核技术在农业环境研究中的应用.ppt

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1、第第1212章章.核技术在农业环境研究核技术在农业环境研究中的应用中的应用中国农业大学中国农业大学齐孟文齐孟文 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 1 概述概述1.1 1.1 应用方法和特点应用方法和特点 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成部分,在自然及人类活动影响下，可能因工业在自然及人类活动影响下，可能因工业“三废三废”、生活及农用有害物质的侵害，环境系统中的土壤、水体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，系及生物受到不同程度污染，生态环境质量遭到破

2、坏，系统的生产能力和产品质量都发生下降。因此，加强农业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。重要的方法和手段。1.1 1.1 应用方法和特点应用方法和特点n应用方法应用方法1)1)测试手段测试手段 利用同位素分析技术，诸如放化分利用同位素分析技术，诸如放化分析、中子活化、粒子激发析、

3、中子活化、粒子激发X X射线发射射线发射(PIXE)(PIXE)、可活化示踪、放射饱和竞争分、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，进析等，对环境污染物进行监测分析，进而做出评估和预报而做出评估和预报。1.1 1.1 应用方法和特点应用方法和特点 2)2)研究方法研究方法 利用示踪技术，受体配体分析、放射利用示踪技术，受体配体分析、放射性自显影性自显影,及结合示踪学动力学的分析方法，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、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

4、估体系。宿、制定安全监控和评估体系。1.1 1.1 应用方法和特点应用方法和特点基本特点基本特点 1)1)分析方法灵敏、准确。分析方法灵敏、准确。2)2)样品制备简单。样品制备简单。3)3)利利用用标标记记，可可对对有有害害物物质质的的污污染染途途径径，环环境归宿、代谢和降解过程进行跟踪研究。境归宿、代谢和降解过程进行跟踪研究。4)4)放放化化分分析析的的特特点点，使使其其可可以以估估计计样样品品制制备备过程每一步的回收率。过程每一步的回收率。1.2 1.2 应用方面应用方面 1)1)农药环境安全性评估农药环境安全性评估 农药包括杀虫剂、除草剂，杀菌剂、农药包括杀虫剂、除草剂，杀菌剂、灭鼠剂及

5、植物生长调节剂。研究方面包括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。性进行评估，为有效安全使用提供依据。1.2 应用方面2)2)重金属污染的研究重金属污染的研究 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，如生物毒性显著的属，如生物毒性显著的CdCd、PbPb、HgHg、CrCr等。利用等。利用中子活化

6、，带电粒子活化技术可以对样品进行多中子活化，带电粒子活化技术可以对样品进行多元素同时分析。元素同时分析。1.2 1.2 应用方面应用方面3)化学肥料对环境的影响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，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，经水体或植物吸收进入硝酸盐和亚硝酸盐，经水体或植物吸收进入食物链，会对人体构成直接潜在危害。食物链，会对人体构成直接潜在危害。1515N N示踪技术是研究生态系统示踪技术是研究生态

7、系统N N素平衡和及其转素平衡和及其转移的基本方法。移的基本方法。4)4)其它环境有害物质环境行为的研究。其它环境有害物质环境行为的研究。1.3 1.3 一般实验程序一般实验程序1)1)标记农药的比活度标记农药的比活度 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。残留试验一般过高的原则确定。残留试验一般ci/mgci/mg。例如：例如：若试样重若试样重1 1克，要求样品的活度克，要求样品的活度A A2220dpm2220dpm，则样品的浓度：则样品的浓度：浓缩样品或提高仪器的探测效率，能提高分析灵浓缩样品或提高仪器的探测效率，能提高分析灵敏度

8、。敏度。2)试验布置 实实验验一一般般在在实实验验室室条条件件下下进进行行，为为了了模模拟拟实实际际条条件件，常常需需采采用用各各种种环环境境生生态态模模拟拟系系统统。在在严严格格的的安安全全措措施施下下，有有时时也也可可在田间小区设置盆，管进行试验。在田间小区设置盆，管进行试验。3)样品制备分析a.a.水样：水样：取样取样(1ml)(1ml)、LSCLSC水样水样 LSC LSC 残留残留 萃取萃取浓缩浓缩 TLC TLC 降解降解 残留浓度残留浓度 ,降降解产物用解产物用(R(Rf f ，%)%)表征。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

9、直接定位测定。LS 6500液体闪烁计数仪液体闪烁计数仪 BECKMAN，美国 瑞士卡玛 产地：产地：德国 3)3)样品制备分析样品制备分析b.土样土样 LSCLSC 振荡提取振荡提取 -离心离心-浓缩浓缩-TLC-TLC 土样土样 残渣残渣-风干风干-燃烧燃烧-LSC-LSC 索氏提取索氏提取燃烧制样将燃烧制样将1414C C标记化合物转变成二氧化碳，标记化合物转变成二氧化碳，3 3H H标化合物标化合物转变成水，被碱性吸收液吸收或接收后，用转变成水，被碱性吸收液吸收或接收后，用LSCLSC测定。测定。3)样品制备分析c.c.植物样品植物样品 表面表面 附着在施用部位，未进入植物附着在施用部

10、位，未进入植物 体的部分。体的部分。植物残留植物残留 可提取可提取 可被溶剂提取的部分。可被溶剂提取的部分。结合结合 不能被提取与多糖类等大分子不能被提取与多糖类等大分子 结合的部分。结合的部分。c.植物样品植物样品 洗涤液洗涤液-定容定容-LSC(-LSC(表面表面)植物器官植物器官 匀浆匀浆-超声振荡超声振荡-离心离心 取样取样-索氏提取索氏提取 提取液提取液-定容定容-LSC -LSC 残渣残渣-燃烧燃烧-LSC-LSC 组织捣碎组织捣碎 超声提取超声提取旋旋转转蒸蒸发发4)4)结果分析结果分析a.a.残留安全间隔残留安全间隔 测定残留及其随时间变化，并用指数测定残留及其随时间变化，并用

11、指数 函数拟合，残留半衰期函数拟合，残留半衰期 。b.b.在生态系中的归宿在生态系中的归宿 在在生生态态系系中中的的转转移移、分分布布或或降降解解动动态态过过程程，用用隔隔室室动动力力学学模模型型解解析析，动动力力学学参参数数可可用用系系统统的的结结构构参参数数如如转转移移速速率率常常数数，排排出出速速率率常常数数等等表征。表征。2 2 农药在土壤中行为的研究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留，而且也因对作物喷施的农药大部

12、分洒落在地面而获得残留。进入土壤的农药归宿如在地面而获得残留。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物吸收或被土壤胶体吸附进而与土腐殖质(富富里酸、胡敏酸里酸、胡敏酸)结合成为结合残留。存在土壤结合成为结合残留。存在土壤的农药会被光、化学物质和土壤微生物降解，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生成降解产物或最终转变成COCO。2 2 农药在土壤中行为的研究农药在土壤中行为的研究 挥发漂散挥发漂散

13、植物吸收、土壤胶体植物吸收、土壤胶体 吸附、缔合吸附、缔合农药农药 土壤土壤 光解光解 化学降解化学降解 淋溶淋溶 物降解物降解 2.1 2.1 土壤吸附作用土壤吸附作用 土壤对农药的吸附能力，关系到农药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、准确的特点附，具有简便、快速、准确的特点。土壤吸附作用土壤吸附作用1)1)土壤吸附系数土壤吸附系数 吸附系数由等温吸附方程的平衡常数确吸附系数由等温吸附方程的平衡常数确定。定。式中，式中，CeCe为吸

14、附平衡时溶液的浓度为吸附平衡时溶液的浓度(dpm/ml)(dpm/ml)，CsCs为平衡时土壤吸附量为平衡时土壤吸附量(dpm/g)(dpm/g)。测定土壤吸附系数测定土壤吸附系数 称取过称取过2020目适量风干土，与一系列浓度的农目适量风干土，与一系列浓度的农药溶液药溶液(难溶物，可加不超过难溶物，可加不超过0.2%(v/v)0.2%(v/v)的助溶剂的助溶剂，如乙晴，如乙晴)，按水土比，按水土比151151；101101或或10011001配配比（视比（视KdKd大小而定），在离心管中，恒温振荡，大小而定），在离心管中，恒温振荡，达平衡后，离心、测定上清液达平衡后，离心、测定上清液Ce(d

15、pm/ml)Ce(dpm/ml)，并由，并由初始浓度初始浓度Co(dpm/ml)Co(dpm/ml)，计算土壤的吸附浓度，计算土壤的吸附浓度Cs(dpm/g)Cs(dpm/g)。2)2)吸附率吸附率q操作操作 上清液上清液 LSCLSC、CeCe、Co-CeCo-Ce。土壤土壤 C C0 0 残渣残渣 燃烧，燃烧，平衡验证。平衡验证。吸附能力与土壤性质，如有机质含量吸附能力与土壤性质，如有机质含量(OM)(OM)，阳离子交换量阳离子交换量(CEC)(CEC)、土壤、土壤pHpH、粘粒含量有关，、粘粒含量有关，在有足够数据时，可建立吸附率与土壤性质的多在有足够数据时，可建立吸附率与土壤性质的多元

16、归回方程。元归回方程。2.2 在土壤中的迁移淋溶 1)1)目的目的 确定农药随降雨、灌溉下移的情况，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。评估其对地下水可能产生污染及其程度。2)2)方法方法a.a.室内模拟室内模拟 土壤土壤TLCTLC法法 制备土壤薄层板、点样、用水展层、制备土壤薄层板、点样、用水展层、测定测定R Rf f ，依据，依据 R Rf f 值的大小衡量农药在土值的大小衡量农药在土壤中的移动性。壤中的移动性。2.2 2.2 在土壤中的迁移淋溶在土壤中的迁移淋溶a.a.室内模拟室内模拟n土柱法土柱法 取一定量风干土，装入玻璃或塑料管取一定量风干土，装入玻

17、璃或塑料管(320 cm(320 cm)，加水使土柱润湿，待多余水，加水使土柱润湿，待多余水流出来，在土柱上层加流出来，在土柱上层加1 ml(10 g)1 ml(10 g)标记农标记农药，然后用一定量水模拟降雨淋洗，测定淋药，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，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。风干后测定放射性，确定农药重直分布。2.2 2.2 在土壤中的迁移淋溶在土壤中的迁移淋溶b.b.室外模拟室外模拟 在田间小区，埋入土管在田间小区，埋入土管(1025cm(1025cm)，底部同塑料纱包扎，管口高出土表，底部同

18、塑料纱包扎，管口高出土表5 5 cm(cm(防雨浅出防雨浅出)，待其平衡后，在土管上端，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。农药的移动分布及降解情况。2.3 2.3 在土壤中的降解作用在土壤中的降解作用 a.a.室内模拟室内模拟 称取一定量土壤装入三角瓶，加入标记农药拌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，定时补加蒸发掉的一

19、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水分。若同时需了解农药降解产物1414COCO2 2的情况，可的情况，可用橡皮塞了往三角瓶，并安装进出气导管，进气导用橡皮塞了往三角瓶，并安装进出气导管，进气导管装有捕获管装有捕获COCO2 2及水气的及水气的NaOHNaOH及浓硫酸吸收瓶，出气及浓硫酸吸收瓶，出气端装有吸收端装有吸收14142 2的的NaOHNaOH吸收瓶，定期通气，并取吸收瓶，定期通气，并取14142 2吸收液及土壤进行分析。土壤分析包括可提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。取残留及其降解和结合残留。2.3 2.3 在土壤

20、中的降解作用在土壤中的降解作用b.b.室外模拟室外模拟 在田间预埋有标记农药的土管，温育并间隔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。时间随机取土管进行土样分析。3 3 农药在植株体内的行为农药在植株体内的行为 3.1 3.1 进入途径进入途径 研究农药通过叶面角质层的渗透速率，及由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，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。采用标记农药，方法十分简便。3.2 3.2 残效期残效期 研究农药在植株中的残留消解动态，进行农研究农药在植株中的残留消解动态，进行农药使

21、用安全期的评估，农药在原附着点一般按指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，数规律消解，其中，其中为农为农药消失速常数（药消失速常数（d d-1-1），），为农药在植株的残为农药在植株的残留半衰期。留半衰期。3.3 3.3 在植株体内的吸收、运转和分布在植株体内的吸收、运转和分布 农药的吸收、运转和分布对于评价农药的植农药的吸收、运转和分布对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。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。引取样、分析农药在各器

22、分布的动态变化。引入分：入分：叶面吸收叶面吸收 喷施，滴加，浸叶。喷施，滴加，浸叶。根部根部吸收吸收 水培，土培，、打孔法。水培，土培，、打孔法。果实吸收果实吸收 利利用喷雾或涂抹法，观察果实对农药的吸收输运。用喷雾或涂抹法，观察果实对农药的吸收输运。种子吸收种子吸收 拌种处理，研究农药对幼苗的保拌种处理，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。护作用，或研究贮藏粮食施药后的残留。3.4 3.4 农药在植物体内的代谢研究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，加强的代谢产物，代

23、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。羟化，酶解，水解，羧合、缩合，脱羧或环化等。q研究步骤研究步骤 1)1)代谢产物提取代谢产物提取 可采用一种溶剂可采用一种溶剂(甲醇甲醇)一步耗尽提取或用极一步耗尽提取或用极性及非及性溶剂二步提取，使代谢产物粗分为水性及非及性溶剂二步提取，使代谢产物粗分为水溶性溶性(甲醇、丙酮提取甲醇、丙酮提取)和脂溶性和脂溶性(氯仿、乙酸提氯仿、乙酸提取取)。3.4 3.4 农药在植物体内的代谢研究农药在植物体内的代谢研究2)2)提取液的净化提取液的净化 若若提提取取样样品品含含有有大大量量色色与与脂脂肪肪或或其其它它脂脂溶溶性性物物质质，

24、可可能能干干扰扰后后续续仪仪器器分分析析，可可用柱层析进行纯化。用柱层析进行纯化。3)3)代谢物的分离鉴定代谢物的分离鉴定 常常用用放放射射性性薄薄层层分分析析，用用R Rf f鉴鉴定定,必必要要时时可可利利用用红红外外，质质谱谱、核核磁磁共共振振进进行行结结构构分析。分析。44最新进展最新进展 1.1.遗传毒性化合物的检测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，许多合成及环境化合物具有遗传毒性，即其以即其以DNADNA为靶标分子为靶标分子,通过使当代通过使当代DNADNA的结的结构和功发生变化构和功发生变化,或在复制过程致突变或在复制过程致突变,并并将突变传给下代将突变传给下

25、代,产生各种不利变化产生各种不利变化.遗传遗传毒性及其检测受到广泛关注。毒性及其检测受到广泛关注。1)1)普通检测方法普通检测方法 常用常用:Ames(1975,Ames(1975,美国加洲大学美国加洲大学)实验实验 利用一组利用一组鼠伤寒沙门氏菌的组氨酸营养确陷型突变菌株鼠伤寒沙门氏菌的组氨酸营养确陷型突变菌株(his(his-),),在加或不加肝微粒体酶活化的条件下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用作选择培养基测定化学物质致回复突变的频率率,以说明其遗传毒性以说明其遗传毒性.微粒实验微粒实验 根据细胞质中产生的额外核小体根据细胞质中产生的额外核小体

26、测定化学物质诱发染色体异常的方法。诱发产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圆型微核。常用植物根尖作试验.1)1)普通检测法普通检测法 单细胞凝胶电泳实验单细胞凝胶电泳实验 真核细胞真核细胞DNADNA受损受损断裂，超螺旋解旋，断片释放出来，由于其断裂，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，形成度的片断

27、，凝胶电泳时迁移落在后边，形成“慧星慧星”带带,由此可测定化学物质对由此可测定化学物质对DNADNA的损的损伤程度。伤程度。遗传毒性化合物常形成遗传毒性化合物常形成DNADNA加合物加合物,DNA,DNA加合物的检测是对检测技术的新的要求。加合物的检测是对检测技术的新的要求。2)2)核分析检测法核分析检测法 DNADNA加合物的加合是加合物的加合是DNADNA损伤的主要方式损伤的主要方式,若不被修复若不被修复,便成为致癌、致畸和致突的最便成为致癌、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、分子毒理或和生物指标，在分子流行病、

28、分子毒理或环境科学上广泛应用。环境科学上广泛应用。DNADNA加合物常用核加合物常用核分析法检测。分析法检测。3232P P后标记（后标记（3232P-postlabellingP-postlabelling）3232P P后标记法是检测后标记法是检测DNADNA加合物的主要加合物的主要方法之一。此法非常灵敏，敏感度达方法之一。此法非常灵敏，敏感度达1 1个加个加合物合物/10/101010核苷酸。将核苷酸。将DNADNA提纯后用内切酶消提纯后用内切酶消化成化成3 3 单核苷酸，经磷酸酶单核苷酸，经磷酸酶PIPI处理，不处理，不含加合物的核苷酸含加合物的核苷酸3 3 去磷酸化，而含有去磷酸化，

29、而含有加合物的核苷酸不发生此反应。在特异的加合物的核苷酸不发生此反应。在特异的T T4 4多核苷酸激酶作用下，多核苷酸激酶作用下，3232P-ATPP-ATP的磷酸根的磷酸根可转移至含加合物核的苷酸可转移至含加合物核的苷酸5 5-OH-OH上成为上成为3 3,5,5 二磷酸核苷酸，最后可通过薄层层二磷酸核苷酸，最后可通过薄层层析分离，放射自显影定量分析。析分离，放射自显影定量分析。同位素稀释质谱技术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

30、性标记物作内标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。等洋复杂基质样品中微量及痕量物质的测定。加速器质谱技术加速器质谱技术(AMS)(AMS)其主要原理是：将其主要原理是：将1414C C标记的化合物处标记的化合物处理动物后理动物后,提取提取DNA,DNA,将将DNADNA氧化成氧化成COCO2 2后再还后再还原成石墨原成石墨,用作加速器质谱离子源靶标，测用作加速器质谱离子源靶标，测定定1414C C含量，含量，1414C/C/1212C C比值代表比值代表DNADNA的加合水平。的加合水平。AMSAMS技术能定量研究极微量的毒物与生物大技术能定量研究极微量的毒物与生物大分子产生的加合，灵敏度可高达分子产生的加合，灵敏度可高达1 1个加合个加合/10/101111-10-101212个核苷酸。个核苷酸。