Метод меченых атомов получил широкое распространение почти во всех отраслях науки. Меченые атомы содержат изотопы, которые по своим свойствам отличаются от других изотопов данного элемента. Как известно, по химическим свойствам изотопы одного и того же элемента не отличаются друг от друга, но зато радиоактивный изотоп сигнализирует о своем местонахождении радиоактивным излучением. Это позволяет проследить за определенным химическим веществом, установить последовательность этапов его химических превращений, продолжительность их во времени, зависимость от условий и т. д. Их добавляют к химическому соединению или смеси, где находится исследуемый элемент; поведение меченых атомов характеризует поведение элемента в исследуемом процессе. В качестве меченых атомов используют как стабильные изотопы, так и радиоактивные изотопы. Для регистрации радиоактивных меченых атомов применяют счетчики, ионизационные камеры; нерадиоактивные изотопы регистрируют с помощью масс-спектрографов.
Важное место занимают радиоактивные изотопы в биологических исследованиях и особенно в агрономической и биологической химии. Преимущества этого метода в исследованиях различных проблем использования удобрений прежде всего связаны с возможностью непосредственного качественного определения элементов питания, усвоенных растениями из удобрений и почвы.
Радиоактивный изотоп фосфора (Р32) был первым искусственным радиоизотопом, использованным в агрохимических опытах. Работы с радиоактивным фосфором и до последнего времени занимают одно из ведущих мест в агрохимических исследованиях с применением метода меченых атомов. Это объясняется не только тем, что получение значительных количеств Р32 при ядерных реакциях технически осуществляется значительно легче чем для изотопов других элементов, и что радиоактивный фосфор имеет весьма удобный для проведения достаточно длительных экспериментов период полураспада (14,3 дня), но и большим стремлением к разрешению важных практических вопросов фосфатного питания растений и применения фосфорных удобрений.
Использование меченых фосфорных удобрений привело к пересмотру ряда основных представлений о фосфатном питании растений. В частности, ранее считалось, что фосфаты почвы одинаково используются растениями при внесении удобрений и без них. В экспериментах с радиоактивным фосфором было выяснено, что в зависимости от условий опыта при применении фосфорных удобрений поступление фосфора в растения из почвенных фосфатов в одних случаях уменьшается, в других — усиливается.
С помощью радиоактивного изотопа фосфора уточнен коэффициент использования фосфора удобрений. Прежние представления о сравнительно низком коэффициенте использования растениями фосфатов удобрений оказались неверными.
Использование меченых фосфатов позволило существенно изменить и дополнить методику сравнительного испытания различных форм фосфорных удобрений. В этих целях предложено проводить опыты по методу избирательного поглощения фосфатов (А. В. Соколов).
Этот метод заключается в том, что дозу вносимых в вегетационный сосуд удобрений делят на две части, первую из которых дают в виде одной формы фосфорных удобрений, меченных Р32, а вторую — в виде другой, немеченой формы. Таким образом, одному и тому же растению как бы предоставляется право выбора желательной для него формы фосфорной кислоты. В том случае, если одна из двух форм фосфатов менее, а другая более подвижна, последняя в большей мере переходит в раствор и может быть в большей степени усвоена корнями растений.
В схему опыта включают вариант с внесением полной дозы фосфора в виде меченого удобрения, на основании данных этого варианта устанавливают удельную активность фосфатов в растениях. Если в опыте меченой формой является стандартное удобрение, то с ним можно сравнить ряд других форм фосфатов, находящихся в немеченой форме.
Указанная методика применима в песчаных культурах. При изучении разных форм фосфатов в условиях почвенных культур желательна постановка двойного опыта, когда в одном варианте дают меченую стандартную форму и немеченую изучаемую, а в другом варианте — немеченую стандартную и меченую изучаемую.
Если удельная активность фосфора растений при внесении двух форм фосфатов равна половине удельной активности фосфора варианта с полной дозой меченой фосфата, то в этих условиях поступление Р2О5 из обоих фосфатов (стандартного и изучаемого) идет одинаково. Если же удельная активность фосфора растения при совместном внесении двух форм фосфатов будет меньше половины удельной активности фосфора в варианте опыта с полной дозой меченого фосфата, то более интенсивное поглощение фосфора происходило из немеченой формы фосфата. При величине удельной активности фосфора растений более половины таковой в варианте с полной дозой меченого фосфата растения лучше усваивают фосфор меченой формы удобрения.
Метод меченых атомов может быть также использован для оценки усвояемости фосфатов почвы. Для этого в почву вносят небольшое количество фосфора, обладающего большой удельной активностью. После тщательного перемешивания почвы и меченого фосфата происходит взаимодействие между растворимыми фосфатами фосфорнокислой соли и легкоподвижными (усвояемыми) фосфатами почвы. Предполагается, что при установлении через небольшой промежуток времени постоянного соотношения между радиоактивным и нерадиоактивным фосфором поступление этих изотопов в растения будет пропорционально их содержанию в почве.
На основе этих допущений А. В. Соколов предложил формулу расчета количества усвояемых фосфатов в почве:
где Рзапас — количество усвояемых фосфатов в почве;
Ррастение — общее количество фосфора, усвоенного растением;
К — процент использования растениями внесенного в почву радиоактивного фосфора.
С помощью радиоактивного фосфора было достигнуто дальнейшее усовершенствование изотопной методики в ее приложении к сравнительной оценке разных сроков и способов внесения удобрений. Показано, что путем небольшого усложнения схемы опыта можно подразделить фосфор, содержащийся в растениях в ту или иную фазу развития, на три фракции: фосфор, усвоенный из удобрения, внесенного в рядки или в подкормку; фосфор, усвоенный из основного удобрения, и фосфор, усвоенный из почвы.
Применение радиоизотопного метода в значительной степени упростило наблюдения за темпами поступления в растения питательных веществ из удобрений. При этом было выяснено, что соотношение между фосфатами почвы и удобрений, усвоенными растениями в течение вегетационного периода, значительно изменяется. Оно неодинаково для различных сельскохозяйственных культур и зависит от формы удобрений, доз, сроков и способов их внесения. Например, в одном из опытов с пшеницей, где в качестве источника фосфора был использован меченный Р32 моноаммонийфосфат, в двухнедельном возрасте растения усвоили из почвы пятую часть от общего фосфора; еще через две недели доля фосфора почвы увеличилась до 37 %, а в возрасте шести недель уже две третьих общего содержания фосфора в растениях было представлено фосфатами, усвоенными из почвы. На примере этого опыта можно также проследить роль фосфорных удобрений в первый период жизни растений.
Изотопный метод помог установить, как влияет размер гранул фосфорных удобрений и частота их расположения в почве на ход усвоения фосфора растениями. Оказалось, что растения в начале вегетации очень чувствительны к частоте расположения гранул и большее количество фосфора усваивается из гранул меньшего размера. В последующие периоды вегетации более активное поступление фосфатов наблюдалось из гранул более крупного диаметра (до 4 мм), что объясняется меньшим связыванием почвой фосфора более крупных гранул.
В опытах, где изучали влияние способов внесения меченого суперфосфата на усвоение растениями фосфора, было показано, что лучшее усвоение фосфатов наблюдалось при глубокой заделке удобрения, оно особенно усиливалось в более поздние периоды вегетации, когда растения образовывали мощную корневую систему, проникающую в глубь почвы. При совместном внесении суперфосфата и извести было установлено, что усвоение фосфора зависит от кислотности почвы и содержания подвижного алюминия. На окультуренных почвах со слабо выраженной кислотностью при совместном внесении извести и меченого суперфосфата поступление фосфора в растения было меньшим, чем в варианте без известкования, в то время как на сильнокислых почвах с высоким содержанием подвижного алюминия известкование стимулировало усвоение растениями фосфора удобрения.
Весьма плодотворным оказалось использование метода меченых атомов при изучении некорневого питания растений фосфором через листья. С помощью Р32 удалось проследить за процессами поступления фосфора в ткани листа, скоростью вовлечения его в реакции биохимического обмена в растении и передвижения из листьев в другие органы растения.
Использование радиоактивного изотопа фосфора в почвенно — агрохимических исследованиях позволило подойти к более ясному пониманию процессов адсорбционного и химического связывания фосфатов в разных типах почв.
В многочисленных опытах с применением изотопа Р32 установлена высокая скорость передвижения фосфатов из внешней среды в растение и внутри его. Уже через несколько минут после помещения проростков в питательный раствор, содержащий Р32, радиоактивный фосфор обнаруживали в верхних листьях растений. Очень небольшое время было необходимо и для поступления фосфора в надземные части растений при контакте корневой системы с меченым суперфосфатом в почве.
С помощью радиоизотопа фосфора была показана неравномерность распределения фосфора между различными тканями и органами растений. Наибольшее количество фосфора поступало в условиях опытов в активно растущие клетки меристематической ткани корней и листьев. Содержание Р32 в этих новообразованиях было в сотни и даже тысячи раз большим, чем в тех местах, Где деление клеток уже прекратилось.
Во время вегетации наиболее обильно снабжаются фосфором молодые листья растений. При недостатке фосфатов для питания растений наблюдается активное перераспределение фосфатов внутри растительного организма, перемещение фосфора из старых по возрасту листьев к молодым, а в период созревания — к репродуктивным органам.
Ученые внесли большой вклад в изучение действия фосфорных удобрений с помощью метода меченых атомов. Несомненно, что и в дальнейшем использование изотопов поможет решить многие теоретические и практические проблемы современной агрономической химии.
Литература:
- Клечковский В. М. Изотопы в современной агрохимии. М., 1957 г.
- Соколов А. В., Сердобольский И. П. Применение изотопа фосфора в агрохимических исследованиях. М., 1954 г.
- Kemal T. Saracoglu, Ahmet H. Acar, Tamer Kuzucuoglu, Sezer Yakupoglu White phosphorus burn (англ.) // The Lancet. — 2010. — Vol. 376, no. 9734. — P. 68.
- www.wikipedia.org
- www.ngpedia.ru/id055114p1.html
