核技術應用與核安全

對核技術在農(nóng)業(yè)領域中應用的研究水建學院熱動113班2011012107劉紅超摘要核技術是核科學為基礎上的一門現(xiàn)代技術，因而廣泛稱為核科學技術。隨著核科學的不斷發(fā)展，核技術應用也不斷變得廣泛和成熟，核技術在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學、環(huán)境科學、食品科學等領域的應用已經(jīng)比較成熟，并不斷地在其領域向前發(fā)展，給社會經(jīng)濟及民生發(fā)展產(chǎn)生重要影響。農(nóng)業(yè)為國家的最基礎的領域，農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定和糧食安全為各個國家最為緊迫的工作。關鍵字核技術輻射育種輻照保藏輻射殺蟲農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展是人類社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的基礎。面對人口、糧食、資源、環(huán)境與能源五大問題，農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展正在受到世界各國和科學家的普遍關注。要保持農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，關鍵是依靠科學技術，特別是將高新技術應用于農(nóng)業(yè)。核技術在農(nóng)業(yè)的應用為其重要內(nèi)容，并有重要作用。核技術在農(nóng)業(yè)領域應用概況核技術是增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的最有效手段之一，可為農(nóng)業(yè)提供優(yōu)質(zhì)良種、控制病蟲害、評估肥效、控制農(nóng)藥殘余、保持營養(yǎng)品質(zhì)、延長儲存時間、鑒定糧食品質(zhì)等。核農(nóng)學是核技術在農(nóng)業(yè)領域的應用所形成的一門交叉學科，主要涉及輻射誘導育種，昆蟲輻射不育，肥、農(nóng)藥、水等的示蹤，輻射保鮮，農(nóng)用核儀器儀表等內(nèi)容。中國作為人口大國，解決溫飽問題、提高糧食品質(zhì)、保障人民營養(yǎng)，是農(nóng)業(yè)科技工作的核心，核農(nóng)學為解決上述核心問題提供有力的科學支撐；無論是新品種的培育，還是土肥管理，以及農(nóng)產(chǎn)品保鮮等，都離不開核技術。核技術在農(nóng)業(yè)領域的具體應用2.1核技術在輻射育種領域的應用輻射育種是核農(nóng)學的重要組成部分，我國在這一應用方面居世界領先地位。全球通過輻射育種方式培育了2376個品種，我國建立了完整的輻射育種程序，培育了645個，占全球的四分之一以上。與此同時，創(chuàng)造出兩千多份優(yōu)異突變新種質(zhì)、新材料，其中相當一部分已被作為原始材料用于新品種選育，為確保我國糧食安全提供了可靠保障。輻射誘變良種作物每年為中國增產(chǎn)糧食近4.0x109kg、棉花約1.8x108kg、油量7.5x107kg。今后的發(fā)展趨勢是擴大應用領域，加強定向誘發(fā)突變，提高誘變率和輻射育種基礎理論研究。輻射育種是采用人工創(chuàng)造新的變異類型，具有打破性狀連鎖、實現(xiàn)基因重組、突變頻率高、突變類型多、變異性狀穩(wěn)定快、方法簡便且縮短育種年限等特點。輻射誘變育種在不斷創(chuàng)造新品種的同時，在誘變效應與機理研究上也取得了很大進展，探索輻射作用下遺傳物質(zhì)變異以及有利突變品種培育規(guī)律，從而指導誘變育種的實踐，解決人類面臨的糧食危機和，并提高營養(yǎng)水平。照射材料的選擇是輻射育種的重要環(huán)節(jié)之一。原始材料的遺傳背景對突變性狀的表現(xiàn)和誘變效率有重要作用。早期的輻射誘變一般以種子為處理對象，近幾年來幾乎所有植物器官和繁殖體都有用于誘變的，如休眠種子、萌芽種子、雜合種子、種胚、花粉、多倍體、不定芽、根芽、枝條、球莖、愈傷組織等。而對于常以無性繁殖的花卉來說，因輻射誘變多誘發(fā)植物產(chǎn)生體細胞變異，再經(jīng)無性繁殖將變異遺傳給后代，形成無性繁殖系，故而花卉上輻射誘變應用前景十分廣闊。目前我國在輻射育種的研究與實踐中，以提高誘發(fā)突變頻率和選擇效率為中心，不斷改進輻射育種的方法技術，如誘變因素、誘變對象、誘變條件和篩選方法，取得明顯進展。盡管輻射誘變在選育品種方面取得了一些進展，但有利性狀的突變率還不夠高，突變譜還不夠廣，突變沒有方向性。圍繞拓寬突變譜、提高突變率、定向誘變及縮短育種周期，今后輻射誘變育種的發(fā)展方向，在適應世界種子業(yè)抗性育種（抗病、抗寒、耐低光照、抗熱等）和質(zhì)量育種（包括植物色、植物形態(tài)和氣味、控制植株高度等）的前提下應注意以下幾個方面。選擇適當?shù)恼T變源和開發(fā)新的誘變源。不同誘變源對不同植物育種目標各有適宜，而從X射線到誠寸線的應用，突變率大大提高，誘變源是保證植物育種的有效物質(zhì)基礎。目前的輻射一般都是單獨使用一種誘變源，今后應利用空間搭載技術，進行多種誘變的綜合。誘變材料的選擇，由于農(nóng)作物材料不同組織、器官、不同發(fā)育階段的輻射敏感性差異甚大，合適的材料選擇有益于突變率的提高和突變譜的拓寬。如結(jié)合現(xiàn)代組培技術的發(fā)展，利用組培的愈傷或其他材料作為誘變材料。Broertjes（1976年）及一些學者在菊花、郁金香、美人焦等花卉上的應用已取得了進展。定向誘變是人類育種的美好愿望和目標。以誘變提供的突變體為基礎運用分子標記，篩選與目標基因連鎖的分子標記。構建遺傳圖譜，進行目標基因定位和性狀連鎖分析，開展定向培育新品種；反之控制各種誘變因素，分析已知基因的變化，誘變處理材料使育種目標趨于有利，并提高目標變異性狀在總變異中的相對頻率。組織培養(yǎng)又稱快速繁殖，組培技術與輻射育種的結(jié)合，為顯現(xiàn)體細胞突變開辟了廣闊前景，克服了輻射誘發(fā)突變的隨機性、嵌合性和單細胞突變?nèi)毕?，育種效率高，周期短，組培與誘變結(jié)合的復合育種技術已在我國被提出并加以應用，但此方法缺乏定向性，如能與分子標記相結(jié)合，在育種效率高、周期短、突變率高的基礎上，增加定向性。故本文提出誘變、組培和分子標記相結(jié)合的新復合育種思路，則無論在花卉育種實踐上還是誘變機理研究上將開創(chuàng)新局面。2.2核技術在輻照保藏領域的應用輻照保藏技術具有節(jié)約能源，衛(wèi)生安全，保持食品原來的色、香、味和改善品質(zhì)等特點，應用越來越廣泛，技術也日趨成熟；昆蟲輻射不育技術是現(xiàn)代生物防治蟲害的一項新技術，是目前可以滅絕某一蟲種的有效手段。同位素示蹤技術能夠比較真實地反映某一元素（或化合物）在生物體內(nèi)的代謝過程或農(nóng)業(yè)環(huán)境的物理化學行為，它所具有的優(yōu)點是目前其它方法不能替代的。該技術在農(nóng)業(yè)上的應用，解決了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的土壤、肥料、植物保護、動植物營養(yǎng)代謝等領域的技術關鍵問題。它對揭示農(nóng)牧漁業(yè)生產(chǎn)規(guī)律，改進傳統(tǒng)栽培養(yǎng)殖技術，具有重要作用；最近幾十年來發(fā)展起來的射線檢測技術，其方法簡單，檢測迅速，特別是可以在不破壞待測樣品的狀況下進行連續(xù)監(jiān)測，在農(nóng)業(yè)應用中有著特別重要的意義。輻射保藏是一種“冷加工”，不需要加入添加劑，能保持食品原有的風味，有的還可提高食品的工藝質(zhì)量；輻照食品中沒有藥劑殘留，也不污染環(huán)境，不會感生放射性；其中Y輻射穿透能力強，可對預先包裝好的或烹調(diào)好的食品進行均勻、徹底的處理，操作方便，節(jié)省時間；輻照能徹底殺蟲、滅菌，可作為一種有效的檢疫措施；輻照加工耗能量少，處理過程中多數(shù)不需要冷藏，是一種理想的節(jié)約能源的方法；輻射操作容易控制，適于進行大規(guī)模，連續(xù)加工。低劑量輻射處理與中等程度的加熱處理，對防止食品腐敗是一種有效和經(jīng)濟的手段；使用高劑量輻射消毒和酶失活的熱處理，使肉類、家禽和水產(chǎn)品在不需冷凍的情況下可貯存數(shù)年。實驗證明，經(jīng)輻照處理殘存下來的細菌，同加熱殺菌時一樣，對環(huán)境條件（如溫度、pH值、抑制劑）的抗逆能力大體上要比未經(jīng)過處理的細菌更大一些，因此，將輻射處理和其它手段結(jié)合起來的綜合處理，在提高滅菌能力、減少能耗以及改進食品質(zhì)量等方面具有重要作用。目前，輻射殺蟲儲糧已經(jīng)成功運行了幾十年，處理了上千萬噸的被多種害蟲（如米象、谷蠹）感染的小麥。電子束輻照技術經(jīng)試驗證明是一種成熟的技術、前景廣闊，在俄羅斯、美國和日本等發(fā)達國家均有廣泛應用。根據(jù)世界衛(wèi)生組織、聯(lián)合國糧農(nóng)組織和國際原子能機構等3個組織聯(lián)合于1980年發(fā)表公告證實：任何食品當其總體平均吸收劑量不超過10kGy時沒有毒理學危險，同時在營養(yǎng)學和微生物學上也是安全的。1999年這三個組織再次發(fā)布聯(lián)合公告，證明超過10kGy以上的劑量輻照食品也不存在安全性問題。以電子加速器產(chǎn)生的高能電子束滅菌方法，正在成為發(fā)展趨勢。輻射裝置只要嚴格按照隔離設計及控制要求建設和操作使用，其安全管理不存在任何問題。為了確保滅菌的有效性，世界衛(wèi)生組織制定了統(tǒng)一的標準，只要控制一定的吸收劑量就能徹底殺滅細菌。電子束照射過的物品中不會殘留有任何放射性，因此這種方法不僅成為一次性醫(yī)療用品消毒滅菌的重要手段，也是殺滅炭疽菌以抵制國際恐怖主義的一種可靠有效的選擇。我國也非常重視糧食輻照儲藏的研究，早在20世紀50年代末60年代初直至70年代，糧科院就曾開展了電離輻射處理防治儲糧害蟲以及其對糧食、薯類的食用品質(zhì)和生理生化影響的研究。研究內(nèi)容包括：移動殺蟲輻照裝置、害蟲防治的有效劑量、不同劑量對小麥和稻谷的食用品質(zhì)、生理活性及其他部分品質(zhì)指標的影響、抑制馬鈴薯發(fā)芽的輻照劑量以及輻照對馬鈴薯品質(zhì)影響等。這些研究成果對于輻照在糧食儲藏中的應用奠定了堅實的基礎，但由于種種原因，這些研究成果大都沒有公開發(fā)表，也沒有進一步開發(fā)應用。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和技術的進步，人們越來越認識到保護環(huán)境的重要性。減少環(huán)境污染，留給子孫后代足夠的發(fā)展空間，已經(jīng)成為世界各國的共識。近年來，利用輻照處理的食品品種不斷增加，主要有水產(chǎn)類、肉類、干鮮水果、干鮮蔬菜、香料、熟食品、糧食、飼料以及藥材、各種包裝材料、各種醫(yī)療用品等幾百種，而且均取得了滿意結(jié)果，獲得明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。在儲糧害蟲和微生物的防治方面，以綠色、無公害的輻照技術為主的綜合防治技術代替化學藥劑為主的防治方法，必將成為今后儲糧病蟲害防治的發(fā)展趨勢，具有廣闊的市場前景。2.3核技術在輻射殺蟲領域的應用輻射殺蟲即是利用電離輻射防治蟲害，其輻射效應與劑量大小有關，其生物效應在適當劑量時導致昆蟲生殖細胞染色體易位，受到損害，使當代受輻射的昆蟲部分喪失延續(xù)后代的能力（遺傳不育），并可遺傳到下一代，使下一代比當代更不育，這種劑量稱為半不育劑量。高于這種劑量，使昆蟲當代完全不育，稱為不育劑量。當輻射劑量再提高時，害蟲就不能完成世代交替，而慢慢地死去，達到防治目的，這種劑量稱為緩期致死劑量。當輻照劑量更高時，可在短時間內(nèi)直接殺死害蟲，這稱為致死劑量。輻射防治害蟲，特別是昆蟲輻射不育技術（SIT）是一種“以蟲治蟲”的生物防治方法，對人類的生態(tài)環(huán)境不產(chǎn)生消極影響。它與傳統(tǒng)的生物防治法不同，它不是借助于天敵或抑制物（如細菌微生物、病毒、抗生素等），而是利用害蟲本能具有延續(xù)種族的特性來取得消滅害蟲的效果。利用輻射雄性不育法防治害蟲，在蟲口密度較低時效果顯著，影響輻射不育防治成敗的關鍵是自然種群對其數(shù)量的恢復能力，也就是說，存活下來的能育個體數(shù)量的增長能力，即使幾繁殖率，與昆蟲生理、生態(tài)學、環(huán)境等因素有密切關系，實際繁殖率由下式來計算：R_VPjbf_R— 1-bPk （式中V：從卵到成蟲羽化存活率；P：雌蟲成蟲每日成活的概率；J：雌成蟲羽化到第一次產(chǎn)卵的中間0數(shù)；B：每次產(chǎn)卵的平均卵數(shù)；F：平均卵數(shù)中雌卵的比例；k：第一次產(chǎn)卵和下一次產(chǎn)卵之間的間隔日數(shù)。）輻射防治害蟲技術考慮的因素有：防治對象的選擇、適宜劑量和照射方法、人工飼養(yǎng)、包裝運輸和大田釋放，以及害蟲的種群動態(tài)、遷飛能力與防治效果等。輻射不育殺蟲的特點：Q無環(huán)境污染，有利于生態(tài)平衡。輻射不育是一種生物防治方法，無化學殘毒，對農(nóng)作物與生態(tài)環(huán)境完全沒有影響，并且不危害人畜、野生動物、害蟲天敵和有益昆蟲，是一種十分安全衛(wèi)生的防治方法；Q專一性強，目標明確。只防治一種特定的昆蟲，對其他昆蟲不會傷害。Q防治持久而徹底。輻射不育可在大面積范圍內(nèi)滅絕一種害蟲。如果不再從其他地區(qū)遷入這種害蟲，就可長期保持農(nóng)作物（以及畜、林）免遭侵害；Q特殊效果。對自然隱蔽性強（有鉆蛀習性）的害蟲，或已產(chǎn)生抗藥性的害蟲，或一般防治有困難的害蟲，采用輻射不育可以取得特殊效果。由于輻射不育治蟲技術在原理上要求不育性雄蟲比自然雄蟲具有更大的數(shù)量，可以說是一個數(shù)量的勝負問題。釋放不育性雄蟲與野生正常雄蟲的比例數(shù)愈高，效果愈好。為此應該建立大規(guī)模的養(yǎng)蟲工廠，以低廉的代價獲得大量人工飼養(yǎng)的、合格的、經(jīng)輻射后具有不育性的昆蟲，這是關系到此項技術成敗的首要問題。因此，對那些不能大量飼養(yǎng)或雖能大量飼養(yǎng)但成本昂貴的昆蟲，用此方法是不適宜的。3.對核技術在農(nóng)業(yè)領域應用前景的展望在過去的近半個世紀中所取得的巨大成就，證明了