放射性同位素在农业上的应用

同位素是具有相同原子序数的同一化学元素的两种或多种原子之一，在元素周期表上占有同一位置，化学行为几乎相同，但原子量或质量数不同，从而其质谱行为、放射性转变和物理性质有所差异。

自然界中存在的每一种元素都有自己的同位素。有些同位素比较稳定，不会发生结构上的变化，这是稳定同位素；而另一些同位素会不停地向四周发出各种射线，这就是有着多种用途的放射性同位素。随着科学的发展，人们用人工方法制成了越来越多的放射性同位素，目前，几乎所有的元素都有了自己的放射性同位素。放射性同位素被广泛地用于工业、医学、军事和科研等众多的领域。现在，它又以奇妙的本领为农业现代化服务。

放射性同位素在蜕变过程中会辐射出一定能量的α、β和γ射线，这些射线对生物生长发育有一定的影响。用适量的射线照射农作物的种子、植株、花粉胚等，可以诱发遗传变异，从而能选出优良稳定的新品种来。这就是辐射育种。

1927年，L.J.施塔德勒在玉米育种工作中首先发现了X射线能对植物诱发突变，开创了人工诱变研究及其在作物育种上的应用工作。此后世界上许多国家利用裂变反应堆提供的强大辐射源，大量开展了辐射育种工作。我国的辐射育种开始于1958年，至1980年已育成145个作物新品种，作物面积达7000万亩。

比如，用钴60照射“科学6号”水稻，所培育出的“原丰早”新品种，要比老品种早熟40多天。经放射性同位素处理的“鲁棉一号”铃大桃多，早熟抗蚜，比原品种“岱字15号”增产皮棉2~3成。经射线照射培育出的玉米新品种“吉63”，能抗大斑病和黑粉病。辐射还能使花生的含油量、甘蔗的含糖量明显提高。放射性同位素还具有打破种子休眠的作用，使种子提早发芽。
   

用小剂量射线来照射害虫的蛹或成虫，然后让被照射过的害虫和未被照射的害虫交配，所产生的卵不能孵化，从而达到消灭害虫的目的。这就是所谓辐射不育技术。如将此技术与杀虫剂、性引诱剂结合使用，效果会更佳。

美国曾先用杀虫剂再用辐射不育技术使地中海果蝇在加利福尼亚州濒于绝迹。我国也曾用射线辐照玉米螟、松毛虫、茶梢蛾、红铃虫等，都能使这些害虫不育。如果加大射线的辐照剂量，还可以直接杀灭害虫。由于射线具有穿透各种物质的本领和较强的杀伤力，所以还可以用它来杀死隐藏在种子、土壤、树皮或作物里面的害虫。用射线杀灭粮仓害虫和越冬害虫，也有独到的效果。

利用不育雄虫防治害虫需注意下列几个问题：①照射剂量要适当，即要使害虫不育，又不影响它们的正常活动（如飞翔、吃食等）和交配能力；②要有正确的释放技术，选择适当的时间和地点，释放的不育雄虫同正常雄虫和正常雌虫之间要有适当比例；③要有虫源，除少数害虫能直接从野外采集外，大部分害虫必须采用人工大量饲养虫作照射用虫源。
   

射线对生物具有致死效应，在一定剂量的射线照射下，可杀死微生物、昆虫及高等生物体的细胞。利用射线的这一致死效应，可以保藏食品。

用适当剂量的射线来照射农副产品，不仅可以杀虫灭菌，还能达到防腐、保鲜、保质的效果，延长食品的贮藏期。我国从1958年开始研究用钴60对粮食、肉类、蔬菜、水果、药材、烟酒等农副产品进行辐射保藏，效果甚佳。如对猪肉进行辐照处理后在室温下存放两个月，其色、香、味几乎与新鲜猪肉无异，质量还优于冷冻肉，而费用却低于冷冻肉。同时，还能杀死肉中的大肠杆菌、沙门氏菌和志贺氏菌。马铃薯、洋葱等易发芽的根茎类蔬菜经辐照处理后，能抑制其发芽，存放数月仍和刚出土时一样新鲜。新鲜的香蕉、荔枝等水果经过辐照后，大大延长了保鲜期。新酿制的酒经过辐照，加速了陈化，酒味更为浓香。经过辐照处理的食品，不会沾染射线，也不会对人体产生危害。

如果在某种元素里掺进本元素的一些放射性同位素，那么这些放射性同位素就能跟某元素一起运动，并不断放出射线。这就好比在某元素里加进一台“发动机”。无论这种元素运动到哪里，这台“发动机”都会不断发出信号，用核探测仪器探测这些信号——射线，就可以知道这种元素经过的路径和当时运动的位置。根据这一原理，我们可以用放射性同位素来作示踪原子。在农业栽培技术中，用示踪原子可以研究物种的营养代谢、肥料的吸收和利用、农药对土壤的污染规律、土壤中的水分和盐碱动态，为合理施肥、灌溉、耕作提供科学的依据。例如，在棉桃快要成熟时，需要大量养料。这时，如果向棉花的根部施用含有放射性磷32的磷肥，用探测器测出棉株中接收到的射线很少，这就说明，棉花根部吸收磷的效率很低。如果改变施肥方式，把这些磷溶液喷洒到棉花叶子上，再用探测器便可立即发现磷肥很快通过棉株到达棉铃。这就告诉我们，要使棉花增产，可以把磷肥施在叶子上。
   

同位素示踪技术简化了有机物在复杂生命体系中的行为研究，提供了最灵敏、最直观、最为简便的方法和手段，现已经渗透到农药学的大部分领域，从农药的创制到应用、环境归趋、作用机理、吸收传导、代谢降解等，对农药学的发展起到巨大的推动作用。利用同位素示踪法，可以研究化学农药在作物中的吸收、运转以及在作物、土壤中的分布和残留情况，为制定农药安全使用标准提供科学依据。

一个农药品种的开发，耗资巨大。据统计，大约一亿个化合物中才能选出一个品种，最终成为农药。但是许多品种由于对哺乳动物高毒或致畸等原因，在已经应用于农业生产之后，被迫停用，造成开发的巨大浪费。比如德国的拜耳公司合成的对氧磷、丙氟磷都是因为毒性过高没有发展成为商品；美国生产的除草剂杀草强急性毒性试验属于低毒农药，后来发现能引起鼠类甲状腺癌、皮肤癌，被迫撤销登记，造成近2亿美元的损失。同位素示踪技术的应用使农药创制过程中，利用离体筛选技术，通过分离杀虫剂作用受体，于该受体的同位素标记化合物为标准（目前多以氚标记），测定其它化合物的相对离体活性，特别是研究哺乳动物与昆虫之间的选择活性，探索哺乳动物与昆虫杀虫剂受体之间的差异，结合分子生物学的相关研究可寻求新的杀虫剂作用靶标，筛选出安全、高效的杀虫剂，增加开发的目标性，极大地降低农药创制、开发成本。此项技术在德国、日本、美国等农药发达的国家已广泛采用，成功地开发出吡虫啉、锐劲特等产品。我国尚在技术摸索和设施完善阶段。

通过同位素示踪技术，不仅可确定杀虫剂的作用机理，而且为蝗虫专用杀虫剂的生物合理设计与开发提供新思路。

利用同位素示踪技术的活体研究和自显影成像技术，可非常直观地确定药剂在动植物体内的分布情况。新产品可确定其在植物中的内吸、上下传导等特性，为田间施药提供理论依据。利用同位素标记农药，经取食、涂抹等给药方法，研究药剂在动物体内各个器官、内脏、排泄物中的残留和富集，研究药剂在动物体内的代谢情况，确定化合物的毒理、传导方式及作用方式，为药物的安全使用提供实验室基础数据。

农药施用于农田中，仅有20%~40%的药剂沉积在植物上，其余60%~80%的药剂流失、滞留于环境中，对环境造成较大压力。研究农药在环境中的残留、迁移和降解非常重要。土壤中的农药残留不仅直接影响土壤生物的微生态环境，而且能被植物所吸收或通过淋溶、迁移转化到其它环境体系中。利用标记农药可以有效地测定农药的环境行为。美国科学家曾以碳同位素标记农药在模拟生态系中进行了农药环境行为的研究，认为农药在环境中消失的途径主要是生物/化学降解和挥发，约占40%~80%，渗透造成的损失小于1%。

但渗透造成的水质污染是十分广泛的，欧美国家已经发现60多种农药在地下水中有不同程度的检出。利用放射性同位素示踪技术在新农药尚未推广使用之前，深入研究新药剂在不同土壤条件下的吸附和解吸附能力，评价药剂的环境风险，特别是对地下水的威胁，方能提供科学用药的剂量和施药范围。