами НDО, обладающими бóльшей энергией ассоциации по сравнению с молекулами Н2О .

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

n . Комбинации различных атомов-изотопов дают набор молекул-изотопологов.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Водород имеет два стабильных изотопа - протий (Н) - 1 H и дейтерий (D) - 2 H.

У кислорода три устойчивых изотопа: 16 O, 17 O и 18 O (табл.1).

Таблица 1. Изотопы воды

Комбинации 5 стабильных изотопов водорода и кислорода дают набор 9 молекул-изотопологов воды (табл.2).

Таблица 2. Изотопологи воды

Лёгкая вода как моноизотопная композиция 1 H 2 16 O является предельным случаем изотопной чистоты. В естественных условиях такой чистой лёгкой воды не существует. Для получения изотополога 1 H 2 16 O ведут тонкую многостадийную очистку природных вод или синтезируют из исходных элементов 1 H 2 и 16 O 2 . Природная вода представляет собой многокомпонентную смесь изотопологов. Содержание самого лёгкого изотополога в ней значительно превосходит концентрацию всех остальных вместе взятых. В природных водах в 1000000 молекул в среднем содержится 997284 молекул 1 H 2 16 O, 311 молекул 1 HD 16 O, 390 молекул 1 H 2 17 O, и около 2005 молекул 1 H 2 18 O. Концентрация молекул воды, содержащих тяжёлые изотопы D, 17 O, 18 O, в природной воде колеблется в пределах, зафиксированных в основных стандартах изотопного состава гидросферы SMOW и SLAP (табл.3). Весовые количества изотопологов в природной воде рассчитаны на основании данных прямого определения их содержания методом молекулярной спектроскопии.

Изотополог воды	Молекулярная масса	Содержание, г/кг
		SMOW	SLAP
1 H 2 16 O	18,01056470	997,032536356	997,317982662
1 HD 16 O	19,01684144	0,328000097	0,187668379
D 2 16 O	20,02311819	0,000026900	0,000008804
1 H 2 17 O	19,01478127	0,411509070	0,388988825
1 HD 17 O	20,02105801	0,000134998	0,000072993
D 2 17 O	21,02733476	0,000000011	0,000000003
1 H 2 18 O	20,01481037	2,227063738	2,104884332
1 HD 18 O	21,02108711	0,000728769	0,000393984
D 2 18 O	22,02736386	0,000000059	0,000000018

В лёгкой воде доля самого лёгкого изотополога составляет (мол.%): 99.76 < 1 H 2 16 O ≤ 100.

Международные стандарты на природные воды различного изотопного состава

Стандарт VSMOW (Vienna Standard Mean Ocean Water) определяет изотопный состав глубинной воды Мирового океана.
Стандарт SLAP (Standard Light Antarctic Precipitation) определяет изотопный состав природной воды из Антарктики.

По международному стандарту VSMOW абсолютное содержание дейтерия и кислорода-18 в океанической воде составляет: D VSMOW / 1 H VSMOW=(155,76±0,05)·10 −6 , или 155,76 ppm 18 O VSMOW/ 16 O VSMOW =(2005,20±0,45)·10 −6 , или 2005 ppm. Для стандарта SLAP концентрации в воде составляют : дейтерия D/H=89·10 −6 или 89 ppm, кислорода-18 18 O/ 16 O=1894·10 −6 или 1894 ppm.

Свойства и эффекты лёгкой воды

Изотопологи отличаются друг от друга по физическим, химическим и биологическим свойствам (табл.4).

Таблица 4. Изменение физических свойств воды при изотопном замещении

Биологические свойства

См. также

Примечания

Кульский Л. А., Даль В. В., Ленчина Л. Вода знакомая и загадочная.- Киев: «Радянська школа», 1982.- 120 с.
Петрянов-Соколов И. В. Самое необычное вещество в мире.// Химия и жизнь. 2007. № 1. с.26.
Rothman et al., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 1998, 60, 665. Rothman et al., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 2003, 82, p.9.
Патент RU 2295493. «Способ и установка для производства лёгкой воды». Соловьев С. П.
Lis G., Wassenaar L. I., Hendry M. J. High-Precision Laser Spectroscopy D/H and 18 O/ 16 O Measurements of Microliter Natural Water Samples.// Anal. Chem. 2008. V. 80 (1). P. 287-293
Ферронский В. И., Поляков В. А. Изотопия гидросферы. М.: Наука, 1983 г.
Craig, H. Standard for Reporting Concentrations of Deuterium and Oxygen-18 in Natural Waters. // Science. 1961. V. 133. PP. 1833−1834.
Hagemann R., Niff G., Roth E. Absolute isotopic scale for deuterium analysis of natural waters. Absolute D/H ratio for SMOW. // Tellus. 1970. V.22. N6. PP.712-715.
De Wit J.C., van der Straaten C.M.; Mook W.G. Determination of the Absolute Hydrogen Isotopic Ratio of VSMOW and SLAP. // Geostandards Newsletter. 1980. V. 4. N. 1. PP. 33−36.
V.V. Goncharuk, V.B. Lapshin, T.N. Burdeinaya, T.V. Pleteneva, A.S. Chernopyatko et al. Physicochemical Properties and Biological Activity of the Water Depleted of Heavy Isotopes // 2011, published in Khimiya i Tekhnologiya Vody, 2011, Vol. 33, No. 1, pp. 15–25. Journal of Water Chemistry and Technology, 2011, Vol. 33, No. 1, pp. 8–13.
Смирнов А. Н., Лапшин В. Б., Балышев А. В., Лебедев И. М., Гончарук В. В., Сыроешкин А. В. Структура воды: гигантские гетерофазные кластеры воды. // Химия и технология воды. - 2005.- № 2. - C. 11-37; Смирнов А. Н., Сыроешкин А. В. Супранадмолекулярные комплексы воды. // Рос. хим. ж. - 2004.- Т.48 - № 2. - C. 125-135
Синяк Ю. Е.., Григорьев А. И. Оптимальный изотопный состав биогенных химических элементов на борту пилотируемых космических аппаратов. // Авиакосмическая и экологическая медицина. 1996. Т. 30, № 4, С. 26.
Синяк Ю. Е., Скуратов В. М., Гайдадымов В. Б., Иванова С. М., Покровский Б. Г. Григорьев А. И. Исследование фракционирования стабильных изотопов водорода и кислорода на международной космической станции. // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2005. Т. 39, № 6, С. 43.
Денько Е. И. Действие тяжёлой воды (D2O) на клетки животных, растений и микроорганизмы. // Усп. совр. биол.. 1970. Т. 70, № 4, С. 41.
Лобышев В. И. Механизмы термодинамических и кинетических изотопных эффектов D2O в биологических системах Автореф. докт. диссертации. Москва, - 1987 (биофак МГУ)
GLEASON J.D., FRIEDMAN I. Oats may grow better in water depleted in oxygen 18 and deuterium. NATURE 256, 305 (24 July 1975)
Bild W, Năstasă V, Haulică I. In vivo and in vitro research on the biological effects of deuterium-depleted water: 1. Influence of deuterium-depleted water on cultured cell growth. // Rom J. Physiol. 2004. V.41. N 1-2. P:53-67.
Sinyak Y., Grigoriev A., Gaydadimov V., Gurieva T., Levinskih M., Pokrovskii B. Deuterium-free water (1H2O) in complex life-support systems of long-tern space missions. // Acta Astronautica. 2003. V. 52, P. 575.
Райхардт К. «Растворители и эффекты среды в органической химии». -М.: «Мир», 1991. - 763 с.
Т.Н. Бурдейная, В.А. Поплинская, А.С. Чернопятко, Э.Н. Григорян. Влияние легкой воды на динамику выведения красителя из обонятельной системы личинок Xenopus laevis // Вода: химия и экология 2011.-№9 - C. 86-91
Pomytkin I.A., Kolesova O.E. //Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2006. V.142. N 5.
Gyöngyi Z, Somlyai G. Deuterium depletion can decrease the expression of C-myc Ha-ras and p53 gene in carcinogen-treated mice. // In Vivo. 2000. V.14. N.3. P. 437.

Водород воды имеет три изотопа: протий 1Н (протон + электрон), дейтерий 2Н или Д (протон + нейтрон + электрон), тритий 3Н или Т (протон + два нейтрона + электрон), с массовыми числами соответственно 1, 2 и 3. Протий и дейтерий - стабильные изотопы. Тритий - бета радиоактивен, период полураспада равен 12,26 года. Атомы Н бывают разной степени возбуждения.

Кроме водорода, изотопы обнаружены и у кислорода, их пять, кроме известного всем стабильного изотопа О16 (с молекулярным весом 16). Три из них оказались радиоактивными - О14, О15 и О19, а О17 и О18 - стабильными. О16, О17 и О18 содержатся во всех природных водах, причем их соотношение (с колебаниями до 1%) таково: на 10000 частей О16 приходится 4 части О17 и 20 частей О18.

По физическим свойствам тяжелокислородная вода меньше отличается от обычной, чем тяжеловодородная. Получают ее из природной воды фракционной перегонкой и используют как источник препаратов с меченым кислородом.

Учитывая все разнообразие изотопного состава водорода и кислорода, можно говорить о большом разнообразии изотопных разновидностей воды. Девять из них включают только стабильные изотопы и составляют основное содержание природной воды. В ней преобладает обычная вода Н12О16 (99,73%), далее следует тяжелокислородные воды Н12О17 (0,04%) и Н12О18 (0,2%), а также изотопная разновидность тяжелой воды H1D1O16 (0,03%).

Кислорода в человеке 60%, но по количеству атомов все живые существа на 2/3 состоят из атомов водорода и на ј из атомов кислорода. Изотопное отношение: П:Д = 1:4700 в материковых водах, П:Д = 1:6800 атомов в морской воде. То есть концентрация в материковых водах Д = 0,0135 ат.% или 0,015 вес%, в морской воде Д = 0,015 ат.% или 0,017 вес%. В природной воде содержание трития ничтожно - всего 10-18 атомных процента. И тем не менее он есть и в питьевой воде.

В зависимости от видов и содержания изотопов водорода (Н, Д, Т) и кислорода (О14, О15, О16, О17, О18, О19), от степени чистоты и загрязнения исследователи выделяют свыше тысячи разновидностей питьевой воды.

У кислорода обнаружены шесть изотопов: О14 О15, О16, О17, О18 и О19. Три из них: О16, О17 и О18 - стабильные, а О14, О15 и О19 являются радиоактивными изотопами. Стабильные изотопы кислорода содержатся во всех природных водах: их соотношение таково: на 10000 частей О16 приходится 4 части О17 и 20 частей О18.

Существует 42 изотополога (комбинации различных атомов-изотопов дают набор молекул-изотопологов1) воды (включая стабильные и нестабильные изотопы водорода и кислорода). Из них тридцать три молекулы воды радиоактивные, и девять стабильных, устойчивых молекул воды.

Вероятность образования молекул с разным изотопным составом не одинакова. Самой распространенной является молекула с наименьшей массой, состоящая из водорода - 1 (протия) и кислорода - 16. Содержание других более тяжелых молекул в природе не превышает 0,23 %, содержание изотопных модификаций водыв природе представлено в табл. 1.

В мировой практике принято выражать содержание дейтерия в ‰ или ppm. Ppm - это число монодейтерированнных молекул воды на 1 миллион молекул, содержащих только легкий изотоп 1Н. По мере испарения воды с поверхности океана содержание дейтерия изменяется на 20 ppm.

Обогащается дейтерием и поверхность океана на экваторе (155 ppm) и в тропиках, где свою лепту вносят частые атмосферные осадки, при образовании которых идут процессы конденсации воды из паровой фазы, а тяжелая вода конденсируется быстрее, чем легкая, следовательно, осадки обогащены тяжелой водой.

Самое низкое содержание 2Н в водяных парах над антарктическими льдами? 90 ppm. Невелика доля дейтерия и во льдах Гренландии (126 ppm). Содержание дейтерия в природных водах различного происхождения показано в табл. 2.

Стоит обратить внимание на то, что содержание дейтерия в природных водах Иркутской области ниже, чем в Европейской части России и в Европе. Так, D/Н в Байкале составляет 137,0 ppm, а в некоторых минеральных источниках - 132,0 ppm, в то время как содержание D аналогичных источниках в Европе не менее 145-150 ppm. Такие данные могут использоваться при идентификации источника минеральных и столовых вод (табл. 2).