10.3. МЕТОД ІЗОТОПНИХ ІНДИКАТОРІВ У ДОСЛІДЖЕННЯХ В ГАЛУЗІ БІОЛОГІЇ ТА ЕКОЛОГІЇ

Одним з головних завдані, не тільки агрохімії, але й агрономії в цілому є розробка раціональних заходів використання сільськогос­подарськими рослинами елементів живлення. В зв'язку з цим виникає необхідність застосування прямих методів у вивченні використання рослинами внесених в грунт добрив. Це може бути здійснене тільки за допомогою мічених добрив.

Методи хімічного аналізу можуть дати лише загальні відомості про кількість елементів живлення в рослині або ґрунті. Метод ізотопних індикаторів дозволяє простежити долю конкретного елемента, що внесений з добривом або утилізований в ґрунті до його внесення. Він дозволяє кількісно просліджувати 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. Саме тому в наш час метод ізотопних індикаторів набуває значення одного з ос­новних методів агрофізіологічних досліджень.

При проведенні агрохімічних досліджень або робіт в області фізіології мінерального живлення рослин з використанням методу ізо­топних індикаторів необхідно мати мічені добрива. Основними вимогами до якості міченого добрива, як і до будь-якої міченої сполуки, є такі: ізотоп-індикатор повинен перебувати у такій же хімічній фо­рмі, що і елемент живлення в складі добрива; він пови­нен бути рівномірно розподілений по всій масі добрива; кількість його повинна бути достатньою для визна­чення відповідними вимірювальними приладами, але не викликати будь-яких суттєвих відхилень у перебігу біологічних процесів.

У якості індикаторів в добривах використовують і стабілі­ні і радіоактивні ізотопи. Головною перевагою стабільних ізотопів є відсут­ність  іонізуючих випромінювань. Однак, лише невелика кількість елементів мають придатні для агрофізіологічних досліджень стабільні ізотопи. Мала їх доступність, порівняно складна техніка виявлен­ня і відносно низька чутливість складають головні недоліки методик з використанням стабільних ізотопів.

В цьому відношенні радіоактивні ізотопи мають такі незаперечні переваги: можливість їх отримання практично для всіх елементів періодичної си­стеми, надзвичайно висока чутливість і точність визначення, відно­сна доступність вимірювальних приладів. Саме тому більшість дослід­жень із застосуванням методу ізотопних індикаторів проводиться са­ме з радіоактивними ізотопами.

Існують радіоактивні ізотопи і 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.

Тому для отримання мічених азотних добрив застосовують стабільний ізотоп азоту ¹⁵N. Для вивчення транспорту та утилізації калію взагалі немає придатного стабільного або радіоактивного ізо­топу і замість нього використовують штучний радіоактивний ізотоп рубідію ⁸⁶Rb з періодом піврозпаду 19,5 діб - елемента, який звичайно зустрічається в природі як ізоморфна домішка в калії і вважається його близьким хімічним аналогом. Специфічна дія рубідію на рос­лини, як, між іншим, і на інші організми, на відміну від його аналогу натрію, невідома.

Існує два основних способи одержання мічених добрив. Перший з них передбачає введення мітки в добриво в процесі йогo отриман­ня по заводській технології, Наприклад, розчин, що містить радіо­активний фосфат кальцію Са₃(³²РО₄)₂, нерадіоакти­вна сіль якого складає основу природних фосфатів (фосфориту і апа­титу) або апатитового концентрату, додають до сірчаної кислоти, якою вони обробляються при отриманні звичайного простого суперфосфату, або до фосфорної кислоти - при отриманні подвійного суперфосфату.

Аналогічним шляхом можуть бути одержані мічені азотні і ка­лійні добрива, коли в процесі виготовлення в залежності від хімічної основи добрива до них додають мічені солі (¹⁵NН₄)₂SO₄, ¹⁵NH₄Cl, ¹⁵NH₄NO₃ або її різновиди за місцем мітки: NH₄¹⁵NO₃, ¹⁵NH₄¹⁵NO₃, ⁸⁶RbCl, ⁸⁶Rb₂SО₄. Цей спосіб отримання мічених добрив найбільш досконалий, так як включення ізотопу в технологічний процес виробництва добрив дозволяє досягти рівномірного розподілу мітки по всій його масі. Але цілком очевидно, що цей спосіб досить дорогий, так як потре­бує створення в заводських умовах спеціальної технологічної лінії або її відтворення в конкретних експериментальних умовах.

Другий спосіб більш простий і тому частіше використовується в дослідницьких цілях. Він полягає в простому змішуванні розчину радіоактивної солі з водяною суспензією готового добрива в лабора­торних умовах. Після цього суспензія висушується до вихідної воло­гості добрива. Цей спосіб є менш досконалим, але цілком придатним за умов, що досягається рівномірний розподіл мітки по всій масі добрива. У випадках, коли добриво, представлене простою сіллю (на­приклад, аміачна селітра, хлористий калій) і змішується з такою ж сіллю, можна отримати мічене добриво, що не поступається за якістю виготовленому за першим способом.

Ще простіше готуються мічені рідкі поживні розчини і середовища для водяних та піщаних культур. В цьому випадку, у відповідно­сті до складу поживної суміші, частина солі, яка повинна нести конкретну мітку, замінюється препаратом, що містить ізотоп.

Важливим моментом при приготуванні добрив або поживного роз­чину, мічених радіоактивним ізотопом, є вибір індикаторної дози ізотопу. З одного боку, вона повинна бути достатньо високою, щоб забезпечити точність в оцінці участі в метаболізмі рослини досліджуваного елемента. Але з другого, - не настільки високою, щоб спричинити радіаційну дію. При цьому слід враховувати, що не тільки інгібуюча дія ізотопу, але й стимулююча може викривити картину надходження і перетворення елемента. Не­обхідно також виключити можливий вилив випромінювання на експериментатора та радіоактивне забруднення навколишнього середовища у випадку проведення експерименту в польових умовах або в умовах вегетаційного будиночка.

Тому вибір індикаторної дози є важливим, хоча і складним завданням. При його вирішенні необхідно враховувати цілі і завдання експерименту, спе­цифіку ізотопу та сполуки, до складу якої він входить, радіочут­ливість виду рослини, можливості вимірювальних приладів, умови проведення експерименту та інше. В дослідах з рослинами приблизний інтервал індикаторних доз, як правило, знаходиться в діапазоні 10³-10⁴ Бк/л(кг) поживного розчину, середовища або ґрунту. Індикаторні дози для досліджень з ссавцями з урахуванням їх, як правило, більш високої радіочутливості, приблизно на порядок нижчі.

При проведенні короткочасних дослідів, тривалість яких вимірюється годинами-днями, верхня межа індикаторних доз з метою збі­льшення чутливості методу може бути зміщена у бік більш високих концентрацій. Навпаки, у довготривалих експериментах, що продов­жуються місяцями, наприклад, при внесенні мічених добрив в грунт, - в бік більш низьких концентрацій.

Оцінити індикаторну дозу розрахунковим шляхом – досить складне завдання, яке до того ж вирішується дуже орієнтовно. Тому в кожному конкретному випадку бажано ставити попередні контрольні досліди, які можуть допомогти визначити необхідну кількість радіоактивного ізотопу, що забезпечить оптимальні умови проведення експерименту як з точки зору одержання достовірних даних, так і радіаційної безпеки експериментатора.