Лекция 4.Использование радиоактивной метки в агрохимии и почвоведении
( 4 часа)
Основное направление применения метода меченых атомов в агрохимии и почвоведении связано с исследованием химического состояния и скорости перемещения (миграции) химических элементов в агроценозе.
┌──────────┐
┌<──┤почвенная ├>─┐
│ ┌─┤микрофлора│ │
│ │ └─────────┬┘ │
│ ^ ^ │
┌─────────┐ ┌─┴─┴─────┐ ┌─┴───┴──┐ ┌─────────┐
│доступные├──>─┤почвенный├─<─┤ корни ├<─┤надземная│
│формы ├─<──┤ раствор ├┬─>┤растений├─>┤ часть │
└─────────┘ └┬┬───┬┬──┘│ └────────┘ └───┬─────┘
││ ││ └──────<──────>────┘
┌─────────┐ ││ │└───>───┐
│трудно - ├──>──┘│ │ ┌────┴────────┐
│доступные├─<────┘ │ │фильтрующиеся│
│формы │ │ │ воды │
└───┬─────┘ │ └─────────────┘
│ │
│ │ ┌─────────────┐
│ └─>─┤поверхностные│
└──────────────>─────┤ воды │
└─────────────┘
Модель распределения химических элементов по пулам агроценоза
Если внести элемент в систему, то он начнет распределяться между всеми компартментами с различными скоростями. Основные задачи метода изотопных индикаторов - исследование закономерностей распределения элементов по компартментам и определение скоростей распределения. Эти задачи решаются в физиологии растений и животных. Представленная система агроценоза очень сложна, хотя может быть еще более усложнена. Чтобы выпутаться из ситуации, нужно упрощать ее. Например, решать блок только почвы или только раствора и растений и т. д.
Одним из первых примеров применения радиоактивных индикаторов в агрохимии - разделение потока фосфора в растения из удобрений и из почвы путем введения радиоактивного фосфора в удобрения (суперфосфат).
. Р-32. Разностный метод определения. Его ошибочность.
Метод изотопного разбавления является основой для широко используемого метода оценки доступности питательных веществ из почвы и удобрений, принятого в качестве эталонного при сравнении методик определения доступности различных питательных элементов с использованием химического экстрагирования [124]. В зависимости от типа системы, применяемой для распределения меченых атомов и определения доступности питательного элемента, рассчитывались такие показатели, как £, L и А [43]. Эти показатели могут быть рассчитаны с помощью уравнения (1.1):
Е, L или A=(SiX/S2)—X.
Величина Е определяется путем анализа почвенной суспензии в растворе. С помощью этого метода измеряют концентрацию обменных ионов (см. раздел VI. А данной главы). Состояние равновесия обычно устанавливается в течение нескольких дней. Напомним, что в уравнении (1.1) величина Si —удельная активность добавленного меченого элемента, X — количество добавленного носителя, S2 — удельная активность элемента в равновесном растворе.
Величина L [75] определяется методом выращивания растений на почве с меченым элементом *. При соответствующих оптимальных для роста растения влажности и температуре равновесие сохраняется в течение нескольких недель. Определение с помощью этого метода доступной фракции питательного элемента также отражает любой эффект, оказываемый растением на равновесие системы почва — растение. В уравнении (1.1) S\ и X адекватны величине Е, но S2 — удельная активность элемента в растении.
Величина А показывает количество доступного питательного элемента в эталонном источнике. Обычно это удобрение, которое берется в качестве стандарта усвояемости [45]. Таким образом, Si и X — это соответственно удельная радиоактивность и количество добавленного элемента удобрений, a S2 — то же, что и для величины L. Полагают, что растение будет поглощать питательные элементы из различных источников в системе почва — растение в пропорциях, соответствующих количествам, доступным при использовании любого источника. Идеальный вариант — когда эталонный источник не взаимодействует с почвой и сохраняет такой же стандарт усвояемости в течение долгих периодов и в различных типах почвы. Возможно, такой идеальный вариант недостижим, хотя использование гранулированного материала и его ленточного размещения сокращает степень взаимодействий. Но даже при этих условиях было получено много полезных сравнительных данных по доступности питательных веществ из почвы и других источников питания.
Величина А чаще всего используется для измерения количеств доступных питательных элементов в различных почвах или удобрениях. Она может быть использована также для косвенного определения доступности питательных веществ из источников, которые метить неудобно. Такие источники включают, например, сырой фосфат [36, 41] и остаточные количества органических веществ или ранее примененных удобрений [113]. Сравнения обычно производятся в оранжереях или ростовых камерах с одинаковыми условиями тестирования для всех видов почв. Показатель А используется также для изучения влияния разнообразных полевых условий на доступность питательных веществ [124].
В ранних работах [42, 110] было продемонстрировано относительное постоянство показателя А при различных скоростях поступления меченого элемента из удобрения при добавлении других питательных веществ и с разными видами растений. В более поздних исследованиях [117, 121] было показано, что величины А могут возрастать с увеличением скорости поглощения меченных фосфором или цинком удобрений. Стэнфорд и др. [114] определяли величины А для 39 типов почв в опытах с удобрениями, меченными 15N, при внесении 100 или 200 мг N на килограмм почвы. Не все полученные результаты нашли удовлетворительное объяснение. По-видимому, внесение удобрений приводит в некоторых случаях к увеличению активности корней и, таким образом, увеличивает поглощение питательных элементов из почвы по сравнению с использованием меченого удобрения. Одно из явных преимуществ метода определения величины А.— это то, что его не нужно подвергать значительным изменениям при изучении поглощения питательных элементов из почвы и удобрений [112]. Метод «немеченого дифференцирования» [29] для выявления различий в поглощении питательных элементов из почвы и удобрений обычно допускает постоянство поглощения питательного элемента из почвы и постоянство процента поглощения питательного элемента из удобрения. Эти условия имеют больше ограничений, чем для показателя А.
* При применении этого метода роль раствора-экстрагента выполняет само растение, поглощающее доступную, усвояемую фракцию питательного элемента из почвы.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УДОБРЕНИЙ
Увеличение стоимости удобрений и требования минимального загрязнения окружающей среды дали дополнительный импульс исследованиям по распределению минеральных удобрений. В то время как эксперименты по изучению распределения немеченых удобрений могут принести лишь ограниченную пользу для определения степени использования удобрений растениями [116], меченые минеральные удобрения дают полные сведения о поведении и дальнейшей судьбе питательных элементов. Основное предположение заключается в том, что меченные изотопами элементы с физической и химической точки зрения ведут себя идентично немеченым элементам и что растение неспособно различать метки. Предполагается, что естественный азот имеет постоянный изотопный состав. Для большинства исследований, проводившихся с 15N, это предположение остается в силе. Эксперименты с меченым азотом, проведенные Аллисоном [3] и Возе [124], показали, что коэффициент использования азота растениями из азотного удобрения в полевых условиях для одного сезона варьирует между 20 и 70 %. Более высокие коэффициенты использования могут быть получены при выращивании растений в вегетационных сосудах [4, 114], когда применяемое удобрение находится в относительно малом объеме. Растения редко утилизируют более 20 % примененного за один сезон фосфора из фосфорных удобрений [9]. На почвах, богатых фосфором, Нельсон и др. [92] обнаружили, что хлопчатник поглотил ~2,5, а картофель ~ 10 % внесенного меченного Р удобрения.
Эффективность использования меченых удобрений зависит от содержания питательных элементов в почве, особенностей удобрений и возделываемой культуры, условий окружающей среды и других факторов. В частности, в полевых условиях эксперимента к факторам, влияющим на эффективность использования удобрений, относятся размещение, время внесения и форма удобрений. Поскольку фосфор в почве относительно иммобилен, характер размещения его в почве, например в виде полосы или вразброс, играет гораздо более значительную роль в усвоении его растениями, чем размещение азотного удобрения.
Рассмотрим основные принципы метода изотопного разбавления. Процент питательных веществ в растении после внесения меченого удобрения может быть определен следующим образом:
Атомный процент обогащения (или
,, , удельная активность) в образце
Коэффициент ИСПОЛЬ - растения.
зования минерального =-------------------------------------------------- X 100. (1.4)
удобрения (в/о) Атомный процент обогащения (или
удельная активность) в удобрении
Поскольку период полураспада легкодоступного радиоизотопа 42К составляет всего 12,4 ч, возможность применения его для изучения использования калийных удобрений весьма ограниченна. С другой стороны, долгоживущий изотоп 40 К естественного происхождения слишком дорог для использования его в этих целях. В этой связи исследователей привлек изотоп 86Rb как химический аналог калия. Колландер [26] один из первых показал, что рубидий может частично заменять калий в растениях. Сродство рубидия и калия для почвенной глины примерно одинаково [56], оба элемента используют один и тот же биологический переносчик во время их поглощения корнями растений [37]. Результаты исследований по использованию 86Rb в качестве неизотопного индикатора для калия неоднозначны [46, 84, 89, 90], особенно при использовании почв с высокой способностью к фиксации калия. Применение 86Rb в качестве метки для калия, по-видимому, является наиболее подходящим вариантом в исследованиях с питательными растворами при коротких и средних экспозициях. В полевых условиях скорости реакций и сродство у двух катионов различны, кроме того, необходима защита от у-излу-чения 86Rb, что является дополнительным усложняющим фактором [124].
Стронций сходен с кальцием по поглощению растениями и по своим почвенным химическим характеристикам. Поскольку до появления современных жидкостных сцинтилляционных спектрометров мягкое (3-излучение 45Са регистрировать было намного труднее, чем жесткое |3-излучение 85Sr или 89Sr, радиоактивные изотопы стронция иногда использовались в качестве метки для кальция [105].
Показателем различий или сходства в распределении двух элементов в системе раствор —- растения является коэффициент дискриминации k. Такое распределение может быть выражено следующим уравнением:
Коэффициент распределения, равный 1, указывает на то, что поведение обоих элементов (стронция и калия) идентично. Если коэффициент распределения больше 1, это указывает на то, что 85Sr лучше поглощается растениями, чем кальций, если меньше 1 — кальций лучше поглощается растением, чем стронций.
Продолжительное использование некоторых меченных радиоактивными изотопами удобрений трудно определить из-за относительно коротких периодов полураспада. Например, 32Р имеет период полураспада 14,3 сут, что делает невозможным его использование в исследованиях, продолжительность которых превышает один сезон. Подобная трудность возникает и при использовании 86Rb, являющегося заменителем радиоактивного изотопа калия. Однако при использовании стабильного изотопа I5N могут осуществляться продолжительные опыты при выращивании новой культуры на ранее удобренной почве. В этом случае можно пользоваться методом изотопного разбавления. Исследование использования меченых остатков азота показало, что поглощение меченного I5N азота растениями в течение второго года составляет 1/10 поглощения в течение первого года [22, 71, 76, 127].
Определенный интерес вызывает доступность остаточных минеральных удобрений. В этом случае необходимо определить коэффициент использования остаточного количества удобрений [16]. В 1982 г. Смит и др. [111] применили изотопный метод в качестве лабораторного «инструмента» для предварительной оценки потенциала относительного вымывания из почвы нитрата, образовавшегося из ранее внесенного азотного удобрения. В этом случае
Остаточные количества питательного элемента в растении/
Коэффициент использования остаточного удобрения |
Общее количество питательного элемента в растении (1.6)
 |
Остаточные количества питательного элемента в почве/
Общее количество питательного элемента в почве
Соотношение, равное 1, означает, что остаточный питательный элемент в удобрении и питательный элемент в почве одинаково доступны. Соотношение больше 1 означает, что питательный элемент остаточного, удобрения более доступен, и наоборот.
Исследование баланса распределения удобрений с помощью лизиметров — более сложная задача. Из-за относительно короткого периода полураспада изотопов 32Р и 86Rb большинство методик определения баланса меченых удобрений основано на использовании стабильного изотопа I5N. Легг и Мейзингер [77] отмечали, что использование изотопа l5N является лучшим методом изучения баланса азота. Правильность этого метода зависит от типа доступных источников, объектов исследования и основных трансформаций азота (минерализация, денитрификация. иммобилизация, вымывание и т. п.) в исследуемой системе. Из-за высокой стоимости, сложностей при отборе проб и пространственной изменчивости большая часть полевых исследований с I5N проводилась на опытных участках небольшого (<1 м2) размера. Проблемы отбора проб и пространственной изменчивости при использовании азота в отличие от проблем использования фосфора и калия могут быть еще более острыми из-за трансформаций азота, обусловленных содержанием и движением почвенных вод. Опытные участки небольших размеров дают возможность использовать в качестве пробы всю массу почвы и, таким образом, позволяют избежать сложностей с пространственной изменчивостью. Однако такая методика влечет за собой разрушение опытного участка. Более того, небольшие участки также могут ограничивать изучение распределения удобрений у культур с тонкими корнями.
На примере результатов, полученных Смитом и др. [111], можно проиллюстрировать наиболее распространенное применение стабильного изотопа 15N для определения распределения азотных удобрений. В табл. 1. приведены результаты исследований, полученные в течение одного сезона выращивания сорго (суданка) в южных прериях США. Эксперименты повторялись в течение трех лет на полевых опытных участках с помощью открытых на концах полевых лизиметров (30X30 см). В таблице показано распределение меченого азота между урожаем, пожнивным остатком, корнями, органическим и неорганическим азотом.
Та блица 1. Распределение меченого азота из 15N нитрата в опытах при выращивании сорго (суданка) в южных прериях США
Использование меченого азота *, % | ||||
Показатели | ||||
1977 г. | 1978 г. | 1979 г. | В среднем | |
Поглощение растениями при сборе урожая | ||||
в июне | 16+10 | 42 + 10 | 39 + 20 | 32 + 18 |
в июле | 22 + 8 | (не было | 25+14 | 24 + 11 |
урож.) | ||||
в сентябре | 10 + 7 | 4+2 | 4 + 2 | 6 + 5 |
жнивье, корни | 4+1 | 5+2 | 6+1 | 5 + 2 |
Общее количество в растении | 52 + 5 | 50+11 | 74+12 | 59+15 |
Остаток в почве (на глубине 0—180 см) | ||||
органический N | 27+11 | 36 +11 | 25 + 9 | 29+11 |
неорганический N | 6+10 | 6 + 12 | 0,1+0,1 | 4 + 9 |
Общее количество в почве | 33+10 | 42+11 | 25 + 7 | 33 + 9 |
Восстановленный азот в растениях почв Невосстановленный азот | 86 + 7 15 | 92 + 11 8 | 99 + 11 1 | 93 + 9 7 |
* На 1 га вносили в виде KNO3 112 кг азота (обогащение I5N 27 %) в мае каждого года на новых полевых участках. Величины со знаком + представляют собой стандартные отклонения для восьми типов почв. Из-за округления десятых долей данные граф не могут быть суммированы точно.
Использование радиоактивных индикаторов в агроисследованиях
1. Определение скорости передвижения элементов по растению.
1.1. Схема установки – два детектора на разных высотах. Растение выращивается на питательной смеси. Затем переносится в другой сосуд с тем же питательным раствором и добавлением метки. Включаются детекторы и таймеры.
1.2. Лучше использовать бета-излучатели.
2. Исследование влияния экологических условий роста растений.
2.1. Затопление (переувлажнение) почвы.
Опыт ставился с картофелем пшеницей и соей. В фазу бутанизации сосуды заливались избытком воды. Через определенные сроки растения снимались на анализ. За два дня до снятия растений в почву или на лист наносился 33Р, который распределялся по растению. Продолжительность опыта составляла 10 суток. Количество 33Р в различных частях растения по отношению к внесенному в почву или на лист указывало на интенсивность фосфорного питания в зависимости от срока переувлажнения. Оказалось, что поступление 33Р уменьшалось во времени по экспоненциальному закону. Быстрее всего прекращалось поступление 33Р в растения картофеля, затем пшеницы и сои. При этом периоды полууменьшения содержания 33Р составили: картофель – 4.1 сут., пшеница – 6.9 сут., соя – 13.9 сут. В таком же порядке увеличивается устойчивость растений к переувлажнению: соя > пшеница > картофель. Таким образом, существует способ быстрого и количественного определения устойчивости растений к переувлажению.
Дать экспоненту, полулогарифмику.
При нанесении 33Р на лист картофеля изучалось поступление Р в клубни и корни растения. Период полууменьшения составил: клубни - 1.2 сут., корни – 2.6 сут.
2.2. Исследовалось влияние регуляторов роста растений на транспорт Р по растениям.
2.3. Исследование распределения элементов по органам и тканям растений и по биохимическим структурам.
3. Исследование накопления радионуклидов растениями из почвы как самостоятельная задача.
КН как высокопараметрический коэффициент от всего зависящий. Зависимость КН от концентрации макроэлемента в почве.
Динамические исследования
Определение скорости разложения органического вещества почвы.
Для изучения скорости разложения органического вещества в почве и включения остатков в гумусовые соединения необходимо иметь меченые по углероду органические вещества. Получение меченого растительного материала осуществляется фотосинтетическим путем при выращивании растений в герметичных прозрачных камерах, в атмосферу которых вводится меченый 14СО2.
Сложнее получение меченых органических удобрений, в частности, навоза. В корм животных вводится 14С, что и дает меченый навоз.
Измельченный меченый растительный материал или подготовленный навоз вносится равномерно по микроплощадке или на заданную глубину. Иногда меченый материал помещается в изолированные капроновые или полиэтиленовые мешочки, которые также располагаются в почве по выбранной схеме. Дальше возможно наблюдение за скоростью распространения 14С по различным органическим веществам и биохимическим цепочкам.
Органические вещества | Целинные д-п почвы, глубина 8-10 см | Пахотные д-п почвы, глубина 8-10 см |
Т1./2, годы | Т1./2, годы | |
Низкомолекулярные органические соединения (сахара, аминокислоты и др.) | 2.3 - 10 (сутки) | 2 - 7 (сутки) |
Растительные остатки в первый год внесения | 1.7 - 2.3 | 1 - 1.4 |
Растительные остатки на последующих сроках разложения | 2.3 - 6.9 | 1.7 - 3.5 |
Диспергированный лигнин | 3.4 - 7.0 | - |
Вещества разлагающихся остатков, включившихся в состав гумуса (периферические фрагменты) | 11 - 17 | 7 - 10 |
Гумусоподобные вещества | 23 - 35 | 9 - 12 |
Гумус почвы | 70 | 46 |
Наиболее просто проводятся наблюдения за кинетикой минерализации меченых органических веществ. Это длительные опыты, требующие десятков лет. Самый длительный опыт насчитывает 11 лет. В результате получается кривая уменьшения активности внесенных в почву материалов, которые могут дать ценную информацию о скорости разложения органического вещества и включения углерода в гумусовые вещества.
2. Изучение кинетики сорбции меченых фосфат-ионов в почвах
Течение процесса сорбции во времени происходит через следующие последовательные стадии: диффузия сорбируемых частиц к поверхности твердой фазы почвы (почвенным частицам) - внешняя (пленочная) диффузия; диффузия внутри почвенных частиц - внутренняя (гелевая) диффузия; и сам акт сорбции - образование сорбционной (молекулярной или химической) связи. В зависимости от лимитирующей (т. е. самой длительной) различают два типа кинетики сорбции - пленочная и гелевая.
Пусть для опыта взята масса почвы g, Объем раствора V с концентрацией сорбируемого вещества С0. Через некоторое время после перемешивания установится некое состояние системы с концентрацией сорбируемого вещества в почве S и С в растворе. На основе закона сохранения вещества запишем:
V C0 = g S + V C, (1)
откуда искомая концентрация сорбируемого вещества в почве равна:
S = (V/g) (C0 - C) = (VC0/g) (1 - C/C0). (2)
Так как опыт проводится с радиоактивной меткой, то отношение концентраций С/С0 должно быть равно отношению удельных активностей растворов а/а0 = a.
Тогда:
S = (VC0/g) (1 - a). (3)
Таким образом, в полученном уравнении экспериментально определяемой величиной является a - отношение удельной активности растворов.
На основании полученных данных строят графики кинетики сорбции или распределения элемента между жидкой и твердой фазами.
В случае изотопного обмена кинетика сорбции описывается уравнением:
S (t) = S0 [1 - exp(-kt)].
Почва - сложный природный объект, содержащий компоненты, характеризующиеся разной скоростью изотопного обмена. Например, фосфаты минеральные и органические. Минеральные - кальций-фосфат, фосфат железа и алюмо-фосфат. Поэтому чаще всего кривая удовлетворяет уравнению:
S(t) = å S0i {1 - exp(-kit)].
