氚化水蒸汽晚上和白天短期釋放情況下花生中氚含量的研究

申慧芳，閆江雨，楊海蘭，黃 莎，辛存田，姚仁太，＊

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)文理學(xué)院，山西太谷 030801；2.中國輻射防護(hù)研究院，山西太原 030006）

氚化水蒸汽晚上和白天短期釋放情況下花生中氚含量的研究

申慧芳1，閆江雨2，楊海蘭2，黃 莎2，辛存田2，姚仁太2，＊

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)文理學(xué)院，山西太谷 030801；2.中國輻射防護(hù)研究院，山西太原 030006）

為研究氚化水（HTO）蒸汽晚上和白天短期釋放情況下花生對HTO的吸收和有機(jī)氚（OBT）形成的差異，利用盆栽試驗在花生開花下針期和結(jié)莢期分白天和晚上模擬HTO的短期釋放，并在試驗結(jié)束和收獲時分別測量葉子和果實中組織自由水氚（TFWT）和OBT的含量。研究結(jié)果表明，花生葉子晚上對HTO的吸收小于白天。開花下針期晚上暴露試驗結(jié)束時，葉子中TFWT和OBT的相對濃度分別是白天相應(yīng)值的1／6和1／3；收獲時葉子中的TFWT和OBT均小于暴露試驗結(jié)束時的值。結(jié)莢期晚上暴露試驗結(jié)束時，花生葉子和果實中TFWT和OBT的相對濃度分別是白天相應(yīng)值的1／3、2／3和2／3、1.13倍，收獲時果實中的TFWT大于暴露試驗結(jié)束時的值，葉子中OBT的相對濃度為暴露試驗結(jié)束時的1.7倍，果實中OBT相對濃度卻減少為原來的1／4；而白天試驗收獲時葉子中OBT的相對濃度小于試驗結(jié)束時的值，但果實中OBT的相對濃度大于暴露試驗結(jié)束時的值。表明HTO在不同生育期白天和晚上釋放情況下，花生葉子和果實中TFWT和OBT的變化趨勢不同，所以在氣態(tài)氚短期釋放情況下預(yù)測植物中的OBT濃度時，應(yīng)根據(jù)不同的釋放時間選擇相應(yīng)的參數(shù)。

氚化水蒸汽；花生；短期釋放；氚含量

氚化水（HTO）蒸汽白天短期釋放情況下在植物中遷移轉(zhuǎn)化的研究已有不少報道［1－6］，但在夜間情況下，其短期大氣釋放后在植物中行為的研究報道較少［2，7］。白天和晚上植物的生理生化狀態(tài)存在很大差異，白天植物葉子的氣孔開啟，HTO可通過氣孔和表面角質(zhì)層進(jìn)入葉子形成組織自由水氚（TFWT），TFWT再在光合作用下形成有機(jī)氚（OBT）；晚上葉子氣孔關(guān)閉，而且有一些植物晚上葉子的植物學(xué)特性也與白天不同，晚上植物中干物質(zhì)的形成機(jī)制也與白天有所差異，所以應(yīng)對晚上HTO短期釋放情況下植物對HTO的吸收與OBT的形成加以研究，了解其機(jī)制，為晚上氣態(tài)氚事故釋放情況下的劑量評價提供理論支持。

HTO短期釋放后，氚在小麥、水稻、大豆、白菜和蘿卜等作物中的動態(tài)遷移轉(zhuǎn)化過程已有報道［2－4，8］，但在花生中的研究尚未見報道。因為花生是一種重要的油料作物，同時其植物學(xué)特性不同于其他植物，又是我國目前核設(shè)施周圍一種重要的農(nóng)作物，所以本研究取選花生作為研究對象，在花生產(chǎn)量形成的兩個重要時期，即開花下針期和結(jié)莢期于白天和晚上模擬HTO短期氣態(tài)釋放試驗，分別于釋放試驗結(jié)束和收獲時測量花生葉子和籽粒中TFWT和OBT的濃度，研究HTO晚上和白天短期釋放情況下，花生對HTO的吸收和有機(jī)氚的形成及變化的差異，為HTO短期釋放后植物中氚濃度預(yù)測模型的研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與栽培

將購買的花生種子播種于塑料盆（30 cm× 30 cm）中，試驗用土為中壤土，播種前每盆取5 g復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O＝14∶17∶14）與土攪拌均勻，然后澆水使肥料充分溶解進(jìn)入土壤中，平衡一周后進(jìn)行種植。試驗共種植16盆，每盆隨機(jī)播種10粒種子，出苗后每盆定苗3株，隨后進(jìn)行正常的田間管理。

1.2 暴露室的設(shè)計

暴露室為一透明的有機(jī)玻璃密閉盒子（1.2 m×1 m×1.2 m），由加熱器（可控電爐，產(chǎn)生HTO）、小風(fēng)扇（攪動空氣使HTO混合均勻，避免在某一處累積）、溫濕度計和光度計組成（定時測定暴露室內(nèi)的溫度、濕度和光密度）。暴露室頂部有一蓋子（試驗結(jié)束時向暴露室中補(bǔ)充新鮮空氣），試驗開始時蓋子用真空脂密封以防HTO泄漏。HTO蒸汽的產(chǎn)生用電爐加熱內(nèi)盛HTO溶液的50 m L燒杯，使HTO溶液蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽來模擬氣態(tài)氚化水的釋放。試驗開始時啟動內(nèi)部的小風(fēng)扇使空氣混合均勻。

1.3 HTO蒸汽的暴露

暴露試驗在網(wǎng)室中選一平整的水泥地塊，然后放置一塊2 m×2 m的木板，塑料盆和暴露室置于木板上。暴露室內(nèi)每次放4盆花生，取10 mL HTO溶液（總氚量為1.53×104Bq／mL）于燒杯中，用蒸餾水稀釋至20 m L，然后放在電爐上，暴露室底部與木板接觸處用干土圍住并踩實，避免HTO蒸汽漏出。塑料盆土壤表層用吸水紙蓋住，同時下面還有一層聚乙烯薄膜防止HTO直接進(jìn)入土壤。暴露試驗分別在花生的開花下針期和結(jié)莢期進(jìn)行，暴露時間為1 h，晚上和白天均從9：00開始，10：00結(jié)束。在晚上試驗的第二天進(jìn)行白天氣態(tài)氚的暴露試驗，以期與前一天的晚上試驗進(jìn)行比較，每次約加熱20 min后燒杯中的HTO溶液全部蒸發(fā)。在暴露室不同部位放置兩個小風(fēng)扇，試驗開始時開啟，使暴露室內(nèi)HTO蒸汽混合均勻。試驗結(jié)束后打開暴露室頂部的蓋子，使外面新鮮空氣進(jìn)入暴露室，15 min后拿走暴露室，將暴露過的花生放在網(wǎng)室內(nèi)繼續(xù)生長。暴露過程中每5 min記錄1次暴露室內(nèi)的溫度和相對濕度。

1.4 樣品采集與測量

1.4.1 樣品采集 暴露室內(nèi)空氣中HTO的收集使用硅膠吸附法，將稱重后干燥的硅膠放在兩個表面皿中，置于暴露室的兩個不同部位收集暴露室空氣中的HTO蒸汽，試驗結(jié)束后立即將硅膠倒入閃爍瓶。植物樣品的采集分別于每次暴露試驗結(jié)束后的15 min和收獲時進(jìn)行。每次從4個盆中隨機(jī)選取3株植株采集葉子和花生籽粒。樣品采集后，馬上切碎，分別裝于密封的自封塑料袋內(nèi)，于冰柜內(nèi)－20℃下儲藏。

1.4.2 樣品的制備和測量 采用凍干法獲得花生葉子和籽粒中的TFWT；采用氧化燃燒爐對干燥樣品進(jìn)行燃燒獲取HTO，蒸餾HTO樣品以去除雜質(zhì)，測定燃燒所得的水中氚的濃度，即為OBT的濃度；利用蒸餾收集裝置對硅膠吸附的暴露室空氣中的HTO進(jìn)行解析，測定其濃度即為試驗時暴露室內(nèi)空氣中HTO的濃度。所有樣品用美國Packard公司的TRICARB 3170TR／SL液體閃爍計數(shù)器進(jìn)行測量，所用閃爍液為美國PE公司的Ultima Gold LLT閃爍液，液閃瓶為20 m L的低鉀玻璃閃爍瓶。

2 結(jié)果與分析

2.1 暴露箱中的氣象條件

試驗時暴露箱中的氣象條件列于表1。從表1可看出，晚上和白天試驗結(jié)束時，暴露室內(nèi)的溫度與開始時相比高4～6℃，主要是由于模擬氣態(tài)氚時用電爐加熱，導(dǎo)致暴露室內(nèi)氣溫升高。相對濕度變化范圍在7%～14%之間，剛開始時相對濕度隨著氣態(tài)氚的產(chǎn)生逐漸增加，但在約30 min后有所下降。

表1 暴露箱中的氣象條件Table 1 Meteorological condition in exposure box during plant exposure to evaporated HTO at nighttime and daytime

試驗期間暴露室內(nèi)HTO的平均濃度列于表2。每次試驗空氣中HTO的濃度差異很大，主要原因可能與以下因素有關(guān)：每次試驗氚化水在電爐上蒸發(fā)的快慢、空氣水分的虧缺程度、HTO冷凝在暴露室內(nèi)壁的量以及被植物吸收程度的差異和暴露室內(nèi)的絕對濕度等。

2.2 晚上和白天試驗情況下花生葉子對HTO的吸收情況

每次試驗結(jié)束時測量到的花生葉子中TFWT的含量與估算所得到的葉子中平衡狀態(tài)下TFWT含量如表2所列。

表2 暴露室空氣水分中平均HTO濃度和試驗結(jié)束時花生葉子和果實中TFWT的濃度Table 2 Average concentrations of HTO in air moisture in exposure box and TFWT concentration in peanut leaves and kernels at the end of exposure at nighttime and daytime

由于試驗過程中花盆中的土壤用吸水紙和聚乙烯薄膜覆蓋，所以假設(shè)土壤水分中HTO的濃度等于0，穩(wěn)定狀態(tài)植物葉子中TFWT的濃度可用下式［9］估算：其中：A為平衡狀態(tài)下氚在水中的比活度與蒸汽中比活度的比值（A＝1.1）；RCH為相對濕度；Cair為空氣水分中HTO的濃度，Bq／kg。

從表2可看出，晚上試驗結(jié)束時，花生開花下針期和結(jié)莢期葉子中TFWT的濃度與預(yù)測的平衡狀態(tài)下TFWT濃度的比值為9.9%和13.99%，而白天的值為63.54%和35.79%。表明，晚上植物對HTO的吸收要小于白天，主要是由于植物對氣態(tài)HTO的吸收與氣孔的運動有關(guān)，白天在太陽光的刺激下植物葉子中氣孔開啟，植物容易和空氣中的氣態(tài)HTO發(fā)生交換，晚上氣孔關(guān)閉，氣態(tài)HTO向植物的遷移主要依靠擴(kuò)散過程。與其他植物［1－7］相比，花生葉子晚上對HTO吸收的量較少，這主要與花生葉子晚上獨特的生理特性有關(guān)，因為在晚上，花生葉子有一種“感夜運動”特性，即花生的葉子在晚上閉合，減少了與氣態(tài)HTO接觸的表面積，故對HTO的吸收減少；白天隨著光線的增強(qiáng)，葉子逐漸張開，在太陽光的刺激下氣孔開啟，對HTO的吸收能力增強(qiáng)。

因為本試驗中花生在充滿氣態(tài)HTO的密閉室內(nèi)暴露時間為1 h，從表2看出，試驗結(jié)束后花生葉子中TFWT的濃度均小于利用公式（1）計算出的平衡狀態(tài)下花生葉子中TFWT的濃度，所以花生葉子中TFWT要在1 h后才能與周圍環(huán)境中氣態(tài)HTO達(dá)到平衡，這與文獻(xiàn)［3-4］結(jié)果相似。與白天相比，晚上試驗，花生葉子中TFWT與周圍環(huán)境中氣態(tài)HTO達(dá)到平衡可能需要更長的時間。

2.3 晚上和白天試驗花生中TFWT濃度的變化

晚上和白天暴露試驗結(jié)束和收獲時花生葉子和果實中的TFWT和OBT的濃度列于表3。

表3 花生葉子和果實中TFWT和OBT的濃度Table 3 TFWT and OBT concentrations in leaves and kernels of peanut

因為不同試驗時間暴露室空氣中HTO的濃度不同，為比較空氣中HTO向植物中TFWT的轉(zhuǎn)移程度，將暴露試驗結(jié)束后和收獲時植物中TFWT的濃度除以試驗時暴露室內(nèi)空氣水分中HTO的平均濃度，得到一個相對濃度，以消除由于空氣濃度的不同而影響植物中TFWT含量的比較。為能直觀地從圖上看出變化規(guī)律，將植物中TFWT的相對濃度進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)化，對數(shù)轉(zhuǎn)化后花生開花下針期和結(jié)莢期晚上和白天試驗情況下，試驗結(jié)束和收獲時葉子和果實中TFWT的相對濃度變化如圖1、2所示。

圖1 花生開花下針期試驗結(jié)束和收獲時花生葉子和果實中TFWT的相對濃度Fig.1 Relative TFWT concentrations in leaves and kernels of peanut exposed to atmospheric HTO at flowering stage

圖2 結(jié)莢期花生葉子和果實中TFWT的相對濃度Fig.2 Relative TFWT concentrations in leaves and kernels of peanut at podding stage

從圖1可看出，花生開花下針期晚上試驗結(jié)束時花生葉子中TFWT的相對濃度是白天相應(yīng)值的約1／6，表明花生葉子白天從空氣中吸收HTO的量要遠(yuǎn)大于晚上吸收的量。晚上暴露試驗結(jié)束時葉子中TFWT的相對濃度是收獲時的151倍，而白天試驗相應(yīng)的值為317倍。晚上和白天試驗結(jié)束時葉子中TFWT的相對濃度與收獲時花生果實中TFWT的相對濃度的比值分別為19.37和20.39，表明在花生下針期雖然晚上和白天葉子吸收HTO蒸汽的量差別較大，但最后轉(zhuǎn)移給果實的量差別不大，原因可能是晚上葉子吸收的HTO在生理活動中可最大限度地轉(zhuǎn)移給果實，而白天雖然吸收的HTO量較多，但一部分通過蒸騰作用損失掉了。

從圖2可看出，結(jié)莢期晚上試驗結(jié)束時葉子中TFWT的相對濃度約為白天的1／3，而果實中相應(yīng)的值約為2／3。在晚上和白天兩種試驗情況下，試驗結(jié)束時葉子中TFWT的相對濃度分別是收獲時的129倍和651倍，而果實中相應(yīng)的值為0.96和1.28倍，說明晚上試驗無論葉子中還是果實中的TFWT變化幅度均小于白天的試驗。

以上結(jié)果表明，晚上植物吸收氣態(tài)HTO的量要小于白天的吸收量，不同植物之間的差異較大，且同一植物不同生育期之間也有所不同，而且隨著時間的推移植物中TFWT的下降程度也有所不同，所以在氣態(tài)HTO短期釋放情況下研究環(huán)境中HTO的遷移轉(zhuǎn)化應(yīng)考慮晚上的情況。

2.4 晚上和白天試驗情況下花生中OBT濃度的比較

因不同試驗時間空氣中HTO的濃度差異很大，導(dǎo)致植物葉子吸收的HTO的量變化也很大，所以直接導(dǎo)致不同試驗時間葉子中吸收的HTO轉(zhuǎn)化成OBT的量難以進(jìn)行比較，為對不同試驗條件下植物生成OBT的程度進(jìn)行比較，用植物不同部分OBT的量與暴露結(jié)束時植物葉子中TFWT的濃度相比所得到的OBT相對濃度來進(jìn)行比較研究，結(jié)果示于圖3。

圖3 開花下針期試驗結(jié)束和收獲時花生葉子和果實中OBT相對濃度Fig.3 Relative OBT concentrations in leaves and kernels of peanut exposed to atmospheric HTO at flowering stage

從圖3可知，開花下針期晚上試驗結(jié)束時葉子中OBT的相對濃度約為白天試驗中的1／3，而結(jié)莢期的值相應(yīng)約為2／3，表明花生葉子的生理代謝活動較旺盛。收獲時葉子中OBT的相對濃度與開花下針期試驗結(jié)束時葉子中OBT的相對濃度相比，開花下針期無論晚上還是白天都呈減少的趨勢，原因可能是開花下針期營養(yǎng)器官的生長處于指數(shù)增長期，后期形成的沒有被污染的干物質(zhì)與形成的OBT相互交換稀釋，使其含量逐漸下降。而結(jié)莢期則相反，收獲時葉子中的OBT相應(yīng)有所增加，此時主要是生殖生長階段，葉子形成的干物質(zhì)大部分輸送給地下部分，同時晚上試驗增加的份額較白天試驗增加的要多，原因可能是晚上試驗后葉子中形成的TFWT在第二天白天還可繼續(xù)生成OBT，但白天形成的TFWT在蒸騰作用下?lián)p失的速度要快于晚上損失的速度。

圖4為結(jié)莢期晚上和白天試驗時花生中OBT的變化趨勢。從圖4可看出，在試驗結(jié)束時，晚上試驗果實中的OBT含量要高于白天，具體原因可能是結(jié)莢期花生葉子晚上的生理代謝旺盛，向地下部分傳輸同化物的能力要高于白天。果實中的OBT含量在收獲時與試驗結(jié)束時相比呈減小的趨勢，減小為原來的1／4，而白天試驗果實中OBT的含量卻呈增加的趨勢，但增加的幅度不大，僅為3.93%。試驗中結(jié)莢期葉子中的OBT在收獲時呈增加趨勢，但果實中卻呈減少趨勢，原因有待于進(jìn)一步研究。

圖4 結(jié)莢期花生葉子和果實中OBT的相對濃度Fig.4 Relative OBT concentrations in leaves and kernels of peanut at podding stage

3 結(jié)論

1）無論白天還是晚上，HTO短期暴露試驗下，花生葉子中的TFWT與周圍空氣中的HTO達(dá)到平衡的時間大于1 h。

2）晚上花生葉子吸收氣態(tài)HTO轉(zhuǎn)化為TFWT的能力小于白天，不同生育期的差異也不同，開花下針和結(jié)莢期晚上暴露試驗結(jié)束時花生葉子中TFWT的相對濃度分別約為白天相應(yīng)值的1／6和1／3。開花下針和結(jié)莢期晚上暴露試驗結(jié)束時花生葉子中OBT的相對濃度分別約為白天試驗時相應(yīng)值的1／3和2／3，結(jié)莢期晚上試驗結(jié)束時果實中OBT的相對濃度為白天試驗相應(yīng)值的1.13倍。

3）對氣態(tài)氚夜間短期釋放進(jìn)行評價和預(yù)測時，應(yīng)在現(xiàn)有的預(yù)測模型上根據(jù)植物種類及其相應(yīng)的生育期乘以相應(yīng)的系數(shù)，才能更合理地對植物中的TFWT和OBT進(jìn)行預(yù)測。

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Study on Tritium Concentration in Peanut after Short-term Exposure to Atmospheric HTO at Nighttime and Daytime

SHEN Hui-fang1，YAN Jiang－yu2，YANG Hai-lan2，HUANG Sha2，XIN Cun-tian2，YAO Ren-tai2，＊
（1.College of Arts and Sciences，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China；2.China Institute for Radiation Protection，Taiyuan 030006，China）

In order to study the differences of HTO uptake and OBT formation in peanut following a short atmospheric HTO release in nighttime and daytime condition，the potted peanut plants were exposed to evaporated HTO for 1 h in an exposure box at the flowering and podding stages under nighttime and daytime，respectively.The concentra-tions of tissue free water tritium（TFWT）and organically bound tritium（OBT）in leaves and peanut kernels were measured at the end of the exposure and at the harvest，respectively.The results show that HTO uptake in peanut leaves during the nighttime is several times lower than that during the daytime.At the flowering stage，the relative TFWT and OBT concentrations in leaves under night conditions at the end of the exposure are about one sixth and one third from the concentration for day conditions.And at the harvest，the TFWT and OBT concentrations of leaves are lower than that at the end of exposure.At the podding stage，the relative TFWT and OBT concentrations in leaves and peanut kernels under night conditions are one third，two third and two third，1.13 times from the concentration under day conditions at the end of exposure.At the harvest，the TFWT concentration in peanut kernels is higher than that at end of the exposure，and the relative OBT concentration in leaves increases by factor of 1.7，but the OBT concentration in peanut kernels is only one fourth of that at the end of exposure under night condition.At the harvest，the OBT concentration in leaves is lower than that at the end of exposure，however the OBT concentration in kernels increases under day condition.Following a short atmospheric HTO release in nighttime and daytime conditions at the different growth and development stages，the variation tendency of TFWT and OBT in leaves and kernels are different.Therefore，the parameters of tritium concentration prediction model in plant should base the growth stages for accidental release of atmospheric HTO，which could make the ingestion doses for tritium be estimated accurately and objectively.

atmospheric HTO；peanut；short-term exposure；tritium concentration

TL72

：A

：1000-6931（2015）09-1722-07

10.7538／yzk.2015.49.09.1722

2014-04-23；

2014-06-30

國家自然科學(xué)基金資助項目（10875108）；核能“十二五”開發(fā)項目資助；山西農(nóng)業(yè)大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動項目資助（XB2011022）

申慧芳（1976—），男，山西長治人，副教授，博士，從事氚氣態(tài)釋放后的環(huán)境遷移轉(zhuǎn)化研究

＊通信作者：姚仁太，E-mail：yaorentai001＠vip.sina.com