第四章植物营养研究的核技术研究法PPT课件

.,1,第四章植物营养的核技术研究法,主要参考书：1、陈子元等.核技术及其在农业科学中的应用，科学出版社，1983。2、王福钧.农学中同位素示踪技术，农业出版社，1989。3、西北农学院等.农业化学研究法，下册。农业出版社，1987。4、王世真等.核医学与核生物学，科学出版社，1990。5王福钧等.核农学导论.，科学出版社，2000。,.,2,第一节基本概念及依据一、基本概念二、核素示踪技术的基本依据三、核素示踪技术的特点,.,3,一、基本概念,1、核素：指具有特定质量数（原子核、核内的质子数和中子数之和），原子序数（质子数）和核能态，而且其平均寿命足以被观察的一类原子。2、同位素：指原子序数相同（质子数相同），但质量数不同的核素，如1H、2H、3H；11C、12C、13C、14C（其中13C是稳定性同位素）3、核素示踪技术：利用放射性核素能释放出各种射线离子或稳定性核素的原子质量区别于其它同类原子的特性，把这些核素的原子作为示踪原子来进行有关的研究工作。,.,4,二、核素示踪技术的基本依据,1、一种元素的同位素具有化学性质的一致性。2、自然界中一种元素的同位素组成（即核素的丰度）的确定性。用富集的稳定性核素或其标记化合物作为示踪剂是以此为根据的。3、同位素物理性质的可探测性。人们所应用的差异主要是核素衰变特性和核质量两个方面。,.,5,三、核素示踪技术的特点,（一）测量灵敏度高：灵敏度可达10-14-10-18g（精密天平为10-6，近代光学仪器可达10-9-10-12g，原子吸收10-6-10-9）。例如：1Bq（贝可：相当于1次衰变/秒，由于太大，现在多用Ci表示放射性活度单位，1Ci=3.71010次衰变/秒）的放射性核素32P相当于1.62106个32P原子，总重量只有2.710-17g左右，一般的探测仪器能准确地测定37Bq或更少的放射性。因此，示踪原子法比常用的化学分析法具有更高的灵敏度。,.,6,（二）应用示踪原子时可以不进行提取纯化、分离等复杂的化学分析操作，能够简化试验方法，缩短试验时间迅速获得试验结果。（三）可以分辨原有原子和试验中加入的新原子（四）试验合乎生理条件。,.,7,核素示踪技术的局限性：,放射性核素超过安全剂量对人和植物有辐射伤害，操作人员需要特殊训练要有严格的安全防护措施；稳定性核素的测量比较复杂，这些限制因素影响了其应用推广。注意：示踪技术是植物营养研究中的一种，必须与田间试验、培养试验、农化分析等方法配合使用，才能收到良好的效果。,.,8,第二节放射性和稳定性核素示踪技术,一、放射性核素示踪技术（一）、放射性核素：指会自发地放出一种或者一种以上的射线，同时自己变成为另一种核素的核素。这个变化过程称为放射性衰变。具有放射性衰变的核素称为放射性核素。这些放射性衰变有：,.,9,放射性衰变类型：,（1）衰变：衰变中放出2个核子即离子（2）衰变：-衰变：在中子过剩的核素中，原子核自发放射电子如：146C147N；3215P3216S（释放出一个电子后，一个中子转变为质子）。+衰变：在中子相对不足时，释放出正电子，使核中一个质子转为中子，核原子序数减少1，而原子质量不变。如116C115B,.,10,（3）衰变：当原子核从高能态跃迁至低能态或基态时放出的电磁波（和衰变一起发生）（4）射线：电子俘获的过程中释放出的射线。电子俘获指原子核从核外轨道电子中俘获一个电子而使核内一个质子转变为中子，同时释放射线。如5124Cr5123Cr过程中释放出的射线。,.,11,（二）、放射性核素示踪技术：就是把这些放射性同位素作为示踪原子（由于衰变的可测性）借以追踪该元素或标记化合物在生物体中行径的方法。植物营养领域中常用的放射性核素有14C（半衰期5692年），11C（半衰期太短20分钟），32P，35S，45Ca，86Rb。,.,12,（三）、放射性核素示踪技术的基本工作程序1、试验设计：（1）放射性核素的选择包括核素的性质、半衰期、射线的种类和能量、安全防护条件,.,13,（2）、示踪剂量：指示踪肥料的放射性强度，也就是标记示踪肥料时，应加入多少强度的放射性核素。确定放射性核素的示踪剂量，必须遵循两条基本原则：一是所用的示踪剂量应该保证试验结束时，最后一次样品中有足够的放射性比强，达到测量要求的精确度；二是所用的示踪剂量基本上不干扰作物的正常生长发育，对作物不产生辐射效应。因此示踪剂量最低要在测定时能测到其强度，但不能超过对人体伤害的安全剂量。,.,14,3、示踪肥料准备：,通常情况下，示踪核素的获得可以从天然放射性核素中提取或是人工利用核反应制备（这一项通常不需要自己准备，只要选择了适合的示踪核素及放射性强度，向一些原子能机构购买就可以了）。,.,15,4、供试客体的准备和管理,根据供试客体（植物或其它生物材料）的栽培和生育特征，做好环境维护，防止试验材料的放射性污染。,.,16,5、示踪肥料或示踪剂引入试验体系,根据试验目的选择示踪肥料或示踪剂引入生物体的方法和途径：气体放射性示踪剂，通常需用密闭系统，试验时将植株整体或器官置与其中；液体示踪剂：从植物地上部分引入（通常在溶液中加入适量的粘着剂，以增加在植物叶片上的粘着度），方法有涂抹法、喷雾法、注射法、点滴法、滤纸粘附法；固体和液体示踪剂也由植物根部引入。,.,17,6、示踪样品的采集和处理,与大多数植物样品的采集和处理方法相似。要注意：（1）按照试验要求，根据不同生育期采集示踪样品，并立即固定，保持“清洁“，避免交叉污染。（2)在整个操作过程中安全防护，并妥善处理去除的土壤及残根，避免污染环境。,.,18,7、测样制备：,按照测量条件及对测样的要求，将采集的示踪样品经过不同制样方法，制成适于测量的样态。放射自显影方式测量，则按照自显影的制样程序制备测样；测Ca用干灰化法；测磷用湿灰化法,.,19,8、测样试验的放射性测量,试样的测量主要是利用核素射线与物质作用产生的光、电、化学和热效应来测量。主要有下面几种类型：（1）射线通过物质时产生电离作用，通过测量电离电流能测量射线粒子（2）射线通过某种特殊物质产生荧光：采用荧光检测器（闪烁计数器）。,.,20,（3）射线在物质中引起核反应所产生次级粒子的作用（如中子），常用的有中子探测器、半导体探测器（4）射线能量在物质中产生热效应：采用量热计（5）与物质作用产生化学变化（6）放射自显影技术,.,21,9、测量数据处理、结果分析和报告,.,22,10、放射性废弃物的处理,放射性废弃物包括供试材料；测过的放射性样品；带有示踪肥料的营养液、石英砂或土壤；污染的试验材料（包括盆钵等）,.,23,长半衰期的污染物（如14C标记的污染物）应浓缩回收后送交放射性废物专门贮藏部门。短半衰期的污染物（如32P标记污染物），应妥善保管，经过10个半衰期后，用手持辐射仪检查放射性，达到本底水平时，作为一般非放射性废弃物处理。注意：在没有单独放射性水处理设备时，切忌将放射性污染物用自来水冲洗排入一般下水道，这样会污染排污系统，扩大放射性污染范围。,.,24,二、稳定性同位素示踪技术,（一）稳定性同位素：指半衰期107年的核素称为稳定性同位素，这些稳定性同位素质子数相同，但原子质量数不同。例如：147N157N；16O，17O，18O；13C，12C；1H，2H等,.,25,稳定性核素含量用丰度（%）表示，丰度：指某种稳定性核素的原子数在该元素的总原子数中所占的百分数。例如，15N的天然丰度为0.366%，既表示在天然存在的元素N中，平均100个N原子中含有0.366个15N原子。,.,26,例如：核素天然丰度（%）D0.01513C1.10715N0.36617O0.03718O0.204,.,27,重要化学元素的稳定性同位素元素同位素自然丰度样品来源H1H99.985新鲜的表面淡水2H(D)0.0147B10B18.46意大利天然硼酸盐11B81.54C12C98.892捷克扑利兹石灰石13C1.108N14N99.635大气中的氮气15N0.365O16O99.759大气中的氧气17O0.037418O0.2039,.,28,.,29,氮的同位素表同位素射线种类半衰期自然丰度12N+0.011S13N+9.96m14N-99.63515N-0.36516N-7.1S17N-4.15S18N-0.63S,.,30,（二）、示踪原理,通过改变同位素组成获得核素物质，并利用测量稳定性同位素的数量来进行同位素的示踪工作。例如：天然14N丰度为99.634%，15N为0.366%把任何一种示踪样品与天然的同位素组成相比可以区分任何来源的是示踪源,.,31,示踪肥料中的15N丰度是经过富集的，通常高于天然丰度，称高出部分为15N原子百分超。人们就是利用两者丰度上的差异进行示踪研究。这类示踪试验具有工作安全，不受时间限制等优点，但所用仪器和示踪物是很昂贵的。,.,32,1、稳定性核素示踪肥料的制备,可参考核技术导论一书）。,（三）稳定性核素示踪技术的基本工作程序,.,33,2、稳定性核素试验设置,设置稳定性核素示踪试验在许多方面和普通肥料试验不同，如试验小区不能过大，稳定性核素的丰度和用量要考虑价格和土壤条件。,.,34,通常考虑到成本，节省试验费用来说，要采用低丰度的示踪肥料。可为了提高测定结果的精度，要求待测样品有足够的丰度，稀释次数越多，土壤有效氮含量越高，15N丰度越低，因此，如果稀释次数越多，土壤有效氮含量丰富，则采用丰度较高的15N丰度，一般选用的丰度为5%20%，,.,35,3、把稳定性核素引入试验体系采用固体的方式和液体的方式引入,.,36,4、稳定性核素示踪样品的制备：,以15N样品的制备为例：（1）凯氏-雷氏法：湿灰化蒸馏,浓缩,注意：为了使浓缩液中的N能够检测出来并达到要求的精度，要求浓缩液中的氮含量不低于0.5mg（有的仪器需要1mg）,将铵转化为N2,.,37,（2）杜马氏法：是一种干灰化法，该法是将含微量氮的样品和氧化剂（CuO）、吸收剂（CaO）混合装入放电管内，抽真空后切封，然后燃烧产生N2，放出的CO2和H2O由CaO吸收，把放电管置于15N分析仪上直接测定。这种方法对固体、液体的甚至微量样品都很适用，只是在制样方法上稍有不同。,.,38,5、稳定性核素示踪样品的测量,（1）质谱仪：（参考仪器分析等相关书籍）基本原理：由制样系统导入分子态氮（30N2、29N2、28N2），这些气体原子或分子在电离室里被电离，产生被分析气体的阳离子。阳离子经过拉出、聚焦和加速后，形成具有一定能量和几何形状的离子束进入磁场分析室，在磁场中，不同质量的阳离子将按照它们的质荷比(M/e)作不同程度的圆形轨道偏转，质荷比大的离子，运动的轨道半径大，小的半径小。分离开的离子流落在接收器上，被电流计或其它自动记录仪测量出同位素的相对含量。,.,39,入口,出口,加速电压,1800的均匀磁场,.,40,(2)15N光谱分析仪基本原理：在外来能量的作用下，使欲测定物质的原子或分子被激发，当退激时放出光子来。不同元素的原子不同，因而有其特征的光谱带；即使同一元素的每个同位素也有表征该同位素的谱带。而某一同位素的谱带强度是随着样品中该元素的浓度的增加而增强的，因此，人们就可以利用光谱法对元素同位素进行定性与定量分析。,.,41,.,42,（3）、结果计算：通常测定单位都会把直接的测定结果给测定者，所以这一块我们一般不做考虑，具体内容,.,43,第三节示踪技术在植物营养研究中的应用,一、植物根系营养的研究（32P或其它放射性核素)1、茎基注射法2、根系放射性自显影法3、土壤注射、埋藏法,.,44,二、营养物质代谢的研究,（一）、氮代谢：通过对无机肥料中的N，氨基酸中的N、C、H进行标记，植物吸收标记物后，经一定时间在植物的不同部位分组测定有机、无机态氮，各组氨基酸态氮和蛋白质态氮。用这种方法可以研究硝酸盐在植物体内的还原过程，氨和氨基酸参与蛋白质的合成过程以及蛋白质的更新过程。,.,45,（二）磷素代谢,从叶或根部引入适当放射性强度的32P，植物吸收后，再根据试验目的分别测定植株各器官内各组磷的放射性强度。,.,46,三、土壤有效养分的测定,同位素-生物测定法基本假定：土壤中某种养分的来源有两个一是土壤中的养分；二是外界加入的已知数量的养分。植物对这两个养分来源是按比例吸收的。只要从植物体内测定出来自肥料的养分含量，就可以计算出土壤中的有效养分含量，通常记作“A”或“X”值。,.,47,1、土壤有效氮含量“A”值的测定（1）方法要点：用盆栽试验法，当植株生长到一定阶段，取下茎叶测定15N丰度及相关数据，计算土壤有效氮含量。,.,48,（2）试验设置：选容积为1L左右的陶瓷盆或塑料盆，盆底不设排水孔。每盆可装土1kg过3mm筛孔的土壤，每公斤土壤施含15N原子百分超为5%的氮肥0.1克（以纯氮计相当于200kgN/hm2）布置试验时，要将应施的肥料与土壤充分混匀，然后装盆，每盆移栽大麦幼苗6株，在大麦生长间使土壤含水量维持正常的土壤湿度。,.,49,大麦生长三周后，沿土壤表面割下植株，将根系和土壤分开，用喷雾器的细水冲洗根上粘附的土壤颗粒，将冲洗下来的水倒回原盆中，做成泥浆，并测定其总容积。搅匀后取出4份100ml的泥浆放入大瓷盘中，加10ml1：4HCl，混匀，放入70烘箱中干燥至恒重，研碎。另将茎叶在70下干燥，称重后研碎，最后分别测定茎叶、根系（或把植株样品制备成混合样品）和土壤中的全氮含量和15N丰度。所得数据可以用来测定土壤有效氮含量，也可计算氮肥利用率和氮素平衡。,.,50,（3）“A”值计算根据稀释法原理建立如下公式：其中Ndff%为植株全氮含量中来自标记肥料中氮素的百分数,.,51,例如,若植物混合样品干重分别是0.008kg，全氮含量分别为18g/kg，15N百分超为2.00%，土壤干重为0.9kg,土壤的全氮含量为0.7g/kg，15N百分超为0.2230%，求土壤有效氮含量、土壤残留氮及氮素平衡(氮素平衡计算计算公式：总氮植物吸收氮土壤残留氮损失氮)。,.,52,四肥料利用率的研究,（一）肥料利用率的概念（二）测定肥料利用率的方法1、差减法2、示踪法,.,53,1、差减法,在试验设计中，设置施肥区和无肥区两个基本处理，在收获作物时分别测定作物体内的含氮量和作物的干重，然后计算肥料利用率。,.,54,利用差减法计算利用率的特点：前提条件是无氮区和施氮区的作物吸收等量的土壤氮素，多余的氮完全来自肥料，但实际情况是氮肥施入土壤后会对土壤氮素产生激发效应，使土壤有机质矿化出更多氮素供作物吸收。另一方面土壤本身肥力是不均一的，施肥区和无肥区的原养分含量也不可能做到完全相同。,.,55,2、示踪法：,利用标记肥料进行生物试验，测定植物体内示踪元素的百分超或放射性强度，然后计算肥料利用率。,.,56,（1）氮肥利用率的测定,计算公式：,其中Ndff%为植株全氮含量中来自标记肥料中氮素的百分数,.,57,例如：在盆栽条件下测定水稻对氮肥的利用率。施用15N原子百分超为6.205的示踪硫铵每盆（每盆土壤重量为5kg）2