Le tritium est un isotope radioactif produit naturellement par le rayonnement cosmique et artificiellement par l'industrie nucléaire. Comme il tend à se diffuser dans l'environnement via l'air et le cycle de l'eau, il est considéré comme un marqueur important d'activités nucléaires. La connaissance de son métabolisme est un enjeu important pour évaluer son caractère dangereux au regard de la radioprotection et de la santé publique.
L'exposition au tritium Normes et recommandations sur le tritium dans l’eau potable (INFO-0766) (ou en format PDF), document produit par le Canada sur la base de données à jour en septembre 2007. L’Organisation mondiale de la santé (OMS) recommande une valeur guide de concentration dans l’eau à ne pas dépasser de 10'000 Bq/L.
Sa période radioactive relativement courte fait que le tritium a une activité spécifique élevée (). Autrement dit, une masse de tritium très faible produit un nombre de désintégrations par seconde élevé. En théorie, parce que l'hydrogène est un élément chimique majeur, entrant dans la plupart des molécules existant naturellement et en particulier l'eau, le tritium ne peut pas exister dans l'environnement à l'état pur et il n'apparaît a priori que comme une très faible fraction de l'hydrogène, en masse ou nombre d'atomes. Cependant, l'absence de discrimination (positive ou négative) entre les isotopes de l'hydrogène lors des processus biologique reste à prouver.
La plupart des composés organiques issus du métabolisme semblent pouvoir être radiomarqués par le tritium ; il suffit d'exposer l'organisme (vivant) qui les produit (plante, animal, champignon, lichen, microorganisme) à de l'eau tritiée ou à un gaz tritiéKenneth E. Wilzbach Tritium-labeling by exposur of organic compounds to tritium gas ; J. Am. Chem. Soc., 1957, 79 (4), DOI: 10.1021/ja01561a078 Publication Date: February 1957 (Résumé & ).
Il est ainsi possible ensuite d'observer la cinétique d'un composé organique radiomarqué par le tritium dans un organisme (pour étudier sa « cible » par exemple, ou certains métabolites ou produits de dégradation et leur devenir). La radioactivité du tritium et le fait qu'il puisse s'intégrer dans les molécules les plus petites a permis de l'utiliser pour suivre dès les années 1950 des processus fins tels que la duplication de l'ADNJ. Herbert Taylor, Philip S. Woods & Walter L. Hughes, The organization and duplication of chromosomes as reavaled by autoradioagraphic studies using tritium-labeled thymidine , via des films radiosensibles, ce qui a permis de confirmer l'hypothèse de Watson et Crick (qui ont « découvert » de l'ADN).
Formes du tritium dans la biosphère Dans l'environnement, le tritium se présente sous 3 formes principales : T (tritium gazeux) ; HT (dihydrogène tritié) ; CHT (méthane tritié) ; HTO (Eau tritiée) : 99 % environ du tritium produit prend rapidement cette forme, essentiellement dans l'océan. En 1972, l'UNSCEAR estimait à , contre aujourd'hui(UNSCEAR, 1993). Ce sont les océans qui en contiennent le plus, mais si dilué dans leur masse que le taux de tritium (0,2 Bq/L en moyenne) est bien plus bas que dans les eaux continentales (UNSCEAR, 1993), sauf en cas de proximité d'installations nucléaires ; OBT (pour « Organically Bounded Tritium » ; expression désignant le tritium intégré de manière covalente au sein de molécules organiques), dans les organismes vivants (biomasse), leurs cadavres (nécromasse) ou excréments et excrétats, dans la matière organique du sol et des sédiments...
Via le recyclage de la nécromasse ou plus généralement via la chaîne alimentaire, ces trois formes de tritium peuvent être transférées d'un compartiment à l'autre de l'écosystème.
Une question importante pour le biologiste est de savoir si la présence de tritium dans une molécule d'eau affecte ou non le comportement de cette « eau tritiée » dans les systèmes biologiques (cellules, organes, organismes, écosystèmes ou fluides organiques tels que lymphe, sang, etc.).
Dès les années 1950, un double désaccord apparait entre chercheurs. Il porte sur deux points : les véritables valeurs des coefficients de diffusion de THO, H0 et DO ; l'eau tritiée semble en effet diffuser moins vite au travers de membranes biologiques que l'eau. le comportement des molécules THO : peut-on ou non affirmer que H0 et DO ou de l'eau à laquelle on a substitué un isotope de l'oxygène (180) à l'oxygène sont des molécules permettant de tracer l'eau, sans que le comportement de ces molécules (eau tritiée ou eau radiomarquée par un isotope de l'oxygène) soit modifié durant leur fonction de traceur de l'eau dans les systèmes biologiques Wang, J. H., Robinson, C. V., and Edelman, Self-diffusion and structure of liquid water. III. Measurement of the self-diffusion of liquid water with H2, H3 and O18 as tracers, I. S., J. Am. Chem. Soc., 1953, 75, 466.(Résumé et )Elms, T., and Chinard, F. P., Am. J. Physiol., 1956, 185, 133. Granpner, K.. and Winter, E. R. S., J. Chem. Soc., 1952, pt. 1, 1145.Lovtrup, S., and Pigon, A., Compt.-rend. tray. Lab. Carlsberg, 1951, 9,8, s6rie chimique, 1.Johnson, P. A., and Babb, A. L., Chem. Rev., 1956, 56, 387.. Les données de Wang et al ont été considérés comme les plus satisfaisantes par les biologistes qui ont les premiers utilisé l'eau tritiée comme traceur pour la mesure de l’absorption d'eau par les globules rouges humains. Les expérimentations de Wang et alWang, J. H., J. Am. Chem. Soc., 1954, 76, 4763. avaient en 1954 conclu à un coefficient de diffusion de THO différent (14 % plus faible) que celui de H20<ref name=PaganelliSolomon57>C.V. Paganelli & A.K. Solomon (Biophysical Laboratory of Harvard Medical School, Boston) The rate of exchange of tritiated water across the human red cell membrane ; étude soutenue par lAtomic Energy Commission américaine, article reçu pour publication 1957-05-03, The Journal of General Physiology (J Gen Physiol), 1957 Nov 20;41(2):259–277. (résumé</ref>.a ainsi introduit un facteur de compensation de +14 % dans ses calculs de flux pour compenser cette différence. Dans le cas des globules rouges, Sheppard et MartinSheppard, C. W., and Martin, W. R., J. Gen. Physiol., 1950, 33, 703. avaient estimé en 1950 que les radiations du tritium de l'eau tritiée n'affectait a priori pas (en tous cas dans le temps de l'expérience) la capacité de fonctionnement des canaux (aquaporines) traversant la paroi cellulaire (car le transport du potassium qu'ils ont mesuré n'était pas affecté par une radioactivité estimée par eux à rads).
Fixation biologique du tritium vignette|Fixation de l'hydrogène sur le carbone par la photosynthèse (cycle de Calvin) transformant le tritium en forme non échangeable.
Le tritium ayant presque les mêmes propriétés chimiques que l'hydrogène, il s'y substitue facilement, y compris en se liant à d'autres atomes, dans les molécules d'eau ou dans les molécules organiques, en s'y comportant comme le ferait l'hydrogène. Parce que très soluble dans l'eau il peut s'y intégrer sous forme d'eau tritiée, laquelle se répartit sur l'ensemble du cycle de l'eau. Sous cette forme, le tritium pénètre facilement dans les organismes par inhalation, ingestion ou à travers la peau ou les muqueuses.
Sa fixation ou sa non-fixation dans un organisme dépendent de sa forme physicochimique, selon qu'il est présent sous « forme libre » ou incorporée. Sous forme libre parfois dite "minéraleIRSN, Fiche Tritium (voir ), on le trouve généralement dans l'eau (et alors essentiellement sous forme d’eau tritiée liquide), ou dans l'air (sous forme de vapeur d'eau tritiée). De même que l'hydrogène gazeux, le tritium gazeux (HT) n'est pratiquement pas métabolisé. Seul 0,01 % de l’activité inhalée est absorbé pour être ensuite oxydé rapidement en eau tritiée. sous forme de « tritium incorporé », on le trouve alors dans une molécule organique, où il est dit « lié ». Cette molécule peut être métabolisée. Selon l'IRSN, une partie du tritium minéral entre dans les molécules organiques par échange avec un hydrogène labile ou par des réactions métaboliques. Ce phénomène se produit aussi bien pour les végétaux, par la photosynthèse que chez l'homme et l'animal. Associé (passivement ou via le métabolisme bactérien ou d’autres espèces) à certaines molécules organiques, le tritium devient du « Tritium Organiquement Lié Échangeable » (dit TOL-E ou OBT-E) ; il s’est alors substitué à l'hydrogène de radicaux typiques (-OH, -SH, =NH...) et circule dans les organismes vivants en empruntant les voies de ces radicaux.
Les atomes de tritium de la fraction organique échangeable sont très labiles (liaisons covalentes faibles). Le tritium organique en position échangeable se met en fait en équilibre avec le tritium contenu dans l'eau cellulaire et subit les mêmes évolutionsFusion magnétique : Le tritum, CEA. Sa période biologique est donc sensiblement la même que celle de l'eau tritiée.
De la forme liée en eau tritiée, le tritium est également incorporé à la matière organique lors de la photosynthèse.
Le tritium est qualifié de « Tritium Organiquement Lié Non-Échangeable » (TOL-NE ou OBT-NE) quand il s’est directement lié aux atomes de carbone des molécules organiques.
Ces dernières molécules sont beaucoup plus stables car les liaisons carbone-hydrogène donnent des liaisons covalentes fortes qui nécessitent une combustion ou un crackage ou une hydrolyse enzymatique pour être cassées.
Le tritium non échangeable peut avoir un comportement très différent de celui du tritium libre ou en solution dans l’eau dans l’organismeEn particulier au cœur même de l'ADN, rappelle M. Smeesters, expert en radioprotection pour la Commission européenne. Le Patrick Smeesters est « Expert senior radioprotection, AFCN », Maître de conférences (UCL, ULB), Président du groupe de travail RIHSS (Research Implications on Health Safety Standards) du groupe d'experts de l'article 31 du Traité Euratom..
Sous forme organique liée non échangeable (OBT), la manière dont le tritium participe au métabolisme dépend de la molécule où il s'est fixé. De ce fait, le tritium montre dans la cellule une diffusion non homogène (ce qui en toute rigueur peut conduire à un niveau de dangerosité variant avec la forme de l'OBT).
Sa période radioactive de lui permet d’avoir des effets sur un temps significatif du point de vue écotoxicologique.
Le tritium fixé participe à l'ensemble du métabolisme, y compris l'élaboration de l'ADN : Komatsu (1982), en contaminant expérimentalement un réseau trophique constitué de diatomées (Chaetoceros gracilis), de petites crevettes (Artemia salina) et de poissons (Oryzias latipes), constatait qu'une part significative de ce tritium est incorporé dans l’ADN des artémiesKomatsu K., Higushi M., Sakka M. (1981). Accumulation of tritium in aquatic organisms through a food chain with three trophic levels. J. Radiat. Res., 22, 226-241. 11 ans avant lui (en 1971), et sur des organismes à cycle de vie plus long, Kirchmann n'avait pas observé de concentration particulière dans l’ADN.
Sous forme fixée, il n'y a plus d'échanges avec l'eau cellulaire et les autres radicaux à liaison faible. Sa période biologique n'est plus liée à celle de l'eau tritiée, mais dépend du métabolisme associé à la molécule porteuse, laquelle peut être très stable dans l'organisme.
La durée de l’incorporation de tritium dépend donc du turn-over de la molécule biologique : rapide pour des molécules qui participent au cycle énergétique, plus lente pour des molécules de structure ou des macromolécules comme l’ADN, ou bien des molécules de réserve énergétiqueFiches de synthèse radionucléides sur le Tritium, CEA.
C'est sous cette forme qu'il marque l'environnement de façon durable. C'est cette fixation qui permet par exemple de reconstituer les teneurs historiques en tritium par l'étude des cernes d'arbres..
Cinétique dans l'organisme