В организме животных изотопный состав воды близок к составу дождевых вод в местах обитания. Для человека существенные коррективы в эту зависимость вносят овощи и фрукты, выращенные в других климато-географических условиях. Так, тропические фрукты и овощи, выращенные близко к экватору, имеют более низкие величины D, О17 и О18 и более полезны для здоровья, чем выращенные в умеренных широтах.
Изотопное соотношение протия:дейтерия П:D в материковых водах 4700:1. В морской воде на 1 атом D приходится 6800 атомов П, т.е. содержание D 0,0135 атомных %, или 0,015 весовых %. Весь или подавляющая часть D в обыкновенной воде находится в форме HDО, а не в виде D2О. При обычной температуре энергия водородной связи в тяжелой воде на 340 кал/моль больше, чем в протиевой. В тяжелой воде хуже растворяются соединения. За исключением хлороформа CHCl3-CDCl3 и тетрабромэтила, вязкость дейтериевых соединений на 10-15% больше протиевых, а скорость их реакций замедляется в 6-8 раз даже при комнатной температуре. В большинстве химических реакций, за редким исключением, D медленнее реагирует, чем протий. Для тяжелых изотопов (дейтерия и трития) различия в скоростях протекания реакций, в которых они участвуют, обусловлена как разницей масс атомов и тех молекул, в которые они входят, так и изменениями энергии активации. При 0 °С П взаимодействует с хлором в 13,4 раза быстрее, чем D. Поскольку D вытесняет П из активных зон катализаторов, удаление из них даже ничтожных количеств дейтерия резко повышает скорость каталитических и ферментативных реакций. Вязкость тяжелой воды на 10-20% больше, чем легкой, а плотность больше на 10%. Тяжелая вода — худший растворитель, чем легкая. У нее выше температура и теплота испарения, чем у легкой: при 3,82 °С 11109 кал/моль вместо 10702 кал/моль. Выше на 5,5% и теплота плавления у тяжелой воды.
Поскольку вода в клетке приобретает свойства льда, а Н2О и D2O в твердой фазе сильнее отличаются друг от друга, влияние D на биохимические реакции в клетке сильнее, чем в простой воде.
Основная масса тяжелой воды в обыкновенной воде присутствует в виде HDO16 (его 0,02%).
Содержание D иногда выражается в единицах плотности гаммах (?). 1? = 0,00001 единицы плотности. В речной воде содержится 15 ?. Если удалить часть D из воды, то ? =12 (уменьшение D — на 3 ?). 1? эквивалентна 0,000927 мол % D.
Проба воды, отличающаяся от нормы на 5 ?, содержит D на 0,000927 х 5 = 0,0046 мол % больше или меньше нормы 15 ?. Норму 15 ? принимают за 100%, а увеличение или уменьшение D в пробе воды выражают величиной отклонения от нормы в процентах. Например, отклонение от нормы на 15 % соответствует отклонению на 1/3 от 15 ?, то есть на 33%. Содержание D в океанской воде на 4% выше, чем в речной. Изотопный состав океанской воды принимается за эталон и обозначается через дельту ? в % или ‰ . Так, например, содержание D в ювенильной воде, измеренное нами, было понижено но 30-70 промилле.
В природной воде на Земле на 106 молекул Н2О приходится 320 молекул HDО, 420 молекул Н2О17 и около 2000 молекул Н2О18. Отношение содержания дейтерия к протию D/H = 0,000150 (0,0150 ат.%), а отношение O18/O16 = 0,002 (0,2 ат.%) .
Максимальные зафиксированные пределы колебания концентраций дейтерия в природных водах около 70%, а кислорода-18 — около 19%. Наиболее легкая вода встречается в осадках полярных регионов. D/H = 0,109 ат.%, а О18/О16 = 0,1887 ат.%, а наиболее обогащенная — в закрытых бассейнах аридной зоны (D/Н = 0,0178 ат.%, О18/О16 = 0,2055 ат.%. Для других природных объектов зафиксированные пределы колебания дейтерия около 150% (в молекулярном водороде атмосферы D/H=0,079 ат.%, в хондритах и лунных породах D/H = 0,0195 ат.%.
Исследованиями многих ученых установлено, что океаническая вода на глубине 500 м и более весьма однородна по изотопному составу. Это обстоятельство дало основание Крейгу в 1961 году предложить ее в качестве стандарта для выражения содержания D и О18 в природных водах в относительных единицах. Стандарт океанической воды (СMOB или SMOW) имеет следующие значения изотопов водорода и кислорода: D/H = (158±2) x 106 и О18/О16 = (1993,4±2,5) х 10-6. Относительные содержания D и О18 (?D и ?О18) определяются из выражения: ? = (R/RSMOW-1) x 1030, где R -отношения D/H или О18/О16. Есть и другие формулы расчета дельты ?.
Содержание D и П в воде измеряют на масс-спектрометрах различных марок. При этом попользуют, кроме стандарта SMOW, другой немецкий стандарт PEF-1 — полиэтиленовую пленку, в которой водородный изотопный состав всегда постоянен (98,8±4,3‰). Его содержание и изотопный состав не меняется.
Приведем результаты измерения дейтерия в шести образцах воды в нашей лаборатории. Расчеты проводились по формуле:
?D = (Rобразец-Rстандарт) / Rстандарт х 1000‰,
где Rобразец — исследуемая вода, Rстандарт — стандарт SMOW.
Изотопный состав воды, измеренный в величинах ?D, представляющих относительное отклонение измеряемых изотопных соотношений образца от стандарта SHOW и выражен в промилле (‰). Абсолютное содержание дейтерия в стандарте SMOW 0,015576 ат.%.
Измерения проведены на модифицированном масс-спектрометре МИ-1201В относительно внутреннего стандарта океанической воды №2195.