Матеріали до навчального проекту з хімії 11 клас

Навчальний проект 3 « Використання радіоактивних ізотопів як індикаторів у тваринництві, археології»

Метод ізотопних індикаторів у дослідженнях в галузі сільськогосподарської біології. Радіоавтографія. Особливості використання стабільних ізотопів

Міченими атомами називають ізотопи, котрі, відрізняючись по масі від атому елемента, можуть використовуватись як мітка (індикатор) при вивченні найрізноманітніших процесів розподілу, переміщення і перетворення речовин у складних системах, в тому числі і в живих

організмах.

Угорський хімік Д. Хевеші та німецький хімік Ф. Панет запропонували цей метод в 1913 р., вперше застосувавши його в біологічних експериментах.

Використання методу ізотопних індикаторів не обмежується інтересами радіобіології і біології в цілому. Він використовується також у медицині і медичній промисловості, хімії і хімічній промисловості, геології, фізиці, металургії, матеріалознавстві, археології. Широкого застосування метод набув у сільському господарстві для оцінки фізичних властивостей ґрунту і запасів в ньому елементів живлення, для вивчення взаємодії ґрунту та добрив, процесів засвоєння рослинами елементів живлення з ґрунту і добрив, позакореневого надходження в рослини елементів, для виявлення дії на рослинний організм пестицидів, вивчення особливостей обміну речовин сільськогосподарських рослин.

У тваринництві за допомогою цього методу вивчають фізіологічні процеси, що протікають в організмі тварин, проводять аналіз корму на вміст токсичних речовин, малі кількості яких важко визначити за допомогою інших методів, використовують його для вивчення міграції комах-шкідників сільськогосподарських рослин і переносників хвороб сільськогосподарських тварин, поведінки бджіл, оцінки рибних запасів місцевих водоймищ, а також в багатьох інших сферах сільськогосподарського виробництва. Чутливість методу ізотопних індикаторів з використанням стабільних ізотопів значно нижча від чутливості методу з використанням радіоактивних ізотопів.

            В агрохімічних та фізіологічних дослідженнях найчастіше використовують такі ізотопи: стабільні - 2Н, 13С, 15N, 18О та радіоактивні - 3Н (β-, 12,26 року), 14С (β-, 5730 років), 22Na (γ-, 2,64 року), 32Р (β-, 14,3 доби), 35S (β-, 87 діб), 42К (β-, γ-, 12,5 год.), 45Са (β-, 152 доби), 59Fe (β-, γ-, 45,1 доби),  60Со (β-, γ-, 5,27 року), 65Zn (γ-, 250 діб), 86Rb (β-, γ-, 19,5 доби).

Мічені сполуки і добрива. Метод ізотопних індикаторів дозволяє простежити долю конкретного елемента, що внесений з добривом або утилізований в ґрунті до його внесення. Він дозволяє кількісно прослідкувати за надходженням, транспортом та засвоєнням певного елемента, оцінити швидкість йогo пересування по рослині, нагромадження в окремих органах з точністю, яка на 5-10 порядків перевищує точність хімічних аналізів.

Існують радіоактивні ізотопи всіх без винятку елементів живлення. Однак з ізотопів-макроелементів вище означені переваги мають лише 32Р, 35S, 45Ca, а з ізотопів-мікроелементів - 59Fe, 60Co, 65Zn та деякі інші. Що стосується інших елементів, то невеликий період піврозпаду робить практично неможливим їх використання в довготривалому експерименті по вивченню, наприклад, транспорту елемента, його включення в метаболізм з точним кількісним підрахунком. Так, період піврозпаду найбільш довгоживучого радіоактивного ізотопу азоту 13N складає лише 10 хвилин. Радіоактивний ізотоп калію 40К має великий період піврозпаду - більше мільярда років, але дуже низьку радіоактивність і не може використовуватись для точних оцінок. Його штучний аналог ізотоп 42К має достатню радіоактивність, але короткий період піврозпаду - 12,4 години. Короткий період піврозпаду у радіоактивного ізотопу міді - 64Cu – 12,8 години, молібдену 99Мо - 67 годин, деяких інших мікроелементів. Ці ізотопи звичайно використовують лише у спеціальних короткочасних експериментах, наприклад, для вивчення окремих етапів їх надходження в рослини, швидкості всмоктування через корені, локалізації в листі при позакореневому внесенні та подібних.

Особливості застосування радіоактивних ізотопів у вегетаційних та польових дослідженнях.Для вивчення надходження та транспорту окремих елементів в рослину використовують звичайну техніку постановки вегетаційних дослідів. При цьому слід дотримуватись запобіжних заходів проти поширення радіоактивного забруднення.

Особливості поглинання елементів живлення рослинам з добрив за допомогою методу ізотопних індикаторів можуть бути добре вивчені в польових умовах. В цьому випадку важливим завданням є внесення в грунт мічених добрив. В дослідах з однорічними рослинами мічене добриво, як і звичайне, може вноситись перед посівом при ретельному перемішуванні його з ґрунтом. В експериментах з багаторічними рослинами або внесенні мічених добрив під вегетуючу однорічну рослину, наприклад, в період формування продуктивних органів, використовують два способи внесення - поверхневий та глибинний.

Досліди в польових умовах бажано проводити з коротко- та середньоживучими ізотопами, наприклад, застосовувати 89Sr замість 90Sr, 134Сs замість 137Сs.

Радіоавтографія. Надзвичайно важливою перевагою радіоактивних ізотопів є їх властивість залишати слід на фотоматеріалах. Ця їх здатність широко використовується для вивчення локалізації мічених сполук в окремих органах за допомогою методу радіоавтографії.

Радіоавтографія, або авторадіографія, - це спосіб вивчення розподілу радіоактивних речовин в досліджуваному об'єкті шляхом накладання на нього чутливих до іонізуючих випромінень фотоматеріалів. Саме за допомогою радіоавтографії А. Беккерель відкрив явище радіоактивності.

Радіоавтограф, або авторадіограма, - це фотографічне зображення розподілу радіоактивних речовин в досліджуваному об'єкті, яке одержане за допомогою методу радіоавтографії.

До головних переваг методу радіоавтографії слід віднести такі:

можливість одержання просторової картини розподілу радіоактивної речовини в досліджуваному зразку; високу чутливість методу, що дає можливість виявити в зразку такі малі кількості радіоактивних речовин, які не можуть бути виявлені за допомогою лічильників радіоактивності; можливість кількісної оцінки нагромадження речовини в різних ділянках досліджуваного об'єкту; можливість оцінки радіоактивності і її кількісного визначення в дуже малих кількостях; одержання об'єктивного документа, що фіксує всі результати досліду - радіоавтографа.

Виділяють дві основні різновидності радіоавтографії - макрорадіоавтографію і мікрорадіоавтографію. В основі обох лежить принцип контактної радіоавтографії, при якому об’єкт дослідження безпосередньо контактує з фотоматеріалом.

Макрорадіоавтографія має справу з великими об’єктами - цілими рослинами, окремими органами - листками, квітками, зрізами плодів та іншими. При цьому фотоплівка або фотопластинка прикладається до рівної поверхні зразка і притискується пресом. Після експонування і проявлення радіоавтограф аналізується в прохідному світлі шляхом порівняння ступеня почорніння фотоматеріалу.