Использование радиоактивных изотопов в качестве индикаторов в растениеводстве

К числу наиболее прогрессивных методов исследования относится метод радиоактивных индикаторов, или меченых атомов. Этот метод, обладая исключительно высокой точностью, получил широкое распространение в мировой исследовательской практике. Большое значение метод имеет при проведении различных биологических исследований и, в частности, при решении вопросов по защите растений.

Метод радиоактивных индикаторов предусматривает введение в исследуемые биологические объекты препаратов, содержащих в очень малых – индикаторных количествах – радиоактивные изотопы. Возникающие в исследуемых объектах процессы приводят к перераспределению в них радиоактивных веществ, позволяющих изучить характер происходящих изменений. Обнаружение микроколичеств радиоактивных изотопов и количественная оценка содержания их в изучаемых объектах производятся с помощью прецизионных радиометрических приборов. Устройство, принцип работы и правил эксплуатации радиометрических приборов составляют предмет специальной дисциплины – радиометрии.

Радионуклиды трудно получить в абсолютно чистом виде. Обычно они находятся в смеси с нерадиоактивными веществами.

В связи с развитием высокоэффективного химического метода борьбы с вредными организмами, увеличением общего количества применяемых пестицидов и расширением их ассортимента возникает необходимость интенсификации исследований токсических свойств этих препаратов.

Эти исследования предусматривают всестороннее изучение внедряемых в производство препаратов нового синтеза с целью определения их эффективности и области применения, а также оценки возможности селективности их действия, выражающейся в отсутствии вредного влияния на полезную флору и фауну и в первую очередь на человека и сельскохозяйственных животных.

Проведение всесторонних токсикологических исследований немыслимо без привлечения новых прогрессивных методов исследования. К числу таких методов следует отнести метод радиоактивных индикаторов, или меченых атомов. Одно из существенных преимуществ метода – возможность проведения прижизненных наблюдений за биообъектами – приобретает исключительное значение при изучении механизмов действия пестицидов. Открывается возможность наблюдения за динамикой проникновения пестицидов в растения, насекомых и грызунов, преимущественной локализацией их в отдельных органах и тканях, а также изменением токсических свойств под влиянием метаболических процессов. Изучение этих вопросов приобретает особое значение при оценке пестицидов направленного действия и избирательного действия гербицидов на растения. Наряду с этим открываются большие возможности использования метода радиоактивных индикаторов при изучении физиологических и биохимических процессов и патологических изменений в защищаемых растениях. Метод позволяет также решать и ряд практических задач:

– определение длительности сохранения токсических свойств пестицидов после обработки ими растений;

– определение остаточных количеств токсических веществ в сельскохозяйственной продукции;

– установление предуборочных сроков обработки растений пестицидами.

Метод радиоактивных индикаторов, или меченых атомов, основан на применении специально синтезируемых пестицидов, в которых один или несколько стабильных изотопов замещены радиоактивными. Простейшим примером использования таких пестицидов может служить фосфид цинка, применяемый в борьбе с грызунами. При исследовании механизма действия этого зооцида может быть использован синтезированный фосфид цинка, содержащий радиоактивный изотоп фосфора ³²Р, цинка ⁶⁵Zn или одновременно два изотопа. Присутствие в препарате радиоактивных изотопов может быть обнаружено с помощью высокочувствительных радиометрических методов и приборов.

Метод радиоактивных индикаторов приобретает особое значение при изучении токсических свойств наиболее сложных пестицидов органического синтеза. При исследовании этих пестицидов применяются специально синтезированные препараты, в которых радиоактивные изотопы размещены в молекулах таким образом, что после распада последних на части каждая из этих частей будет содержать вполне определенный изотоп.

Количество радиоактивных изотопов в применяемом препарате обусловлено задачей исследований. В случае, если необходимо проследить проникновение пестицида в организм, можно использовать препарат, содержащий один радиоактивный изотоп, например, радиоактивный изотоп фосфора ³²Р или серы ³⁵S.

С помощью метода радиоактивных индикаторов можно проследить динамику поступления и разложения препарата в растении. В этом случае после введения меченого препарата в почву или нанесения на листья растения производят через определенные интервалы времени, исчисляемые днями, систематический отбор проб с обработанного меченым препаратом растения. Пробы отбирают в виде кусочков стеблей или листьев. Определение радиоактивности этих проб радиометрическими методами позволяет проследить за изменением содержания препарата в растении.

В лабораторных исследованиях и в полевых условиях на опытных участках меченые радиоактивными изотопами препараты применяют для характеристики пестицидов, например при оценке стойкости их к воздействию различными физическими факторами (светом, температурой, влажностью), а также химическими факторами.

При изучении действия метафоса на организм насекомых и растений, а также при определении его характеристики применяются различные радиоактивные изотопы углерода ¹⁴С, фосфора ³²Р, серы ³⁵S, занимающие определенные места в структуре молекул метафоса. Процесс разложения метафоса, как известно, довольно сложный. В результате его гидролиза образуется метиловый спирт, который может быть обнаружен по изотопу ¹⁴С, а также тиофосфорная кислота, характеризующаяся наличием радиоактивных изотопов фосфора ³²Р и серы ³⁵S. Однако дальнейшее разложение тиофосфорной кислоты с выделением сероводорода позволяет раздельно определить продукты распада, так как радиоактивные изотопы фосфора ³²Р и серы ³⁵S, дающее различное по жесткости излучение, могут быть обнаружены с помощью соответствующих счетчиков. Кроме того, применяя различные растворители, можно определить степень разложения пестицида и выделить продукты его распада. Так, например, метафос, хорошо растворимый в маслах и органических растворителях, почти не растворяется в воде.

Определение качества обработки посевов пестицидами. В связи с развитием химического метода борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур исключительное значение приобретает вопрос о рациональном и экономическом расходовании пестицида. При опрыскивании с самолета, а также при аэрозольной обработке возможен снос ветром значительного количества препарата с обрабатываемого участка. Большие потери препарата происходят из-за оседания его на почву. Оставшаяся часть препарата крайне неравномерно распределяется на обработанной пестицидами площади и в вертикальном направлении – по ярусам листьев растений.

Анализ данных о распределении пестицидов на обработанной площади позволяет оценить качество работы опрыскивателей определенной системы, разработать метод, устраняющий неравномерность оседания пестицидов на данной площади, а также найти поправочные коэффициенты к применяемым дозировкам пестицидов с тем, чтобы повысить процент гибели вредных насекомых.

Для определения степени равномерности распределения пестицидов на поверхности обработанных ими растений может быть использован радиоизотопный метод, который позволяет определять микроколичества пестицидов. При проведении анализов с помощью этого метода применяются радиоактивные изотопы с коротким периодом полураспада, например радиоактивный изотоп фосфора ³²Р (Т=14,3 дня), золота ¹⁹⁸Аu (Т=2,7 дня) и др.

Метод маркировки радиоактивными изотопами. Рациональная организация мероприятий по борьбе с вредителями сельскохозяйственных растений может быть достигнута на основе использования точных данных о закономерностях развития популяций. Определение этих закономерностей является весьма сложной задачей, поскольку развитие популяций зависит от многих факторов, не всегда поддающихся учету.

При динамическом описании популяций необходимо наличие точных данных о влиянии на скорость размножения и гибели особей рассматриваемого вида таких факторов, как наличие пищевых ресурсов, конкуренции за общие источники пищи и миграций в поисках новых источников пищи, а также взаимодействия различных видов при наличии хищничества и паразитизма. На указанный весьма сложный комплекс факторов, влияющий на развитие популяций, накладывается общий фон динамики изменения погодных условий, который может внести существенные поправки при определении закономерностей развития популяций. Достоверность полученных закономерностей в значительной мере будет определяться полнотой использования данных многолетних наблюдений за популяциями изучаемых видов.

Несмотря на обилие этих данных, их нельзя считать исчерпывающими, вследствие чего возникает необходимость в уточнении путем проведения дополнительных наблюдений с привлечением других методов исследований.

При получении данных, необходимых для описания моделей развития популяций, большое значение приобретает метод маркировки организмов радиоактивными изотопами. Этот метод используется при изучении миграций рассматриваемых видов и их пищевых связей, а также для определения численности популяций.

Основным преимуществом метода является возможность производить наблюдения за большим количеством маркированных организмов, что обеспечивает получение более достоверных данных при статистической обработке результатов исследования. Кроме того метод обладает высокой чувствительностью, которая обеспечивается применением специальных радиометрических приборов, позволяющих определять микроколичества радиоактивных веществ. В результате открывается возможность обнаружения мелких организмов, например насекомых, клещей и т. д., маркированных радиоактивными изотопами.

Метод маркировки нашел широкое применение при исследовании миграций насекомых. В этом случае насекомым сообщается радиоактивность одним из нижеприведенных методов. За расселением выпущенных в природу насекомых можно наблюдать с помощью радиометрических приборов.

Метод маркировки насекомых путем погружения в радиоактивный раствор. Применяется для насекомых, имеющих жесткий хитиновый покров, например опасного вредителя зерновых – клопа-черепашки. Проблема борьбы с этим опасным вредителем имеет исключительное значение, что вызывает необходимость изучения ряда деталей его биологии.

Применение метода маркировки клопов радиоактивными изотопами позволило выполнить ряд исследований, связанных с изучением миграций взрослых клопов в зоне их массового размножения, сезонных перелетов клопов из поля в лес осенью и из леса в поле весной, а также перемещений клопов в лесах в период перехода на зимовку. Для маркировки клопов был использован радиоактивный изотоп кобальта ⁶⁰Со, который обладая большим периодом полураспада (5,3 года), позволил проводить исследования с маркированными клопами в течение нескольких сезонов. Радиоактивный изотоп кобальта ⁶⁰Со является источником жесткого гамма-излучения, что позволяет с помощью радиометрических приборов легко обнаруживать маркированных насекомых, скрывающихся под комьями земли, листвой, стерней и т. д.

Метод маркировки клопа-черепашки заключается в следующем. Собранных насекомых погружают на несколько секунд в водный раствор хлористого кобальта, содержащего радиоактивный изотоп ⁶⁰Со. Для уменьшения поверхностного натяжения раствора и лучшего смачивания насекомого в раствор добавляют небольшое количество прилипателя. Концентрация раствора выбирается с таким расчетом, чтобы сообщенная маркированным насекомым радиоактивность превышала естественный фон радиации в 3–5 раз. Такая радиоактивность не влияет на поведение насекомых, но регистрируется счетчиком радиометрического прибора. Маркированных насекомых выпускают в природные условия и в дальнейшем по истечении некоторого времени определяют их местонахождение с помощью полевой радиометрической аппаратуры.

Более точные определения дальности миграций производится путем отбора проб. Отбор проб проводится в зависимости от поставленной задачи с определенной последовательностью и периодичностью на различных расстояниях от места выпуска. При отборе проб производится сбор насекомых (маркированных и немаркированных) на площади 0,25 м² путем наложения стандартной рамки. Собранные пробы проверяют в лабораторных условиях на радиометрической установке. С помощью этой установки отбирают маркированных насекомых и вычисляют процент маркированных по отношению к общему количеству. Взятие проб на различных расстояниях от места выпуска маркированных насекомых позволяет определять дальность миграций, а также скорость распространения мигрирующих клопов.

Маркировка путем погружения в радиоактивный раствор может быть применена и для других насекомых, имеющих жесткий хитиновый покров. Так, например, этот прием был использован для изучения миграций колорадского жука и проволочника, при определении очагов и плотности заселения их колорадским жуком и проволочником.

Маркировка насекомых путем скармливания им радиоактивной пищи. Личинок и гусениц вредителей зерновых культур маркируют, вскармливая их на растениях пшеницы, выращенной на почве, в состав которой вводят радиоактивные изотопы фосфора, кальция и др. Так, например, при маркировке личинок клопа-черепашки применяют раствор фосфорной кислоты Н₃РО₄, меченной радиоактивным изотопом фосфора ³²Р. Этим раствором поливают почву, на которой выращивается пшеница. В личинки клопа-черепашки при питании входит изотоп фосфора ³²Р.

Методом маркировки были определены суточные миграции личинок (как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях) в зависимости от времени суток, погодных условий и дальности перемещения по рядкам посевов пшеницы.

Преимущества метода маркировки при скармливании радиоактивной пищи заключается в том, что маркированные личинки и гусеницы после линьки сохраняют радиоактивность.

Методом маркировки радиоактивными изотопами может быть также использован при определении численности популяций насекомых. При определении численности популяций нестадных саранчовых им скармливают растения, содержащие радиоактивный изотоп, например кукурузу, выращенную на почве, обработанной радиоактивным изотопом фосфора ³²Р. Маркированных таким образом саранчовых выпускали в зону обитания этого вида насекомых. По истечении некоторого времени производился отлов насекомых сачками (метод кошения). Взятые пробы насекомых анализировали на радиометрической аппаратуре. На основании такого анализа устанавливали соотношение между маркированными и немаркированными насекомыми. По величине этого соотношения общему количеству выпущенных маркированных насекомых, размеру площади, на которой производился опыт, устанавливают численность популяций саранчовых в зоне проведения эксперимента.

Метод самомаркировки насекомых. При маркировке насекомых, имеющих легко повреждаемые наружные покровы (например, чешуекрылых), применяется метод самомаркировки, исключающий необходимость предварительного отлова насекомых.