The Study of the Effects of surface dielectric barrier discharge low temperature plasma products on spring and winter wheat germination Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Journal of Stress Physiology & Biochemistry, Vol. 11 No. 1 2015, pp. 5-15 ISSN 1997-0838 Original Text Copyright © 2015 by Lazukin, Lyubushkina, Kirichenko, Grabelnych, Krivov and Nikitin

ORIGINAL ARTICLE

The Study of the Effects of Surface Dielectric Barrier Discharge Low Temperature Plasma Products on Spring and Winter Wheat Germination

A.V. Lazukin1, I.V. Lyubushkina2,3, K.A. Kirichenko2,

O.I. Grabelnych2,3*, S.A. Krivov1, A.M. Nikitin1

1 National Research University "Moscow Power Engineering Institute", 111250, Moscow, Russia;

2 Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 664033, Irkutsk, Russia;

3 Irkutsk State University, 664033, Irkutsk, Russia

*E-Mail: srolsa@sifibr.irk.ru

Received December 10, 2014

The use of ion-plasma technologies for treatment of seeds of different crop plants is particularly important for regions that exist in environment of risk farming. This is due to the lack of supplies in the treatment, durability, reliability and performance of these technologies. However, the mixed results of studies obtained for different species and varieties of seeds, make it necessary to detail compare the effects of the low-temperature plasma products for different cultures. This paper presents the results of experimental studies of the effects of plasma products of surface dielectric barrier discharge on the germination of spring and winter wheat. It has been shown that irrespective of time and the exposure intensity laboratory germination of spring wheat seeds reduced of 74% in the control group to 52% of the treated seeds, while the germination of wheat seeds is not reduced even at a relatively long exposure (20 min). The modes of treatment (3 min, 2.1-2.4 kV) at which germination of winter wheat seeds increase from 81% in the control group to 87% of the treated seeds have been selected. Resistance of winter wheat seed germination to the product of the discharge plasma can be used to form the conditions for safe suppression of a variety of pathogenic organisms on the surface of seeds.

Key words: laboratory germination, pre-sowing treatment, products gas discharge, surface

dielectric barrier discharge, wheat

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 11 No. 1 2015

6

The Study of the Effects of Surface Dielectric Barrier Discharge...

Применение электрических разрядов В данной работе приведены результаты

атмосферного давления для воздействия на экспериментального исследования воздействия

различные биологические объекты с целью плазмы (продуктов плазмы) поверхностного

формирования последствий и ответных реакций диэлектрического барьерного разряда

(или взаимного влияния в развернутой системе атмосферного давления на биологические объекты

разряд/объект) является бурно развивающимся (семена озимой и яровой пшеницы). При

направлением. При этом сформировалось подготовке материала значительное внимание

несколько традиционных направлений было уделено именно методическим проблемам

исследований, подразделяющихся по виду формирования воздействия и технике

электрического разряда, а в частности, по виду эксперимента с применением высокого

электродной системы для образования плазмы напряжения. Оценке, в значительной степени,

разряда. Во-первых, это исследования, в которых подвергались не только результаты воздействия,

рабочим инструментом служит, так называемый но и технологические характеристики разряда,

плазменный факел («plasma torches») вызывающего наблюдаемые эффекты.

[Thiyagarajan et al., 2013; Ermakov et al., 2014]. MATERIALS AND METHODS

Протягиваемые инертными газами и их смесями Растительный материал. Обработке

электродные системы в виде колец или иглы, подвергались семена яровой пшеницы (Triticum

заключенных в тонкостенные трубки, позволяют durum L.) сорта Новосибирская 22 и озимой

сформировать удлиненную зону плазмы. Эффект пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта Иркутская.

образования такого разряда применяется для Для определения всхожести семена после

уничтожения микроорганизмов [Kobzev et al., 2013; обработки плазмой поверхностного

Shmigel et al., 1998], воздействия на предпосевные диэлектрического барьерного разряда без

качества различных семян [Juldashev, 2013; дополнительной обработки обеззараживающими

Lyubushkina et al., 2014]. Вторым широким агентами проращивали на влажной

направлением является применение фильтровальной бумаге в темноте при 26 °С в

сверхвысокочастотных разрядов [Azharanok et al., течение 7 суток. Контрольная группа - семена, не

2009; Mazets et al., 2008] и высокочастотных обработанные плазмой. Всхожесть семян

разрядов атмосферного давления на различных определяли по ГОСТ 12038-84. Проводили не

неоднородностях [Zahoranova et al., 2014]. К менее 2-х независимых экспериментов. На

последнему из перечисленных видов относится диаграммах и в таблице всхожесть представлена в

поверхностный диэлектрический барьерный виде среднего арифметического значения и

разряд [Sokolova et al., 2010; Lazukin et al., 2014]. стандартного отклонения.

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 11 No. 1 2015

Lazukin et al.

7

Методы и условия высоковольтного выходное напряжение. Узел стабилизации

воздействия. Электродная система для позволяет избежать колебаний выходного сигнала,

формирования поверхностного диэлектрического а, следовательно, получить длительный и

барьерного разряда представляет собой два стабильный режим. Для создания постоянного

электрода разделенных диэлектриком напряжения на высоковольтном коллекторе

(диэлектрическим барьером). Размеры электродов использовался источник питания на базе

подбираются из соображений, чтобы создать каскадного умножителя. Подбор компонентов,

усиление напряженности электрического поля входящих в состав источника питания,

около края одного из электродов. Таким образом, определяется, в основном, мощностью, которую

один из электродов значительно уже другого. На потребляет электродная система.

краях узкого электрода напряженность Материалы барьеров и электродов и их

электрического поля значительно превышает геометрия. В качестве плазмогенерирующих

среднюю напряженность в промежутке. Если электродов (ПГЭ) использовались полосы никеля

электрическая прочность диэлектрического нанесенные на поверхность барьера шликерным

барьера достаточна, то при повышении методом, толщина электродов 10 мкм, ширина

напряжения на электродах вблизи края узкого электрода 1 мм и полосы алюминия шириной 2 мм и

электрода формируются условия для толщиной 50 мкм. Диэлектрический барьер, на

возникновения разряда. Стример развивается по поверхность которого были нанесены электроды -

силовым линиям в направлении барьера, который корундовая керамика ВК-94 и поликарбонат,

препятствует сквозному протеканию значительного толщина барьеров 1 мм. Геометрическая емкость

тока проводимости. Заряд, осевший на электродных систем составляет 45 и 60 пФ в

поверхности барьера, удаляется на стадии случае корундовой керамики и 109 пФ для

обратного разряда - при смене полярности на электродной системы на поликарбонате.

электродах. Следовательно, частота следования Ток на высоковольтный коллектор. Ионно-

подобного цикла зарядки-разрядки напрямую плазменные технологии, использующие потоки

связана с частотой высоковольтного питания. заряженных частиц для зарядки

Питание. В системы электропитания диспергированных материалов известны

применялся высоковольтный высокочастотный достаточно давно [Vereshagin et al., 1974]. В

источник, специально разработанный для промежутке создается постоянное электрическое

проведения данного исследования. Задача поле за счет внесения дополнительного электрода

источника преобразовать напряжение - высоковольтного коллектора [Sokolova et al.,

промышленной частоты (220 В, 50 Гц) в высокое (2- 2010]. Постоянное поле высоковольтного

5 кВ) высокочастотное (14 кГц) стабилизированное коллектора «вытягивает» из плазмы

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 11 No. 1 2015

8

The Study of the Effects of Surface Dielectric Barrier Discharge...

поверхностного разряда заряженные частицы - поверхности которого в экспериментах и

ионы или ионы и электроны, в зависимости от располагаются проводящие семена. Фотография

полярности приложенного напряжения. Таким реакции посевного материала на воздействие

образом, можно создать поток положительных или электростатического поля приведено на Рис 1.

отрицательных частиц на плоский электрод, на Распределение реакции (Рис. 2) было получено по

котором будут размещены обрабатываемые 105 приложениям напряжения. Выборка на

семена. Ток, вытягиваемый из плазмы разряда, определение реакции составила 11717 семян.

измеряется в цепи высоковольтного питания Значение минимальной реакции для

электрода-коллектора. рассматриваемой электродной системы - 5,5 кВ/см.

Реакция посевного материала на Технологические характеристики

электростатическое поле. Семена пшеницы поверхностного разряда. К технологическим

представляют собой полуэлипсоид вращения, характеристикам поверхностного

поверхность которого обладает относительной диэлектрического барьерного разряда,

проводимостью благодаря наличию тонкой представляющим интерес с точки зрения

водяной пленки, образованной атмосферной воздействия на посевной материал, относятся:

влагой. Попадая в электростатическое поле синтез озона, абсолютная интенсивность УФ-

высокой напряженности, превышающей излучения и ток на высоковольтный коллектор.

напряженность минимальной реакции (зависит от Синтез озона в зависимости от приложенного к

массо-габаритных параметров и ряда других плазмогенерирующему электроду (ПГЭ) для

факторов), семя пшеницы разворачивается под полосы длиной 60 мм, измеренный в тракте

действием сил поляризации и располагается герметичного плазмохимического реактора при

острием по полю. При этом напряженность вблизи протоке атмосферного воздуха 1 л/мин, приведен

острия многократно возрастает по сравнению со на Рис. 3.

средней напряженностью в промежутке. Это Абсолютная интенсивность УФ-излучения по

может проводить к возникновению пробоев и трем диапазонам УФ-А, УФ-В и УФ-С в

обратной короны в промежутке (промежуток зависимости от напряжения, приложенного к ПГЭ

сокращается, поле становиться неоднородным), для электродной системы с барьером из

что нежелательно. Этот эффект ограничивает поликарбоната и керамики, приведены на Рис 4. и

уровень допустимых напряженностей на Рис. 5, соответственно. Измерения проводились

электростатического поля, которые можно на расстоянии 10 мм от поверхности барьера по

использовать для формирования потока трем точкам УФ-радиометром ТКА-ПКМ-12.

заряженных частиц от плазмы поверхностного Установка. Схема экспериментального стенда

разряда на высоковольтный коллектор, на приведена на Рис. 6. В его состав входят

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 11 No. 1 2015

Lazukin et al.

9

электродная система с поверхностным разрядом (1) и электрод коллектор (2), на поверхности которого и находится обрабатываемый материал. Расстояние между поверхностью

диэлектрического барьера и плоскостью коллектора выдерживается тремя изоляторами и составляет 10 мм. Коллектор может быть заземлен, либо подключен к источнику высокого постоянного напряжения (положительного или отрицательного). Высокое высокочастотное напряжение

подключается к ПГЭ (3), электрод-подложка (4) заземлен. Электродная система охлаждается пассивно - на электроде-подложке установлен набор массивных радиаторов (5). Проток воздуха через зону обработки отсутствует, влажность атмосферного воздуха 50%. Температура электродов измеряется термопарой в условиях отсутствия напряжения. Во всех экспериментах поверхность барьера не разогревалась выше 42 °С.

Таблица 1. Режимы обработки и всхожесть семян яровой пшеницы.

5 10 15 20 Минуты

ЭКСПОЗИЦИИ

материала

2,1

2,4

2,5

2,7

3

кВ

82±3* ВК-94

64

62

60±6 67±12 ВК-94

75 ±1 * ВК-94

56

74

53±5

68±8

66 ±10

62

54

58

52±3

65±13

63±1

57±8 54±10

64±1 62±7

60±4

б0±б

Таблица 2. Режимы обработки и всхожесть семян озимой пшеницы.

10

15

20 Минуты

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 11 No. 1 2015

10

The Study of the Effects of Surface Dielectric Barrier Discharge...

Figure 2. Функция распределения реакции посевного материала на воздействие электростатического поля.

Figure 3. Концентрация озона (г/м3) на выходе герметичного плазмохимического реактора в зависимости от приложенного напряжения.

Обозначения: VK-94 - для барьера из керамики ВК-94; Pol - для барьера из поликарбоната.

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 11 No. 1 2015

Lazukin et al.

11

Figure 4. Зависимость абсолютной (в мВт/м2) интенсивности УФ-излучения по диапазонам УФ-А, УФ-В и УФ-С от напряжения на ПГЭ для барьера из поликарбоната.

Figure 5. Зависимость абсолютной (в мВт/м2) интенсивности УФ-излучения по диапазонам УФ-А, УФ-В и УФ-С от напряжения на ПГЭ для барьера из корундовой керамики ВК-94.

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 11 No. 1 2015

12

The Study of the Effects of Surface Dielectric Barrier Discharge...

Figure 6. Схема экспериментального стенда по обработке посевного материала.

Обозначения: 1 - электродная система; 2 - электрод коллектор; 3 - ПГЭ; 4 - электрод подложка; 5 - радиаторы охлаждения.

Figure 7. Зависимость всхожести семян яровой пшеницы от тока на коллектор.

Обозначения: 350, 500, 600 - мкА, положительный ток на коллектор, -350, -400 - мкА, отрицательный ток на коллектор, З - коллектор заземлен, К - контроль.

RESULTS AND DISCUSSION

Принимая во внимание длительность развития плазмохимических процессов, скорости ионов в

электрическом поле и диффузии химически активных соединений, а также опыт других исследовательских коллективов, время экспозиции

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 11 No. 1 2015

Lazukin et al.

13

посевного материала было определено в 2,4 до 3 кВ). Однако, сравнение между всхожестью

диапазоне 5-20 мин. Диапазон высокочастотных обработанных семян озимой и яровой пшеницы

напряжений связан с обеспечением надежной показывает, что семена яровой пшеницы отвечают

работы диэлектрического барьера (рабочая более выраженным снижением посевных качеств,

прочность примерно 10 кВ/см) и начальными чем семена озимой пшеницы. Можно предполагать,

напряжениями зажигания поверхностного разряда что постоянная времени процесса воздействия

в рассматриваемой геометрии (1,6-1,8 кВ). продуктов плазмы поверхностного разряда

Кроме времени действия и рабочего составляет менее 3 мин и этот процесс имеет

напряжения электродной системы учитывались и насыщающийся характер. Подобный эффект

особенности действия электрода коллектора, важен с точки зрения технологического

который либо находился под постоянным высоким использования полученных результатов.

напряжением, либо был заземлен. Результаты При минимальных временах экспозиции (3 мин)

реакции всхожести семян на питание коллектора и и низкой интенсивности воздействия (2,1 кВ)

интенсивность ионного потока на коллектор удалось получить статистически значимое

приведены на Рис. 7. Из рисунка видно, что повышение всхожести семян яровой и озимой

полярность высоковольтного коллектора или его пшеницы (Табл. 1, 2, отмечено «*»). Подобные

заземление одинаково негативно влияют на результаты для другой формы разряда

всхожесть семян яровой пшеницы, независимо от (компланарный поверхностный диэлектрический

значения тока. Таким образом, дальнейший анализ барьерный разряд, «DCSBD») были получены в

данных будет проводиться по двум ключевым работе Zahoranova с соавт. (2014) при

параметрам: времени экспозиции и напряжении кратковременной обработке семян озимой

высоковольтного питания ПГЭ. Результаты пшеницы, гороха и кукурузы. Авторами было

экспериментов представлены в виде графических выявлено, что обработка семян

блоков в таблицах 1 (сводка по яровой пшенице) и низкотемпературной плазмой значительно

2 (сводка по озимой пшенице). В режимах, ингибирует рост грибов на поверхности семян

отмеченных как «ВК-94», семена обработаны в озимой пшеницы, причем чувствительность

электродных системах с диэлектрическим различных видов возбудителей к продуктам

барьером из корундовой керамики ВК-94, низкотемпературной плазмы различается,

остальные - обработаны в системах с барьером из особенно эффективной была обработка в

поликарбоната. Видно, что изменение всхожести отношении Fusarium nivale [Zahoranova et al., 2014].

семян озимой и яровой пшеницы не зависит от Можно предполагать, что одним из факторов,

времени экспозиции (в рассматриваемых пределах улучшающих посевные качества семян озимой и

от 5 до 20 мин) и от приложенного напряжения (от яровой пшеницы при воздействии

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 11 No. 1 2015

14

The Study of the Effects of Surface Dielectric Barrier Discharge...

низкотемпературной плазмы поверхностного диэлектрического барьерного разряда, является фунгицидный эффект данной обработки. Для выявления других физиолого-биохимических факторов, способствующих улучшению посевных качеств семян зерновых культур, требуется проведение комплексных исследований с применением чистых культур возбудителей грибных заболеваний злаков. Такой подход к предпосевной подготовке семян представляется экономически эффективным и технологически совершенным по сравнению с распространенными в настоящее время методами.

ACKNOWLEDGMENT

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 14-34-50203 мол_нр).

REFERENCES

Azharanok V.V., Goncharik S.V., Filatova I.I., Shik A.S., Antonyuk A.S. (2009) Vliyanie vyisokochastotnoy elektromagnitnoy obrabotki semennogo materiala zernobobovyih kultur na ih posevnyie kachestva i produktivnost. Elektronnaya obrabotka materialov [In Russian], 4, 76-86.

Ermakov А.М., Ermakova O.N., Maevskii E.I. (2014) Rol' nekotoryih vnutrikletochnyih signalnyih kaskadov v aktivatsii regeneratsii planariy pri obluchenii nizkotemperaturnoy argonovoy plazmoy. Biofizika [In Russian], 59(3), 552-557.

Juldashev R.Z. (2011) Issledovanie ekologicheski chistyih i energosberegayuschih UF i

plazmennyih tehnologiy dlya predposevnoy obrabotki semyan. Izvestiya SPbGAU [In Russian], 25, 343-348.

Kobzev E.N., Kireev G.V., Rakitskiy Yu.A., Martovetskaya I.I., Chugunov V.A., Holodenko V.P., Hramov M.V., Akishev Yu.S., Trushkin N.I., Grushin M.E. (2013) Vozdeystvie holodnoy plazmyi na kletochnuyu stenku i tsitoplazmaticheskuyu membranu E. coli. Prikl. biohim. mikrobiol. [In Russian], 49(2), 164-170.

Lazukin A.V., Mihalevskiy V.A., Novodvorskiy O.A., Krivov S.A. (2014) Issledovanie opticheskih harakteristik poverhnostnogo dielektricheskogo bar'ernogo razryada v elektrodnyih sistemah s nanorazmernyim pokryitiem TiO2. Vestnik nauki Sibiri [In Russian], 2, 12.

Lyubushkina I., Lazukin A., Kirichenko K. and Krivov S. (2014) Some aspects of respiratory metabolism of winter wheat seedlings treated by atmospheric surface dielectric barrier discharge plasma. FEBS J., 281 (Suppl. 1), 599

Mazets Zh.E., Komarova M.N., Spiridovich E.V., Gorbatsevich V.I., Gorodetskaya E.A., Azharonok V.V., Karpovich V.A., Ermolovich A.A. (2008) Peroksidaznaya aktivnost rasteniy Lupinus angustifolis, podvergnutyih plazmennoy i elektromagnitnoy obrabotke. Vesti BDPU [In Russian], 4, Seryiya 3, 26-29.

Shmigel V.V., Neznamskaya I.I., Niyazov A.M. (1998) Sposob obezzarazhivaniya tolstogo sloya semyan v elektrostaticheskom pole. Vestnik RASHN [In Russian], 3, 73-74.

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 11 No. 1 2015

Lazukin et al.

15

Sokolova M.V., Krivov S.A., Skuratov M.V. (2010) Poverhnostnyiy razryad pri povyishennyih temperaturah vozduha. Pisma v ZhTF [In Russian], 36(11), 24-31.

Thiyagarajan M., Sarani A. and Gonzales X.F. (2013) Characterization of an atmospheric pressure plasma jet and its applications for disinfection and cancer treatment. Stud. Health Techno/. Inform., 184, 443-449.

Vereschagin I.P., Livitov V.I., Mirzabekyan G.Z.,

Pashin M.M. (1974) Osnovyi elektrogazodinamiki dispersnyih sistem. M.: Energiya [In Russian], 280 s.

Zahoranova A., Henselova M., Hudecova D.,

Kalinakova B., Kovacik D., Medvecka V. and

Cernak M. (2014) Study of low temperature

plasma treatment of plant seeds. International symposium on high pressure low temperature plasma chemistry (HAKONE XIV), Zinnowitz

Germany, 21-26 sep, P3-08-09.

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 11 No. 1 2015