CC BY
84
УДК 631.559.538.12
АНАЛИЗ МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ЖИЗНЕСПОСОБНОСТИ СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР
© 2017 г. Н.В. Ксенз, И.Г. Сидорцов, А.В. Белоусов
Растениеводство служит основой для производства продуктов питания и животноводства. Качественный и оперативный анализ-контроль жизнеспособности и всхожести семян сельскохозяйственных культур является актуальной проблемой растениеводства. Для решения этой проблемы применяются различные химические и физические методы контроля и технические средства. Целью работы является анализ состояния существующих методов и технических средств контроля жизнеспособности и всхожести семян сельскохозяйственных культур. Показано, что химические и люминесцентный методы контроля качества семян имеют длительный процесс подготовки, трудоёмки и не позволяют автоматизировать процесс контроля. Рентгенографический неразрушающий метод контроля является субъективным и требует дорогостоящего и небезопасного оборудования. Использование отношения сопротивления клеток на низкой частоте к их сопротивлению на высокой частоте для оценки жизнеспособности семян зерновых культур нами не обнаружено. Определение жизнеспособности семян сельскохозяйственных культур по изменению сопротивления и ёмкости измерительных датчиков позволяет разделить семена на множество фракций. Однако этот метод предназначен для научных исследований. Показана перспективность определения всхожести семян по величине потенциала действия и мембранного потенциала. В диапазоне температур 20^22 °С наблюдается существенная разница значений потенциала при различной всхожести пшеницы. К недостаткам этих методов можно отнести то, что необходимо измерять потенциал каждого семени. Существующие в настоящее время электрофизические методы и технические средства позволяют определять жизнеспособность семян по электрическому сопротивлению, по диэлектрической проницаемости, по изменению силы тока и потенциала действия. Однако в указанных методах не показана связь электрических параметров с жизнеспособностью семян. В работе проанализированы информативные параметры, характеризующие жизнеспособность семян сельскохозяйственных культур и возможность их использования для предсказания их продуктивности. Показано, что существующие методы не позволяют оперативно и качественно определять их жизнеспособность и всхожесть. Обсуждается необходимость разработки методов контроля, использующих несколько факторов.
Ключевые слова: жизнеспособность, биоэлектрический потенциал, потенциал действия, всхожесть, электрическое сопротивление, методы контроля, диэлектрическая проницаемость, информативные параметры.
Crop production is the basis for the production of food and livestock. Qualitative and operational analysis-control of the viability and germination of seeds of agricultural crops is an urgent problem of crop production. To solve this problem, various chemical and physical methods of control and technical means are applied. The purpose of the work is to analyze the state of existing methods and technical means of monitoring the viability and germination of seeds of crops. It is presented that chemical and luminescent methods of seed quality control have a long process of preparation, are laborious and do not allow automating the control process. The X-ray non-destructive method of control is subjective and requires expensive and unsafe equipment. Application of the ratio of the cells' resistance at a low frequency to their resistance at high frequency to assess the viability of seeds of cereal crops had not been found. Determination of the viability of seeds of agricultural crops by changing the resistance and capacity of the measuring sensors makes it possible to divide the seeds into many fractions. However, this method is intended for scientific research. The prospects of determining seeds' germination according to the action potential value and the membrane potential are presented. In the temperature range of 20^22°C there is a significant difference in potential values for different wheat germination. The drawbacks of these methods include the fact that it is necessary to measure the potential of each seed. The currently existing electrophysical methods and technical means make it possible to determine the viability of seeds by electrical resistance, by dielectric permeability, by the change in the current strength and the action potential. However, these methods do not reveal the dependence of electrical parameters on the viability of seeds. The paper analyzes informative parameters characterizing the viability of seeds of agricultural crops and the possibility of using them for predicting their productivity. It is shown that the existing methods do not allow to determine their viability and germination promptly and qualitatively. The need to design control methods using several factors is discussed.
Keywords: viability, bioelectric potential, action potential, germination, electrical resistance, control methods, dielectric permeability, informative parameters.
Введение. Жизнеспособность семян зерновых сельскохозяйственных культур является одним из важнейших показателей их продуктивности. На сегодняшний день контроль качества семян зерновых культур осуществляется методом, представленным в ГОСТ 12039-82. В настоящее время для определения жизнеспособности семян применяются следующие методы: обработка семян тетразолом, индигокармином, кислым фуксином, люминесцентный метод [1] и т.д. Все эти методы являются трудоёмкими, отличаются длительным процессом подготовки к исследованию и отсутствием автоматизации процесса. Поэтому разработка методов контроля жизнеспособности семян с минимальными временными и материальными затратами является актуальной проблемой сельскохозяйственного производства.
Анализ методов и технических средств. Методы, обусловленные использованием химикалиев, предназначены для получения информации о качестве семян, когда семена находятся в состоянии покоя или требуют длительного срока проращивания. К недостаткам этих методов можно отнести их трудоёмкость. Во всех случаях требуется замачивание семян в воде, удаление покровов, извлечение зародышей, выдерживание в растворах красителей. Но
главное - эти методы обладают некоторой долей субъективности и дают во многих случаях показатели, значительно отличающиеся от данных при проращивании.
Люминесцентный метод довольно широко используется в сельскохозяйственном производстве для определения жизнеспособности семян. Этот метод основан на том, что под действием ультрафиолетового излучения семена разных культур светятся по-разному. Связь цвета люминесценции с жизнеспособностью семян устанавливается для каждого вида семян сравнением с результатами определения жизнеспособности другими методами. Для увеличения контрастности свечения используют прокрашивание срезов зародышей флуорохрома-ми. Так, для окраски ячменя применяется содовый раствор красителя акридин оранжевый, а для окраски пшеницы - водно-спиртовой раствор розалина. Использовались также и другие люминесцирующие красители - йодэозин, флуоресцеин, индиго-кармин и т.д. Семена перед анализом замачиваются в течение 1-2 часов в тёплой воде, освобождаются от покровов и обрабатываются в течение 20 минут в растворах люминесцирующих красителей, а затем просматриваются в ультрафиолетовом свете. Этот метод даёт удовлетворительные результаты, но имеет и ряд недостатков.
Семена, сходные по морфологическим признакам, могут давать различное свечение. Кроме того, как и при биохимических методах, требуется удаление покровов семян и т.д., что ведёт к уничтожению исследуемых семян.
Для неразрушающего определения жизнеспособности семян предлагается применять рентгенографический метод [24]. При этом определяется жизнеспособность индивидуально каждого семени, не вызывая каких-либо нарушений исследуемого объекта. Однако визуальная оценка является в какой-то мере субъективной, а также требует применения дорогостоящего и небезопасного оборудования.
Использование коэффициента поляризации клеток (КП) для определения жизнеспособности основано на отношении сопротивления клеток, измеренного на низкой частоте, к сопротивлению, измеренному на высокой частоте [5].
Этот коэффициент использовался для определения жизнеспособности древесных растений. Полученные результаты свидетельствуют, что КП можно использовать как показатель жизнеспособности тканей. Использование коэффициента поляризации для оценки жизнеспособности семян зерновых культур в публикациях нами не обнаружено.
Разность электрических потенциалов (РП) как показателя жизнеспособности семян исследовалась в работах [6, 7]. В работе [6] отмечается, что живые и убитые семена кукурузы в течение длительного времени набухания не только имели сходные по величине РП, но и поглощали приблизительно одинаковое количество воды. Наиболее существенная разница значений РП у живых и мёртвых семян обнаружена в период, предшествующий прорастанию. В результате этих исследований сделан вывод, что с помощью прижизненного определения РП набухающих семян можно составить представление о жизнеспособности семян, не проращивая их.
К недостатку этого вида исследования можно отнести то, что измерения РП проводятся при набухании семян, а не на сухих без процесса набухания.
В работе [7] отмечается, что высокий уровень поверхностных потенциалов корешков кукурузы коррелирует с наличием большого количества делящихся клеток, в случае же отсутствия митозов уровень потенциала приблизительно в два раза ниже.
Исследованиями [8] установлено, что у воздушно-сухих жизнеспособных семян подсолнечника, пшеницы, кукурузы и др. биоэлектрический потенциал не обнаруживается. Также не обнаруживается потенциал и у семян, убитых нагреванием.
В работе [9] проанализированы концепции предпосевной обработки семян, предложенные разными авторами. В результате этого анализа автор статьи приходит к выводу, что электрические потенциалы на поверхности семян являются объединяющим фактором, т.е. могут быть определяющими в жизнеспособности семян.
Известно устройство для определения жизнеспособности семян (А.с. № 1395166. БИ № 18-1988), которое позволяет определить жизнеспособность семян яровой пшеницы по электрическому сопротивлению прорастающих семян. Но электрическое сопротивление при таком способе зависит от влажности зерновки, что затрудняет получение объективной информации о жизнеспособности семени.
Устройство для отбора биологически ценных семян (патент РФ № 2257039 А01С1/00. 27.07.2005) позволяет по изменению сопротивления и ёмкости измерительных датчиков разделить семена на множество фракций. Это даёт возможность собирать статистический материал, по которому можно будет находить оптимальные значения установок контролируемых величин (сопротивления и ёмкости). Недостаток устройства - предназначено для научных исследований.
В журнале «Зерновое хозяйство России» (2010 г., № 3) опубликована статья С.А. Леоновой «Применение интроскопи-ческой оценки зерна пшеницы в целях стабилизации качества формируемых партий», в которой предлагается определять качество семян по регрессионным моделям. В выводах отмечено, что метод позволяет сразу после завершения уборки диф-
ференцировать партии зерна по содержанию клейковины, белка и числу падения, используя экспресс-метод и переносную аппаратуру. Этот метод опробован в усло-
градиенты температуры, давления, химического и электрического потенциалов.
Обсуждение результатов анализа. Существующие методы и технические
Корешок Стебелёк Почечка
виях Башкирии, а для других регионов необходимо получать свои модели.
В настоящее время [10-12] предлагается определять всхожесть (один из основных показателей жизнеспособности) семян по величине потенциала действия. В этих работах отмечается, что проведённые эксперименты научно обосновывают регламентируемый ГОСТом диапазон температур проращивания зерен пшеницы от 20 до 22 °С. В этом диапазоне температур наблюдается существенная разница значений мембранного потенциала в зависимости от всхожести пшеницы. К недостаткам этого метода можно отнести то, что необходимо измерять потенциал каждого семени.
В работе [13] семя представляют как систему, состояние которой характеризует некая обобщённая координата. В термодинамике в роли обобщенных координат выступают масса, объём, энтропия, электрический заряд. Все обменные процессы внутри семени можно представить как совершающиеся под воздействием обобщённых потенциалов (движущей силы). Причиной появления движущей силы являются
средства позволяют определять жизнеспособность семян по электрическому сопротивлению, по диэлектрической проницаемости, по изменению силы тока и потенциала действия. Однако во всех работах не показана связь электрических параметров с жизнеспособностью семян. Как эти параметры изменяются с потерей жизнеспособности семян? Каковы причины, вызывающие снижение жизнеспособности семян?
В связи с этим при выборе информативных параметров необходимо исходить из того, что измерение состояния семени характеризуется изменением некоторого множества параметров.
Для анализа изменения состояния семени представим его модель, состоящую из основных элементов зерновки (рисунок 1).
Через щиток, богатый ферментами, питательные вещества при прорастании из эндосперма поступают в зародыш, в котором корешок, стебелёк и почечка дают жизнь новому растению. Но этот процесс будет протекать в зерновке только лишь при наличии воды.
Рисунок 1 - Модель семени
Семена поглощают воду в течение двух последовательных и различных процессов. На первом этапе основную роль играет диффузия воды и всасывание набухающими коллоидами семени - процессы физико-химические, независимые от жизнеспособности семян (процессы, свойственные живым и мёртвым семенам). Когда сила всасывания ослабевает, дальнейшее поглощение воды будет происходить путём осмоса и благодаря энергии метаболического происхождения. Поглощение воды осмотическим и метаболическим путём свойственно только живым семенам.
Заключение. Исходя из того, что семя представляет собой многослойное образование [14], его жизнеспособность зависит от некоторого множества параметров. В связи с этим изменение степени жизнеспособности семени целесообразно определять совокупностью параметров.
Выбор этой совокупности параметров представляется весьма трудной задачей. В каждом конкретном случае необходимо определять степень информативности параметра.
Из проведённого анализа можно сделать вывод: к настоящему времени отсут-
ствует метод, позволяющий быстро и качественно определить жизнеспособность семян зерновых культур.
Литература
1. ГОСТ 12039-82. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения жизнеспособности. - Москва: Издательство стандартов, 1982.
2. Смирнова, Н.Г. Комплексное использование рентгенографии и тетразоль-ного метода при оценке жизнеспособности семян / Н.Г. Смирнова, Н.И. Тихомирова // Бюллетень главного ботанического сада. -1980. - Вып. 117. - С. 81-85.
3. Егорова, Н.Н. Методы определения жизнеспособности семян / Н.Н. Егорова // Сельскохозяйственная биология. - 1994. - № 3. - С. 134-141.
4. Зайцев, В.А. Перспективы рентгенографии в диагностике качества семян /
B.А. Зайцев, З.В. Редькина, Л.Б. Грун // Селекция и семеноводство. - 1981. - № 7. -
C. 37-38.
5. Коэффициент поляризации клеток как показатель жизнеспособности древесных растений / А.М. Синюхин, И.В. Рут-новский и др. // Электронная обработка материалов. - 1967. - № 2(14). - С. 75-86.
6. Рубцова, М.С. К вопросу о разности электрических потенциалов всхожих и невсхожих семян кукурузы, как показатель их жизнеспособности / М.С. Рубцова // Сельскохозяйственная биология. - 1979. -Т. XIV. - № 6. - С. 791-792.
7. Чернова, Л.К. Электрические потенциалы прорастающих растений: автореферат кандидатской диссертации. / Л.К. Чернова. - Ленинград, 1968.
8. Голдовский, А.М. Биоэлектрический потенциал семян при их разных состояниях / А.М. Голдовский, В.И. Барсуков // Известия вузов СССР. Пищевая технология. - 1979. - № 1. - С. 129-130.
9. Сесякин, В. К вопросу о механизмах переноса почвенной влаги в семена и воздействия на них электромагнитных полей / В. Сесякин. - Белгород, 2012.
10. Матлаев, А.Г. Контроль всхожести семян пшеницы по параметрам потенциала действия / А.Г. Матлаев, С.П. Про-
нин // Естественные и технические науки. -2009. - С. 305-308.
11. Мерченко, Н.Н. Разработка метода контроля всхожести зёрен пшеницы по мембранному потенциалу / Н.Н. Мерченко, С.П. Пронин, А.Г. Зрюмова // Вестник Алтайского государственного университета. -2013. - № 10(108). - С. 103-106.
12. Мерченко, Н.Н. Обзор методов контроля всхожести семян пшеницы по изменению мембранного потенциала / Н.Н. Мерченко, С.П. Пронин, А.Г. Зрю-мова // Ползуновский альманах. - 2013. -№ 1. - С. 142-144.
13. Термодинамический подход к исследованию влияния электрофизических воздействий на сельскохозяйственные биологические объекты / Н.В. Ксенз, Б.П. Че-ба, Н.Г. Леонтьев, И.Г. Сидорцов // Методы и средства повышения эффективности технологических процессов в АПК: опыт, проблемы и перспективы: сборник научных статей по материалам Международной научно-практической конференции, 23-24 апреля 2013 г., Ставрополь. - Ставрополь, 2013. - С. 36-38.
14. Ксенз, Н.В. Семя как объект физических воздействий / Н.В. Ксенз, И.Г. Си-дорцов, А.А. Тлячев // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказкий регион. Естественные науки. - 2008. - № 2. -С. 81-82.
References
1. GOST 12039-82. Semena sel'sko-hozjajstvennyh kul'tur. Metody opredelenija zhiznesposobnosti [GOST 12039-82. Seeds of agricultural crops. Methods for determining viability], Izdatel'stvo standartov, 1982.
2. Smirnova N.G., Tihomirova N.I. Kompleksnoe ispol'zovanie rentgenografii i tetrazol'nogo metoda pri ocenke zhiznespo-sobnosti semjan [Complex use of radiography and tetrazole method in assessing the viability of seeds], Bjulleten' glavnogo botanicheskogo sada, 1980, Issue 117, pp. 81-85.
3. Egorova N.N. Metody opredelenija zhiznesposobnosti semjan [Methods for determining the viability of seeds], Sel'skohozjajst-vennaja biologija, 1994, No. 3, pp. 134-141.
4. Zajcev V.A., Red'kina Z.V., Grun LB. Perspektivy rentgenografii v diagnostike kachestva semjan [Prospects of radiography in the diagnosis of seed quality], Selekcija i se-menovodstvo, 1981, No. 7, pp. 37-38.
5. Sinjuhin A.M., Rutnovskij I.V. and others Kojefficient poljarizacii kletok kak pokazatel' zhiznesposobnosti drevesnyh ras-tenij [Cell polarization coefficient as an indicator of the viability of woody plants], Jel-ektronnaja obrabotka materialov, 1967, No. 2(14), pp. 75-86.
6. Rubcova M.S. K voprosu o raznosti jelektricheskih potencialov vshozhih i nevshozhih semjan kukuruzy, kak pokazatel' ih zhiznesposobnosti [On the issue of the difference in the electrical potentials of germinating and nongerminating corn seeds as an indicator of their viability], Sel'skohozjajstvennaja biologija, 1979, Vol. XIV, No. 6, pp. 791792.
7. Chernova L.K. Jelektricheskie poten-cialy prorastajushhih rastenij: avtoreferat kan-didatskoj dissertacii [Electrical potentials of germinating plants: abstract of author's thesis], Leningrad, 1968.
8. Goldovskij A.M., Barsukov V.I. Bi-ojelektricheskij potencial semjan pri ih raznyh sostojanijah [Bioelectric potential of seeds at their different states], Izvestija vuzov SSSR. Pishhevaja tehnologija, 1979, No. 1, pp. 129130.
9. Sesjakin V. K voprosu o mehanizmah perenosa pochvennoj vlagi v semena i vozdejstvija na nih jelektromagnitnyh polej [On the issue of the mechanisms of soil moisture transfer in seeds and the effect of electromagnetic fields on them], Belgorod, 2012.
10. Matlaev A.G., Pronin S.P. Kontrol' vshozhesti semjan pshenicy po parametram
potenciala dejstvija [Control of wheat seed germination by action potential parameters], Estestvennye i tehnicheskie nauki, 2009, No. 3, pp. 305-308.
11. Merchenko N.N., Pronin S.P., Zrjumova A.G. Razrabotka metoda kontrolja vshozhesti zjoren pshenicy po membrannomu potencialu [The design of method for controlling the germination of wheat grains by membrane potential], Vestnik Altajskogo gosudar-stvennogo universiteta, 2013, No. 10(108), pp. 103-106.
12. Merchenko N.N., Pronin S.P., Zrjumova A.G. Obzor metodov kontrolja vshozhesti semjan pshenicy po izmeneniju membrannogo potenciala [Review of methods for controlling the germination of wheat seeds by the membrane potential changes], Polzunovskij al'manah, 2013, No. 1, pp. 142144.
13. Ksenz N.V., Chjoba B.P., Leon-t'ev N.G., Sidorcov I.G. Termodinamicheskij podhod k issledovaniju vlijanija jelektrofizi-cheskih vozdejstvij na sel'skohozjajstvennye biologicheskie ob'ekty [Thermodynamic approach to the study of the influence of electro-physical effects on agricultural biological objects], Metody i sredstva povyshenija jeffek-tivnosti tehnologicheskih processov v APK: opyt, problemy i perspektivy: sbornik nauch-nyh statej po materialam Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, 23-24 aprelja 2013 g, Stavropol', 2013, pp. 36-38.
14. Ksenz N.V., Sidorcov I.G., Tlja-chev A.A. Semja kak ob'ekt fizicheskih vozdejstvij [Seed as an object of physical effects], Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Severo-Kavkazkij region. Estestvennye nauki, 2008, No. 2, pp. 81-82.
Сведения об авторах
Ксенз Николай Васильевич - доктор технических наук, профессор кафедры «Тех-носферная безопасность и физика», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8 (863-59) 38-4-06; +7-908-504-35-34. E-mail: ksenz12@yandex.ru.
Сидорцов Иван Георгиевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Техно-сферная безопасность и физика», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8(863-59) 42-5-19; +7-928-194-47-55. E-mail: sidorcov2009@yandex.ru.
Белоусов Александр Васильевич - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Техносферная безопасность и физика», Азово-Черноморский инженерный ин-
ститут - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зер-нограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8(863-59) 43-4-14; +7-928-778-47-14. E-mail: avbeloysov@yandex.ru.
Information about the authors
Ksenz Nikolay Vasilievich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Technosphere safety and physics department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: 8(863-59) 38-4-06; +7-908-504-35-34. E-mail: ksenz12@yandex.ru.
Sidortsov Ivan Georgievich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Technosphere safety and physics department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: 8(863-59) 42-5-19; +7-928-194-47-55. E-mail: sidorcov2009@yandex.ru.
Belousov Alexander Vasilievich - Candidate of Physics and Mathematics, associate professor of the Technosphere safety and physics department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: 8(863-59) 43-4-14; +7-928-778-47-14. E-mail: avbeloysov@yandex.ru.
