核與非核聯用推動新農藥邁入精準安評新時代
——記浙江大學原子核農業科學研究所所長、教授葉慶富

胡 鑫

“民以食為天，食以安為先”。隨著生活水平的不斷提高，人們對食品安全問題越來越敏感，甚至“談農藥色變”。農藥、化肥等人工合成物質是現代文明的產物，農藥的使用對防治病蟲草害和糧食增產起著重要作用，促進了世界農業的持續穩定發展。改革開放40多年以來，正是由于農藥對病蟲害的有效控制，才使農產品保持高產穩產，確保了我國在有限的耕地面積上生產出可供14億人口生存所需的農產品。農藥對人類的貢獻是有目共睹的。但是，農藥同時是一把雙刃劍，作為有毒化學品，長期大量地使用，在得到效益的同時，也造成了一些負面效應。20世紀60年代初，農藥的廣泛應用雖然減輕了病蟲害造成的損失，使糧食增產，但大量使用農藥也導致農產品的污染，因農藥殘留導致人畜中毒事件時有發生。20世紀70年代初，浙江就發生了轟動全國的有機砷“稻腳青”使用過量導致的人畜中毒事件。

葉慶富利用同位素成像技術分析農藥在植物中的殘留分布

事實上，每年數以百萬噸計的化學農藥投入農田，除少量達到作用外，大部分滯留于環境中，遷移、轉化和重新分布，產生多種物理和化學性質不同的物質，這些物質盡管含量較微，但其導致的生物效應和生態環境風險不容忽視。因此，研究農藥在不同生態環境體系中的殘留和代謝規律，是農藥科學合理使用的前提。在這一領域中，放射性同位素示蹤技術以其獨特的技術優勢成為國際公認的研究農藥環境行為及其殘留代謝等的最有效手段之一。有了放射性同位素示蹤技術，就可以全面跟蹤農藥施用、作物吸收與轉化、環境污染演變的全過程變化，就像給汽車裝上GPS定位儀器才能進行衛星定位跟蹤一樣，給農藥加裝核素標記，就可以跟蹤農藥在農業生態系統中的行為與歸趨。我國自20世紀60年代開始，在核農學事業開拓者之一、浙江大學原子核農業科學研究所（以下簡稱“核農所”）創始人陳子元院士的帶領下，利用放射性同位素標記化合物進行有關農藥殘留方面的研究，通過43個單位、百余名科技人員的協同作戰，制定了我國首批69項農藥安全使用標準，為全國農藥的安全合理使用提供了科學依據。

初識“核農”，打磨“核與非核技術”利劍

1984年，剛剛走出北京農業大學（現中國農業大學）校門的葉慶富，加入了由陳院士領導的浙江大學核農所，開始了他與核技術農業應用的不解之緣。當時的核農所科研設施條件居國內前列，擁有一批進口和國產的放射測量儀器設備。1985年，在世界銀行貸款的幫助下，核農所又購置了國內首批高效液相色譜儀（Waters 510和Waters 490）。為了保障當時國內最前沿的精密設備正常運行，參加工作不滿一年、擅長與儀器打交道的葉慶富，迎難而上，成為所里負責這些精密儀器維修和維護的不二人選。要知道，在那個年代，科研條件遠不如現在，儀器維修并不是簡單的更換主板、備件這么輕松，而是需要逐個尋找電路故障，用電烙鐵手工更換焊接元器件的。經過多年的攻堅克難，小到定標器，大到液體閃爍測量儀和高效液相色譜儀，都在他手中服服帖帖。就這樣，一面跟著老一輩“核農人”學習著高大上的“同位素示蹤技術”，一面對照復雜電路圖干著電工的“小活”，葉慶富慢慢成長為所里唯一一個又懂得放射性同位素示蹤技術，又精通非核分析技術的科技人員，這為他后來的研究打磨好了“核與非核技術”的利劍。

堅守“核農”陣地，傳承“示蹤薪火”

我國核農學事業的發展并不總是一帆風順的。核農學領域在“九五”和“十五”的十年間，幾乎未得到國家和各級政府的科研經費支持。因此，國內原先從事放射性同位素示蹤研究的單位進行了組織機構調整，中國農科院和省市農科院的原子能利用研究所紛紛被撤銷或被合并，各單位原有的非密封性放射性實驗室也大多被關停。加之國內一大批核技術農業應用領域科學家前輩的退居二線，部分新生代科技人員常有“恐核”心理，使國內繼續從事放射性同位素示蹤研究的人才嚴重匱乏。葉慶富的部分同事也調離單位。在此背景下，如何堅守“核農”陣地，傳承“示蹤薪火”，成為擺在葉慶富面前的嚴峻考驗。

在此期間，適逢國內外轉基因研究熱潮，在該領域，國家有較充足的科研經費投入。葉慶富帶領團隊，通過調整研究方向及策略以謀求生存，將放射性同位素示蹤技術應用到轉基因作物環境安全性研究。在國家自然科學基金等項目的支持下，圍繞Bt轉基因水稻根系分泌物、cry1Ab基因和hpt基因表達產物等的環境行為與生態效應開展研究，相關研究成果先后發表于Soil Biology &Biochemistry、Journal of Agricultural and Food Chemistry、Environmental Pollution等農業與環境領域頂級刊物。這不僅拓寬了核農學的研究領域，穩定了一支同位素示蹤科研隊伍，還為示蹤事業再創輝煌保存了薪火。

核與非核聯用，揭開農藥代謝物神秘面紗

葉慶富始終認為，單純依賴同位素示蹤技術并不能“包打天下”。早期老一輩核農學科研人受技術條件所限，僅靠同位素示蹤技術只能準確分析農藥母體殘留量，但無法明確由母體轉化生成的各種代謝產物，在農藥的動植物代謝和環境代謝研究中存在明顯的技術局限性。隨著現代非核儀器分析技術的快速發展，葉慶富敏銳地察覺了部分新興的非核儀器分析技術與放射性同位素示蹤技術交叉融合在農藥代謝研究中將形成獨特的技術優勢。他帶領課題組將經典的同位素示蹤技術與其他非核前沿儀器分析技術有機結合，在國內率先將高效液相色譜、高分辨質譜以及色質聯用技術與放射性測量、同位素成像以及放射性生物樣品高效轉化技術等嘗試進行集成，經過多年的努力，終于建立了一套基于核與非核聯用技術的代謝研究方法。該技術一方面可針對性的取舍目標物（放射性代謝物）和雜質（非放射性物質），另一方面不易丟失微量代謝物，使代謝物的組成鑒定更為科學可靠；在分子結構鑒定中，可利用放射性特征峰確定目標組分的保留時間，進而有針對性地進行后續分子結構鑒定工作，使代謝物解析由復雜趨于簡單。最終形成了一套農藥代謝物針對性溯源、組成精準甄別與分子結構鑒定技術體系，該技術體系已接近國際頂尖水平。

在農業部公益性農業行業科研專項、國家高技術研究發展計劃（863）項目、國家重點研發計劃、國家基金重點項目、國際合作項目、面上項目等課題資助下，葉慶富率領的團隊，圍繞常用農藥（甲磺隆、綠磺隆、莠去津、乙草胺、多菌靈）和我國創制農藥（丙酯草醚、唑菌酯、哌蟲啶、環氧蟲啶、苯醚菌酯、毒氟磷、香草硫縮病醚等）在植物-土壤-水體內遷移轉化、吸收運轉、代謝降解及其對生態環境與人體健康的影響，農藥同位素標記化合物合成與應用及農藥“減藥增效”相關技術等，開展了一系列研究，創建了基于同位素示蹤技術的農藥代謝降解、環境歸趨、生物風險評估研究平臺，形成了一套國內領先的研究方法與技術體系。迄今為止，葉慶富團隊已在Environmental Science & Technology、Journal of Hazardous Materials和核農學報等國內外學術期刊上發表論文200余篇，其中，IF＞5的SCI論文50余篇。

對標國際標準，護航農產品質量安全

給研究生講授核與非核聯用技術

當前，我國現有農藥生產企業近4000家，農藥登記產品3萬多個，是世界最大的農藥生產、使用和出口國，農藥管理與國際接軌的趨勢已不可逆轉，農藥安全評價已然成為十分重要的課題。近十幾年來，我國新農藥的自主創制明顯提速，據不完全統計，我國已獲得正式登記的自主創制農藥20多個，但市場份額占比極低。因此，要實現我國農藥產業的騰飛，關鍵在于自主新農藥的源頭創新。需要強調的是，擬登記農藥在農作物中的代謝、動物代謝和環境代謝等試驗是其進入市場前不可或缺的重要環節，其目的是客觀反映新農藥的生態健康風險，是判斷農藥能否最終走向市場的第一要素。

就農藥登記代謝試驗與安全性評價技術而言，我國當前主流技術與發達國家前沿技術水平之間尚存在顯著差距。美國EPA、OECD等發布的有關農藥代謝試驗導則中均指出：代謝試驗需首先考慮核與非核聯用技術。所謂核與非核聯用技術是指，在經典同位素示蹤技術基礎上，通過核技術與非核前沿儀器分析技術交叉融合而形成的一種具有溯源追蹤、痕量精準特征的現代分析測試技術。該技術在歐美等發達國家已被廣泛應用于農藥、環境、生物醫藥和食品等多個產業領域，成為發達國家國際貿易技術壁壘的手段之一。核與非核聯用技術不僅可在農藥優選設計階段，用于揭示先導化合物的代謝特征，以引導候選藥物分子設計，降低候選藥物的淘汰率；在新農藥代謝試驗階段，通過放射性標記化合物的引入，可以獲得更為詳盡的代謝試驗數據。

以往，我國對擬登記農藥的評估，主要停留在母體化合物層面，而對其在農作物、動物和環境中的代謝評估未做專門要求。隨著國民對食品安全、生態健康訴求的日益高漲，農藥登記管理政策和技術標準與國際接軌勢在必行。2013年，葉慶富以農藥代謝領域首席科學家的身份，協助農業部藥檢所在杭州組織了“國內農藥殘留代謝試驗準則專家研討會”。該會議首次明確了我國農藥安全評判標準與國際接軌以及我國農藥登記新政策的落地實施計劃，并促進了《NYT3096-2017農作物中農藥代謝試驗準則》的制定實施，同時也為基于同位素示蹤技術的環境歸趨試驗和動物代謝試驗奠定了技術基礎。

隨著《農藥登記資料要求》（農業部公告第2569號）的頒布實施，新的登記資料明確要求，農藥登記環境歸趨試驗、動植物代謝試驗都指定采用核與非核聯用技術，這意味著核與非核聯用技術將在我國經濟社會發展中做出新的更大的貢獻。葉慶富信心滿滿地說：“核與非核聯用技術相關的科學研究與人才培養越來越得到關注，核農學事業將會迎來新的發展機遇。”