农业现代化中科学仪器的需求

农业现代化中科学仪器的需求、现状和发展前景蒋士强杨云霞摘要：综述了在实施优质、高效、高产现代化中，科学仪器的作用和前景。着重论述了科学仪器是农业生物技术发展的支撑。分析了农产品安全检测、动物疫病防治控制、发展规模化技术密集型精细农业、节水农业和生态农业及植物保护中，必备的科学仪器和测控技术。关键词：农业科技；科学仪器；食品安全检测；品质分析；农业生物技术；动物疫病防治中图分类号：0引言广义农业与其他领域一样，科学仪器作为信息技术的源头，必将成为农业科学发展的“催化剂”和农业现在化、可持续发展的“倍增器”。如今科学仪器已逐步渗透到现代农业的各个方面（见附件），其测试、验证和检控的对象很广，从动物群体、个体到细胞、分子、基因，从无机到有机，从实验研究到生产现场和生态环境。但是总体而言，有明显缺陷：（1）仪器装备总量和水平严重滞后，虽经历80年代利用世行科教贷款、90年代以来重点实验室和211工程等项目建设，少数重点农业科教单位的科学仪器已初具规模，但省级和各地大多说农业科教单位，科学仪器仍然非常简陋。（2）已装备的中高档科学仪器中约有80%依赖进口，国产科学仪器在农业科技战线占有率约为40%。作为科技发展主要支撑的科学仪器不足，制约着农业科技的高速发展和突破。因此，作为发展高科技的必备条件和手段，科学仪器的作用、现状和前景，可从以下五方面予以剖析。1、实施优质、高效、高产为特点的现代化农业中科学仪器的作用与前景据统计、良种对丰产的贡献率可达40%，且良种决定品质。如今我国已从传统选种方法，进入力图充分运用科学仪器，分析和鉴定种质资源、传统与现代生物技术相结合的品种选育阶段。二十一世纪被喻为“生命科学”的新世纪，农业是主要战场之一，农业生物技术将引发第二次绿色革命。美国生物技术市场正以年递增率为50%高速发展。充分运用生物技术，开发和利用我国丰富的农、林、牧、渔优良基因资源，快速定向培育良种，必将是我国农业实施优质、高效、高产，可持续发展的技术支撑。5-10年后，如今视为前沿的超级水稻和小麦、抗虫棉、克隆优良品种等将大批出现。在实施上述战略技术中，必备的科学仪器大致可归纳为两大方面：1、1农业生物技术发展中支撑性科学仪器生物技术研究和产业需要一系列科学仪器，其中仅实验室常用仪器，国产产品能满足要求，大批关键性、支撑性科学仪器在我国处于空白（见表1）。表1农业生物技术所需的仪器设备序号用途所需仪器设备名称1样品的分离、提取等前处理。*低速大容量、*高速、超速、*微量等各类离心机，*细胞破碎分离，超临界萃取以及膜分离系列设备，DNA真空离心浓缩干燥仪，前处理自动工作站等。2样品纯化、核酸、DNA提取。低压、中压、高压层析纯化系统，全自动微量纯化系统，制备电泳系统，自动核酸提取仪、DNA自动提取仪等。3基因定量分析和差异检测△DNA扩增仪、*定量PCR仪，△DNA电泳、脉冲电泳、*等电聚焦电泳、△毛细管电泳，差异显示仪，多维液相色谱，△生物质谱，生物芯片系统等。4DNA和蛋白分析和测序。DNA自动分析仪，DNA自动测序仪，蛋白质核酸分析仪，核酸解链分析仪，蛋白序列仪、基因型检测仪，双向电泳仪，生物芯片系统等。5指纹图谱绘制和遗传分析序列凝胶电泳系统，蛋白电泳系统，电泳图象处理系统、储藏式磷屏成像分析系统、SNP遗传多态性分析仪、生物芯片系统等。6转基因育种、分子标记育种和基因重组育种DNA合成仪、多肽合成仪、细胞融合仪、DNA转移枪、电击仪、DNA转移仪、分子相互作用实时分析仪、显微操作系统、自动挑取克隆系统等。常规显微观察分析。*生物显微镜、*荧光显微镜、*倒置显微镜、*冷冰切片机等。8生物学微细观察分析。流式细胞仪、透射和*扫描电子显微镜、△激光共聚焦显微镜、△研究型显微镜、超薄切片机等。9细胞、组织、质体、植株、培养△二氧化碳培养箱、分子杂交培养箱、△恒温摇床、△振荡培养器、微生物培养器（发酵罐）、细胞培养器（生物反应器）、*光照培养箱，*生化培养箱等。10品质和成分分析*酶标仪、自动酶免分析系统、*生化分析仪、流式细胞仪、微生物分析仪、发光免疫分析仪等。如再向前展望，生物技术从基因组学→后基因组学→功能基因组学→蛋白组学发展，将不断出现创新性甚至原创性仪器，例如多维色谱：以基质辅助激光解吸附电力飞行质谱（MALDFI-TOF）为核心的MALDFI-TOF-MS、MALDI-TOF-TOF和傅立叶质谱（FTS-MS）等的生物质谱；以DNA测序、基因型分析和蛋白组学为目的的生物芯片系统；以及集核酸制备、纯化、定量、扩增、反应物检测、表达等为一体的生物技术研究处理系统。国外不断创新和推出生物技术仪器为占领医学、农学等生命科学和产业的前沿地位创造条件，而我国全靠购买他人的仪器，去占领前沿的一席之地是极困难、甚至不可能。鉴于这方面我国底子极薄、其技术发展又极快，宜分近、中、远期分段实施。1.2种质资源和品质分析中必备的科学仪器包括荧光，体视及普通生物显微镜，定氮/蛋白质测定仪、脂肪测定仪、纤维素测定仪、旋光仪、粉质仪、自动电位滴定仪，原子吸收分光光度计、离心机、各种培养箱、样品前处理设备和气/液相色谱仪，氨基酸分析仪，近红外品质分析仪、微波消解系统等。上述仪器国内大多能生产，但多数属中、低档产品，特别是后5种仪器，急待全面提升技术性能，力争5-10年达到国际同类产品水平。2.构建农产品、食品安全保障体系中，仪器和测试技术是主要技术支撑农药和兽药残留、违禁药及环境中有毒有害污染物已造成极为关注的农产品、食品安全问题。发达国家较早构建农产品安全保障体系，表现在法规和标准的健全、机构和人员的完善、监测仪器和方法的完备、监控和检测的及时有力。对此我国相当滞后，甚至近年来国际上以此作为技术壁垒，限制甚至封杀我国农产品出口，才引起极大重视。我国现状和明显差距是：至今大多仍沿用传统样品前处理仪器和落后的分析仪器，每次只能检测几种或者几十种mg/kg（部分μg/kg）残留组分，而发达国家得到国际确认的标准方法和使用仪器有两个特点：1）复杂基质中检测μg/kg级、ng/kg级甚至pg/kg级、多组分残留(表2)表2残留分析方法和每次检测总数方法名称使用仪器分析方法一次可检测的农残组分数量DSG-S19GC几十种FDA（美国食品和药品管理局）GC、LC和GC/MS100种以上EPA（美国环保署）GC和LC160种CDFA(美国加州农业部)GCLC和GC/MS200种Canada(加拿大)GC/MS201种据最新报导、采用全新的仪器和检测方法、一次可检测400种以上农药残留,加拿大海洋和渔业研究所应用改进的DSG－S19法,一次可预处理、分析检测800种以上化学污染物,包括农药、多氯联苯、含溴化合物等。2)GC/MS、LC/MS等联用和HPLC已成为兽药残留和污染物检测的主要手段。以欧盟96/23/EC指令(2000年版)为例,为检测各种畜禽及其产品、水产品、饲养的特种动物(野味)、蜂蜜、在不同场所取样、检测不同种类、不同组分的兽药残留和污染物,按指令确定的检测仪器、方法统计,各种仪器和方法被确定的累积次数如表3所示:表3检测兽药残留和污染物的检测仪器、方法统计,各种仪器和方法被确定的累积次数畜、禽、水产品等品种取样场所累计检测组分项次指令中确定的检测方法和仪器使用的累计次数GC-MSLC-MSLC-SPLC-FILCGC-ECDGC-NPDTLC-SPAAS牛猪绵养、山羊、马、家禽、水产品、牛奶、鸡蛋、兔肉、饲养的特种动物、蜂蜜农场、屠宰场生产基地520400107277421821171213为确保人民身体健康和农业可持续发展、并与国际接轨,在构建农产品安全保障体系中,除了制定和完善有关法规、标准、机构、人员之外,作为主要技术支撑的科学仪器急需列入未来科技发展的具体项目,这些大多是我国空白、计有:(1)研发新样品前处理仪器设备为适应残留检测所特有的多杂质、多干扰条件的多组分分析，急需研发一系列新型的前处理仪器设备,例如:固相萃取装置(SPE)、固相微萃取系统(SPME)、基质固相分散萃取(MSPDE)、超临界流体萃取(SFE)、凝胶渗透萃取(GPC)以及微波萃取、微孔液膜萃取、顶孔吹扫捕集等。(2)提升我国GC、LC和各种检测仪器的技术水平,并尽快研发具有自主知识产权的GC/MS、LC/MS、ICP/MS(用于重金属元素毒性价态分析)等联用仪。(3)及时跟踪近年来迅猛发展的全微分析、生物传感器、生物芯片、微流控芯片、纳米技术、虚拟仪器等新技术,催生出新一代农产品、食品安全检测的。3.在建设动物疫病防治和控制体系中必备的科学仪器。畜禽疫病、特别是人畜共患的传染性疫病的防治和控制，既关系畜牧业发展，更关及人类健康，这次非典的暴发更使世人极为关注，在当今我国大力构建疫病预防和控制体系的同时，以必将完善动物疫病防控体系建设，其中除了必须加强法制、体系建设之外，充实和完善用于检验的科学仪器是物质基础，可分为以下两大类。3.1动物疫病诊断仪器为进行病毒病、细菌病、寄生虫病、以及病理诊断、血清学及生物学实验，需要一系列畜牧兽医仪器，大致需各种离心机，荧光、倒置、体视等生物显微镜及冰冻切片机，细菌鉴定和药敏分析仪，自动酶联免疫分析仪（甚至免疫化学和发光免疫分析仪），半自动或全自动生化仪、畜禽血细胞分析仪、PCR扩增仪及相配的一系列检验仪器，多用电泳仪及电泳图像分析仪、快速诊断试剂盒，CO2培养箱、生物安全型及医用超净工作台、动物隔离器及灭菌器、冰柜及超低温冰箱，以及常规的医疗器械等。3.2兽药监察中需装备的仪器主要是分析仪器。有紫外、可见光、荧光、磷光分光光度；傅利叶变换红外光谱仪、原子吸收分光光度计、中阶梯光栅ICP光谱仪（甚至ICP/MS）、气相色谱仪（甚至GC/MS与GC/FTIR）,液相色谱仪（甚至LC/MS）、细菌自动鉴定和药敏分析仪、自动菌落计数和抑菌圈测定仪、样品微波消解系统、离心机、膜分离设备，以及样品处理的各种中小型仪器设备等。上述仪器，目前国产满足率约为35%（中、小型常规通用仪器），中、高档仪器急待提高、研发、补白。如再向前展望、将来会出现快速、简便的疫病基因诊断和检验的仪器，例如当今还很前沿的用于基因诊断和药物筛选的生物芯片、以及整合在芯片上能进行生化检测的芯片实验室，都会演变为常规和普用的仪器。4.在发展规模化、工厂化、技术密集型的精细农业中必备的仪器仪表发展规模化、工厂化育苗、种植、养殖和水产品生产，是对传统农业进行革命性转变。摆脱自然环境制约，实施技术密集型精细农业，在生产过程中确保实现优质、高产、高效是农业科技发展的大趋势。近几年我国塑料大棚、日光温室、大规模集约式畜禽养殖和水产养殖场发展很快，但所用的监测环境、生态和控制仪器，多数仍沿用已淘汰的仪器仪表，所以应采用近年来国内外已广泛使用的工业自动化现场总线技术设备，尽速研发和生产具有开放性、分散性、全数字通信以及测控智能化和优化决策等优点的农用自动化总线系统和相应的农业生产现场使用的温、湿、光、CO2、有机质、氮、磷、钾、溶氧值、水质等传感器和监测仪器，以促进技术密集型的精细农业的发展。5.在发展节水农业、旱地农业、生态农业和植物保护中必备的科学仪器发展节水农业是我国农业决策之一，其中需要一批植物生理、生态和环境因子和病虫害监测仪器，这些仪器也是研究不同生态环境下栽培技术、农作物抗性（抗旱、涝、盐、碱、虫、病）和植物保护所必需。计有：有效光合作用辐射仪，光合作用测定仪、积温仪、积光仪、叶面积仪、植物冠层分析仪，叶绿素测定仪、红外遥测叶面/植被/地表面温度计、蒸腾仪、植物效能仪、茎流仪、植物/土壤水势仪、土壤水分计、农用小型气象站以及农业遥感、遥测，地面农作物生态和病虫灾情多光谱摄相和图象分析系统等。这些仪器国外早已商品化，而我国几乎一片空白，建政府提供鼓励性补贴或贷款，以形成精于的专家厂家。［参考文献］[1]JiangShang,CallandProspectofscientificinstrumenttoAgriculturalModernization,Internat