植物碳素营养研究中碳同位素示踪技术的应用及进展

通过植物碳素营养研究的历史与现状的分析 ,提出了研究植物体内碳素营养动态对提高植物生产性的重要性。指出稳定性同位素13C示踪技术是进行植物碳素营养研究十分有效的先进手段。

同位素示踪技术在环境科学中的应用

由于同位素示踪技术具有独特的优点,因此广泛地应用于环境科学技术领域。将放射性同位素合成于被研究的物质分子中作为标记示踪剂。将示踪剂加入所研究的体系中,它将随同类物质一起运动或变化(如污染物在生物链中的迁移)。利用同位素示踪剂的辐射性能,可用放射性探测器定量测定,从而显示出它们的位置及含量而被追踪。放射性示踪技术具有灵敏度(10^(12)—10^(-9)g)高;不破坏样品,甚至使生物体在正常生理条件下,研究物质在生物体内的变化规律;以及测定简便、快速、有的可就地测量等优点。

放射性同位素碳-14标记毒死蜱的合成与分析

以[14C]碳酸钡为放射性同位素原料,通过格氏反应、亲核取代、分子内环化反应、脱水芳构化、亲电氯代等9步放化反应和反相高效液相色谱(RP-HPLC)制备获得14C-毒死蜱(1,O,O-二乙基-O-(3,5,6-三氯-2-[2,6-14C]吡啶基)硫代磷酸酯,30.2 mCi)。以[14C]碳酸钡计,9步合成反应的总收率为11%。目标物14C-毒死蜱的化学结构经核磁共振氢谱、质谱和在线放射性高效液相色谱(HPLC-FSA)分析确认。放射性薄层成像分析(TLC-IIA)、离线放射性高效液相色谱(HPLC-LSC)、在线放射性高效液相色谱-二极管阵列检测器/质谱联用(HPLC-FSA/PDA/MS)和LSC分析表明,14C-毒死蜱的放化纯度和化学纯度均大于98%,比活度为55.2 mCi/mmol,可作为放射性示踪剂,用于毒死蜱的药代动力学、生态环境安全与污染消减机制等研究。

放射性同位素碳-14标记氯虫苯甲酰胺的合成与分析

以[14C]碳酸钡为放射性同位素原料,通过格氏反应、亲核取代、胺化和缩合等8步放化反应制备了2种放射性同位素碳-14标记的氯虫苯甲酰胺粗品,经反相高效液相色谱(RPHPLC)纯化获得标记物纯品14C-氯虫苯甲酰胺[3-溴-N-[4-氯-2-甲基-6-(甲氨基[羰基-14C]甲酰基)苯基]-1-(3-氯-2-吡啶基)-1H-吡唑-5-甲酰胺(2,55.6 mCi)和3-溴-N-[4-氯-2-甲基-6-(甲氨基甲酰基)苯基]-1-(3-氯-2-吡啶基)-1H-吡唑-5-[羰基-14C]甲酰胺(3,58.6 mCi)]。以[14C]碳酸钡计,两种标记物的总放化收率分别为32%和52%。其结构经核磁共振氢谱、质谱和在线放射性高效液相色谱(HPLC-FSA)分析确认。放射性薄层成像分析(TLC-IIA)、离线放射性高效液相色谱分析(HPLC-LSC)、在线放射性高效液相色谱-二极管阵列检测器/质谱联用(HPLCFSA/PDA/MS)和LSC分析表明,两种14C-氯虫苯甲酰胺的放化纯度分别为99.8%和99.6%,化学纯度分别为99.1%和98.4%,比活度分别为52.45 mCi/mmol和52.30 mCi/mmol。这2种标记物可作为放射性示踪剂,可满足氯虫苯甲酰胺在中国的登记代谢试验研究的需要。

利用同位素示踪研究夏玉米灌浆期同化产物的运转

以夏玉米京垦 1 1 4为材料 ,用1 4 C同位素示踪方法 ,结合活体测量法 ,研究了玉米灌浆期叶片1 4 C 同化产物的输出和籽粒对1 4 C 同化产物的积累动态。结果表明 ,叶片1 4 C 同化产物输出和籽粒1 4 C 同化产物积累均先快后慢 ,有一定的阶段性。以较快速率积累较多的1 4 C 同化产物有利于形成较大的粒重。

放射性碳同位素在水文地质中的应用进展

放射性碳同位素(14C)可以有效的用于地下水年龄测定,并作为示踪剂求取水文地质参数,研究地下水动态,已为水文地质的发展作出了巨大的贡献。尤其是近十年来,14C制取测试技术和数据分析理论的迅速发展给水文地质的研究带来了新的动力。本文具体介绍了14C在水文地质上测年和示踪剂的应用进展,并概述了推动其发展的测试技术分析理论,最后对今后的研究方向提出了展望。

利用^(14)示踪研究玉米/花生间作玉米根系分泌物对花生铁营养影响的机制

通过14 C示踪技术研究间作条件下玉米根系分泌物改善花生铁营养的作用。结果表明 ,玉米根系的分泌物可穿越尼龙网而到达间作花生的根际 ,同正常间作的花生一样 ,与单作相比 ,两种间作花生的铁营养状况得到了明显的改善 ,玉米光合作用固定的碳可通过根系分泌物进入花生根际并转移到花生的根系和地上部 ,玉米根系分泌物可活化土壤难溶性铁而提高土壤有效铁含量 。

应用^(14)C示踪研究双季超高产栽培条件下水稻后期功能叶的光合特性

本研究结果表明 :超高产栽培 (VSHM)条件下剑叶和倒 2叶对14 CO2 的净同化强度分别极显著和显著高于对照 ,早稻和晚稻的趋势一致 ,是叶面积较大和单位面积光合速率较高所致。早稻和晚稻在灌浆结实期剑叶和倒 2叶的14 C 同化产物 5d内有1 7 5%～ 2 1 0 %滞留在标记叶内 ,滞留率晚稻大于早稻 ,倒 2叶大于剑叶 ,不同栽培处理之间差异不明显。14 C 的同化物有 45 3 %～ 65 4%向穗部运转 ,早稻大于晚稻 ,剑叶大于倒 2叶 ,VSHM比CK略有提高。VSHM超高产栽培双季实际产量达1 771 0kg hm2 ,比对照提高 1 8 3 3 % ,差异达

高比活度碳-14标记毒氟磷的合成与分析

以[^(14)C]碳酸钡为放射性同位素原料,通过格氏反应、Curtius重排、亲核加成、硫代及关环等7步反应,制备了同位素碳-14标记的毒氟磷粗品,经反相高效液相色谱(RP-HPLC)纯化获得标记物纯品^(14)C-毒氟磷(N-[2-(4-甲基苯并[2-^(14)C]噻唑基)]-2-氨基-2-氟代苯基-O,O-二乙基甲基膦酸酯,38.3 m Ci)。7步反应的化学收率/放化收率为10%。其结构经核磁共振氢谱、质谱和放射性高效液相色谱(HPLC-FSA)分析确认。放射性薄层成像分析(TLC-IIA)、高效液相色谱-液体闪烁测量联用分析(HPLC-LSC)、高效液相色谱-流动液体闪烁测量/二极管阵列检测器/质谱联用分析(HPLC-FSA/PDA/MS)和LSC分析表明,^(14)C-毒氟磷的放化纯度和化学纯度均大于98%,比活度为58.0 m Ci/mmol,可作为放射性示踪剂,用于毒氟磷的代谢和环境行为等研究。

高比活度碳-14标记吡虫啉的合成与分析

以[14 C]碳酸钡为原料,通过格氏、还原、溴化和亲核取代等五步反应制备了碳-14标记吡虫啉的粗品,经制备型HPLC纯化获得了目标物14 C-吡虫啉(1-(6-氯-3-吡啶[14 C]甲基)-N-硝基咪唑-2-亚胺,1 354.2 MBq)纯品,反应总放化收率为51%。目标物化学结构经质谱(ESI-MS)和核磁共振氢谱(1 H NMR)确认,其放化纯度和化学纯度分别以放射性薄层层析-同位素成像分析法(TLC-IIA)、离线放射性高效液相色谱法(HPLCLSC)、在线放射性高效液相色谱法(HPLC-FSA)和多波长高效液相色谱法(HPLC-PDA)测定。结果表明,目标物14 C-吡虫啉的放化纯度和化学纯度均大于98%,比活度为1 871.46GBq/mol。目标物14 C-吡虫啉可作为放射性示踪剂,用于吡虫啉在不同植物中的定向积累与代谢特征研究。

高比活度碳-14标记氟噻草胺的合成与分析

为开展除草剂氟噻草胺在我国的登记代谢试验,本研究以4-氟[U-(14)^C]苯胺为同位素原料,经还原胺化、缩合、取代、水解和醚化五步放化反应获得N-(4-氟[U-(14)^C]苯基)-N-异丙基-2-((5-(三氟甲基)-1,3,4-噻二唑-2-基)氧基)乙酰胺(2,总活度201.65 MBq;比活度2049.80 MBq·mmol^(-1);化学纯度和放化纯度均大于98%,总放化收率39%);以[C]硫氰酸钠为同位素原料,经加成、水解、环化、重氮化和醚化五步放化反应获得N-(4-氟苯基)-N-异丙基-2-((5-(三氟甲基)-1,3,4-[2-C]噻二唑-2-基)氧基)乙酰胺(3,总活度287.86 MBq;比活度2042.40 MBq·mmol^(-1);化学纯度和放化纯度均大于98%,总放化收率14%)。两种标记物的结构经核磁共振氢谱((1)^H NMR)和质谱(MS)分析确认,质量指标经高效液相色谱(HPLC-PDA)、放射性薄层成像分析(TLC-IIA)、在线放射性高效液相色谱(HPLC-FSA)和液体闪烁法(LSC)测定,均可作为放射性示踪剂。本研究结果为氟噻草胺的同位素示踪研究(包括该除草剂在我国的登记代谢试验)奠定了物质基础。

碳同位素示踪技术及其在陆地生态系统碳循环研究中的应用与展望

碳同位素示踪技术具有高度的专一性和灵敏度,经过几十年的发展,形成了一系列成熟的标记方法,在陆地生态系统碳循环过程的研究中已得到广泛应用。目前,自然丰度法、与13C贫化示踪技术结合的自由空气中气体浓度增加(FACE)实验、脉冲与连续标记法以及碳同位素高丰度底物富集标记法是研究陆地生态系统碳循环过程常用的碳同位素示踪方法;通过将长期定位实验和室内模拟实验结合,量化光合碳在植物-土壤系统的传输与分配特征,明确植物光合碳对土壤有机质的来源、稳定化过程的影响及其微生物驱动机制;阐明土壤碳动态变化(迁移与转化)和新碳与老碳对土壤碳库储量的相对贡献,评估有机碳输入、转化与稳定的生物与非生物微观界面过程机制。然而,生态系统碳循环受气候、植被、人为活动等多因素影响,碳同位素技术需要结合质谱、光谱技术实现原位示踪,结合分子生物学技术阐明其微生物驱动机制,从而构建灵敏、准确、多尺度、多方位的同位素示踪技术体系。因此,该文以稳定碳同位素为主,综述了碳同位素示踪技术的原理、分析方法和在陆地生态系统碳循环过程中的应用进展,归纳总结了碳同位素示踪技术结合原位检测技术和分子生物学技术的研究进展和应用前景,并对碳同位素示踪技术存在的问题进行了分析和展望。

基于稳定碳同位素示踪技术的商品植物油掺杂鉴别研究

本文旨在运用所建立的纯植物油的脂肪酸组成及其稳定碳同位素比值判别标志对广州市售商品植物油是否掺杂进行判识。先在广州某大型超市购得18种商品植物油(包括3种茶籽油、5种花生油、2种葵花油、2种玉米油和6种橄榄油);然后采用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)、气相色谱-同位素比值质谱仪(GC-IRMS)和元素分析-同位素比值质谱仪(EA-IRMS)对这18种商品油的脂肪酸组成和全油及其脂肪酸的稳定碳同位素比值进行测定;最后将本次检测所获得的数据与作者之前建立的判别标志进行对比分析。对比结果表明,本批商品植物油的品质总体较好,但其中50%的植物油商品存在掺杂。因此,将植物油脂肪酸组成数据与其稳定碳同位素比值数据相结合,可灵敏地确定待检植物油是否存在掺杂。

长链烯酮单体碳-14同位素分析技术进展与研究意义

生物标志物是研究古环境重建和物质循环理论的重要载体。针对海洋生物标志物的同位素研究是研究古海洋学与海洋元素循环理论的重要手段,应用国际先进的单体分子天然放射性碳同位素(碳-14)技术开展海洋环境演变和碳循环相关研究有着重要的科学意义。其中,长链烯酮单体分子碳-14年龄分析能够反映海洋搬运作用对有机质沉积过程的影响,对生物标志物重建古环境等应用提出了新认识,并为建立利用有机质进行沉积物定年的方法奠定基础,也为建立海洋环境变迁和海洋碳循环模型提供进一步的年龄约束。因此,有必要对长链烯酮单体分子碳-14年龄的测定与研究意义进行系统归纳总结。在此基础上,综合介绍了2种关键的长链烯酮单体的分离提纯技术、1种重要的烯酮单体分离技术和长链烯酮单体分子碳-14分析及计算方法,以及长链烯酮单体分离提纯的过程空白评估方法;并总结了长链烯酮单体分子碳-14分析技术在海洋学中的指示意义:①间接地指示海洋搬运作用;②示踪海洋碳库;③具有改进沉积物年代学和古环境指标的潜力。最后,提出了应用长链烯酮单体分子碳-14解决海洋碳循环的几点核心科学问题。系统地总结长链烯酮单体分子碳-14技术特点与典型范例,对未来在中国近海开展相关研究具有重要启示意义。

稻草还田条件下水田和旱地土壤有机碳矿化特征与差异

采用14C示踪技术,通过100 d的原状土柱室内模拟试验,得出以下研究结果:培养100 d后,有34.74%(水田覆盖)、17.85%(水田翻埋)、35.68%(旱地覆盖)和36.06%(旱地翻埋)的稻草碳被矿化,水田和旱地土壤分别有0.99%～1.17%和2.25%～2.53%的原有有机碳被矿化。土地利用和稻草还田方式及两因素的交互作用,对添加稻草碳的矿化速率和累积矿化率均有显著影响(p<0.01),但对于土壤原有有机碳的矿化速率和累积矿化量,只有土地利用方式对其有显著影响(p<0.01);添加稻草后,土壤总累积矿化量没有发生显著变化(旱地翻埋除外),因为稻草还田抑制了土壤原有有机碳的降解,使100 d的累积矿化量相对于各自对照减少了13.95%(水田覆盖)、15.68%(水田翻埋)、11.04%(旱地覆盖)和3.34%(旱地翻埋)。水田翻埋和旱地覆盖是稻草资源合理利用的较好方式,更有利于土壤有机碳的积累;添加的稻草碳和土壤原有有机碳在水田的矿化速率均显著低于旱地,是水田有机碳含量通常高于同一景观单元旱地的主要原因之一。

水稻对^(14)CO_3^(2-)的吸收和积累动态

用同位素示踪技术研究水稻对14CO32-的吸收和积累动态,及其在水稻田中的行为特性。结果表明:通过水稻根系和浸于水中的茎杆下部吸收的14CO32-离子会向上部组织输送并形成积累趋势;在上部组织中,叶和茎杆上部的14C比活度随时间呈逐渐上升的趋势,而穗中的比活度于14d达最大值(271.9Bq/g)后又呈下降趋势;茎杆下部由于直接浸于水中,表现出对14CO32-离子的快速吸收、吸附,此后随时间呈下降趋势,根部表现出上升过程迟后于茎杆下部,其14C比活度也低于茎杆下部。上部组织(穗、叶和茎杆上部)中14C的百分含量随时间上升,而下部组织(茎杆下部和根)则相反,至试验后期(21~35d),其百分含量基本持平(约各占50%),14C从下部组织向上部组织输送的特征非常明显。

外源碳酸钙和稻草对喀斯特地区土壤活性有机碳的影响

为了解喀斯特土壤活性有机碳在土壤有机碳周转中的特征,设置在干土中添加14C–稻草(每1 g干土添加500μg C)、14C–CaCO3粉末(每1 kg干土添加50 g C)和不添加任何外源物(CK)3种处理,对广西环江县2种典型类型土壤棕色石灰土、黑色石灰土和地带性红壤进行为期100 d的室内培养试验。结果表明,添加14C–稻草和14C–CaCO3后5 d,红壤、棕色和黑色石灰土中土壤总微生物生物量碳(MBC)含量均达峰值,红壤中总MBC含量分别为231.7、273.0 mg/kg,分别高于对照70.2%和100.5%;棕色石灰土中总MBC含量分别为288.1、307.7 mg/kg,分别高于对照23.0%和31.3%;黑色石灰土中总MBC含量分别为683.7、787.2 mg/kg,分别高于对照4.5%和20.3%。3种土壤总溶解有机碳(DOC)含量均达到最大值;黑色石灰土总MBC含量显著大于棕色石灰土和红壤,而红壤总DOC含量显著大于石灰土(P<0.05)。14C–稻草对3种土壤14C–MBC、14C–DOC含量的影响显著大于14C–CaCO3的影响(P<0.05)。添加外源碳酸钙和稻草均能增加土壤活性有机碳含量。喀斯特地区石灰性土壤较红壤稳定,有利于土壤有机碳的积累。

那氏778诱导剂浸种对冬小麦^(14)C同化物生产及运转分配的影响

采用14 C示踪技术研究了那氏 778诱导剂浸种对冬小麦14 C同化物的生产及运转分配的影响 ,结果表明 ,那氏 778诱导剂浸种可显著提高冬小麦苗期、拔节期和灌浆期各器官及整株的相对光合速率和同化量 ,生育前期主要以提高小麦展开叶片和小麦冠层上部的光合速率和同化量为主 ,生育后期其冠层下部同化量的提高更为明显 ;那氏 778诱导剂浸种提高了冬小麦各营养器官向穗部和根系输入的比例 ,有利于促进小麦的生长发育 。

14C的前世今生

^C-14是碳同位素家族的特殊成员,不仅具有放射性,而且半衰期长,经过漫长的研究和理论技术积累,其碳定年法技术为考古、第四纪地质、近代海洋等领域研究提供年龄信息。它在自然界中的“特异性”和“普遍性”又使得它具备示踪技术,在宏观大气,海洋及生态领域示踪物料来源,同时在微观的生命科学领域也可揭示生化过程的反应机理,是人类探索自然的好帮手。