核技術(shù)在農(nóng)業(yè)環(huán)境研究中的應(yīng)用

核技術(shù)在農(nóng)業(yè)環(huán)境研究中的應(yīng)用第1頁/共43頁

核技術(shù)在農(nóng)業(yè)環(huán)境研究中的應(yīng)用1§概述1.1應(yīng)用方法和特點(diǎn)農(nóng)業(yè)環(huán)境是生物圈復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)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(yè)“三廢”、生活及農(nóng)用有害物質(zhì)的侵害，環(huán)境系統(tǒng)中的土壤、水體及生物受到不同程度污染，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量遭到破壞，系統(tǒng)的生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量都發(fā)生下降。因此，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)環(huán)境研究，有效保護(hù)資源，直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及人們生活和健康水平的提高。環(huán)境問題是人類所關(guān)注的三大問題之一，核技術(shù)為農(nóng)業(yè)環(huán)境的監(jiān)測和研究提供重要的方法和手段。第2頁/共43頁1.1應(yīng)用方法和特點(diǎn)應(yīng)用方法1)測試手段利用同位素分析技術(shù)，諸如放化分析、中子活化、粒子激發(fā)X射線發(fā)射(PIXE)、可活化示蹤、放射飽和競爭分析等，對環(huán)境污染物進(jìn)行監(jiān)測分析，進(jìn)而做出評估和預(yù)報。

第3頁/共43頁1.1應(yīng)用方法和特點(diǎn)

2)研究方法利用示蹤技術(shù)，受體配體分析、放射性自顯影,及結(jié)合示蹤學(xué)動力學(xué)的分析方法，研究有害污染物在環(huán)境中的轉(zhuǎn)移、分布、降解動態(tài)，掌握農(nóng)用化合物在環(huán)境中的歸宿、制定安全監(jiān)控和評估體系。

第4頁/共43頁1.1應(yīng)用方法和特點(diǎn)基本特點(diǎn)

1)分析方法靈敏、準(zhǔn)確。

2)樣品制備簡單。

3)利用標(biāo)記，可對有害物質(zhì)的污染途徑，環(huán)境歸宿、代謝和降解過程進(jìn)行跟蹤研究。

4)放化分析的特點(diǎn)，使其可以估計樣品制備過程每一步的回收率。

第5頁/共43頁1.2應(yīng)用方面

1)農(nóng)藥環(huán)境安全性評估農(nóng)藥包括殺蟲劑、除草劑，殺菌劑、滅鼠劑及植物生長調(diào)節(jié)劑。研究方面包括農(nóng)藥在生態(tài)系統(tǒng)的遷移，分布與殘留動態(tài)及其代謝、降解過程，以便對其環(huán)境安全性進(jìn)行評估，為有效安全使用提供依據(jù)。

第6頁/共43頁1.2應(yīng)用方面2)重金屬污染的研究重金屬是農(nóng)業(yè)環(huán)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(shù)可以對樣品進(jìn)行多元素同時分析。第7頁/共43頁1.2應(yīng)用方面3)化學(xué)肥料對環(huán)境的影響化肥的過量施用，經(jīng)淋溶或徑流進(jìn)入地下水，江河等水體，造成水體的富營養(yǎng)化，引起水體功能退化，生態(tài)惡化，同時有害的硝酸鹽和亞硝酸鹽，經(jīng)水體或植物吸收進(jìn)入食物鏈，會對人體構(gòu)成直接潛在危害。15N示蹤技術(shù)是研究生態(tài)系統(tǒng)N素平衡和及其轉(zhuǎn)移的基本方法。4)其它環(huán)境有害物質(zhì)環(huán)境行為的研究。

第8頁/共43頁1.3一般實(shí)驗(yàn)程序1)標(biāo)記農(nóng)藥的比活度按實(shí)驗(yàn)結(jié)束時試樣的活度能準(zhǔn)確測定，但有不過高的原則確定。殘留試驗(yàn)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9頁/共43頁2)試驗(yàn)布置

實(shí)驗(yàn)一般在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行，為了模擬實(shí)際條件，常需采用各種環(huán)境生態(tài)模擬系統(tǒng)。在嚴(yán)格的安全措施下，有時也可在田間小區(qū)設(shè)置盆，管進(jìn)行試驗(yàn)。第10頁/共43頁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(chǎn)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(zhuǎn)印膜上放射性條帶的直接定位測定。第11頁/共43頁LS6500液體閃爍計數(shù)儀

BECKMAN，美國第12頁/共43頁第13頁/共43頁瑞士卡瑪產(chǎn)地：德國第14頁/共43頁3)樣品制備分析b.土樣LSC

振蕩提取---離心---

濃縮----TLC土樣殘?jiān)?----風(fēng)干-----燃燒------LSC

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

第15頁/共43頁3)樣品制備分析c.植物樣品

表面附著在施用部位，未進(jìn)入植物體的部分。植物殘留可提取可被溶劑提取的部分。

結(jié)合不能被提取與多糖類等大分子結(jié)合的部分。

第16頁/共43頁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?jiān)?----燃燒----LSC第17頁/共43頁

組織搗碎

超聲提取旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)第18頁/共43頁4)結(jié)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(shù)函數(shù)擬合，殘留半衰期。b.在生態(tài)系中的歸宿在生態(tài)系中的轉(zhuǎn)移、分布或降解動態(tài)過程，用隔室動力學(xué)模型解析，動力學(xué)參數(shù)可用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如轉(zhuǎn)移速率常數(shù)，排出速率常數(shù)等表征。

第19頁/共43頁§2農(nóng)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?yàn)楸Ｗo(hù)植物幼苗直接施用內(nèi)吸性農(nóng)藥獲得殘留，而且也因?qū)ψ魑飮娛┑霓r(nóng)藥大部分灑落在地面而獲得殘留。進(jìn)入土壤的農(nóng)藥歸宿如圖示。除部分存在于土壤溶液外，大部分或揮發(fā)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(jìn)而與土腐殖質(zhì)(富里酸、胡敏酸)結(jié)合成為結(jié)合殘留。存在土壤的農(nóng)藥會被光、化學(xué)物質(zhì)和土壤微生物降解，生成降解產(chǎn)物或最終轉(zhuǎn)變成CO２。

第20頁/共43頁§2農(nóng)藥在土壤中行為的研究

揮發(fā)漂散植物吸收、土壤膠體吸附、締合農(nóng)藥土壤光解化學(xué)降解淋溶物降解

第21頁/共43頁2.1土壤吸附作用

土壤對農(nóng)藥的吸附能力，關(guān)系到農(nóng)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(biāo)記農(nóng)藥研究吸附，具有簡便、快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

第22頁/共43頁2.1土壤吸附作用1)土壤吸附系數(shù)吸附系數(shù)由等溫吸附方程的平衡常數(shù)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23頁/共43頁測定土壤吸附系數(shù)

稱取過20目適量風(fēng)干土，與一系列濃度的農(nóng)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(dá)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24頁/共43頁2)吸附率操作

上清液LSC、Ce、Δ＝Co-Ce。土壤

C0

殘?jiān)紵?，Δ平衡?yàn)證。吸附能力與土壤性質(zhì)，如有機(jī)質(zhì)含量(OM)，陽離子交換量(CEC)、土壤pH、粘粒含量有關(guān)，在有足夠數(shù)據(jù)時，可建立吸附率與土壤性質(zhì)的多元?dú)w回方程。

第25頁/共43頁2.2在土壤中的遷移淋溶

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

，依據(jù)Rf

值的大小衡量農(nóng)藥在土壤中的移動性。

第26頁/共43頁2.2在土壤中的遷移淋溶a.室內(nèi)模擬土柱法取一定量風(fēng)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(biāo)記農(nóng)藥，然后用一定量水模擬降雨淋洗，測定淋洗曲線，用適當(dāng)法，取出土柱，分割成短段，風(fēng)干后測定放射性，確定農(nóng)藥重直分布。

第27頁/共43頁第28頁/共43頁2.2在土壤中的遷移淋溶b.室外模擬在田間小區(qū)，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(biāo)記農(nóng)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(nóng)藥的移動分布及降解情況。

第29頁/共43頁2.3在土壤中的降解作用

a.室內(nèi)模擬稱取一定量土壤裝入三角瓶，加入標(biāo)記農(nóng)藥拌均調(diào)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(bǔ)加蒸發(fā)掉的水分。若同時需了解農(nóng)藥降解產(chǎn)物14CO2的情況，可用橡皮塞了往三角瓶，并安裝進(jìn)出氣導(dǎo)管，進(jìn)氣導(dǎo)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(jìn)行分析。土壤分析包括可提取殘留及其降解和結(jié)合殘留。

第30頁/共43頁2.3在土壤中的降解作用b.室外模擬在田間預(yù)埋有標(biāo)記農(nóng)藥的土管，溫育并間隔時間隨機(jī)取土管進(jìn)行土樣分析。

第31頁/共43頁§3農(nóng)藥在植株體內(nèi)的行為

3.1進(jìn)入途徑研究農(nóng)藥通過葉面角質(zhì)層的滲透速率，及由根部吸收的速率，及其在體內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)及分布情況，采用標(biāo)記農(nóng)藥，方法十分簡便。3.2殘效期研究農(nóng)藥在植株中的殘留消解動態(tài)，進(jìn)行農(nóng)藥使用安全期的評估，農(nóng)藥在原附著點(diǎn)一般按指數(shù)規(guī)律消解，，其中λ為農(nóng)藥消失速常數(shù)（d-1），Ｔ１／２為農(nóng)藥在植株的殘留半衰期。

第32頁/共43頁3.3在植株體內(nèi)的吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)和分布

農(nóng)藥的吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)和分布對于評價農(nóng)藥的植物保護(hù)作用和進(jìn)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(nóng)藥在各器分布的動態(tài)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(shí)吸收利用噴霧或涂抹法，觀察果實(shí)對農(nóng)藥的吸收輸運(yùn)。④種子吸收拌種處理，研究農(nóng)藥對幼苗的保護(hù)作用，或研究貯藏糧食施藥后的殘留。

第33頁/共43頁3.4農(nóng)藥在植物體內(nèi)的代謝研究

農(nóng)藥在植株內(nèi)因代謝作用可能形減毒或毒性加強(qiáng)的代謝產(chǎn)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(huán)化等。研究步驟1)代謝產(chǎn)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(chǎn)物粗分為水溶性(甲醇、丙酮提取)和脂溶性(氯仿、乙酸提取)。

第34頁/共43頁3.4農(nóng)藥在植物體內(nèi)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(zhì)，可能干擾后續(xù)儀器分析，可用柱層析進(jìn)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(zhì)譜、核磁共振進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。第35頁/共43頁§4最新進(jìn)展

1.遺傳毒性化合物的檢測許多合成及環(huán)境化合物具有遺傳毒性，即其以DNA為靶標(biāo)分子,通過使當(dāng)代DNA的結(jié)構(gòu)和功發(fā)生變化,或在復(fù)制過程致突變,并將突變傳給下代,產(chǎn)生各種不利變化.遺傳毒性及其檢測受到廣泛關(guān)注。第36頁/共43頁1)普通檢測方法

常用:

⑴Ames(1975,美國加洲大學(xué))實(shí)驗(yàn)利用一組鼠傷寒沙門氏菌的組氨酸營養(yǎng)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(yǎng)基測定化學(xué)物質(zhì)致回復(fù)突變的頻率,以說明其遺傳毒性.

⑵微粒實(shí)驗(yàn)根據(jù)細(xì)胞質(zhì)中產(chǎn)生的額外核小體測定化學(xué)物質(zhì)誘發(fā)染色體異常的方法。誘發(fā)產(chǎn)生的染色體斷片或遲滯染色體在細(xì)胞有色分裂時不能進(jìn)入子細(xì)胞核而在染色質(zhì)中形成圓或橢圓型微核。常用植物根尖作試驗(yàn).第37頁/共43頁1)普通檢測法

⑶單細(xì)胞凝膠電泳實(shí)驗(yàn)真核細(xì)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(xué)物質(zhì)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(shù)的新的要求。

第38頁/共43頁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(fù),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(biāo)，在分子流行病、分子毒理或環(huán)境科學(xué)上廣泛應(yīng)用。DNA加合物