摘要:以正在实施中的几个“农牧业重大工程项目”为例,并从发展精细农业、绿色农业、农业生物技术以及农业为了迎接我国“入世”、综叙农业现代化对科学仪器的需求和作用。提出振兴我国科学仪器和研发农业专用仪器等方面的四点建议。
随着农业现代化的实施,早已结束了农业测试分析仅靠一把尺、一杆称、咬一咬、摸一摸、用眼瞪一瞪的时代,农业现代化和我国“入世”对现代科学仪器和分析科学已提出了一系列新的要求,需要观察、分析的对象从动植物群众、个体到细胞和基因,既涉及动植物本体性状及其产品的质和加工、保鲜储运,也涉及其生理、生态和环境因子,包含了大量的生物、化学、物理现象和参数。现代科学测试分析和过程检控仪器以及其他专用仪器已渗透到现代农业的各个领域,详情请参看附表1。以我国已公布实施的农业常规分析测试的几个标准为例,各种分析仪器所要测试的组分或成分已相当广泛(如附录2所示),国外已实施的标准中,如美国(FDA、EPA等),欧盟标准,日本(JIS等)所选用的分析仪器品种更多,档次更高,可以说已涵盖当今所有的现代科学仪器和分析技术。
1 科学仪器与分析科学在农业现代化中的作用
为更具体地说明现代科学仪器和分析科学在实现农现代化和迎接“入世”中的作用,现举几个正在已实施中的“农、牧业重大工程项目”和“入世”后发达国家可能对我国实施技术壁垒为例子,与读者进行交流和商讨。
1·1 “种子工程”的来历,以及农作物改良中心,分中心项目建设中科学仪器的作用与需求
1995年西方出现“中国威胁论”的思潮,其中尤以美的世界观察研究所所长布朗先生发表的研究报告和结论耸人听闻,他在“谁来养活中国”一书中说:中国随着工业化推进、耕地不断减少、肥力下降、水资源严重不足、环保恶化……未来30年粮食产量是下降趋势……到2030年将降低20%……而到时人口将增加到16亿,每年将不得不进口3.5亿多顿粮食,比世界粮食总储量还多……。他断言:“将来没人能养活中国”,中国人将挨饿,并波及全球,……他的结论震惊世人,也迎合中国抱着蔑视和敌视的人,当然更激怒了中国人,中国政府和各界奋起反驳。因为他不顾我国已成功地利用仅占世界7%的耕地养活了世界33%人口的事实,他也扩大了他所列的依据严重性,更低估了中国有巨大的增产潜力。我们党、国家领导人和专家深知粮食问题的重要性,为了大力发展高产优质高效农业,拟定了实施21世纪我国农业持续发展战略的诸多措施。鉴于国内外许多实例证明,良种在提高产量中的贡献率约占30%,而要提高产品的质量,则几乎取决于良种,所以提出“种子工程”,并列入国家“九五”至2010年发展纲要。
《种子工程》项目包含4个内容(环节),即种子改良、原种繁植,制种和种子规范化经营。其中种子改良是发展高产优质高效农业的源头和持续发展的保证,为此要建设十几个农作物改良中心,几十个分中心。且为达到予期目的、则“工欲善其事,必先利其器”,必须使改良中心拥有一流的仪器设备,才能吸引一流人才,从事一流的研究,取得一流的成果和效益,依据国际科学装备的发展状况和装备模式,
种子改良中心的各主要研究领域,必须配备一系列科学仪器。例如:
(1)在种质资源和品质改良研究中,需装备荧光、体视及普通生物显微镜,凯氏定氮/蛋白质测定仪、索氏脂肪测定仪、纤维素测定仪、旋光仪、粉质仪、气相和液相色谱仪、氨基酸分析仪、自动电位滴定仪、原子吸收分光光度计、近红外品质分析仪、微波消解系统、离心机、各种培养箱以及样品前处理和常规实验室的小型仪器设备。
(2)在农物细胞、分子、遗传、基因工程研究中,需装备用于常规显微观察的荧光、倒置、体视等各种生物显微镜及显微图象处理系统;用于样品分离提取的超声波细胞破碎仪,大容量、微量、高速、超速、冷冻离心机及膜分离设备;用于样品纯化和DNA提取的蛋白、核酸纯化仪、制备液谱、制备电泳仪等;用于基因检测、分析、测序和分子标记的DNA扩增仪、DNA电泳仪、脉冲电泳仪、电泳图象处理系统、毛细管电泳仪,DNA测序/定序仪、差异显示仪、DNA序列仪、磷屏仪、蛋白质测序仪等;用于转基因育种和分子标记育种的DNA及多肽合成仪、细胞融合仪、显微操作系统、基因导入仪(转基因枪)等;用于生物学微细观察的透射和扫描电镜及激光共聚焦显微镜;用于细胞、质体和植株培养的CO2、分子杂交、光照、人工气候等方面的培养箱和生物反应器等。
(3)在生理、生态、栽培技术和抗性研究中,需装备叶绿素荧光测定仪,植物/土壤水势仪和水分仪,蒸腾仪,植物冠层分析仪、根系分析仪、叶面积仪、光合作用有效辐射仪、光合作用测定仪、茎流仪、蛋白(病毒)分离分析系统、酶标仪、PEA植物效能仪、昆虫行为观察系统、人工气候箱等。另外,在繁种以及种子经营中,一个极为重要的问题是确保良种的纯度,用科学的测试仪器和方法鉴别种子、堵绝假种子。早在1973年国际种子鉴定协会(ISTA)就建议和推荐电泳法,1991年“北美官方种子鉴定协会”(AOSA)颁布的《品种纯度测定方法》中,把电泳法列为最可靠的方法予以推荐。这方面我国落后了5~8年,近年来,我国才予以试用和肯定,并将制订相应标准。
1·2 “动物保护工程”的来历和“无规定动物疫病区建设项目”中科学仪器的作用与需求
近年来世界上畜禽疫病和药残事件可说沸沸扬扬,从欧洲的疯牛病、亚欧的鸡流感到近期亚欧的口蹄疫,说明世界上畜禽疫病及药残问题确实是相当严重。我国近十多年来畜牧业发展非常迅速,在疫病防治、兽药监察等方面也有长足的进展,但因底子薄、投入不足、技术装备和手段落后、跟不上畜牧业的迅猛发展。我们的弱点被欧盟派出的带有色眼镜的考察组、评估团抓住,从考察和研讨上升为一次评估、再次评估,结论为防治和监察体系不完善,上升到缺乏有力的体系;从对我国畜禽产品限制性进口、上升到近乎完全禁止。为此,我国政府也发表声明,指出主估及结论是不客观、不全面的……。同时,为确保我国畜牧业持续发展、人民的身体健康和外贸出口,制订了一系列有力措施,其中,措施之一是动用国家发行债券筹集的资金实施“动物保护工程”项目,“无规定动物疫病区建设项目”是其中最主要的内容,要建立从国家到省、地、县完整的疫病诊断防治体系、兽药和残留监察体系以及畜禽产品的监督三大体系,项目总投资数亿元,主要用于装备仪器设备、为能与国外接轨和比对,国家和省级装备的仪器设备档次相当高。上述三大体系建设中对科学仪器的需求趋势大致如下。
(1)兽药监察和药残检测中所需装备的仪器设备、主要是分析仪器,而且药残检测所需仪器的档次要求高。预计应装备的有:紫外、可见光、荧光、磷光分光光度计;傅里叶变换红外光谱仪、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、固相萃取仪、样品微波消解系统、PCR仪、电泳仪及图象处理系统、离心机和膜分离设备,以及用于样品处理的实验室各种中小型仪器设备等。
(2)国家和省级动物疫病诊断中心,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设备,大致需装备各种离心机,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、血细胞分析仪(目前仅适用于畜类)、PCR扩增仪及相应的一系列检验技术装备,多用电泳仪及电泳图象分析仪,CO2培养箱,生化培养箱、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)县级动物防疫机构装备的仪器较简单,主要是荧光、体视和普通生物显微镜及冰冻切片机、酶标仪及加液器、冰箱及冰柜、生化培养箱、灭菌器以及常规的医疗器械。
1·3 农业生物技术发展中科学仪器的作用和需求
当今世界各国都在争夺21世纪生物技术制高点,生物技术的两个主战场是医疗与农业,许多专家预言农业生物技术将引发第二次绿色革命,美国农业生物技术市场以年均增长50%的速率发展,如今我国凡涉及农业科技的院校、科研单位都千方百计地借助和寄托于生物技术,用此高新技术从事各领域的研发,以求取得突破性进展。农业生物技术将是可持续性优质、高产、稳产、高效农业技术的支持系统。国内外都看好农业生物技术的前景,例如美国孟山都公司看到我国具有数十万份农作物基因资源可以开发利用,拟投资数千万美元(据说最后开口为1亿美元),愿与中国农科院合作进行农业生物技术研究和开发,最终因对方坚持仅进行上游和中游合作,而我方为了确保国家的全局和长远利益,坚持应包括下游的全面合作、并对等控股,因双方对上述原则问题上的分歧而告吹。
农业生物技术的前景极好,但在开展农业生物技术研究中需要一系列科学仪器支持,其中绝大部分是生物技术专用仪器设备,且其发展很快,也很昂贵。有人说“目前生物技术需要用钱堆起来的”实不为过,这些钱就是用于装备仪器的。仅以作物基因开发和利用、快速定向育种为目标的生物技术研发为例,参照国外的构建模式,十几个环节中所需的科学仪器设备多达八十多种以上,参见附表2。
1·4 在实施绿色农业、绿色食品、保障人民身体健康中科学仪器的作用
随着世界工业化,特别是化学工业的的迅猛发展,废弃物的排放,农药、兽药的滥用,城市垃圾焚烧等造成当今生态环境恶化。1999年震惊世界的剧毒性致癌物二恶英污染畜禽产品的事件,近来又出沸沸扬扬的有关多氯联苯(PCB)等致病化合物,有毒元素,以及导致内分泌紊乱的化合物(EDC)和国内外流传的有关激素残留的笑话,都说明致癌、致病、有毒、有害的化合物和元素已从污染环境和生态、进而进入农牧产品,进入食品,而且这些化合物和元素大多以超痕量级和痕量级即能损害人们健康,所以为保障人民健康,就要借助于气相和液相色谱仪(GC和HPLC),质谱仪(MS)等科学仪器对农药、兽药残留进行严格的检测,同时为了检测上这超痕量和痕量级的二恶英、PCB、EDC等化合物以及有毒无毒,则需要高分辨色谱和高分辨质谱联用仪(HRGC-HRMS、LC-MS)或高分辨色谱和串级质谱联用仪(HRGC-MS-MS、LC-MS-MS)以及ICP-MS等等,离开这些科学仪器,要解决世纪之毒、防患于未然,可说束手无策。
1·5 随着我国日益临近加入WTO,我国农产品市场将逐步对外放开,按对等关系,照理也应对我国农、林、牧、渔产品出口有利,但由于我国农产品质量不占优势,且产品质检的仪器设备和检测技术落后,故发达国家必将对我国实施更多技术贸易壁垒,例如1999年我国茶叶出口就因农药残留检测乏力而严重受挫。今年欧盟将于7月1日起对茶叶中农药残留实施新的检测标准,受检农药品种多达60余种,其中有10种是对我国茶叶必检的,且检出限量为过去标准的1%,几乎接近通常所说的“零检出”水平。这不仅迫使我国要高度重视茶叶生产过程中的药残问题,也迫使我国必须采用稳定性、灵敏性、检出限更优良的仪器设备。
诸如此类事例,将会不断出现,为了持续发展优质高产农、林、牧、渔业,确保人民身体健康和迎接“入世”后对农业的挑战,科学仪器和分析科学必将承担着新品种的选育→生产→加工→保鲜→投放市场,整个过程中的分析检测重任。
2 建议与展望
一百多年前,门捷列夫有句名言:“科学是从测量开始的”,我国著名科学家钱学森更明确指出:“信息技术包括测量技术,计算机技术和通信技术,测量技术是关键和基础。”最近王大珩等11位院士再次提出振兴我国仪器仪表工业的建议,指出仪器仪表是信息产业的源头,是现代大生产中的“倍增器”,是高新技术和科学研究的“催化剂”,是军事上的“战斗力”,受此启迪,我认为现代科学仪器、分析科学和检控仪器也必然是农业科技发展的“催化剂”,现代化农业生产的“倍增器”,现乘此学术年会,就振兴我国科学仪器,改善农业科学研究手段,研发农业专用仪器提出以下建议和展望。
2·1 继续搞好仪器行业调整、努力提高现有产品的质量、性能和技术服务质量,确立国产仪器的信誉。
经过近几年产业结构调整,一些量大面广的中、低档仪器质量和性能有着长足的进步,例如上述“动物保护”工程一期招标中,有十几种国产仪器中标,每种仪器中标数量几十台到近200台,国产仪器中标金额约占招标采购总金额的30%。这是一个好兆头,建议继续搞好结构调整,企业规模不求大,但求精而专,走专业化生产的路子,自强不息地在性能、质量、销售和服务上力争更上一层楼。
2·2 本着“有所为,有所不为”的原则,选择有发展基础,且应用面较广的品种,采取切实可行的措施,加大振兴科学仪器的力度。
鉴于科学仪器国际上技术进步和产品更新换代非常快,而国产中档以上的仪器的技术进步很慢、差距还在扩大,要靠现有国产科学仪器取得较重大的科技突破是不现实的,在农口,凡属较深层次科技项目,或需与国际接轨的项目,国产科学仪器的许多技术指标、性能实难满足要求(农业样品多组分共存、背景干扰严重、生物样品的不均匀性,以及捕测组分的微量化等因素所决定)。建议要正视现实差距,本着“有所为,有所不为”的原则、选择如色谱仪、光谱议、中档质谱仪、电化学仪等已有一定基础且应用面较广品种,采取切实可行的有力措施,例如稳定保持国家对振兴科学仪器的投资力度;设立风险投资基金;责成科技部、中科院协调管理,组织强强联合、协同攻关等等,有望能逐步缩小差距。
2·3 应重视农业专用仪器的研发和生产,通用仪器的外延、衍生或重组是研发专用仪器的捷径之一。
顾名思义科学仪器是科学殿堂的武器,但随着科技发展、市场经济的成熟、生产工艺的自动化和人们生活水平的提高,科学仪器必然渗透到各产业领域和人们生活之中,各种专用科学仪器必然应运而生,其特点是:应用目的和测试项目专一化、掌握和使用简便、快速、结构简化、便携式、且价位也较低廉。
我国农业专用仪器很不成气候,大多是空白,例如假种子、假农药、假化肥严重地抗害农民,也困扰农业发展,但至今没有相应的、实用的快速检测仪器;又如为提高我国农产品质,就需一系列品质快速测定仪(如蛋白质、脂肪、糖份、稻米品质、面粉粉质等快速测定仪),再如为了西部大开发、恢复生态、发展旱地农业、节水农业、培育和推广抗旱作物、植被和林木,也需一系列检测仪器,如土壤/植物水势仪、水分计、蒸腾仪、光合有效辐射仪、光合作用测定仪、茎流仪、植物冠层分析仪、根系分析仪,叶面积仪等,这些农业专用仪器在我国近乎空白,国外过去也不多,但近几年来大批国外产品进入我国市场,大有一统天下之势。实际上仔细剖析,不难发现,农业专用仪器大多数是经典科学分析仪器的外延、衍生或重组。现举一些例子,供研发农业专用仪器的同志和农业专家、学者参考。
(1)农药及残留快速检测仪,实际上是分光光度计、纸层析、或便携式气相色谱仪的专用化变种,近来又出现应用生物传感器和农药快速测定仪。
(2)土壤、肥料速测仪,是分光光度计和离子选择性电极的组合。
(3)种子纯度测定仪是快速电泳仪的变种。
(4)近红外农业品质分析仪是光栅红外光谱仪或付里叶变换红外光谱仪的外延和专用化的构建。
(5)稻米品质分析仪,也称直交链淀粉测定仪是运用淀粉与碘的显色反应的专用分光光度计。
(6)面粉粉质仪是面粉加水加温搅拌时,测定粘度变化、从而导出各种粉质参数的专用粘度计。
(7)核磁共振快速油份测定仪是核磁共振能谱仪专一化仪器。
(8)各种脂肪酸和总脂肪测定仪是气相色谱仪的专一化变种。
(9)土壤水份和水势仪是时域反射仪的衍生。
(10)光合作用测定仪是以精密CO2测定仪为核心的智能化仪器。
(11)蒸腾仪是精密温度计、湿度计的组合或精密红外测温仪的外延。
(12)油菜仔硫甙、芥酸测定仪(最近由中国农科院油料所研发成功的)是特定酶反应和比浊法的有机结合。
(13)谷物和果品电子分级精选仪是色选仪的专用构建。
(14)兽医B超仪,超声波测膘仪等均为超声医疗仪器的外延。
2·4 农、林、牧、渔业专用仪器的前景是直接获取和利用动植物本身发散(表达)出来的信息。
农作物、林木、畜禽在其发育和生长的全过程中无时无刻地发散信息,生物体本身就是丰富的信息源,所以探索如何获取至今尚未被重视或未弄清的、然而却是大量的、非常有意义的生物信息(暂称为潜信息吧!),研究其内涵及各种相关性、并进一步利用它,将是真正研发新一代农业专用仪器、推动农业现代化的措施之一。据知国外已在探索之中,有的已初见成效。例如苏联研究植物临界“生命线”(临界温度)的信息和相应的仪器,以求获得冻害的可靠信息;英国在研究昆虫触角电位信息的基础上,研制了相应的仪器,用于研究和鉴定昆虫性信息素结构和药理反应;印度研究昆虫的声信息,期望用于声诱捕;匈牙利生物学家梅利兹在研究昆虫声信息(频谱)的基础上,研制了昆虫测量计,能在30秒内得出有关昆虫种类和数量的资料;英格兰大学的米伯特在研究植物呼吸信息的基础上、即传导组织由蒸气阻塞变为空气阻塞所产生的微小震波,称为植物“呼救声”,研制了能听植物“说话”的助听器,用来检测植物缺水性;捷克的米切克研究家禽蛋表面电位信息与胚胎发育过程的关系,研发了家禽胚胎发育电子鉴别仪,可对家禽胚胎进行优选;日本埃扎伊公司研究了牛奶质量与其导电率变化的信息;从而研发出牛奶自动检测器,能自动地检验奶牛乳房中或正在挤奶时奶的质量;加拿大在研究种子斑点、污染或含杂质情况与种子饱满度、发芽率和高产特性的关系,研制了电子选种器;日本东方电气公司在研究生物体内ATP(三磷酸腺甙)的变化与其鲜度的关系,研制了鲜度判断器;英国科学家发现生物体内都有一股微小的恒定电流,它控制着生物的生长和演变,他们试图研制相应的仪器设备,用以保进植物生长;国外还有人研究生物对声信息接受和反应,试图利用特殊的放音设备创造“音乐肥料”,“音乐饲料”;有关植物色信息将是很有实用价值的领域,我国五十年代水稻专家陈永康总结出一系列水稻栽培方面的经验,其中就有色信息的运用;遥感技术在农业上的应用就是运用了各种光谱信息和微波信息。近来国内已有学者议论从植物茎、叶、活体液中快速提取与植物生理、生态、病变、养分积累以及品质预测等等有关的丰富的生物信息,和相关的技术、仪器。
近几年来突飞猛进的生物芯片技术,即将成千上万种具有生物识别功能的分子,有序地陈列在面积很小的基片上,与标记的检验体分子反应或杂交,再通过放射自显影、光化学、电化学、酶标显示或活性检测,即获得大量的十分丰富有用的生物信息,在农业和林业中有着广阔的应用天地。例如通过平行监测基因表达谱进行功能分析,将能更确切地了解植物生长和发育的根本机理。特有价值的是,可用生物芯片监测植物遗传背景、激素、环境因素(如干旱、肥力)、抗病虫害能力等对植物基因表达的影响,进行快速分析,最终有可能免除进行费时、费钱的大田试验而获得所需的信息。另外应用芯片于基因测序、可大大加快基因多态性鉴定,促进动植物育种和新品种的产生。
以上种种事例说明农、林、牧、渔业科研和生产中依靠人们感官获取信息,人工处理信息的时代,已逐步被人们运用仪器(包括传感器)获取信息,用计算机技术加工和处理信息的时代代替。以科学仪器为信息源头的信息技术将有力地推动现代化农业的快速发展。
参考文献:
[1] 杨颐,蒋士强,《仪器与农业》中国科学技术出版社,1991年12月.
[2] 蒋士强,农牧业仪器的现状和展望———兼谈生物信息的获取和利用,仪器与未来,1987年No.1.
[3] 蒋士强,尤崇杓,生物工程中的仪器设备、国外科学仪器,1989年No.1.
[4] 李伟格,蒋士强,仪器仪表在科技兴农中的作用与展望。全国高技术新技术农业应用学术讨论会论文集,中国科技技术出版社,1991年.
[5] 蒋士强,《农用仪器》机械工程手册,第10卷,第7篇,第8章,机械工业出版社,1997年4月.
[6] 马立人,蒋中华,《生物芯片》化学工业出版社,2000年2月.
本文作者：蒋士强
