第12章.核技術在農業環境研究中的應用中國農業大學齊孟文第12章核技術在農業環境研究中的應用

核技術在農業環境研究中的應用1§概述1.1應用方法和特點農業環境是生物圈復雜生態系統不可分割的重要組成部分,在自然及人類活動影響下，可能因工業“三廢”、生活及農用有害物質的侵害，環境系統中的土壤、水體及生物受到不同程度污染，生態環境質量遭到破壞，系統的生產能力和產品質量都發生下降。因此，加強農業環境研究，有效保護資源，直接關系到農業可持續發展及人們生活和健康水平的提高。環境問題是人類所關注的三大問題之一，核技術為農業環境的監測和研究提供重要的方法和手段。第12章核技術在農業環境研究中的應用1.1應用方法和特點應用方法1)測試手段利用同位素分析技術，諸如放化分析、中子活化、粒子激發X射線發射(PIXE)、可活化示蹤、放射飽和競爭分析等，對環境污染物進行監測分析，進而做出評估和預報。

第12章核技術在農業環境研究中的應用1.1應用方法和特點

2)研究方法利用示蹤技術，受體配體分析、放射性自顯影,及結合示蹤學動力學的分析方法，研究有害污染物在環境中的轉移、分布、降解動態，掌握農用化合物在環境中的歸宿、制定安全監控和評估體系。

第12章核技術在農業環境研究中的應用1.1應用方法和特點基本特點

1)分析方法靈敏、準確。

2)樣品制備簡單。

3)利用標記，可對有害物質的污染途徑，環境歸宿、代謝和降解過程進行跟蹤研究。

4)放化分析的特點，使其可以估計樣品制備過程每一步的回收率。

第12章核技術在農業環境研究中的應用1.2應用方面

1)農藥環境安全性評估農藥包括殺蟲劑、除草劑，殺菌劑、滅鼠劑及植物生長調節劑。研究方面包括農藥在生態系統的遷移，分布與殘留動態及其代謝、降解過程，以便對其環境安全性進行評估，為有效安全使用提供依據。

第12章核技術在農業環境研究中的應用1.2應用方面2)重金屬污染的研究重金屬是農業環境的另一污染物，主要來源于污水灌溉及污泥和工礦固體廢渣中的多種重金屬，如生物毒性顯著的Cd、Pb、Hg、Cr等。利用中子活化，帶電粒子活化技術可以對樣品進行多元素同時分析。第12章核技術在農業環境研究中的應用1.2應用方面3)化學肥料對環境的影響化肥的過量施用，經淋溶或徑流進入地下水，江河等水體，造成水體的富營養化，引起水體功能退化，生態惡化，同時有害的硝酸鹽和亞硝酸鹽，經水體或植物吸收進入食物鏈，會對人體構成直接潛在危害。15N示蹤技術是研究生態系統N素平衡和及其轉移的基本方法。4)其它環境有害物質環境行為的研究。

第12章核技術在農業環境研究中的應用1.3一般實驗程序1)標記農藥的比活度按實驗結束時試樣的活度能準確測定，但有不過高的原則確定。殘留試驗一般μci/mg。例如：若試樣重1克，要求樣品的活度A＝2220dpm，則樣品的濃度：濃縮樣品或提高儀器的探測效率，能提高分析靈敏度。

第12章核技術在農業環境研究中的應用2)試驗布置

實驗一般在實驗室條件下進行，為了模擬實際條件，常需采用各種環境生態模擬系統。在嚴格的安全措施下，有時也可在田間小區設置盆，管進行試驗。

第12章核技術在農業環境研究中的應用3)樣品制備分析a.水樣：取樣(1ml)、LSC水樣LSC殘留萃取—濃縮—TLC降解

殘留濃度,降解產物用(Rf

，%)表征。

由空間位置靈敏探測器組成核探測儀器?？捎糜诒訉游霭?、凝膠電泳轉印膜上放射性條帶的直接定位測定。第12章核技術在農業環境研究中的應用LS6500液體閃爍計數儀

BECKMAN，美國第12章核技術在農業環境研究中的應用第12章核技術在農業環境研究中的應用瑞士卡瑪產地：德國第12章核技術在農業環境研究中的應用3)樣品制備分析b.土樣LSC

振蕩提取---離心---

濃縮----TLC土樣殘渣-----風干-----燃燒------LSC

索氏提取燃燒制樣將14C標記化合物轉變成二氧化碳，3H標化合物轉變成水，被堿性吸收液吸收或接收后，用LSC測定。

第12章核技術在農業環境研究中的應用3)樣品制備分析c.植物樣品

表面附著在施用部位，未進入植物體的部分。植物殘留可提取可被溶劑提取的部分。

結合不能被提取與多糖類等大分子結合的部分。

第12章核技術在農業環境研究中的應用c.植物樣品

洗滌液----定容----LSC(表面)植物器官勻漿--超聲振蕩--離心取樣--

索氏提取

提取液---定容----LSC

殘渣-----燃燒----LSC第12章核技術在農業環境研究中的應用

組織搗碎

超聲提取旋轉蒸發第12章核技術在農業環境研究中的應用4)結果分析a.殘留安全間隔測定殘留及其隨時間變化，并用指數函數擬合，殘留半衰期。b.在生態系中的歸宿在生態系中的轉移、分布或降解動態過程，用隔室動力學模型解析，動力學參數可用系統的結構參數如轉移速率常數，排出速率常數等表征。

第12章核技術在農業環境研究中的應用§2農藥在土壤中行為的研究

土壤不僅因防治地下害蟲，防除雜草或為保護植物幼苗直接施用內吸性農藥獲得殘留，而且也因對作物噴施的農藥大部分灑落在地面而獲得殘留。進入土壤的農藥歸宿如圖示。除部分存在于土壤溶液外，大部分或揮發漂散到空氣中部分，或被淋溶，或被植物吸收或被土壤膠體吸附進而與土腐殖質(富里酸、胡敏酸)結合成為結合殘留。存在土壤的農藥會被光、化學物質和土壤微生物降解，生成降解產物或最終轉變成CO２。

第12章核技術在農業環境研究中的應用§2農藥在土壤中行為的研究

揮發漂散植物吸收、土壤膠體吸附、締合農藥土壤光解化學降解淋溶物降解

第12章核技術在農業環境研究中的應用2.1土壤吸附作用

土壤對農藥的吸附能力，關系到農藥的有效性和土壤對殘留的承載能力。吸附使其生物活性減弱。采用標記農藥研究吸附，具有簡便、快速、準確的特點。

第12章核技術在農業環境研究中的應用2.1土壤吸附作用1)土壤吸附系數吸附系數由等溫吸附方程的平衡常數確定。式中，Ce為吸附平衡時溶液的濃度(dpm/ml)，Cs為平衡時土壤吸附量(dpm/g)。

第12章核技術在農業環境研究中的應用測定土壤吸附系數

稱取過20目適量風干土，與一系列濃度的農藥溶液(難溶物，可加不超過0.2%(v/v)的助溶劑，如乙晴)，按水土比15∶1；10∶1或100∶1配比（視Kd大小而定），在離心管中，恒溫振蕩，達平衡后，離心、測定上清液Ce(dpm/ml)，并由初始濃度Co(dpm/ml)，計算土壤的吸附濃度Cs(dpm/g)。第12章核技術在農業環境研究中的應用2)吸附率

操作

上清液LSC、Ce、Δ＝Co-Ce。土壤

C0

殘渣燃燒，Δ平衡驗證。吸附能力與土壤性質，如有機質含量(OM)，陽離子交換量(CEC)、土壤pH、粘粒含量有關，在有足夠數據時，可建立吸附率與土壤性質的多元歸回方程。

第12章核技術在農業環境研究中的應用2.2在土壤中的遷移淋溶

1)目的確定農藥隨降雨、灌溉下移的情況，評估其對地下水可能產生污染及其程度。2)方法a.室內模擬土壤TLC法制備土壤薄層板、點樣、用水展層、測定Rf

，依據Rf

值的大小衡量農藥在土壤中的移動性。

第12章核技術在農業環境研究中的應用2.2在土壤中的遷移淋溶a.室內模擬土柱法取一定量風干土，裝入玻璃或塑料管(3×20cm２)，加水使土柱潤濕，待多余水流出來，在土柱上層加1ml(10μg)標記農藥，然后用一定量水模擬降雨淋洗，測定淋洗曲線，用適當法，取出土柱，分割成短段，風干后測定放射性，確定農藥重直分布。

第12章核技術在農業環境研究中的應用第12章核技術在農業環境研究中的應用2.2在土壤中的遷移淋溶b.室外模擬在田間小區，埋入土管(Φ10×25cm２)，底部同塑料紗包扎，管口高出土表5cm(防雨淺出)，待其平衡后，在土管上端均勻加一層標記農藥毒土，模擬或任其自然降雨，在一定雨量后，取出土管，測定農藥的移動分布及降解情況。

第12章核技術在農業環境研究中的應用2.3在土壤中的降解作用

a.室內模擬稱取一定量土壤裝入三角瓶，加入標記農藥拌均調到一定含水量，用鋁箔包住并扎幾個孔，控制一定溫度，在黑暗條件下溫育，定時補加蒸發掉的水分。若同時需了解農藥降解產物14CO2的情況，可用橡皮塞了往三角瓶，并安裝進出氣導管，進氣導管裝有捕獲CO2及水氣的NaOH及濃硫酸吸收瓶，出氣端裝有吸收14ＣＯ2的NaOH吸收瓶，定期通氣，并取14ＣＯ2吸收液及土壤進行分析。土壤分析包括可提取殘留及其降解和結合殘留。

第12章核技術在農業環境研究中的應用2.3在土壤中的降解作用b.室外模擬在田間預埋有標記農藥的土管，溫育并間隔時間隨機取土管進行土樣分析。

第12章核技術在農業環境研究中的應用§3農藥在植株體內的行為

3.1進入途徑研究農藥通過葉面角質層的滲透速率，及由根部吸收的速率，及其在體內運轉及分布情況，采用標記農藥，方法十分簡便。3.2殘效期研究農藥在植株中的殘留消解動態，進行農藥使用安全期的評估，農藥在原附著點一般按指數規律消解，，其中λ為農藥消失速常數（d-1），Ｔ１／２為農藥在植株的殘留半衰期。

第12章核技術在農業環境研究中的應用3.3在植株體內的吸收、運轉和分布

農藥的吸收、運轉和分布對于評價農藥的植物保護作用和進行使用安全評估都具有重要意義。研究方法為，通過不同方式引入并在一定間隔取樣、分析農藥在各器分布的動態變化。引入分：①葉面吸收噴施，滴加，浸葉。②根部吸收水培，土培，、打孔法。③果實吸收利用噴霧或涂抹法，觀察果實對農藥的吸收輸運。④種子吸收拌種處理，研究農藥對幼苗的保護作用，或研究貯藏糧食施藥后的殘留。

第12章核技術在農業環境研究中的應用3.4農藥在植物體內的代謝研究

農藥在植株內因代謝作用可能形減毒或毒性加強的代謝產物，代謝過程主要包括氧化還原，羥化，酶解，水解，羧合、縮合，脫羧或環化等。研究步驟1)代謝產物提取可采用一種溶劑(甲醇)一步耗盡提取或用極性及非及性溶劑二步提取，使代謝產物粗分為水溶性(甲醇、丙酮提取)和脂溶性(氯仿、乙酸提取)。

第12章核技術在農業環境研究中的應用3.4農藥在植物體內的代謝研究2)提取液的凈化若提取樣品含有大量色與脂肪或其它脂溶性物質，可能干擾后續儀器分析，可用柱層析進行純化。3)代謝物的分離鑒定常用放射性薄層分析，用Rf鑒定,必要時可利用紅外，質譜、核磁共振進行結構分析。第12章核技術在農業環境研究中的應用§4最新進展

1.遺傳毒性化合物的檢測許多合成及環境化合物具有遺傳毒性，即其以DNA為靶標分子,通過使當代DNA的結構和功發生變化,或在復制過程致突變,并將突變傳給下代,產生各種不利變化.遺傳毒性及其檢測受到廣泛關注。第12章核技術在農業環境研究中的應用1)普通檢測方法

常用:

⑴Ames(1975,美國加洲大學)實驗利用一組鼠傷寒沙門氏菌的組氨酸營養確陷型突變菌株(his-),在加或不加肝微粒體酶活化的條件下,用作選擇培養基測定化學物質致回復突變的頻率,以說明其遺傳毒性.

⑵微粒實驗根據細胞質中產生的額外核小體測定化學物質誘發染色體異常的方法。誘發產生的染色體斷片或遲滯染色體在細胞有色分裂時不能進入子細胞核而在染色質中形成圓或橢圓型微核。常用植物根尖作試驗.第12章核技術在農業環境研究中的應用1)普通檢測法

⑶單細胞凝膠電泳實驗真核細胞DNA受損斷裂，超螺旋解旋，斷片釋放出來，由于其分子小，易在堿性條件下變成單鏈，不同長度的片斷，凝膠電泳時遷移落在后邊，形成“慧星”帶,由此可測定化學物質對DNA的損傷程度。遺傳毒性化合物常形成DNA加合物,DNA加合物的檢測是對檢測技術的新的要求。

第12章核技術在農業環境研究中的應用2)核分析檢測法

DNA加合物的加合是DNA損傷的主要方式,若不被修復,便成為致癌、致畸和致突的最小因子，常被作為遺傳毒性化合物的劑量和生物指標，在分子流行病、分子毒理或環境科學上廣泛應用。DNA加