Действие барьерного разряда при атмосферном давлении на физические и морфологические свойства сорта пшеницы «Навруз» Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Вестник Томского государственного университета. Химия. 2024. № 33. С. 54-62

Tomsk State University Journal of Chemistry, 2024, 33, 54-62

Научная статья

УДК 581:53

10.17223/24135542/33/5

Действие барьерного разряда при атмосферном давлении на физические и морфологические свойства сорта пшеницы «Навруз»

Абдулло Тоирович Ходжаев1, Махина Имомалиевна Солихова2, Ирина Александровна Курзина3, Елена Борисовна Дайбова4, Тоир Абдулло Ходжазода5

1,2, 3 4 Томский государственный университет, Томск, Россия 4 Сибирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства и торфа - филиал СФНЦА РАН, Томск, Россия 5 Таджикский национальный университет, Душанбе, Таджикистан

1 abdullo1997asa@gmail. сот

2 solihovamahina@gmail. сот

3 kuгzina99@mail. ги 4 edaibova@yandex. ги 5 Шг. hodzhaiev. 62@mail. ги

Аннотация. Для улучшения роста и развития технических культур широко применяются различные физические методы воздействия внешних факторов на семена перед посевом. В работе показано, что предпосевная обработка семян пшеницы барьерным разрядом при атмосферном давлении улучшает реализацию генетической информации и способствует усилению физических и биохимических процессов. В результате исследования на начальных этапах прорастания семян установлено, что обработка семян пшеницы барьерным разрядом в первую очередь влияет на энергию прорастания и всхожесть. В связи с этим исследовали влияние барьерного разряда при атмосферном давлении в трех вариантах: 1 мин (А), 1 мин (В), 2 минуты.

Для выяснения действия барьерного разряда при атмосферном давлении на физические и морфологические свойства сорта пшеницы «Навруз», а именно на энергию прорастания, развитие и формирование корней, семена обрабатывали в лаборатории Института сильноточной электроники СО РАН. Биологические и морфологические свойства были исследованы в Сибирском научно-исследовательском институте сельского хозяйства и торфа - филиале СФНЦА РАН. Выявлено, что чувствительность растений к физическим факторам зависит от дозы и времени обработки, способных привести к увеличению и изменению их морфологических свойств. Самые высокие показатели в проведенных лабораторных исследованиях продемонстрировали обработанные семена, замоченные в дистиллированной воде: энергия прорастания и всхожесть у всех семян одинаковая (98%); длина (5,1 см - контрольный вариант) и масса проростков (0,8 г - контрольный вариант); длина (7,1 см - 1 мин (В) и контрольный вариант), количество (4,8 шт. -1 мин (А) и контрольный вариант) и масса корней (0,3 г - 1 мин (В) и контрольный вариант). Проведенные опыты показали, что барьерный разряд дает положительный эффект, приводящий к изменению физических и морфологических свойств пшеницы.

© А.Т. Ходжаев, М.И. Солихова, И.А. Курзина и др., 2024

Ключевые слова: семена, пшеница, энергия прорастания, всхожесть, барьерный разряд, морфологические свойства, лабораторные условия, влияние

Благодарности: Работа выполнена при поддержке Федерального проекта «Передовые инженерные школы».

Для цитирования: Ходжаев А.Т., Солихова М.И., Курзина И.А., Дайбова Е.Б., Ходжазода Т.А. Действие барьерного разряда при атмосферном давлении на физические и морфологические свойства сорта пшеницы «Навруз» // Вестник Томского государственного университета. Химия. 2024. № 33. С. 54-62. doi: 10.17223/24135542/33/5

Original article

doi: 10.17223/24135542/33/5

Effects of barrier discharge at atmospheric pressure on physical and morphological properties of the wheat variety "Navruz"

Abdullo T. Khodzhaev1, Makhina I. Solikhova2, Irina A. Kurzina3, Elena B. Daybova4, Toir A. Khojazoda5

i,2, 3 4 jomsk State University, Tomsk, Russia 4 Siberian Research Institute of Agriculture and Peat -Branch of SFNCA RAS, Tomsk, Russia 5 Tajik National University, Dushanbe, Tajikistan

1 solihovamahina@gmail. com

2 abdullo1997asa@gmail. com

3 kurzina99@mail. ru

4 edaibova@yandex. ru

5 toir. hodzhaiev. 62@mail. ru

Abstract. To improve the growth and development of industrial crops, various physical methods of external factors influence on seeds before sowing are widely used. The work shows that pre-sowing treatment of wheat seeds by barrier discharge at atmospheric pressure improves the realization of genetic information, and contributes to the enhancement of physical and biochemical processes. At the initial stages of seed germination, the study found that treatment of wheat seeds with barrier discharge primarily affects the germination energy and overall germination. In this regard, we investigated the effect of barrier discharge at atmospheric pressure in three variants: 1-min/A, 1-min/B, and 2-min. We set a goal to find out the effect of barrier discharge at atmospheric pressure on physical and morphological properties of wheat variety "Navruz", namely growth, development, and formation of roots.

The seeds were treated in the laboratory of the Institute of High Current Electronics SB RAS. The experiments were carried out in the Siberian Research Institute of Agriculture and Peat (branch of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences). It was found that the sensitivity of plants to physical factors depends on the dose and time of treatment, which can lead to an increase and change in their morphological properties. The highest indices in the laboratory tests were shown by the seeds soaked in distilled water: germination energy and germination of all seeds were the same (98%); length (5,1 sm - control variant) and mass of seedlings (0,8 g - control variant);

length (7,1 sm - 1-min/t and control variant), quantity (4,8 pieces - 1-min/t and control variant) and mass of roots (0,3 g-lmin/t). The experiments showed that the barrier discharge gives a positive effect, leading to changes in the physical and morphological properties of wheat, its functional group, including N-H, affects the germination energy and overall germination of wheat.

Keywords: seeds, wheat, germination energy, germination, barrier discharge, morphological properties, laboratory conditions, influence

Acknowledgments: The work was carried out with the support of the Federal project "Advanced Engineering Schools".

For citation: Khodzhaev, A.T., Solikhova, M.I., Kurzina, I.A., Daybova, E.B., Khojazoda, T.A. Effects of barrier discharge at atmospheric pressure on physical and morphological properties of the wheat variety "Navruz". Vestnik Tomskogo gosudar-stvennogo universiteta. Chimia - Tomsk State University Journal of Chemistry, 2024, 33, 54-62. doi: 10.17223/24135542/33/5

Введение

Главная цель прикладных научных исследований в области сельского хозяйства - создание культур с высокой урожайность [1]. Барьерные разряды повсюду применяются для генерации озона и обработки поверхности материалов, хотя стабильность разряда зависит от многих факторов, включая напряжение, ток разряда и состав газа [2]. Барьерный разряд имеет ряд особенностей: высочайшее давление, пространственную неоднородность и кратковременность протекания разных физико-химических процессов [3]. Разряд представляет собой сложный процесс, в котором при достижении приложенным электрическим полем критического значения образуется проводящая дорожка. Разряд приводит к образованию различных типов плазмы [2].

В эксперименте были выяснены роли долгоживущих химических веществ, продуцируемых ПБР, в регуляции прорастания семян злаков. Уменьшение количества факторов, действующих на семя, достигается за счет расположения зерна относительно электродной системы ПБР [4].

Барьерный разряд аргон (или аргоновый барьерный разряд) - это физический процесс, который происходит в газовом разряде при использовании аргонового газа. Аргон - инертный газ, который не реагирует химически с другими элементами. Барьерный разряд в аргоне используется в различных технических и промышленных приложениях, включая сварку, лазерную обработку и другие процессы, где требуется создание плазмы. В барьерном разряде аргон электрический ток пропускается через аргоновый газ при высокой напряженности поля, что приводит к возникновению ионизированной плазмы. Этот процесс может использоваться для различных целей, таких как обеспечение высокой температуры для сварки или создание лазерных лучей. Точные параметры барьерного разряда аргона могут изменяться в зависимости от конкретного применения и устройства, используемого для генерации разряда.

На рост и развитие растений, урожай и его качество в той или иной степени влияет весь комплекс факторов внешней среды. При этом ни один фактор не может быть заменен другим, по своему физиологическому действию все они имеют равное значение для жизни растения. Например, недостаточная освещенность не может быть заменена повышенной температурой, избыток калия не компенсирует недостаток фосфора. Это закон физиологической равнозначности и незаменимости факторов [5].

Существует ряд научных исследований, свидетельствующих, что внешние факторы при определенных дозах и условиях воздействия могут существенно изменять структуру клеток растений и приводить к коренной перестройке. Также экспериментальными исследованиями доказано, что при воздействии ионизирующей радиации могут быть изменены многие наследственные признаки и свойства растений (энергия прорастания, всхожесть, длина корней, длина ростков, скороспелость, урожайность, устойчивость к болезням, морозоустойчивость и др.) [6].

В ряде стран ведутся исследования, направленные на получение радиационных мутаций у плодовых древесных и декоративных растений [7]. Показано, что семена злаков на обработку отвечают по-разному, что связано, вероятно, со степенью выносливости к окислительному стрессу [4]. Как показали литературные данные, ионизирующее облучение стимулирует ростовые процессы растений и улучшает их продуктивность [8].

Экспериментальная часть

В ходе работы применялся источник плазмы на основе барьерного разряда при атмосферном давлении. Основу источника составила стеклянная кювета объемом 10 мл, стенки которой являлись диэлектрическим барьером, разделяющим электроды разрядной системы. Коаксиальная система электродов образована многоострийным центральным электродом, погруженным в полость кюветы, и цилиндрическим электродом, охватывающим внешнюю поверхность кюветы (рис. 1).

В ходе опыта рабочий газ - аргон, расход которого составлял приблизительно 1 500 стандартных кубических сантиметров в минуту, подавался в полость по металлической трубке, имевшей одинаковый потенциал с мно-гоострийным электродом. Для электропитания источника плазмы применялся источник APEL-M-2DUS-2000-HF производства ООО «Прикладная электроника» (Томск). Для ограничения тока разряда последовательно с разрядным промежутком в цепь питания включался балластный резистор сопротивлением 2 кОм. Источник питания генерировал симметричные знакопеременные импульсы напряжения, прикладываемые к нагрузке, роль которой выполняла разрядная система источника плазмы. Для измерения параметров разряда внешний цилиндрический электрод был заземлен. Напряжение разряда измерялось при помощи делителя напряжения PINTEK HVP - 28HF с коэффициентом 1:1 000, ток - при помощи шунта 50 Ом. Сигналы с делителя напряжения и шунта подавались на вход осциллографа Rigol MSO 5204

с полосой пропускания 200 МГц. Осциллограммы импульсов напряжения и тока барьерного разряда в потоке аргона представлены на рис. 2.

Рис. 1. Разрядная система источника плазмы на основе барьерного разряда при атмосферном давлении: 1 - трубка подачи газа; 2 - стеклянная кювета; 3 - внешний электрод; 4 - внутренний многоострийный электрод

Рис. 2. Типичные осциллограммы напряжения и тока разряда

Частота следования импульсов составляла 71 кГц. Длительность импульсов тока - приблизительно 1 мкс при амплитуде около 12 мА и амплитуде напряжения около 290 В. Таким образом, можно оценить среднюю мощность, вкладываемую в разряд, за период импульса:

2 х 950 В х 0,012 А х 110-6 с х 71103 Гц и 1,6 Вт.

Для плазменной обработки семена пшеницы загружались в кювету по 80 штук за один раз. Применялось три режима обработки, параметры которых приведены в таблице. Регулирующим параметром являлась энергия, вкладываемая в разряд. Энергию несложно оценить по формуле

Еср Ъ^т^тЪ^-Тещ,, где ит - амплитуда напряжения, 1т - амплитуда тока, т - длительность импульса тока, f - частота следования импульсов, Техр - время экспозиции.

Ожидалось, что некоторая доля энергии, вложенной в разряд, окажет эффективное воздействие на состояние обработанных семян пшеницы вследствие присутствия в плазме активных частиц: возбужденных молекул, молекулярных положительно заряженных ионов азота, кислорода, воды, гидроксильного радикала.

Параметры плазменной обработки семян пшеницы

Режим Частота импульсов, кГц Длительность импульса тока, мкс Амплитуда напряжения, В Амплитуда тока, мА Время экспозиции, с Средняя энергия, вложенная в разряд, Дж

1 71 1 950 12 60 97

2 71 1 950 12 120 194

3 20 7 950 13 60 368

Результаты

Проведен лабораторный эксперимент, в ходе которого использованы семена пшеницы сорта «Навруз». Семена были обработаны при трех разных параметрах:

A. Частота следования импульсов 71 кГц, длительность импульсов тока приблизительно 1 мкс, амплитуда тока приблизительно 12 мА, амплитуда напряжения приблизительно 950 В, время экспозиции 60 с, средняя энергия, вложенная в разряд, 97 Дж.

B. Частота следования импульсов 71 кГц, длительность импульсов тока приблизительно 1 мкс, амплитуда тока приблизительно 12 мА, амплитуда напряжения приблизительно 950 В, время экспозиции 120 с, средняя энергия, вложенная в разряд, 194 Дж.

C. Частота следования импульсов 20 кГц, длительность импульсов тока приблизительно 7 мкс, амплитуда тока приблизительно 13 мА, амплитуда напряжения приблизительно 950 В, время экспозиции 120 с, средняя энергия, вложенная в разряд, 368 Дж.

В 36 чашек Петри поместили по 25 семян в каждую чашку; семена были обработаны при разных параметрах (А-С). В качестве подложки использовали фильтровальную бумагу, смоченную дистиллированной водой. Затем семена смочили дистиллированной водой и сосуды поставили в шкаф для прорастания. Ежедневно семена смачивали дистиллированной водой. По истечении трех суток была подсчитана энергия прорастания семян в первых 12 чашках Петри (среднее значение энергии прорастания составило 94,7%). На 7-е сутки в данных 12 сосудах определены всхожесть (98,7% - 1 мин (А)),

длина (6,01 см - 2 мин) и масса (1,1 г - 2 мин) проростков, длина (8,4 см -2 мин), количество (4,7 шт. - контрольный вариант) и масса (0,8 г - 2 мин) корней.

После 48 ч обработки был поставлен следующий опыт в других 12 чашках, и также через трое суток подсчитали самую высокую энергию прорастания - 96% (контрольный вариант), а на 7-е сутки отмечены следующие лучшие показатели: всхожесть (100% - 1 мин (В)), длина (5,6 см - 2 мин), масса (1,05 г - 2 мин) проростков, длина (7,5 см - 1 мин (А)), количество (4,9 шт. - 1 мин (В)) и масса корней (за исключением контрольного варианта (0,3 г) у всех обработанных вариантов одинаковые показатели (0,5 г)).

Через 72 часа после обработки поставили еще один опыт в следующих 12 чашках. Через трое суток также подсчитали наилучшие показатели проросших семян. Самая высокая энергия прорастания у семян, обработанных 2 мин (96%). По прошествии семи суток наилучшую всхожесть показали следующие семена: 1 мин (В) (98,7%) и контрольный вариант (98,7%); лучшие показатели длины (5,02 см - 2 мин) и массы проростков (за исключением контрольного варианта (0,7 г) у всех обработанных вариантов одинаковые показатели (0,8 г)), длины (7,6 см - 2 мин), количества (4,7 шт. -2 мин) и массы корней (за исключением контрольного варианта (0,2 г) у всех обработанных вариантов одинаковые показатели (0,3 г)).

Следующий опыт был поставлен через 7 суток после обработки: в 24 чашки Петри поместили по 25 семян в каждую, в чашки положили фильтрованную бумагу. Затем семена в 12 чашках Петри замочили в дистиллированной воде, а в остальных 12 - с гуматом натрия, после чего сосуды поставили в шкаф для прорастания. Ежедневно все семена смачивали дистиллированной водой. Были получены следующие результаты: наилучшие показатели у семян, замоченных с гуматом, - энергия прорастания (100% - контрольный вариант), на 7-е сутки лучшая всхожесть (за исключением обработанного за 1 мин (В) варианта (98%), у всех остальных вариантов одинаковые показатели (100%)), длина (4,8 см - контрольный вариант) и масса проростков (за исключением контрольного варианта (0,6 г) у всех обработанных вариантов одинаковые показатели (0,8 г)), длина (7,6 см - 1 мин (А) и 7,6 см -контрольный вариант), количество (4,6 шт. - 2 мин) и масса корней (за исключением контрольного варианта (0,6 г) у всех обработанных вариантов одинаковые показатели (0,8 г)).

Заключение

Таким образом, можно сделать вывод, что обработка семян пшеницы с помощью барьерного разряда при атмосферном давлении дала позитивный эффект, который привел к положительной динамике развития семян пшеницы. Доказано, что обработка семян пшеницы барьерным разрядом при атмосферном давлении влияет на энергию прорастания, всхожесть, длину корней, длину ростков пшеницы в лабораторных условиях. Из полученных экспериментальных данных видно, что наилучшие результаты дали семена пшеницы, обработанные в течение 2 мин с закладкой опыта через 24 ч.

Список источников

1. Корко В.С., Городецкая Е.А. Электрофизические методы стимуляции растительных

объектов. Минск : БГАТУ, 2013. 232 с.

2. Алейник А.Н. Плазменная медицина : учеб. пособие. Томск : ТПУ, 2011. 40 с.

3. Автаева С.В. Барьерный разряд : исследование и применение. Бишкек : Изд-во КРСУ,

2009. 290 с.

4. Лазукин А.В., Грабельных О.И., Сердюков Ю.А., Побежимова Т.П., Нурминский В.Н.,

Корсукова А.В., Кривов С.А. Действие продуктов плазмы поверхностного барьерного разряда // Письма в журнал технической физики. 2019. Т. 45, вып. 2. С. 18-21.

5. Назаренко Л.В. Факторы внешней среды, их влияние на рост и развитие сельскохозяй-

ственных культур длинного дня на примере пшеницы // Научный журнал КубГАУ. 2013. № 93 (09). С. 4-5.

6. Ходжаев Т.А., Муллоев Н. Влияния предпосевного нейтронного облучения на энер-

гию прорастания и всхожесть семян технических культур в полевых условиях // Вестник Таджикского национального университета. Серия естественных наук. 2019. № 1. С. 158-162.

7. Березина Н.М., Остапенко В.И., Корнева Е.И., Ризазаде Р.Р. О морфологических из-

менениях растений под влиянием ионизирующего излучения // Радиобиология. 1962. Т. 2, вып. 6. С. 931-937.

8. Минич А.С., Минич И.Б., Иваницкий А.Е., Кудряшов С.В., Очередько А.Н., Рябов А.Ю.

Влияние предпосевной обработки семян микроэлементами и плазмой барьерного разряда на продуктивность cucumis sativus // Тезисы докладов международных конференций «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций» и «Химия нефти и газа» в рамках международного симпозиума «Иерархические материалы: разработка и приложения для новых технологий и надежных конструкций». Томск : Изд. Дом ТГУ, 2018. С. 569-570.

References

1. Korko V.S.; Gorodetskaya E.A. Electrophysical methods of stimulation of plant objects.

Minsk: BGATU, 2013, 232.

2. Aleynik A.N. Plasma medicine: Textbook. Tomsk: TPU, 2011, 40.

3. Avtaeva S.V. Barrier discharge. Research and application. - Bishkek: KRSU Publishing

House, 2009, 290.

4. Lazukin, A.V.; Grabelnykh, O.I.; Serdyukov, Y.A.; Pobezhimova, T.P.; Nurminsky, V.N.;

Korsukova, A.V.; Krivov, S.A. Action of surface barrier discharge plasma products. Letters to the Journal of Applied Physics. Vol. 45, Iss. 2. 2019, 18-21.

5. Nazarenko L.V. Environmental factors, their influence on growth and development of long-

day crops on the example of wheat. Scientific journal of KubGAU, №93 (09), 2013, 4-5.

6. Hodjaev T.A.; Mulloev N. Influence of pre-sowing neutron irradiation on germination en-

ergy and germination of seeds of technical crops in field conditions. // Bulletin of the Tajik National University. Natural Sciences Series, 2019, 1, 158-162.

7. Berezina N.M.; Ostapenko V.I.; Korneva E. I.; Rizazadeh R.R. On morphological

changes in plants under the influence of ionizing radiation. Radiobiology. 2 (6), 1962, 931-937.

8. Minich A.S.; Minich I.B.; Ivanitsky A.E.; Kudryashov S.V.; Ocheredko A.N.; Ryabov A.Yu.

Effect of pre-sowing seed treatment with trace elements and barrier discharge plasma on the productivity of cucumis sativus. Abstracts of the international conferences "Promising materials with a hierarchical structure for new technologies and reliable structures" and "Chemistry of oil and Gas" within the framework of the international symposium "Hierarchical Materials: development and applications for new technologies and reliable structures". Tomsk Publishing House TSU, 2018, 569-570.

Сведения об авторах:

Ходжаев Абдулло Тоирович - аспирант Биологического института Томского государственного университета (Томск, Россия). E-mail: [email protected] Солихова Махина Имомалиевна - аспирант Биологического института Томского государственного университета (Томск, Россия). E-mail: [email protected] Курзина Ирина Александровна - доктор физико-математических наук, доцент, заведующая кафедрой природных соединений, фармацевтической и медицинской химии Томского государственного университета (Томск, Россия). E-mail: [email protected] Дайбова Елена Борисовна - кандидат химических наук, заведующая лабораторно-ана-литическим центром Сибирского научно-исследовательского института сельского хозяйства и торфа - филиала СФНЦА РАН (Томск, Россия). E-mail: [email protected] Ходжазода Тоир Абдулло - доктор физико-математических наук, профессор кафедры физической электроники физического факультета Таджикского национального университета (Душанбе, Таджикистан). E-mail: [email protected]

Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Information about the authors:

Khodzhaev Abdullo T. - Graduate Student of the Biological Institute, Tomsk State University (Tomsk, Russia). E-mail: [email protected]

Solikhova Makhina 1 - Graduate Student of the Biological Institute, Tomsk State University (Tomsk, Russia). E-mail: [email protected]

Kurzina Irina A. - Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Natural Compounds, Pharmaceutical and Medicinal Chemistry, Tomsk State University (Tomsk, Russia). E-mail: [email protected]

Daibova Elena B. - Candidate of Chemical Sciences, Head of Laboratory and Analytical Center, Siberian Research Institute of Agriculture and Peat - Branch of SFNCA RAS (Tomsk, Russia). E-mail: [email protected]

Khojazoda Toir A. - doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor of the Department of Physical Electronics, Faculty of Physics, Tajik National University (Dushanbe, Tajikistan). E-mail: [email protected]

Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.

Статья поступила в редакцию 04.11.2023; принята к публикации 16.04.2024 The article was submitted 04.11.2023; accepted for publication 16.04.2024