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1、第12章.核技术在农业环境研究中的应用,核技术在农业环境研究中的应用,1 概述 1.1 应用方法和特点 农业环境是生物圈复杂生态系统不可分割的重要组 成部分,在自然及人类活动影响下，可能因工业“三废”、 生活及农用有害物质的侵害，环境系统中的土壤、水体 及生物受到不同程度污染，生态环境质量遭到破坏，系 统的生产能力和产品质量都发生下降。因此，加强农业 环境研究，有效保护资源，直接关系到农业可持续发展 及人们生活和健康水平的提高。环境问题是人类所关注 的三大问题之一，核技术为农业环境的监测和研究提供 重要的方法和手段。,1.1 应用方法和特点,应用方法 1)测试手段 利用同位素分析技术，诸如放化
2、分析、中子活化、粒子激发X射线发射(PIXE)、可活化示踪、放射饱和竞争分析等，对环境污染物进行监测分析，进而做出评估和预报。 ,1.1 应用方法和特点,2)研究方法 利用示踪技术，受体配体分析、放射性自显影,及结合示踪学动力学的分析方法，研究有害污染物在环境中的转移、分布、降解动态，掌握农用化合物在环境中的归宿、制定安全监控和评估体系。,1.1 应用方法和特点,基本特点 1)分析方法灵敏、准确。 2)样品制备简单。 3)利用标记，可对有害物质的污染途径，环境归宿、代谢和降解过程进行跟踪研究。 4)放化分析的特点，使其可以估计样品制备过程每一步的回收率。,1.2 应用方面,1)农药环境安全性评
3、估 农药包括杀虫剂、除草剂，杀菌剂、灭鼠剂及植物生长调节剂。研究方面包括农药在生态系统的迁移，分布与残留动态及其代谢、降解过程，以便对其环境安全性进行评估，为有效安全使用提供依据。,1.2 应用方面,2)重金属污染的研究 重金属是农业环境的另一污染物，主要来源 于污水灌溉及污泥和工矿固体废渣中的多种重金 属，如生物毒性显著的Cd、Pb、Hg、Cr等。利用 中子活化，带电粒子活化技术可以对样品进行多 元素同时分析。,1.2 应用方面,3)化学肥料对环境的影响 化肥的过量施用，经淋溶或径流进入地下水，江河等水体，造成水体的富营养化，引起水体功能退化，生态恶化，同时有害的硝酸盐和亚硝酸盐，经水体或植
4、物吸收进入食物链，会对人体构成直接潜在危害。15N示踪技术是研究生态系统N素平衡和及其转移的基本方法。 4)其它环境有害物质环境行为的研究。,1.3 一般实验程序,1)标记农药的比活度 按实验结束时试样的活度能准确测定，但有不过高的原则确定。残留试验一般ci/mg。 例如： 若试样重1克，要求样品的活度A2220dpm，则样品的浓度： 浓缩样品或提高仪器的探测效率，能提高分析灵 敏度。,2)试验布置,实验一般在实验室条件下进行，为了模拟实际条件，常需采用各种环境生态模拟系统。在严格的安全措施下，有时也可在田间小区设置盆，管进行试验。,3)样品制备分析,a.水样： 取样(1ml)、LSC 水样
5、LSC 残留 萃取浓缩 TLC 降解 残留浓度 ,降 解产物用(Rf ，%)表征。 由空间位置灵敏探测器组成核探测仪器。可用于薄层层析板、凝胶电泳转印膜上放射性条带的直接定位测定。,LS 6500液体闪烁计数仪,BECKMAN，美国,瑞士卡玛 产地：德国,3)样品制备分析,b.土样 LSC 振荡提取 - 离心- 浓缩-TLC 土样 残渣-风干-燃烧-LSC 索氏提取 燃烧制样将14C标记化合物转变成二氧化碳，3H标化合物 转变成水，被碱性吸收液吸收或接收后，用LSC测定。,3)样品制备分析,c.植物样品 表面 附着在施用部位，未进入植物 体的部分。 植物残留 可提取 可被溶剂提取的部分。 结合
6、 不能被提取与多糖类等大分子 结合的部分。,c.植物样品,洗涤液-定容-LSC(表面) 植物器官 匀浆-超声振荡-离心 取样- 索氏提取 提取液-定容-LSC 残渣-燃烧-LSC,组织捣碎,超声提取,旋转蒸发,4)结果分析,a.残留安全间隔 测定残留及其随时间变化，并用指数 函数拟合，残留半衰期 。 b.在生态系中的归宿 在生态系中的转移、分布或降解动态过程，用隔室动力学模型解析，动力学参数可用系统的结构参数如转移速率常数，排出速率常数等表征。,2 农药在土壤中行为的研究,土壤不仅因防治地下害虫，防除杂草或为保护植物幼苗直接施用内吸性农药获得残留，而且也因对作物喷施的农药大部分洒落在地面而获得
7、残留。进入土壤的农药归宿如图示。除部分存在于土壤溶液外，大部分或挥发漂散到空气中部分，或被淋溶，或被植物吸收或被土壤胶体吸附进而与土腐殖质(富里酸、胡敏酸)结合成为结合残留。存在土壤的农药会被光、化学物质和土壤微生物降解，生成降解产物或最终转变成CO。,2 农药在土壤中行为的研究,挥发漂散 植物吸收、土壤胶体 吸附、缔合 农药 土壤 光解 化学降解 淋溶 物降解,2.1 土壤吸附作用,土壤对农药的吸附能力，关系到农药的有效性和土壤对残留的承载能力。吸附使其生物活性减弱。采用标记农药研究吸附，具有简便、快速、准确的特点。,2.1土壤吸附作用,1)土壤吸附系数 吸附系数由等温吸附方程的平衡常数确定
8、。 式中，Ce为吸附平衡时溶液的浓度(dpm/ml)， Cs为平衡时土壤吸附量(dpm/g)。,测定土壤吸附系数,称取过20目适量风干土，与一系列浓度的农 药溶液(难溶物，可加不超过0.2%(v/v)的助溶剂 ，如乙晴)，按水土比151；101或1001配 比（视Kd大小而定），在离心管中，恒温振荡， 达平衡后，离心、测定上清液Ce(dpm/ml)，并由 初始浓度Co(dpm/ml)，计算土壤的吸附浓度Cs(dpm/g)。,2)吸附率,操作 上清液 LSC、Ce、Co-Ce。 土壤 C0 残渣 燃烧， 平衡验证。 吸附能力与土壤性质，如有机质含量(OM)， 阳离子交换量(CEC)、土壤pH、粘
9、粒含量有关， 在有足够数据时，可建立吸附率与土壤性质的多 元归回方程。,2.2 在土壤中的迁移淋溶,1)目的 确定农药随降雨、灌溉下移的情况，评估其对地下水可能产生污染及其程度。 2)方法 a.室内模拟 土壤TLC法 制备土壤薄层板、点样、用水展层、测定Rf ，依据 Rf 值的大小衡量农药在土壤中的移动性。 ,2.2 在土壤中的迁移淋溶,a.室内模拟 土柱法 取一定量风干土，装入玻璃或塑料管(320 cm)，加水使土柱润湿，待多余水流出来，在土柱上层加1 ml(10 g)标记农药，然后用一定量水模拟降雨淋洗，测定淋洗曲线，用适当法，取出土柱，分割成短段，风干后测定放射性，确定农药重直分布。,2
10、.2 在土壤中的迁移淋溶,b.室外模拟 在田间小区，埋入土管(1025cm)，底部同塑料纱包扎，管口高出土表5 cm(防雨浅出)，待其平衡后，在土管上端均匀加一层标记农药毒土，模拟或任其自然降雨，在一定雨量后，取出土管，测定农药的移动分布及降解情况。,2.3 在土壤中的降解作用,a.室内模拟 称取一定量土壤装入三角瓶，加入标记农药拌均调到一定含水量，用铝箔包住并扎几个孔，控制一定温度，在黑暗条件下温育，定时补加蒸发掉的水分。若同时需了解农药降解产物14CO2的情况，可用橡皮塞了往三角瓶，并安装进出气导管，进气导管装有捕获CO2及水气的NaOH及浓硫酸吸收瓶，出气端装有吸收142的NaOH吸收瓶
11、，定期通气，并取142吸收液及土壤进行分析。土壤分析包括可提取残留及其降解和结合残留。,2.3 在土壤中的降解作用,b.室外模拟 在田间预埋有标记农药的土管，温育并间隔 时间随机取土管进行土样分析。,3 农药在植株体内的行为,3.1 进入途径 研究农药通过叶面角质层的渗透速率，及由 根部吸收的速率，及其在体内运转及分布情况， 采用标记农药，方法十分简便。 3.2 残效期 研究农药在植株中的残留消解动态，进行农 药使用安全期的评估，农药在原附着点一般按指 数规律消解， ，其中为农 药消失速常数（d-1），为农药在植株的残 留半衰期。,3.3 在植株体内的吸收、运转和分布,农药的吸收、运转和分布对
12、于评价农药的植 物保护作用和进行使用安全评估都具有重要意义 。研究方法为，通过不同方式引入并在一定间隔 取样、分析农药在各器分布的动态变化。引 入分：叶面吸收 喷施，滴加，浸叶。根部 吸收 水培，土培，、打孔法。果实吸收 利 用喷雾或涂抹法，观察果实对农药的吸收输运。种子吸收 拌种处理，研究农药对幼苗的保 护作用，或研究贮藏粮食施药后的残留。,3.4 农药在植物体内的代谢研究,农药在植株内因代谢作用可能形减毒或毒性 加强的代谢产物，代谢过程主要包括氧化还原， 羟化，酶解，水解，羧合、缩合，脱羧或环化等。 研究步骤 1)代谢产物提取 可采用一种溶剂(甲醇)一步耗尽提取或用极 性及非及性溶剂二步提
13、取，使代谢产物粗分为水 溶性(甲醇、丙酮提取)和脂溶性(氯仿、乙酸提 取)。,3.4 农药在植物体内的代谢研究,2)提取液的净化 若提取样品含有大量色与脂肪或其它脂溶性物质，可能干扰后续仪器分析，可用柱层析进行纯化。 3)代谢物的分离鉴定 常用放射性薄层分析，用Rf鉴定,必要时可利用红外，质谱、核磁共振进行结构分析。,4最新进展,1.遗传毒性化合物的检测 许多合成及环境化合物具有遗传毒性，即其以DNA为靶标分子,通过使当代DNA的结构和功发生变化,或在复制过程致突变,并将突变传给下代,产生各种不利变化.遗传毒性及其检测受到广泛关注。,1)普通检测方法,常用: Ames(1975,美国加洲大学)
14、实验 利用一组鼠伤寒沙门氏菌的组氨酸营养确陷型突变菌株(his-),在加或不加肝微粒体酶活化的条件下,用作选择培养基测定化学物质致回复突变的频率,以说明其遗传毒性. 微粒实验 根据细胞质中产生的额外核小体测定化学物质诱发染色体异常的方法。诱发产生的染色体断片或迟滞染色体在细胞有色分裂时不能进入子细胞核而在染色质中形成圆或椭圆型微核。常用植物根尖作试验.,1)普通检测法,单细胞凝胶电泳实验 真核细胞DNA受损断裂，超螺旋解旋，断片释放出来，由于其分子小，易在碱性条件下变成单链，不同长度的片断，凝胶电泳时迁移落在后边，形成“慧星”带,由此可测定化学物质对DNA的损伤程度。 遗传毒性化合物常形成DN
15、A加合物, DNA加合物的检测是对检测技术的新的要求。,2)核分析检测法,DNA加合物的加合是DNA损伤的主要方式,若不被修复,便成为致癌、致畸和致突的最小因子，常被作为遗传毒性化合物的剂量和生物指标，在分子流行病、分子毒理或环境科学上广泛应用。 DNA加合物常用核分析法检测。,32P后标记（32P-postlabelling）,32P后标记法是检测DNA加合物的主要方法之一。此法非常灵敏，敏感度达1个加合物/1010核苷酸。将DNA提纯后用内切酶消化成3 单核苷酸，经磷酸酶PI处理，不含加合物的核苷酸3 去磷酸化，而含有加合物的核苷酸不发生此反应。在特异的T4多核苷酸激酶作用下，32P-AT
16、P的磷酸根可转移至含加合物核的苷酸5-OH上成为3,5二磷酸核苷酸，最后可通过薄层层析分离，放射自显影定量分析。,同位素稀释质谱技术（IDMS）,同位素稀释质谱技术是在用色质连用仪器定量样品某一成分时，于样品制备时，就在其中加待分析成分的稳定性标记物作内标进性定量的测量技术。该方法特别适合环境等洋复杂基质样品中微量及痕量物质的测定。,加速器质谱技术(AMS),其主要原理是：将14C标记的化合物处理动物后,提取DNA,将DNA氧化成CO2后再还原成石墨,用作加速器质谱离子源靶标，测定14C含量，14C/12C比值代表DNA的加合水平。AMS技术能定量研究极微量的毒物与生物大分子产生的加合，灵敏度可高达1个加合/1011-1012个核苷酸。,