Исследование влияния скорости кристаллизации на изотопные эффекты в системе вода - лед при применении метода неполного замораживания
Данилов К.Л., Лаврик Н.Л., Бреднев В.А.,
Аннотация
С помощью метода масспектрометрии изучено влияние скорости и доли льда на сепарацию дейтерия и 18О при замораживании воды. Подтверждено известное положение о том, что из-за разницы в частотах нулевых трансляционных колебаний изотопы с большей массой имеют большую вероятность адсорбции к поверхности твёрдой фазы и соответственно к большему коэффициенту сепарации. Для процесса замораживания воды показано увеличение концентрации дейтерия и кислорода 18О во льду при уменьшении скорости замораживания воды. Установлено, что степень сепарации дейтерия выше, чем кислорода. Этот эффект объяснён разными температурами замерзания НДО и Н218О.
Показано, что при малых долях (менее5%) замораживания обогащение дейтерием может как возрастать (при высоких скоростях замораживания), так и уменьшаться (при малых скоростях замораживания). Сопоставление полученных результатов с литературными данными по влиянию увеличения концентрации дейтерия в воде на эффективность действия биообъектов позволило сделать заключение о том, что повышение концентрации тяжёлых изотопов в талой воде может являться не вредным, а полезным биоэффектом.
Введение
Биологически полезное действие талой воды описано в многочисленных научно-популярных медицинских изданиях. (см.напр. [1,2]). Окончательное понимание этого феномена в настоящее время отсутствует и имеются лишь указания на реальное отличие физико-химических параметров талой воды от обычной [3]. Одним из физико-химических параметров, которыми вода, полученная плавлением льда (талая), отличается от воды, не подвергшейся замораживанию, является более высокая концентрация дейтерия D [4]. Не смотря на низкое содержание D в природных водах (доля D ~ 0.015%), его присутствие всегда рассматривалось и продолжает рассматриваться в качестве важного фактора влияния на основные показатели жизнедеятельности живых организмов [4-10]. Для ряда биологических систем установлено значительное влияние малых добавок дейтерия на их активность [11,12]. Следует заметить, что в этих работах величина концентрации дейтерия, которая оказывала влияние, была на несколько порядков меньше той, при которой проводились эксперименты, описанные в [4,9,10].
Различие физико – химических свойств H2O16 и D2O16 сопровождается эффектом фракционирования изотопов воды при фазовых переходах. В [4] сообщается, что при замораживании воды при 0оС лёд обогащается дейтерием по сравнению с равновесной с ним водой на 1.92%. Под условием равновесия подразумевается очень медленное замораживание воды с образованием мелких частиц льда и при отсутствии градиента концентрации в них дейтерия. Установлено, что при кристаллизации воды константа распределения дейтерия между льдом и водой составляет величину 1,0208 [13], т.е. содержание дейтерия во льду не более чем на 2,08 % может превышать его содержание в замораживаемом растворе. В перечисленных публикациях не содержится информации о зависимости величин перераспределения содержания дейтерия между льдом и замораживаемой жидкостью от объёма, доли замороженной воды и от скорости замораживания.
Кроме тяжелого изотопа водорода D в воде присутствует изотоп кислорода 18О. Доля тяжелого изотопа кислорода в воде (~ 0,2 %) заметно превышает долю дейтерия. В связи с вопросом об изменении концентрации изотопов при перекристаллизации воды также представляет интерес изучение изменения концентрации 18О в этом процессе. Сведения о зависимости величин перераспределения содержания 18О между льдом и замораживаемой жидкостью от объёма, скорости замораживания и от доли замороженной воды в литературе также отсутствуют.
Целью настоящей работы было изучение изменения концентрации D и 18O в зависимости от объёма, доли и скорости замораживания для замершей и незамёрзшей частей воды. При этом основное внимание будет уделено вопросу изменения концентрации дейтерия во льду относительно замораживаемой воды.
Экспериментальная часть
В качестве замораживаемого образца использовалась водопроводная вода. Пробы льда получали при замораживании воды в цилиндрическом сосуде из нержавеющей стали объемом 1 литр в холодильной камере программного замораживателя биоматериалов ЗПБ 00.00.00 ПС. Температура замораживания варьировалась от -5 до -150С с точностью ± 0.1 С. Для обеспечения режима максимально приближённому к режиму направленной кристаллизации теплоотвод от верхней и донной частей экспериментальной емкости сводился к минимуму за счет применения специальных теплоизоляционных экранов из фторопласта. После слива незамерзшей воды из экспериментального сосуда и плавления образовавшегося льда (объём Vл), обе жидкие пробы, а также исходный раствор (объём Vисх) помещались в герметичные ампулы, которые открывались непосредственно только перед анализом. Доля льда определялась из соотношения
g = Vл/Vисх (1)
Контроль изменения концентрации D и 18О в исходной воде, льду (после расплавления) и незамерзшем растворе выполнялся на масс-спектрометре DELTAplus фирмы ThermoQuest (Finnigan) [14]. Точность определения концентрации D и 18О составляла ±3*10-7 и ±2*10-7мг/л соответственно.
Величина изменения концентрации тяжелых изотопов («степень сепарации») в воде оценивалась с помощью соотношения
л,вD,18O = (Cл,вD,18O - Cл,вD,18Oисх)/CD,18Oисх * 100% (2)
В (2) Cл,вD,18O и Cл,вD,10Oисх – концентрации дейтерия и 18О во льду, незамёрзшей и исходном образце воды соответственно.
За величину относительного изменения концентрации дейтерия и 18О во льду и в исходной воде принимали соотношение
л = лD / л18O, в = вD / в18O (3)
В (3) л и в – отношение степеней сепарации дейтерия и 18О во льду (талой воде) и незамёрзшей воде соответственно.
Результаты и обсуждение
На рис.1 представлены зависимости концентрации дейтерия и 18О от скорости замораживания для g ~ 0.3. Как видно из представленных данных, вид зависимостей для обоих тяжёлых изотопов одинаков: для льда (талой воды) их концентрации заметно возрастают при уменьшении скорости замораживания, а в незамёрзшей воде концентрации уменьшаются с уменьшением скорости замораживания. Во всех экспериментах проверялся баланс сохранения вещества изотопов в слитке и незамёрзшей воде. Проверка показала его выполнение. Исходная концентрация D в пределах экспериментальной погрешности составляла 143.9 мг/л во всех экспериментах.
Рост концентрации тяжёлых изотопов во льду (в талой воде) относительно исходной воды качественно описывается в рамках представлений о влиянии массы замораживаемого вещества на изотопное содержание образующегося слитка (см. напр. [15,16]). Суть этих представлений заключается в том, что из-за разницы в частотах нулевых трансляционных колебаний 0 изотопы с разной массой имеют разную вероятность адсорбции к поверхности твёрдой фазы. При этом для более тяжелого изотопа воды эта вероятность будет выше, чем для легкого, поскольку у него частота нулевых колебаний 0 меньше (00.5, - приведённая масса двух атомов, - силовая постоянная) и соответственно время нахождения на границе твёрдая фаза-жидкость больше. В результате концентрация тяжёлого изотопа в слитке будет больше относительно исходной концентрации. Именно такое увеличение концентрации для D и 18O и наблюдается экспериментально при любых скоростях замораживания (рис.1).
На рис.2 представлены зависимости степеней сепарации л,вD,18O от скорости замораживания для талой (рис.2а) и незамёрзшей воды (рис.2б). Из полученных данных следует, что увеличение концентрации дейтерия в несколько раз превышает изменение концентрации 18О (величина |л,вD| > |л,в18O|, ср. рис.2а и 2б). В рамках приведённых выше представлений о влиянии массы изотопов на величину обогащения в слитке величина изотопного обогащения слитка должна быть больше для 18О. Действительно приведённые массы пар Н216О - Н218О и Н2О - НDO составляют 8.47 и 8.24 соответственно. Отсюда следует, что скорость движения в паре Н216О - Н218О меньше, чем в паре Н2О – НDO и поэтому следовало ожидать относительно большего обогащения по 18О. (Мы рассматриваем приведённые массы пар Н216О - Н218О и Н216О – НDO как наиболее простую модель взаимодействия молекул воды Н218О и НDO с окружением. Частота трансляционных колебаний этих пар может рассматриваться, как мера подвижности изотопов воды). Таким образом, имеется противоречие между экспериментальными данными по обогащения льда изотопами D и 18О и представлениями, согласно которым разные степени сепарации изотопов воды определяется только различием масс изотопов.
Непротиворечивое объяснение этому результату, может заключается в том, что температуры замерзания НДО и Н218О заметно различаются: 2оС и 0.05оС соответственно [4]. В результате переохлаждение для НДО наступает раньше и этот изотоп воды, соответственно, начинает вымораживаться раньше, чем изотоп Н218О и, соответственно, её будет образовываться больше. При увеличении скорости движения фронта замораживания «время жизни» переохлаждения на фронте замораживания для молекулы НДО уменьшается и в результате разница в изменении концентрации тяжёлых изотопов нивелируется, что экспериментально и наблюдается (см. рис.3, квадраты). Таким образом, величины л для дейтерии и 18О имеют не монофакторную природу. По-видимому, многофакторная природа сепарационных эффектов в дейтерии и 18О для воды, и, в частности, разная зависимость от скорости замораживания, является общим моментом при фазовых переходах в воде. Экспериментально это проявляется, например, в разной зависимости величин для дейтерия и 18О от температуры флюидогенерации [14].
Следует обратить внимание, что в талой воде (льду) эффективность разделения изотопов D и 18O растёт с уменьшением скорости замораживания (рис.3, квадраты) и, напротив, в незамёрзшей воде эффективность разделения D и 18O уменьшается с уменьшением скорости замораживания (рис.3, кружки). Этот результат можно использовать для разделения изотопов D и 18O: для получения обогащённого по дейтерию образца при замораживании нужно брать незамёрзшую воду и использовать высокие скорости замораживания (в ~ 19), а для получения обогащенного по 18O нужно брать лёд, полученный при высоких скоростях замораживания (л ~ 2).
На рис.4а представлена зависимость концентрации дейтерия в образцах размороженного льда от доли замороженной воды при заданной скорости замораживания v = 0.1 см/час. Из представленных данных видно, что наблюдается слабое уменьшение концентрации D при g ~ 0.02. Это уменьшение может объясняться как минимум двумя факторами. 1. В начальный момент времени скорость замораживания, которое имеет стохастическую природу [16], вблизи стенок идёт со значительно большими скоростями, чем заданная. Поскольку величина обогащения слитка тяжёлым изотопом уменьшается с ростом скорости замораживания (см. рис.1а), то это и может приводить к уменьшению величины обогащения D. 2. Ранее в [17] было показано, что при использовании метода неполного замораживания для получения талой воды имеет место прилипание незамёрзшего раствора к слитку. Особенно заметное влияние этого эффекта проявляется при малых скоростях и долях замораживания, когда имеет место образование шуги, а не слитка («искажающий фактор»). В условиях нашего эксперимента такое прилипание также имеет место и, поскольку концентрация дейтерия в незамёрзшей воде ниже, чем во льду, то прилипание будет приводить к понижению эффективности роста концентрации дейтерия. Это понижение эффективности будет тем заметнее, чем больше доля прилипшего раствора, т.е. при малых долях замораживания воды, что и наблюдается экспериментально.
На рис.4б представлена зависимость концентрации дейтерия в образцах замороженного льда, полученного при установленной скорости v = 0.25 см/час. Из представленных данных следует, что при g > 0.05 обогащение льда дейтерием меньше, чем при скорости 0.1 см/час (сравн. с рис.4а). Этот результат, как и выше, также объясняется тем, что степень обогащения дейтерием уменьшается с ростом скорости замораживания. Таким образом, полученные экспериментально зависимости концентрации дейтерия от доли льда непротиворечиво объясняются в рамках единых представлений о влиянии скорости замораживания на величину сепарации изотопов.
При g < 0.05 в зависимости концентрации D от g для v = 0.25 см/час (рис.4б) наблюдается значительное увеличение концентрации дейтерия, что существенным образом отличает эту зависимость от таковой для скорости замораживания 0.1см/ч, для которой наблюдалось уменьшение концентрации D при g < 0.05. Это различие в зависимостях концентрации D от g также можно объяснить в рамках данных работы [17], в которой было показано, что при разных скоростях замораживания имеет место образование разных видов льда. В частности, при малых скоростях и малых долях замораживания образуется рыхлый мокрый лёд (шуга), который отсутствует при более высоких скоростях замораживания. Именно наличие шуги с прилипшими каплями незамёрзшего раствора может приводить к уменьшению концентрации дейтерия в размороженном льду (см. выше). При более высоких скоростях замораживания шуги не образуется и поэтому вклад искажающего фактора гораздо меньше, чем при низких скоростях замораживания, хотя полностью от его влияния при получении талой воды в рамках эксперимента с неполным замораживанием избавиться не возможно. Таким образом, результаты по сепарации изотопов, получаемые с большими скоростями замораживания, менее подвержены влиянию искажающего фактора, и в результате при малых долях замораживания и высоких скоростях замораживания имеет место заметное обогащение льда дейтерием и, соответственно, после плавления обогащение дейтерием талой воды.
В медицинской литературе имеется множество указаний о том, что для получения целебной талой воды необходимо избавляться от воды, содержащей дейтерий, которая образуется при замораживании в первую очередь [2]. (Если быть более точным, то устраняется HDO (полутяжёлая вода), поскольку концентрация этого изотопа воды на несколько порядков выше концентрации тяжёлой воды D2O [4]). Таким образом считается, что повышенная концентрация дейтерия вредна. Однако это положение не совсем корректно. Так согласно данным, полученным в работах [11,12], наблюдается немонотонная зависимость биологических эффектов от добавок дейтерия: стимулирующее влияние малых (следовых) концентраций D и ингибирующее влияние при больших концентрациях D. Наблюдаемый нами рост концентрации дейтерия в талой воде составляет 2% и 0.4% для D и 18О соответственно. Эти величины изменения концентраций несомненно соответствуют области стимулирующего влияния добавок D, поскольку стимулирующее действие добавок дейтерия наблюдалось до увеличения концентрации ~ 20% [11,12]. Таким образом, полученные в настоящей работе результаты позволяют сделать осторожное предположение, что известное положительное влияние талой воды в биологии связано с небольшим увеличением концентрации дейтерия. Это заключение противоположно гипотезе, предложенной в [4], согласно которой положительные биоэффекты талой воды связаны с уменьшением концентрации дейтерия.
Подписи к рисункам
Рис.1. Зависимость концентрации изотопов дейтерия и 18О от скорости замораживания в талой воде (квадраты) и не замёрзшей воде (кружки). Концентрация изотопов в исходной воде – пунктир. Дейтерий – а; 18О - б. g = 0.3.
Рис.2. Зависимость степени сепарации л,вD,18O от скорости замораживания для дейтерия (квадраты) и 18О (кружки). Лёд – а; незамёрзшая вода – б. g = 0.3
Рис.3. Зависимость отношения изменения концентрации дейтерия к 18О от скорости замораживания. Лёд (л = лD / л18O) – квадраты; не замёрзшая вода (в = вD / в18O) - кружки. g = 0.3
Рис.4. Зависимость концентрации изотопов дейтерия от доли льда. v = 0.1 см/час– а; v = 0.25 см/час – б. Концентрация дейтерия в исходной воде - в.
Литература
1. Медицинская энциклопедия
2. Андреев Ю.А. Три кита здоровья. М. ФиС, 1991.
3. Лаврик Н.Л..// Экол.химия, 2007, Т.16, вып. 4, С. 233-240.
4. Мухачёв В.М. Живая вода. М., «Наука», 1975.
5. Турусов В.С., Синяк Ю.Е., Антошина Е.Е., Горькова Т.Г., Труханова Л.С. Рос. Биотерапевт. журн. 2004, Т. 3, вып. 2, С. 37.
6. Бадьин В.И., Гастева Г.Н., Дробышевский Ю.В., Заман С.П., Соколов А.В., Столбов С.Н., Усенко С.И.. // Изв.Акад. пром. экол., 2004, Т. 3, С. 73-78.
7. Балышев А.В. // Вестник РУДН, сер. Фармация, 2004, Т. 28, вып. 4, 262-268
8. Раков Д.В., Ерофеева Л.М., Григоренко Д.Е., Абросимова А.Н., Ворожцова С.В., Муратова М.Ю., Синяк Ю.Е. // Радиац. биол. Радиоэкол. 2006. Т. 46, вып. 4, С. 475-479.
9. Синяк Ю.Е., Гурьева Т.С., Гайдадымов В.Б., Медникова Е.И., Лебедева Э. Н. Гуськова Е.И. "Метод получения бездейтериевой воды и ее влияние на физиологический статус японского перепела". // Тезисы докладов 11 конференции Космическая биология и авиакосмическая медицина, Москва,1998, Т. 2, С. 201-202.
10. Турусов В.С., Синяк Ю.Е., Антошина Е.Е., Горькова Т.Г., Труханова Л.С. // Рос. биотерапевт. журн. 2004. Т.3, вып. 2, С. 37.
11. Лобышев В.И., Твердислов В.А., Яковенко Л.В., Фогель Ю. // Биофизика, 1978. Т.23, вып. 2, С.390.
12. Лобышев В.И. // Биофизика, 1983, Т. 28, вып. 4, С. 666-668.
13. Arnason B. // J. Phys. Chem., 1969, V, 73, N.10, P.3491-3494.
14. Дубинина Е.О., Лаврушин В.Ю.,.Коваленкер В.А,.Авдеенко А.С, Степанец М И. // Геохимия, 2005, вып. 10, С.1078-1089.
15. Бродский А.И. Химия изотопов. М., изд.АН СССР. 1952.
16. Albarede F.. Geochemistry. Cambridge University Press. 2005. 248.
17. Кидяров Б.И Кинетика образования кристаллов из жидкой фазы. Наука, Новосибирск, 1987.