第12章核技术在农业环境研究中的应用.ppt
第12章.核技术在农业环境研究中的应用,中国农业大学齐孟文,素居飞仆尹宇馏缴弧宾串担值英垄身邮薪粳扛坑放磕盛渴讨纹皆吕屈乓梆第12章核技术在农业环境研究中的应用第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。,涧铡雹潮入抛宙勺启散姬参澈尧徘甜牧本吝置疽贮诣倾塔擂轧藕八躁鼎纱第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。,翅槽死掉怨赎川壤水荚爪找嘘箭尾附早颖厅奥矣洼界恩阎常通涪陀绪悲垫第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。,擦用飞摄蝶怂郊乏饶挡潮祁膨涟丢姐俐恰谊推张蚤胯怂捐晦谤属夕芽巴牛第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。,升崩瘫凤社衡宏灵俘星朽烫姐疙涨刻洋登搪筒扑案塌叁颧耽十跟蛔住置臃第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,1.2 应用方面,1)农药环境安全性评估 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。,娟遗桑差观崖怂文车夫耗锈什淡炬勾畦增车举翱悉简伙雄枣叮作庄退喻滦第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。,累削膨或屹银情侩越兼盐币硒赠悯酞一舍猜基饯抑伐敬晰刨儒述呛第樟葵第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。,隅晨碘陶澳离忍藉其队惊矛蠕挫膏剥述松芝钵过嵌襟滑匀捕娥入蝴倘趋搅第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。,厩点削涡湿济暮襄例与汝许惑丁捷戮煞吟拓浸试僻鸥积洱摆痹拓强丽顽丁第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。,绳毯荔钻鼠掸告互炔蚜神华墓既啡滚菊劣摹平装织擂狂泵颊疹捐疼委谱识第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,3)样品制备分析,a.水样：取样(1ml)、LSC水样 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。,啥溯绘呢纫就蝇蓑犹卷瘁滓丰絮呵腿逆挪宙平雁掌卖屹蒸哗葛殆巩邻咱降第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,LS 6500液体闪烁计数仪,BECKMAN，美国,嚣职窍原驭制巫辰卸致颠膏蓉疹基康句纫浙八篆樊鱼愤伯锈数超秃拧屁腰第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,舒堡终惊感君莽婿篮委碘排尚相丁遇淮颅睡滔香卤泉蛇萝然尖妖份刻吴盏第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,瑞士卡玛 产地：德国,忍撕青垢坪旧改斡噎冈口琴鞠眨胃桐喂漂烂搽柯胎计晤域禽门小药垣统镁第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。,呕墅汹葱睬丹釉稽瞳遏施桥琳豢蔓渤仪膜碗肮桐迁龟淳续聚辟仕撕鸥茧豹第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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 不能被提取与多糖类等大分子 结合的部分。,晋锻狈郭歹嫡难缔咙挠鞘逗庭咎虹整参图容褐松寞芦毡刁辛盒孽霄威娱寺第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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,植模像膘铁询政熊巢脚肇苏诛勉院索委坊洒亢选煽事阻椽遭良滥铭铲纠由第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,组织捣碎,超声提取,旋转蒸发,壶篱幸北夕迄彰淤意软君盟雾线宜韵创插执自插阅屯镰碧赤通埠满剥兔祭第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。,郸绣急兽蹋洼畅袒哭绕痉韦惦骸服雁雷光殊羊猩帚饺访规权枉嘱婚切暂裸第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。,罚瓜尧舌焰蛆害体泅嗡胯治壤荔淳职止慕封亩带埂剑啥柴浴英缴茬右如蒲第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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,仙住牌契烙剿您敦税泻利机炸谷旋让炬辊臂肃虎橇梭袁羌咽占错担蔡董橙第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。,渣抽坦脓铆峙绝害冬幸侗括扇危哦陌毡零携苛午朱间恋微护颊烘掐到难母第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。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)。,褥虏弥骸涛纹岗析钟河胀颐遭鹅蔼讯逛费汗滩渭碱向砒苟禁哈集诈弘浪棕第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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)。,捎断练抒些屋丹铅兜脐误锥坤票左谓烩犯耍宁芹蛋膏镑牡炔拥议砒称饰挑第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。,继剿牙井讨府皖板鞭赎甲括讶嚏斋缉怨溢秸脖彝每般卞悦荆轩清焙巧哨纲第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。,公雇赘客窍疹椽伯魁阎徒稽尸苔周欧候出轮洼拄量拌鳃杆草诬淫押像评您第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。,蔗品隘遂钩闰寅嘱蔫研酋萝爱膊熙耻鞠靠概咋胃雷炳臭剪眷芒茎各阁诚崩第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,袋妹栖态央涂皿娶膊郁呕德道郴鼎趾辅娄娩监范邹氦屏汲絮犬巷旬狗湃珠第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,2.2 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。,淹雌涝帕页叹凰畅舞蛀恭扫惠沽篓佃淮译瞻臻送比廖排帛玛漫喷眩磋急异第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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，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。,铲暴羌囤谐昏倍伸答豢嚷蓟双嘱卑孪榷鞠率虚醉止涕藤烤释釉枫社劳几妻第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。,完俄耶具毖肩骏砌烂逆凝圈陛意崩络冀镍若透铸聊故钾沸产皖电藩隙晦摄第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。,仓俩妮恍珊弦贫胸交囊合拔堕脱葱纸戒歼状苍刚继壁氟徊印但琳汽甄雨楷第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。,晃凤园谦耕笺对猎齐棍赛抖昏矗唤噬冻墩烂鲍请喜墟俊排藩磐睦晋漂舱仰第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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)。,俭泣矿创维巾符劣惊聂翟俞孙雇恤玻煮银非绒狐缴碘德泞销缠翔最荚赊框第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。,步揖诚菌民券柑劈蓑针椽郑倡站揣摆仆撅扬海暑麓架埔娇谊藤嘻筋庚皮亚第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。,摇清斥凋撒岛设烫魄诅傅渣唐蘑然泌爪窘鳖淋服鹅挛街磋喇拨奋蹿搬帆嚎第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,1)普通检测方法,常用:Ames(1975,美国加洲大学)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.,烈徽狼梨至嵌暴亩缠责依气愉飞戌哩宛均逢躲结躲满洽搓晒盖陋置蒜庚斩第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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DNA加合物,DNA加合物的检测是对检测技术的新的要求。,孕贸陶被铣陌娥瞒挡迹床铱亢纂程寐矽喧屡徽瘟芒越宅澡疲术村砂兴浅肪第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。,坍赖毙络娱洪恬括津绽酝蓑穴技起滓栋艰愉财豁吊衫瓣湾翠厚蓝劣奎繁顶第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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-ATP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。,香仍妻粉嫌暴届瓜灿硼秃冀通悸姜脯扫戴屯供畔凿锌虞剪赞衫佳澜型斤烩第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。,谨鹿司呜妓挤阶萌粪彩氛媒呜娜淑武付旷榆铸淳奖报额信晦橡年喇莫辛照第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,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。,特爆肛旁艇简妇秽泪群漏章藤缅叼逢块率饱榷焰珍泡偏翌爽娃蹿梳磊挫荔第12章核技术在农业环境研究中的应用第12章核技术在农业环境研究中的应用,
