核与非核联用推动新农药迈入精准安评新时代——记浙江大学原子核农业科学研究所所长、教授叶庆富

胡 鑫

“民以食为天，食以安为先”。随着生活水平的不断提高，人们对食品安全问题越来越敏感，甚至“谈农药色变”。农药、化肥等人工合成物质是现代文明的产物，农药的使用对防治病虫草害和粮食增产起着重要作用，促进了世界农业的持续稳定发展。改革开放40多年以来，正是由于农药对病虫害的有效控制，才使农产品保持高产稳产，确保了我国在有限的耕地面积上生产出可供14亿人口生存所需的农产品。农药对人类的贡献是有目共睹的。但是，农药同时是一把双刃剑，作为有毒化学品，长期大量地使用，在得到效益的同时，也造成了一些负面效应。20世纪60年代初，农药的广泛应用虽然减轻了病虫害造成的损失，使粮食增产，但大量使用农药也导致农产品的污染，因农药残留导致人畜中毒事件时有发生。20世纪70年代初，浙江就发生了轰动全国的有机砷“稻脚青”使用过量导致的人畜中毒事件。

叶庆富利用同位素成像技术分析农药在植物中的残留分布

事实上，每年数以百万吨计的化学农药投入农田，除少量达到作用外，大部分滞留于环境中，迁移、转化和重新分布，产生多种物理和化学性质不同的物质，这些物质尽管含量较微，但其导致的生物效应和生态环境风险不容忽视。因此，研究农药在不同生态环境体系中的残留和代谢规律，是农药科学合理使用的前提。在这一领域中，放射性同位素示踪技术以其独特的技术优势成为国际公认的研究农药环境行为及其残留代谢等的最有效手段之一。有了放射性同位素示踪技术，就可以全面跟踪农药施用、作物吸收与转化、环境污染演变的全过程变化，就像给汽车装上GPS定位仪器才能进行卫星定位跟踪一样，给农药加装核素标记，就可以跟踪农药在农业生态系统中的行为与归趋。我国自20世纪60年代开始，在核农学事业开拓者之一、浙江大学原子核农业科学研究所（以下简称“核农所”）创始人陈子元院士的带领下，利用放射性同位素标记化合物进行有关农药残留方面的研究，通过43个单位、百余名科技人员的协同作战，制定了我国首批69项农药安全使用标准，为全国农药的安全合理使用提供了科学依据。

初识“核农”，打磨“核与非核技术”利剑

1984年，刚刚走出北京农业大学（现中国农业大学）校门的叶庆富，加入了由陈院士领导的浙江大学核农所，开始了他与核技术农业应用的不解之缘。当时的核农所科研设施条件居国内前列，拥有一批进口和国产的放射测量仪器设备。1985年，在世界银行贷款的帮助下，核农所又购置了国内首批高效液相色谱仪（Waters 510和Waters 490）。为了保障当时国内最前沿的精密设备正常运行，参加工作不满一年、擅长与仪器打交道的叶庆富，迎难而上，成为所里负责这些精密仪器维修和维护的不二人选。要知道，在那个年代，科研条件远不如现在，仪器维修并不是简单的更换主板、备件这么轻松，而是需要逐个寻找电路故障，用电烙铁手工更换焊接元器件的。经过多年的攻坚克难，小到定标器，大到液体闪烁测量仪和高效液相色谱仪，都在他手中服服帖帖。就这样，一面跟着老一辈“核农人”学习着高大上的“同位素示踪技术”，一面对照复杂电路图干着电工的“小活”，叶庆富慢慢成长为所里唯一一个又懂得放射性同位素示踪技术，又精通非核分析技术的科技人员，这为他后来的研究打磨好了“核与非核技术”的利剑。

坚守“核农”阵地，传承“示踪薪火”

我国核农学事业的发展并不总是一帆风顺的。核农学领域在“九五”和“十五”的十年间，几乎未得到国家和各级政府的科研经费支持。因此，国内原先从事放射性同位素示踪研究的单位进行了组织机构调整，中国农科院和省市农科院的原子能利用研究所纷纷被撤销或被合并，各单位原有的非密封性放射性实验室也大多被关停。加之国内一大批核技术农业应用领域科学家前辈的退居二线，部分新生代科技人员常有“恐核”心理，使国内继续从事放射性同位素示踪研究的人才严重匮乏。叶庆富的部分同事也调离单位。在此背景下，如何坚守“核农”阵地，传承“示踪薪火”，成为摆在叶庆富面前的严峻考验。

在此期间，适逢国内外转基因研究热潮，在该领域，国家有较充足的科研经费投入。叶庆富带领团队，通过调整研究方向及策略以谋求生存，将放射性同位素示踪技术应用到转基因作物环境安全性研究。在国家自然科学基金等项目的支持下，围绕Bt转基因水稻根系分泌物、cry1Ab基因和hpt基因表达产物等的环境行为与生态效应开展研究，相关研究成果先后发表于Soil Biology &Biochemistry、Journal of Agricultural and Food Chemistry、Environmental Pollution等农业与环境领域顶级刊物。这不仅拓宽了核农学的研究领域，稳定了一支同位素示踪科研队伍，还为示踪事业再创辉煌保存了薪火。

核与非核联用，揭开农药代谢物神秘面纱

叶庆富始终认为，单纯依赖同位素示踪技术并不能“包打天下”。早期老一辈核农学科研人受技术条件所限，仅靠同位素示踪技术只能准确分析农药母体残留量，但无法明确由母体转化生成的各种代谢产物，在农药的动植物代谢和环境代谢研究中存在明显的技术局限性。随着现代非核仪器分析技术的快速发展，叶庆富敏锐地察觉了部分新兴的非核仪器分析技术与放射性同位素示踪技术交叉融合在农药代谢研究中将形成独特的技术优势。他带领课题组将经典的同位素示踪技术与其他非核前沿仪器分析技术有机结合，在国内率先将高效液相色谱、高分辨质谱以及色质联用技术与放射性测量、同位素成像以及放射性生物样品高效转化技术等尝试进行集成，经过多年的努力，终于建立了一套基于核与非核联用技术的代谢研究方法。该技术一方面可针对性的取舍目标物（放射性代谢物）和杂质（非放射性物质），另一方面不易丢失微量代谢物，使代谢物的组成鉴定更为科学可靠；在分子结构鉴定中，可利用放射性特征峰确定目标组分的保留时间，进而有针对性地进行后续分子结构鉴定工作，使代谢物解析由复杂趋于简单。最终形成了一套农药代谢物针对性溯源、组成精准甄别与分子结构鉴定技术体系，该技术体系已接近国际顶尖水平。

在农业部公益性农业行业科研专项、国家高技术研究发展计划（863）项目、国家重点研发计划、国家基金重点项目、国际合作项目、面上项目等课题资助下，叶庆富率领的团队，围绕常用农药（甲磺隆、绿磺隆、莠去津、乙草胺、多菌灵）和我国创制农药（丙酯草醚、唑菌酯、哌虫啶、环氧虫啶、苯醚菌酯、毒氟磷、香草硫缩病醚等）在植物-土壤-水体内迁移转化、吸收运转、代谢降解及其对生态环境与人体健康的影响，农药同位素标记化合物合成与应用及农药“减药增效”相关技术等，开展了一系列研究，创建了基于同位素示踪技术的农药代谢降解、环境归趋、生物风险评估研究平台，形成了一套国内领先的研究方法与技术体系。迄今为止，叶庆富团队已在Environmental Science & Technology、Journal of Hazardous Materials和核农学报等国内外学术期刊上发表论文200余篇，其中，IF＞5的SCI论文50余篇。

对标国际标准，护航农产品质量安全

给研究生讲授核与非核联用技术

当前，我国现有农药生产企业近4000家，农药登记产品3万多个，是世界最大的农药生产、使用和出口国，农药管理与国际接轨的趋势已不可逆转，农药安全评价已然成为十分重要的课题。近十几年来，我国新农药的自主创制明显提速，据不完全统计，我国已获得正式登记的自主创制农药20多个，但市场份额占比极低。因此，要实现我国农药产业的腾飞，关键在于自主新农药的源头创新。需要强调的是，拟登记农药在农作物中的代谢、动物代谢和环境代谢等试验是其进入市场前不可或缺的重要环节，其目的是客观反映新农药的生态健康风险，是判断农药能否最终走向市场的第一要素。

就农药登记代谢试验与安全性评价技术而言，我国当前主流技术与发达国家前沿技术水平之间尚存在显著差距。美国EPA、OECD等发布的有关农药代谢试验导则中均指出：代谢试验需首先考虑核与非核联用技术。所谓核与非核联用技术是指，在经典同位素示踪技术基础上，通过核技术与非核前沿仪器分析技术交叉融合而形成的一种具有溯源追踪、痕量精准特征的现代分析测试技术。该技术在欧美等发达国家已被广泛应用于农药、环境、生物医药和食品等多个产业领域，成为发达国家国际贸易技术壁垒的手段之一。核与非核联用技术不仅可在农药优选设计阶段，用于揭示先导化合物的代谢特征，以引导候选药物分子设计，降低候选药物的淘汰率；在新农药代谢试验阶段，通过放射性标记化合物的引入，可以获得更为详尽的代谢试验数据。

以往，我国对拟登记农药的评估，主要停留在母体化合物层面，而对其在农作物、动物和环境中的代谢评估未做专门要求。随着国民对食品安全、生态健康诉求的日益高涨，农药登记管理政策和技术标准与国际接轨势在必行。2013年，叶庆富以农药代谢领域首席科学家的身份，协助农业部药检所在杭州组织了“国内农药残留代谢试验准则专家研讨会”。该会议首次明确了我国农药安全评判标准与国际接轨以及我国农药登记新政策的落地实施计划，并促进了《NYT3096-2017农作物中农药代谢试验准则》的制定实施，同时也为基于同位素示踪技术的环境归趋试验和动物代谢试验奠定了技术基础。

随着《农药登记资料要求》（农业部公告第2569号）的颁布实施，新的登记资料明确要求，农药登记环境归趋试验、动植物代谢试验都指定采用核与非核联用技术，这意味着核与非核联用技术将在我国经济社会发展中做出新的更大的贡献。叶庆富信心满满地说：“核与非核联用技术相关的科学研究与人才培养越来越得到关注，核农学事业将会迎来新的发展机遇。”