氚化水蒸汽晚上和白天短期释放情况下花生中氚含量的研究

申慧芳，闫江雨，杨海兰，黄 莎，辛存田，姚仁太，＊

（1.山西农业大学文理学院，山西太谷 030801；2.中国辐射防护研究院，山西太原 030006）

氚化水蒸汽晚上和白天短期释放情况下花生中氚含量的研究

申慧芳1，闫江雨2，杨海兰2，黄 莎2，辛存田2，姚仁太2，＊

（1.山西农业大学文理学院，山西太谷 030801；2.中国辐射防护研究院，山西太原 030006）

为研究氚化水（HTO）蒸汽晚上和白天短期释放情况下花生对HTO的吸收和有机氚（OBT）形成的差异，利用盆栽试验在花生开花下针期和结荚期分白天和晚上模拟HTO的短期释放，并在试验结束和收获时分别测量叶子和果实中组织自由水氚（TFWT）和OBT的含量。研究结果表明，花生叶子晚上对HTO的吸收小于白天。开花下针期晚上暴露试验结束时，叶子中TFWT和OBT的相对浓度分别是白天相应值的1／6和1／3；收获时叶子中的TFWT和OBT均小于暴露试验结束时的值。结荚期晚上暴露试验结束时，花生叶子和果实中TFWT和OBT的相对浓度分别是白天相应值的1／3、2／3和2／3、1.13倍，收获时果实中的TFWT大于暴露试验结束时的值，叶子中OBT的相对浓度为暴露试验结束时的1.7倍，果实中OBT相对浓度却减少为原来的1／4；而白天试验收获时叶子中OBT的相对浓度小于试验结束时的值，但果实中OBT的相对浓度大于暴露试验结束时的值。表明HTO在不同生育期白天和晚上释放情况下，花生叶子和果实中TFWT和OBT的变化趋势不同，所以在气态氚短期释放情况下预测植物中的OBT浓度时，应根据不同的释放时间选择相应的参数。

氚化水蒸汽；花生；短期释放；氚含量

氚化水（HTO）蒸汽白天短期释放情况下在植物中迁移转化的研究已有不少报道［1－6］，但在夜间情况下，其短期大气释放后在植物中行为的研究报道较少［2，7］。白天和晚上植物的生理生化状态存在很大差异，白天植物叶子的气孔开启，HTO可通过气孔和表面角质层进入叶子形成组织自由水氚（TFWT），TFWT再在光合作用下形成有机氚（OBT）；晚上叶子气孔关闭，而且有一些植物晚上叶子的植物学特性也与白天不同，晚上植物中干物质的形成机制也与白天有所差异，所以应对晚上HTO短期释放情况下植物对HTO的吸收与OBT的形成加以研究，了解其机制，为晚上气态氚事故释放情况下的剂量评价提供理论支持。

HTO短期释放后，氚在小麦、水稻、大豆、白菜和萝卜等作物中的动态迁移转化过程已有报道［2－4，8］，但在花生中的研究尚未见报道。因为花生是一种重要的油料作物，同时其植物学特性不同于其他植物，又是我国目前核设施周围一种重要的农作物，所以本研究取选花生作为研究对象，在花生产量形成的两个重要时期，即开花下针期和结荚期于白天和晚上模拟HTO短期气态释放试验，分别于释放试验结束和收获时测量花生叶子和籽粒中TFWT和OBT的浓度，研究HTO晚上和白天短期释放情况下，花生对HTO的吸收和有机氚的形成及变化的差异，为HTO短期释放后植物中氚浓度预测模型的研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与栽培

将购买的花生种子播种于塑料盆（30 cm× 30 cm）中，试验用土为中壤土，播种前每盆取5 g复合肥（N∶P2O5∶K2O＝14∶17∶14）与土搅拌均匀，然后浇水使肥料充分溶解进入土壤中，平衡一周后进行种植。试验共种植16盆，每盆随机播种10粒种子，出苗后每盆定苗3株，随后进行正常的田间管理。

1.2 暴露室的设计

暴露室为一透明的有机玻璃密闭盒子（1.2 m×1 m×1.2 m），由加热器（可控电炉，产生HTO）、小风扇（搅动空气使HTO混合均匀，避免在某一处累积）、温湿度计和光度计组成（定时测定暴露室内的温度、湿度和光密度）。暴露室顶部有一盖子（试验结束时向暴露室中补充新鲜空气），试验开始时盖子用真空脂密封以防HTO泄漏。HTO蒸汽的产生用电炉加热内盛HTO溶液的50 m L烧杯，使HTO溶液蒸发产生蒸汽来模拟气态氚化水的释放。试验开始时启动内部的小风扇使空气混合均匀。

1.3 HTO蒸汽的暴露

暴露试验在网室中选一平整的水泥地块，然后放置一块2 m×2 m的木板，塑料盆和暴露室置于木板上。暴露室内每次放4盆花生，取10 mL HTO溶液（总氚量为1.53×104Bq／mL）于烧杯中，用蒸馏水稀释至20 m L，然后放在电炉上，暴露室底部与木板接触处用干土围住并踩实，避免HTO蒸汽漏出。塑料盆土壤表层用吸水纸盖住，同时下面还有一层聚乙烯薄膜防止HTO直接进入土壤。暴露试验分别在花生的开花下针期和结荚期进行，暴露时间为1 h，晚上和白天均从9：00开始，10：00结束。在晚上试验的第二天进行白天气态氚的暴露试验，以期与前一天的晚上试验进行比较，每次约加热20 min后烧杯中的HTO溶液全部蒸发。在暴露室不同部位放置两个小风扇，试验开始时开启，使暴露室内HTO蒸汽混合均匀。试验结束后打开暴露室顶部的盖子，使外面新鲜空气进入暴露室，15 min后拿走暴露室，将暴露过的花生放在网室内继续生长。暴露过程中每5 min记录1次暴露室内的温度和相对湿度。

1.4 样品采集与测量

1.4.1 样品采集 暴露室内空气中HTO的收集使用硅胶吸附法，将称重后干燥的硅胶放在两个表面皿中，置于暴露室的两个不同部位收集暴露室空气中的HTO蒸汽，试验结束后立即将硅胶倒入闪烁瓶。植物样品的采集分别于每次暴露试验结束后的15 min和收获时进行。每次从4个盆中随机选取3株植株采集叶子和花生籽粒。样品采集后，马上切碎，分别装于密封的自封塑料袋内，于冰柜内－20℃下储藏。

1.4.2 样品的制备和测量 采用冻干法获得花生叶子和籽粒中的TFWT；采用氧化燃烧炉对干燥样品进行燃烧获取HTO，蒸馏HTO样品以去除杂质，测定燃烧所得的水中氚的浓度，即为OBT的浓度；利用蒸馏收集装置对硅胶吸附的暴露室空气中的HTO进行解析，测定其浓度即为试验时暴露室内空气中HTO的浓度。所有样品用美国Packard公司的TRICARB 3170TR／SL液体闪烁计数器进行测量，所用闪烁液为美国PE公司的Ultima Gold LLT闪烁液，液闪瓶为20 m L的低钾玻璃闪烁瓶。

2 结果与分析

2.1 暴露箱中的气象条件

试验时暴露箱中的气象条件列于表1。从表1可看出，晚上和白天试验结束时，暴露室内的温度与开始时相比高4～6℃，主要是由于模拟气态氚时用电炉加热，导致暴露室内气温升高。相对湿度变化范围在7%～14%之间，刚开始时相对湿度随着气态氚的产生逐渐增加，但在约30 min后有所下降。

表1 暴露箱中的气象条件Table 1 Meteorological condition in exposure box during plant exposure to evaporated HTO at nighttime and daytime

试验期间暴露室内HTO的平均浓度列于表2。每次试验空气中HTO的浓度差异很大，主要原因可能与以下因素有关：每次试验氚化水在电炉上蒸发的快慢、空气水分的亏缺程度、HTO冷凝在暴露室内壁的量以及被植物吸收程度的差异和暴露室内的绝对湿度等。

2.2 晚上和白天试验情况下花生叶子对HTO的吸收情况

每次试验结束时测量到的花生叶子中TFWT的含量与估算所得到的叶子中平衡状态下TFWT含量如表2所列。

表2 暴露室空气水分中平均HTO浓度和试验结束时花生叶子和果实中TFWT的浓度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

由于试验过程中花盆中的土壤用吸水纸和聚乙烯薄膜覆盖，所以假设土壤水分中HTO的浓度等于0，稳定状态植物叶子中TFWT的浓度可用下式［9］估算：其中：A为平衡状态下氚在水中的比活度与蒸汽中比活度的比值（A＝1.1）；RCH为相对湿度；Cair为空气水分中HTO的浓度，Bq／kg。

从表2可看出，晚上试验结束时，花生开花下针期和结荚期叶子中TFWT的浓度与预测的平衡状态下TFWT浓度的比值为9.9%和13.99%，而白天的值为63.54%和35.79%。表明，晚上植物对HTO的吸收要小于白天，主要是由于植物对气态HTO的吸收与气孔的运动有关，白天在太阳光的刺激下植物叶子中气孔开启，植物容易和空气中的气态HTO发生交换，晚上气孔关闭，气态HTO向植物的迁移主要依靠扩散过程。与其他植物［1－7］相比，花生叶子晚上对HTO吸收的量较少，这主要与花生叶子晚上独特的生理特性有关，因为在晚上，花生叶子有一种“感夜运动”特性，即花生的叶子在晚上闭合，减少了与气态HTO接触的表面积，故对HTO的吸收减少；白天随着光线的增强，叶子逐渐张开，在太阳光的刺激下气孔开启，对HTO的吸收能力增强。

因为本试验中花生在充满气态HTO的密闭室内暴露时间为1 h，从表2看出，试验结束后花生叶子中TFWT的浓度均小于利用公式（1）计算出的平衡状态下花生叶子中TFWT的浓度，所以花生叶子中TFWT要在1 h后才能与周围环境中气态HTO达到平衡，这与文献［3-4］结果相似。与白天相比，晚上试验，花生叶子中TFWT与周围环境中气态HTO达到平衡可能需要更长的时间。

2.3 晚上和白天试验花生中TFWT浓度的变化

晚上和白天暴露试验结束和收获时花生叶子和果实中的TFWT和OBT的浓度列于表3。

表3 花生叶子和果实中TFWT和OBT的浓度Table 3 TFWT and OBT concentrations in leaves and kernels of peanut

因为不同试验时间暴露室空气中HTO的浓度不同，为比较空气中HTO向植物中TFWT的转移程度，将暴露试验结束后和收获时植物中TFWT的浓度除以试验时暴露室内空气水分中HTO的平均浓度，得到一个相对浓度，以消除由于空气浓度的不同而影响植物中TFWT含量的比较。为能直观地从图上看出变化规律，将植物中TFWT的相对浓度进行对数转化，对数转化后花生开花下针期和结荚期晚上和白天试验情况下，试验结束和收获时叶子和果实中TFWT的相对浓度变化如图1、2所示。

图1 花生开花下针期试验结束和收获时花生叶子和果实中TFWT的相对浓度Fig.1 Relative TFWT concentrations in leaves and kernels of peanut exposed to atmospheric HTO at flowering stage

图2 结荚期花生叶子和果实中TFWT的相对浓度Fig.2 Relative TFWT concentrations in leaves and kernels of peanut at podding stage

从图1可看出，花生开花下针期晚上试验结束时花生叶子中TFWT的相对浓度是白天相应值的约1／6，表明花生叶子白天从空气中吸收HTO的量要远大于晚上吸收的量。晚上暴露试验结束时叶子中TFWT的相对浓度是收获时的151倍，而白天试验相应的值为317倍。晚上和白天试验结束时叶子中TFWT的相对浓度与收获时花生果实中TFWT的相对浓度的比值分别为19.37和20.39，表明在花生下针期虽然晚上和白天叶子吸收HTO蒸汽的量差别较大，但最后转移给果实的量差别不大，原因可能是晚上叶子吸收的HTO在生理活动中可最大限度地转移给果实，而白天虽然吸收的HTO量较多，但一部分通过蒸腾作用损失掉了。

从图2可看出，结荚期晚上试验结束时叶子中TFWT的相对浓度约为白天的1／3，而果实中相应的值约为2／3。在晚上和白天两种试验情况下，试验结束时叶子中TFWT的相对浓度分别是收获时的129倍和651倍，而果实中相应的值为0.96和1.28倍，说明晚上试验无论叶子中还是果实中的TFWT变化幅度均小于白天的试验。

以上结果表明，晚上植物吸收气态HTO的量要小于白天的吸收量，不同植物之间的差异较大，且同一植物不同生育期之间也有所不同，而且随着时间的推移植物中TFWT的下降程度也有所不同，所以在气态HTO短期释放情况下研究环境中HTO的迁移转化应考虑晚上的情况。

2.4 晚上和白天试验情况下花生中OBT浓度的比较

因不同试验时间空气中HTO的浓度差异很大，导致植物叶子吸收的HTO的量变化也很大，所以直接导致不同试验时间叶子中吸收的HTO转化成OBT的量难以进行比较，为对不同试验条件下植物生成OBT的程度进行比较，用植物不同部分OBT的量与暴露结束时植物叶子中TFWT的浓度相比所得到的OBT相对浓度来进行比较研究，结果示于图3。

图3 开花下针期试验结束和收获时花生叶子和果实中OBT相对浓度Fig.3 Relative OBT concentrations in leaves and kernels of peanut exposed to atmospheric HTO at flowering stage

从图3可知，开花下针期晚上试验结束时叶子中OBT的相对浓度约为白天试验中的1／3，而结荚期的值相应约为2／3，表明花生叶子的生理代谢活动较旺盛。收获时叶子中OBT的相对浓度与开花下针期试验结束时叶子中OBT的相对浓度相比，开花下针期无论晚上还是白天都呈减少的趋势，原因可能是开花下针期营养器官的生长处于指数增长期，后期形成的没有被污染的干物质与形成的OBT相互交换稀释，使其含量逐渐下降。而结荚期则相反，收获时叶子中的OBT相应有所增加，此时主要是生殖生长阶段，叶子形成的干物质大部分输送给地下部分，同时晚上试验增加的份额较白天试验增加的要多，原因可能是晚上试验后叶子中形成的TFWT在第二天白天还可继续生成OBT，但白天形成的TFWT在蒸腾作用下损失的速度要快于晚上损失的速度。

图4为结荚期晚上和白天试验时花生中OBT的变化趋势。从图4可看出，在试验结束时，晚上试验果实中的OBT含量要高于白天，具体原因可能是结荚期花生叶子晚上的生理代谢旺盛，向地下部分传输同化物的能力要高于白天。果实中的OBT含量在收获时与试验结束时相比呈减小的趋势，减小为原来的1／4，而白天试验果实中OBT的含量却呈增加的趋势，但增加的幅度不大，仅为3.93%。试验中结荚期叶子中的OBT在收获时呈增加趋势，但果实中却呈减少趋势，原因有待于进一步研究。

图4 结荚期花生叶子和果实中OBT的相对浓度Fig.4 Relative OBT concentrations in leaves and kernels of peanut at podding stage

3 结论

1）无论白天还是晚上，HTO短期暴露试验下，花生叶子中的TFWT与周围空气中的HTO达到平衡的时间大于1 h。

2）晚上花生叶子吸收气态HTO转化为TFWT的能力小于白天，不同生育期的差异也不同，开花下针和结荚期晚上暴露试验结束时花生叶子中TFWT的相对浓度分别约为白天相应值的1／6和1／3。开花下针和结荚期晚上暴露试验结束时花生叶子中OBT的相对浓度分别约为白天试验时相应值的1／3和2／3，结荚期晚上试验结束时果实中OBT的相对浓度为白天试验相应值的1.13倍。

3）对气态氚夜间短期释放进行评价和预测时，应在现有的预测模型上根据植物种类及其相应的生育期乘以相应的系数，才能更合理地对植物中的TFWT和OBT进行预测。

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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

国家自然科学基金资助项目（10875108）；核能“十二五”开发项目资助；山西农业大学引进人才科研启动项目资助（XB2011022）

申慧芳（1976—），男，山西长治人，副教授，博士，从事氚气态释放后的环境迁移转化研究

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