植物中有機(jī)氚的定義、形成、測(cè)量及其模型研究,無(wú)機(jī)化學(xué)論文

植物中有機(jī)氚的定義、形成、測(cè)量及其模型研究,無(wú)機(jī)化學(xué)論文氚是核設(shè)施放射性核素劑量評(píng)價(jià)的主要放射性核素之一。由于它是氫的同位素，具有與氫類似的化學(xué)和物理特性，隨著氫的循環(huán)在不同環(huán)境介質(zhì)中遷移轉(zhuǎn)化，因而在核環(huán)境評(píng)價(jià)中，氚作為單獨(dú)的核素進(jìn)行處理。從核設(shè)施釋放出來(lái)氚的主要形式有：氚化水〔ＨＴＯ〕和氚化氫〔ＨＴ〕，釋放到大氣中的ＨＴＯ和ＨＴ〔經(jīng)土壤微生物的作用可轉(zhuǎn)化成ＨＴＯ〕最后被植物吸收，構(gòu)成組織自由水氚〔ＴＦＷＴ〕；進(jìn)入植物體內(nèi)的ＨＴＯ在光合作用下轉(zhuǎn)化合成到植物的有機(jī)物中形成有機(jī)氚〔ＯＢＴ〕［１－３］。與ＨＴＯ相比，ＯＢＴ在植物中有更長(zhǎng)的滯留時(shí)間，劑量轉(zhuǎn)換因子也是ＨＴＯ的２倍多［２，４－５］。對(duì)于人類，一旦食入被氚污染的食物，ＯＢＴ將可能是所受輻射劑量的主要奉獻(xiàn)因素［３，６－７］。同時(shí)ＯＢＴ的含量可用于氚釋放后的溯源研究、生物調(diào)查、大氣污染評(píng)價(jià)和核電站附近居民的劑量評(píng)價(jià)［８］，因而，國(guó)際上關(guān)于植物中ＯＢＴ的研究越來(lái)越遭到關(guān)注［９－１０］。本文就當(dāng)前植物中ＯＢＴ的定義、構(gòu)成、測(cè)量及其模型的研究進(jìn)展進(jìn)行分析，以期為植物中ＯＢＴ的國(guó)內(nèi)研究提供參考。１植物中有機(jī)氚的定義和分類通過(guò)交換和吸收進(jìn)入植物葉片中的ＨＴＯ在植物水分代謝作用下，轉(zhuǎn)化為ＴＦＷＴ，在新陳代謝十分是光合作用下，葉片中組織ＴＦＷＴ中的氚與有機(jī)分子結(jié)合形成ＯＢＴ［１－３，１１］。通常所指的ＯＢＴ為與生物有機(jī)體有機(jī)分子結(jié)合的所有氚原子的總和，根據(jù)氚與有機(jī)分子間化學(xué)鍵的穩(wěn)定與否，ＯＢＴ又可分為兩部分：交換性有機(jī)氚〔Ｅ－ＯＢＴ〕和非交換性有機(jī)氚〔ＮＥ－ＯＢＴ〕［１，３－４］。植物中氚的化學(xué)形態(tài)、交換性和非交換性ＯＢＴ的構(gòu)成差異示于圖１。１．１交換性有機(jī)氚在植物的有機(jī)物中，交換性ＯＢＴ的氚原子與硫〔Ｓ〕、氮〔Ｎ〕或氧〔Ｏ〕原子相聯(lián)，很容易與有機(jī)物周圍水分子中的氫原子發(fā)生同位素交換［１，３］。固然交換性ＯＢＴ是植物中干物質(zhì)的一部分，但它的行為與環(huán)境中的ＨＴＯ和植物中的ＴＦＷＴ一樣，交換性ＯＢＴ的濃度與采樣時(shí)ＨＴＯ的濃度有關(guān)，而且與周圍環(huán)境空氣中的水分交換速度較快，研究表示清楚，植物中交換性ＯＢＴ的濃度變化很大，難以預(yù)測(cè)［４，１２］。在植物中，交換性有機(jī)氚與植物中組織水、無(wú)氚水和周圍環(huán)境的水分通過(guò)同位素交換到達(dá)同位素平衡，因其在植物中的遷移轉(zhuǎn)化行為及生物半排期與ＴＦＷＴ一樣，所以對(duì)人的劑量奉獻(xiàn)也與ＴＦＷＴ一樣［１，１３］。交換性有機(jī)氚的Ｔ－Ｈ交換反響出如今有化學(xué)基團(tuán)的有機(jī)分子中，如ＮＨ、ＯＨ、ＳＨ和ＣＣＨ２等，前３個(gè)氫鍵很容易通過(guò)解離交換和酮鍵轉(zhuǎn)換成－烯醇鍵使氫脫離，由于大部分有機(jī)化合物包含一些交換性氫原子，ＨＴＯ可在很短時(shí)間內(nèi)與這些氫原子進(jìn)行交換，替換這些氫原子［３］。１．２非交換性有機(jī)氚非交換性ＯＢＴ和交換性ＯＢＴ有時(shí)很難區(qū)分。關(guān)于非交換性ＯＢＴ的定義已成為最近幾年來(lái)國(guó)際上爭(zhēng)論的主題［１］。ＩＡＥＡ的國(guó)際合作項(xiàng)目輻射安全環(huán)境模型〔ＥＭＲＡＳ〕程序中的氚和１４Ｃ工作組對(duì)非交換性ＯＢＴ的性質(zhì)進(jìn)行了具體研究［９］，將非交換性ＯＢＴ定義為用無(wú)氚水反復(fù)沖洗后的生物干物質(zhì)燃燒后所得水中的氚，它代表的是ＣＴ鍵構(gòu)成的含氚物質(zhì)和隱藏氚，這兩種氚是活的有機(jī)體通過(guò)自然環(huán)境或生物經(jīng)過(guò)由ＨＴＯ〔或ＨＴ轉(zhuǎn)化成ＨＴＯ〕構(gòu)成的，該定義中，隱藏氚是指干物質(zhì)大生物分子中處于交換位置的氚，但不能用無(wú)氚水反復(fù)沖洗去掉，因而非交換性ＯＢＴ濃度測(cè)量時(shí)也包括隱藏氚在內(nèi)，它與生物化學(xué)中的隱藏氫類似。非交換性有機(jī)氚主要是通過(guò)酶的催化反響由氚原子和碳原子構(gòu)成的ＣＴ鍵，除非有強(qiáng)酸、強(qiáng)堿存在，或在催化作用下，一般情況ＣＴ鍵很穩(wěn)定。由于ＣＴ鍵較穩(wěn)定，牢固地與有機(jī)物結(jié)合在一起，它代表著植物生長(zhǎng)期間周圍環(huán)境中氚結(jié)合進(jìn)有機(jī)物的綜合水平，通常只要在有機(jī)化合物腐爛分解時(shí)才能釋放出來(lái)［２，１３］。因ＣＨ〔ＣＴ〕鍵較穩(wěn)定，非交換性有機(jī)氚排出速度與液態(tài)氚或交換性ＯＢＴ相比擬慢，因而可長(zhǎng)時(shí)間停留在有機(jī)體內(nèi)［１－２，１４］。由于交換性有機(jī)氚的行為與ＨＴＯ類似，為精到準(zhǔn)確評(píng)價(jià)ＯＢＴ的劑量影響，在劑量評(píng)價(jià)中應(yīng)扣除用無(wú)氚水反復(fù)沖洗掉的那部分交換性有機(jī)氚［４］。關(guān)于植物中交換性有機(jī)氚與非交換性有機(jī)氚的比率，當(dāng)前研究較少，僅對(duì)卷心菜、萵苣、土豆、胡蘿卜和甜菜進(jìn)行過(guò)一些研究，結(jié)果表示清楚，交換性ＯＢＴ所占的比例大于２０％，不同植物間該比例的差異較大，在用無(wú)氚污染水灌溉時(shí)交換性ＯＢＴ所占的比例為２０％～３６％，在用氚污染的水灌溉時(shí)ＯＢＴ所占的比例為３０％～５７％［４］。因而，今后對(duì)于不同植物中交換性ＯＢＴ的含量還應(yīng)開(kāi)展大量的試驗(yàn)研究，為精到準(zhǔn)確評(píng)價(jià)ＯＢＴ的食入劑量提供理論根據(jù)。２植物中ＯＢＴ的構(gòu)成經(jīng)過(guò)核設(shè)施釋放出的氚主要化學(xué)形態(tài)為ＨＴＯ和ＨＴ，ＨＴＯ通過(guò)土壤〔通過(guò)干濕沉降進(jìn)入土壤〕或植物的氣孔進(jìn)入植物體內(nèi)，ＨＴ則經(jīng)過(guò)擴(kuò)散到達(dá)土壤并很快在土壤表層微生物的作用下氧化成ＨＴＯ，通過(guò)根部進(jìn)入植物［１－２］。土壤中的ＨＴＯ還可通過(guò)蒸發(fā)作用進(jìn)入大氣或通過(guò)水平和垂直擴(kuò)散在土壤中遷移，土壤表層的液態(tài)ＨＴＯ被植物通過(guò)根部吸收后一部分通過(guò)蒸騰作用進(jìn)入大氣，一部分留在植物中形成了ＴＦＷＴ，還有一部分在葉子中通過(guò)同化作用構(gòu)成ＯＢＴ［１，３］。核設(shè)施氣態(tài)ＨＴＯ和ＨＴ釋放后在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化示于圖２［２］。２．１植物中ＯＢＴ的構(gòu)成很多研究證明，光合作用在ＯＢＴ的同化構(gòu)成經(jīng)過(guò)中起主要作用［１，３］〔圖３〕。光合作用經(jīng)過(guò)牽涉很多生化反響，一些反響需要光能存在，稱為光化學(xué)反響，不需要光化學(xué)反響的稱為暗反響。在白天，水和ＨＴＯ進(jìn)行光解，產(chǎn)生４個(gè)Ｈ＋〔Ｔ＋〕，使氧化型輔酶Ⅱ〔ＮＡＤＰ＋〕復(fù)原，構(gòu)成復(fù)原型輔酶Ⅱ〔ＮＡＤＰＨ〕和Ｈ＋〔Ｔ＋〕，同時(shí)啟動(dòng)了光合磷酸化，形成三磷酸腺苷〔ＡＴＰ〕，這些化合物被用于卡爾文循環(huán)的暗反響中。進(jìn)入葉綠體的ＣＯ２與Ｈ２Ｏ〔ＨＴＯ〕發(fā)生水解反響，產(chǎn)生磷酸甘油酸〔ＰＧＡ〕，這是Ｈ或Ｔ轉(zhuǎn)化進(jìn)入有機(jī)分子最主要的一步，磷酸甘油酸被ＮＡＤＰＨ＋和Ｈ＋〔Ｔ＋〕復(fù)原，此經(jīng)過(guò)需要消耗ＡＴＰ，生成的產(chǎn)物是３－磷酸丙糖，３－磷酸丙糖可將葉綠體運(yùn)出，在細(xì)胞質(zhì)中合成蔗糖和其他有機(jī)化合物，Ｈ＋〔Ｔ＋〕也能與植物體內(nèi)的其他元素構(gòu)成不同的化學(xué)鍵，例如：ＣＨ〔ＣＴ〕、ＳＨ〔ＳＴ〕、ＮＨ〔ＮＴ〕、ＰＨ〔ＰＴ〕等［１，３］。無(wú)論光的強(qiáng)度怎樣，其他的一些生物化學(xué)途徑如氧化呼吸或三羧酸循環(huán)經(jīng)過(guò)也能產(chǎn)生ＯＢＴ［１，９］。另一方面，在植物新陳代謝不同階段會(huì)發(fā)生大量的加氫反響和脫氫反響，這些反響使氫原子〔氚原子〕從一種化合物分子形態(tài)轉(zhuǎn)化成另一種化合物分子形態(tài)，這些經(jīng)過(guò)中ＯＢＴ的生成量遠(yuǎn)小于光反響經(jīng)過(guò)中生成的量，但這些經(jīng)過(guò)也是有一定意義的［１，３］。晚上由于植物葉子的氣孔處于關(guān)閉狀態(tài)，植物的新陳代謝機(jī)制和生理經(jīng)過(guò)不同于白天，因而晚上植物中ＯＢＴ的構(gòu)成與白天有所不同。早在１９５９年就有學(xué)者利用小球藻研究過(guò)ＯＢＴ在無(wú)光條件下的構(gòu)成情況，結(jié)果顯示，結(jié)合進(jìn)不可交換位置的氚是有光條件下的１／３［１１］。近年來(lái)有研究［１，１１，１５］表示清楚，植物中的ＯＢＴ在晚上的構(gòu)成速率為白天的１／５～１／３，固然對(duì)于晚上氣態(tài)ＨＴＯ釋放后植物中有機(jī)氚的構(gòu)成進(jìn)行過(guò)一些試驗(yàn)研究［１５］，但當(dāng)前ＯＢＴ在晚上的構(gòu)成機(jī)制尚不清楚，可能與外部環(huán)境的影響有關(guān)，例如空氣中較高的ＨＴＯ濃度、植物葉片氣孔開(kāi)閉的程度等，因而ＯＢＴ在晚上的構(gòu)成機(jī)制還需通過(guò)大量的試驗(yàn)來(lái)深切進(jìn)入研究。氣態(tài)ＨＴ可以通過(guò)光合作用外的其他途徑產(chǎn)生有機(jī)物質(zhì)［１］，但ＨＴ通過(guò)沉積轉(zhuǎn)化成ＯＢＴ的沉積速率非常低，一些研究發(fā)如今萵苣、馬鈴薯、卷心菜、玉米和草中的沉積速率為０．１１０－１１～４．６１０－１１ｍｓ－１［１，３］，所以在氚的劑量評(píng)價(jià)中ＨＴ通過(guò)沉積途徑合成的ＯＢＴ可忽略。ＨＴ對(duì)植物造成污染的常規(guī)途徑是ＨＴ在植物葉片中和土壤中被氧化成ＨＴＯ然后進(jìn)入植物體［１］。植物中ＯＢＴ的構(gòu)成速率和植物的生長(zhǎng)發(fā)育階段與周圍環(huán)境情況有關(guān)，ＯＢＴ的濃度則主要與環(huán)境因子和植物參數(shù)［１，３，１６］等有關(guān)，研究［１，３，１１，１５］表示清楚影響植物中ＯＢＴ構(gòu)成的因素主要有：植物的品種和器官、生物分子、生長(zhǎng)發(fā)育階段、光和ＣＯ２濃度等。２．２植物中ＯＢＴ的轉(zhuǎn)運(yùn)經(jīng)過(guò)葉子在光反響中積累的有機(jī)氚一部分作為淀粉儲(chǔ)存在葉綠體中，一部分在晚上輸送給細(xì)胞質(zhì)液轉(zhuǎn)化為蔗糖［３］。氚光合同化產(chǎn)物〔蔗糖〕根據(jù)植物本身生長(zhǎng)、能量?jī)?chǔ)存、構(gòu)成果實(shí)等需求從葉片輸送給整個(gè)植物體。蔗糖又可分解為葡萄糖和果糖，葡萄糖和果糖可直接用于產(chǎn)生能量和作為化合物的構(gòu)造。氚結(jié)合進(jìn)有機(jī)分子構(gòu)成ＯＢＴ的合成和轉(zhuǎn)移速率主要與氣態(tài)氚釋放時(shí)植物所處的生長(zhǎng)發(fā)育階段［１，３］有關(guān)。植物可食用部分中ＯＢＴ的濃度和ＯＢＴ的轉(zhuǎn)移速率隨生長(zhǎng)發(fā)育階段變化而變化，例如在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，ＯＢＴ轉(zhuǎn)移給果實(shí)或籽粒中的量較少，而在生殖生長(zhǎng)階段則較多［３］。為定量描繪敘述ＯＢＴ的轉(zhuǎn)運(yùn)，一些研究者用轉(zhuǎn)運(yùn)指數(shù)〔ＴＬＩ〕來(lái)衡量［１，１１］，其定義為：成熟收獲時(shí)籽粒燃燒水中ＯＢＴ的濃度占ＨＴＯ釋放結(jié)束后植物葉片中ＴＦＷＴ濃度的百分比。試驗(yàn)證明ＴＬＩ隨氣態(tài)氚釋放時(shí)植物的生長(zhǎng)發(fā)育階段而變化：ＨＴＯ釋放時(shí)植物處于幼嫩時(shí)期，ＴＬＩ的范圍為０．０６％～０．２％；ＨＴＯ釋放時(shí)植物生長(zhǎng)處于果實(shí)線性生長(zhǎng)階段，則ＴＬＩ的范圍為０．４％～０．９％；ＨＴＯ釋放時(shí)植物處于開(kāi)場(chǎng)成熟時(shí)期，ＴＬＩ的范圍為０．０４～０．２％［１，１１］。２．３植物ＯＢＴ中氚的份額固然植物中的ＨＴＯ和周圍環(huán)境中的ＨＴＯ很快就能到達(dá)平衡，但氚結(jié)合進(jìn)入有機(jī)物的速率較慢，植物中ＯＢＴ和ＯＢＨ的比值從氚釋放開(kāi)場(chǎng)時(shí)逐步升高，但即便在氣態(tài)氚長(zhǎng)期穩(wěn)定暴露情況下，植物有機(jī)物質(zhì)中ＯＢＴ的濃度通常與ＴＦＷＴ的濃度也達(dá)不到平衡［３］。植物中ＯＢＴ的轉(zhuǎn)化較慢，特別是在儲(chǔ)藏器官中［３，１１］，在氚的短時(shí)暴露下，吸收同化ＯＢＴ的總量在植物的整個(gè)生育期中減少的速率較慢，相反，比活度下降的較明顯，由于產(chǎn)生了新的有機(jī)物質(zhì)使植物中的ＯＢＴ得到稀釋。由于氫〔Ｈ〕和氚〔Ｔ〕原子質(zhì)量不同，在ＯＢＴ的合成和分解代謝經(jīng)過(guò)中存在明顯的同位素效應(yīng)［３］。氚〔Ｔ〕的化學(xué)反響速率較氫〔Ｈ〕的慢，因而與氫相比，結(jié)合進(jìn)有機(jī)分子中的氚相應(yīng)要少；但另一方面，ＣＴ鍵的分解斷裂較ＣＨ鍵的慢得多。有研究［１－３］顯示，在ＯＢＴ的構(gòu)成經(jīng)過(guò)中存在明顯的同位素甄別效應(yīng)，不同植物同位素甄別效應(yīng)因子不同，如草為０．５２，萵苣為０．６８，蘿卜為０．４６，番茄為０．７２。比活度率〔ＳＡＲ〕指在植物已給定的庫(kù)室中ＯＢＴ與ＨＴＯ比活度的比，用于衡量生物系統(tǒng)將氚濃縮進(jìn)有機(jī)物中的能力，該比率可用植物中干物質(zhì)完全燃燒產(chǎn)生的水〔水當(dāng)量〕中ＯＢＴ的濃度與植物水中氚濃度的比值來(lái)表示［１］。通常用ＯＢＴ與ＨＴＯ和ＯＢＴ與ＴＦＷＴ的含量比〔ＯＢＴ／ＨＴＯ和ＯＢＴ／ＴＦＷＴ〕來(lái)表示合成進(jìn)入有機(jī)物中氚的量，多種植物的ＯＢＴ／ＨＴＯ和ＯＢＴ／ＴＦＷＴ列于表１。從表１可看出，不同的植物，其ＯＢＴ／ＨＴＯ和ＯＢＴ／ＴＦＷＴ也不同，這是由于ＯＢＴ的構(gòu)成受很多因素的影響［１，３］。從同一地方的不同種類、同一種類的不同樣品或同一樣品的不同部分研究得到的ＯＢＴ濃度不同，植物中ＯＢＴ／ＨＴＯ差異較大，在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，大部分情況下該值小于１，主要是在植物生長(zhǎng)經(jīng)過(guò)或采樣期間植物有機(jī)物中的氚和大氣中的氚很難到達(dá)平衡狀態(tài)，可以能是在有機(jī)物構(gòu)成經(jīng)過(guò)中光合作用的動(dòng)態(tài)同位素效應(yīng)導(dǎo)致的結(jié)果，但另一方面由于熱力學(xué)同位素效應(yīng)，氚在生物大分子內(nèi)部累積，使一些研究者測(cè)量到的ＯＢＴ／ＨＴＯ大于１［３，９］，因ＴＦＷＴ的濃度與空氣水分中的ＨＴＯ濃度永遠(yuǎn)不可能到達(dá)平衡，所以ＯＢＴ／ＴＦＷＴ常大于ＯＢＴ／ＨＴＯ。植物的品種和器官獨(dú)特的生物學(xué)機(jī)制也是導(dǎo)致ＯＢＴ／ＴＦＷＴ和ＯＢＴ／ＨＴＯ不同的原因。果實(shí)和塊莖儲(chǔ)存有機(jī)同化物〔ＯＢＴ〕，而葉片和根不能儲(chǔ)存相應(yīng)的有機(jī)同化物，因而在一些器官中〔假如實(shí)〕可觀察到氚的比活度率大于１〔表１〕，但這并不代表氚在相應(yīng)器官中有富集效應(yīng)，而是由于葉片中的ＯＢＴ向器官轉(zhuǎn)移的結(jié)果。３植物中有機(jī)氚的測(cè)量方式方法由于植物體內(nèi)非交換性ＯＢＴ具有較長(zhǎng)的滯留時(shí)間，它的劑量因子是ＨＴＯ的兩倍多［５］，固然交換性ＯＢＴ是植物干物質(zhì)中的一部分，但由于它的行為與環(huán)境和植物中的ＴＦＷＴ類似，假如在氚的測(cè)量和劑量評(píng)價(jià)中將交換性ＯＢＴ也作為非交換性ＯＢＴ處理，則計(jì)算所得ＯＢＴ的結(jié)果明顯偏保守，為精到準(zhǔn)確分析植物中ＯＢＴ的濃度和評(píng)價(jià)ＯＢＴ造成的食入劑量，在分析測(cè)定ＯＢＴ時(shí)必須扣除交換性ＯＢＴ［４，８，１１，１４，１７］，詳細(xì)的ＯＢＴ測(cè)量步驟示于圖４［４］。３．１交換性ＯＢＴ的測(cè)定因交換性ＯＢＴ中處于交換位置的Ｔ原子不穩(wěn)定，可用同位素交換的方式方法通過(guò)與無(wú)氚水中的Ｈ原子發(fā)生交換反響將交換性ＯＢＴ移去，通常的方式方法是將通過(guò)凍干法去除ＴＦＷＴ的干樣品在足夠量的無(wú)氚水中浸泡１～３ｄ，浸泡的時(shí)間視樣品量的大小而定，可以在加熱系統(tǒng)中用無(wú)氚水蒸氣與枯燥的樣品進(jìn)行同位素交換去除交換性ＯＢＴ，再用凍干法將含有干物質(zhì)的浸泡液中的水分離出來(lái)，測(cè)定華而不實(shí)氚的濃度即為交換性ＯＢＴ的濃度［１，３－４，８，１２，１４，１７］。３．２非交換性ＯＢＴ的測(cè)定非交換性ＯＢＴ的提取主要通過(guò)將樣品放在氧化燃燒裝置中進(jìn)行燃燒打破ＣＴ鍵和ＣＨ鍵，一般情況下，植物樣品中ＯＢＴ的氧化燃燒裝置通常由加熱控制裝置、加熱部分、石英管、石英舟、催化劑、燃燒氣體捕獲系統(tǒng)和尾氣收集裝置組成［１２，１７－１８］，如此圖５所示。通常是將脫水的干樣品在燃燒裝置中通入純的氧氣和氦氣〔或氮?dú)狻郴旌蠚饬鞯那闆r下燃燒，將燃燒產(chǎn)生的水通過(guò)冷凝方式方法捕獲在冷阱中，然后利用蒸餾裝置將燃燒所得水進(jìn)行蒸餾凈化去除華而不實(shí)的雜質(zhì)，通過(guò)測(cè)定燃燒獲得的水中氚的濃度即得非交換性ＯＢＴ的濃度，有時(shí)也使用氧彈燃燒法對(duì)植物樣品進(jìn)行燃燒，獲取燃燒水［４，１２，１７－１８］。由于氚具有很強(qiáng)的流動(dòng)性，在對(duì)樣品中的氚進(jìn)行提取時(shí)應(yīng)十分注意避免樣品間以及樣品和周圍環(huán)境之間的穿插污染。當(dāng)前對(duì)含氚樣品的采集、分離和測(cè)量還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一些對(duì)環(huán)境樣品中氚測(cè)量的比對(duì)研究表示清楚，測(cè)量結(jié)果的差異主要是所用方式方法不同導(dǎo)致的［１４］，當(dāng)前對(duì)于提取和消除交換性ＯＢＴ的最好方式方法在不同的研究者之間分歧很大［１４］，還未完全達(dá)成共鳴。４植物中有機(jī)氚濃度預(yù)測(cè)模型為對(duì)氣態(tài)氚釋放后在環(huán)境中的行為和劑量進(jìn)行評(píng)價(jià)，需了解氚氣態(tài)釋放后植物中氚的濃度以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)氚氣態(tài)釋放后通過(guò)攝入植物制品對(duì)人造成的劑量，所以必須對(duì)氣態(tài)氚釋放后植物中不同形態(tài)的氚濃度進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)和估算［１，９］。２０世紀(jì)６０年代已有對(duì)氣態(tài)氚釋放后在不同環(huán)境介質(zhì)中的濃度預(yù)測(cè)模型的研究，一般根據(jù)氣態(tài)氚釋放時(shí)間分為長(zhǎng)期〔常規(guī)〕釋放和短期〔事故〕釋放兩種，同時(shí)由于交換性ＯＢＴ可看作與ＴＦＷＴ相平衡，所以在模型的研究中將同時(shí)考慮交換性ＯＢＴ與ＴＦＷＴ，不進(jìn)行明確的劃分，ＯＢＴ的模型主要用于非交換性ＯＢＴ研究。４．１長(zhǎng)期釋放情況對(duì)于氣態(tài)氚長(zhǎng)期釋放，一般使用比活度模型預(yù)測(cè)植物中ＯＢＴ的濃度。比活度模型假設(shè)不同環(huán)境介質(zhì)中３Ｈ／１Ｈ的比值是一樣的，當(dāng)前的研究結(jié)果顯示，對(duì)于氣態(tài)氚長(zhǎng)期釋放，利用比活度模型能有效預(yù)測(cè)植物中ＯＢＴ的濃度［９，１９］。氣態(tài)氚長(zhǎng)期釋放情況下，假設(shè)植物的生長(zhǎng)呈線性，ＯＢＴ的構(gòu)成也呈線性增長(zhǎng)，ＯＢＴ在植物體內(nèi)一旦構(gòu)成，就會(huì)保持穩(wěn)定到成熟收獲，不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。由于ＯＢＴ是在有水介入的情況下構(gòu)成的，因而根據(jù)比活度理論，氣態(tài)氚長(zhǎng)期釋放后植物中ＯＢＴ和ＴＦＷＴ的濃度應(yīng)相等，但在光合作用經(jīng)過(guò)中，由于Ｔ和Ｈ質(zhì)量差異較大，氚與氫相比存在同位素甄別效應(yīng)，在氚化水的ＯＨ鍵斷裂經(jīng)過(guò)中，氚原子遭到排擠，結(jié)合進(jìn)入有機(jī)分子的氚原子要少于氫原子；相反，一旦與碳原子結(jié)合構(gòu)成ＣＴ鍵〔與ＣＨ鍵相比，ＣＴ鍵更穩(wěn)定〕，將不易被打開(kāi)而無(wú)法將氚去除，結(jié)果導(dǎo)致植物有機(jī)物質(zhì)中Ｔ／Ｈ的比值較植物水中Ｔ／Ｈ的比值小［３］，因而，植物中ＯＢＴ的濃度等于植物水中ＴＦＷＴ的濃度乘以一個(gè)由于在ＯＢＴ構(gòu)成經(jīng)過(guò)中的同位素效應(yīng)構(gòu)成的甄別因子［７，９，１９］：式中：ＣＯＢＴ為植物中干物質(zhì)完全氧化燃燒產(chǎn)生的水中非交換性ＯＢＴ的濃度，Ｂｑｋｇ－１；ＤＦ為同位素甄別因子；ＣＴＦＷＴ為植物中組織自由水氚的濃度，Ｂｑｋｇ－１。在劑量評(píng)價(jià)中往往關(guān)注的是可食用的植物產(chǎn)品，所以植物產(chǎn)品中ＯＢＴ的濃度等于植物中ＯＢＴ的濃度乘以植物產(chǎn)品中干物質(zhì)部分燃燒水的量，而這些燃燒水的量可通過(guò)植物干物質(zhì)部分的質(zhì)量和這些干物質(zhì)的水的等價(jià)因子計(jì)算得到，因而植物產(chǎn)品中ＯＢＴ的濃度可采用下面公式［７，９，１９］計(jì)算：式中：Ｃｐ－ＯＢＴ為植物產(chǎn)品中ＯＢＴ的濃度，Ｂｑｋｇ－１；ＦＤ為植物產(chǎn)品中平均干物質(zhì)部分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％；Ｗｅｑ為植物產(chǎn)品干物質(zhì)中水的等價(jià)因子。由于植物中ＯＢＴ主要是在光合作用下構(gòu)成的，因而也有研究者借助光合作用模型預(yù)測(cè)植物中ＯＢＴ的濃度［９］，在植物的不同生長(zhǎng)發(fā)育階段，由于其光合速率有所差異，其碳水化合物構(gòu)成的量也不同，即結(jié)合進(jìn)有機(jī)物質(zhì)中的氚原子是不同的，因而一些研究者將作物生長(zhǎng)模型結(jié)合光合作用模型運(yùn)用于植物中ＯＢＴ的濃度預(yù)測(cè)模型中［２０］，已有一些比對(duì)研究［９］結(jié)果顯示，對(duì)于氣態(tài)氚長(zhǎng)期釋放的情況，比活度模型和光合作用模型預(yù)測(cè)所得的結(jié)果差異不大。４．２短期釋放情況氣態(tài)氚短期釋放后，由于植物中ＯＢＴ的構(gòu)成與成熟收獲時(shí)的濃度呈現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的經(jīng)過(guò)，而且這些動(dòng)態(tài)變化受很多環(huán)境因素的影響，利用穩(wěn)定狀態(tài)下的比活度模型不能有效預(yù)測(cè)植物中ＯＢＴ的濃度［１，９］，所以一般利用動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)［１，９，２１］。當(dāng)前氣態(tài)氚短期釋放后植物中ＯＢＴ濃度預(yù)測(cè)模型的研究主要借助于植物干物質(zhì)構(gòu)成模型中的一些理論［１５，２１］。由于ＯＢＴ主要是ＴＦＷＴ在葉子內(nèi)通過(guò)光合經(jīng)過(guò)構(gòu)成，其生成量與氣態(tài)ＨＴＯ釋放時(shí)的氣象條件、植物的生長(zhǎng)發(fā)育階段等因素有關(guān)［１，３］。ＨＴＯ的同化速率可用光合作用經(jīng)過(guò)的化學(xué)反響方程［１，２２］得到：由該方程可知，１ｍｏｌ水和１ｍｏｌＣＯ２通過(guò)光合作用能生成１ｍｏｌ的碳水化合物ＣＨ２Ｏ，假如已經(jīng)知道單位時(shí)間和單位外表積植物中每ｋｇＣＯ２的凈同化速率〔ＰＣ〕，則從式〔３〕可知，構(gòu)成的與Ｃ原子相聯(lián)的非交換物質(zhì)為０．４１ＰＣ，由于ＨＴＯ的質(zhì)量大于Ｈ２Ｏ，所以反響速率慢于普通的水分子，在對(duì)植物中ＯＢＴ進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)考慮相應(yīng)的同位素甄別因子ＤＦ。文獻(xiàn)［１，９］以為，不同的植物該值也不同，一般取平均值０．５，取值范圍為０．４５～０．５５。所以植物中ＯＢＴ的濃度可通過(guò)下式［１，２２－２４］估算：式中：ＰＯＢＴ為通過(guò)光合作用構(gòu)成的非交換ＯＢＴ的凈同化速率，Ｂｑｍ－２ｓ－１；０．４１為化學(xué)計(jì)量因子；ＣＴＦＷＴ為發(fā)生光合作用后葉片水中ＨＴＯ的濃度，Ｂｑｋｇ－１。當(dāng)前對(duì)于氣態(tài)氚晚上短期釋放時(shí)植物中ＯＢＴ的形成機(jī)理還了解不夠，晚上植物中ＯＢＴ的構(gòu)成可能與下面一些因素有關(guān)：氧化呼吸、三羧酸循環(huán)和有機(jī)物構(gòu)造的異構(gòu)化和水解分裂反響等經(jīng)過(guò)，有研究者［２４］在上述公式的基礎(chǔ)上加以改良：式中：Ｋ為ＯＢＴ晚上構(gòu)成系數(shù)〔當(dāng)前還不完全清楚，需要通過(guò)更多的試驗(yàn)和植物生理生化理論來(lái)確定〕；ＰＣ－Ｖ為當(dāng)天白天ＣＯ２凈同化速率的平均值，ｋｇｍ－２ｓ－１。因氣態(tài)氚短期釋放后，ＯＢＴ隨植物的生長(zhǎng)呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，同時(shí)植物的光合速率也不是一成不變的，最終ＯＢＴ的濃度為一個(gè)隨時(shí)間和植物生長(zhǎng)而變化的積分值。由于在植物的生長(zhǎng)發(fā)育和干物質(zhì)構(gòu)成經(jīng)過(guò)中牽涉到不同生理參數(shù)，例如葉面積指數(shù)、不同生長(zhǎng)發(fā)育期、植物葉片的氣孔阻力、凈光合速率、植物干物質(zhì)的量等一些生理參數(shù)［１６］，不同研究者在處理上述參數(shù)時(shí)所采取的方式方法不同，導(dǎo)致不同的模型間差異較大，當(dāng)前氣態(tài)氚短期釋放后植物中ＯＢＴ濃度的預(yù)測(cè)模型還未達(dá)成一個(gè)很好的共鳴。５氚氣態(tài)釋放后植物中有機(jī)氚研究瞻望５．１晚上ＯＢＴ的構(gòu)成機(jī)制在晚上，由于植物的氣孔會(huì)部分或全部關(guān)閉，一些生理特性不同于白天，所以對(duì)氣態(tài)ＨＴＯ的吸收和轉(zhuǎn)化機(jī)制也不同于白天，關(guān)于氚晚上氣態(tài)釋放后在植物中的遷移轉(zhuǎn)化行為的了解還不深切進(jìn)入，晚上植物中ＯＢＴ的構(gòu)成機(jī)理還不完全清楚，這就為有效預(yù)測(cè)氣態(tài)氚晚上釋放后植物中ＯＢＴ濃度帶來(lái)了一定的困難。Ｃ３植物也稱三碳植物，光合作用中二氧化碳固定后構(gòu)成的最初產(chǎn)物磷酸甘油酸為三碳化合物；Ｃ４植物光合作用中ＣＯ２同化的最初產(chǎn)物為四碳化合物，Ｃ４植物較Ｃ３植物固碳能力更強(qiáng)，光合作用效率遠(yuǎn)大于Ｃ３植物的，而且對(duì)ＣＯ２的利用率也較Ｃ３植物的高，當(dāng)前所有的研究都是針對(duì)Ｃ３植物進(jìn)行的，Ｃ４植物中有關(guān)ＯＢＴ方面的研究鮮見(jiàn)報(bào)道，所以利用Ｃ３植物所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)論不能完全照搬到Ｃ４植物上，所以今后需要開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，獲取大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和建模所需的參數(shù)，為氣態(tài)氚晚上釋放后植物中ＯＢＴ濃度預(yù)測(cè)模型的進(jìn)一步研究提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。５．２植物中ＯＢＴ的遷移和轉(zhuǎn)化。當(dāng)前關(guān)于葉子中的ＯＢＴ向植物不同部分遷移轉(zhuǎn)化的研究報(bào)道較少，尤其是向植物可食部分、籽粒、地下部分的轉(zhuǎn)移以及植物收獲后ＯＢＴ向ＨＴＯ的代謝轉(zhuǎn)化方面還應(yīng)進(jìn)行具體的探尋求索，為植物中ＯＢＴ濃度的預(yù)測(cè)模型、劑量評(píng)價(jià)模型的建立和模型中參數(shù)確實(shí)定提供理論根據(jù)。５．３ＯＢＴ的標(biāo)準(zhǔn)研究因當(dāng)前缺乏統(tǒng)一的ＯＢＴ標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有相應(yīng)ＯＢＴ測(cè)量方面的質(zhì)保文件［１，１４］，阻礙了對(duì)ＯＢＴ的測(cè)量方式方法和不同實(shí)驗(yàn)室間數(shù)據(jù)比擬的