CC BY
49
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС77 • 48211. Государственная регистрация №0421200025. ISSN 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Экспериментальное исследование лазерного флуоресцентного метода контроля стрессовых состояний растений, вызванных наличием загрязнителей в почве # 05, май 2013 Б01: 10.7463/0513.0565060
Федотов Ю.В., Булло О.А., Матросова О.А., Белов М.Л., Городничев В.А.
УДК 504.064.36
Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана [email protected] [email protected] [email protected] [email protected]
Введение
Флуоресцентный анализ широко используется в науке и технике в качестве высокочувствительного аналитического средства (см., например, [1]). На сегодняшний день одной из наиболее перспективных областей использования флуоресцентного анализа является контроль состояния растительности.
К настоящему времени для различных длин волн возбуждения накоплены экспериментальные данные по спектрам лазерно-индуцированной флуоресценции различных видов здоровой растительности (в различные периоды вегетации) и растительности в различных стрессовых состояниях (см., например, [2-17]).
Большинство работ в области флуоресцентного контроля состояния растительности посвящено исследованию стрессовых состояний растений, вызванных недостаточным уровнем различных питательных веществ; использованием пестицидов, гербицидов или инсектицидов; недостаточной или избыточной влажностью почвы; различными механическими повреждениями; низкими или высокими температурами или недостатком освещенности. При этом, на сегодняшний день имеются лишь отдельные экспериментальные работы, посвященные исследованию спектров лазерно-индуцированной флуоресценции растений в стрессовых состояниях, вызванных наличием
в почве различных загрязнителей антропогенного происхождения - тяжелых металлов, соли, нефтепродуктов.
1. Постановка задачи
Статья посвящена экспериментальному исследованию лазерного флуоресцентного метода контроля стрессовых состояний растительности, вызванных наличием в почве различных загрязнителей антропогенного происхождения, основанному на регистрации спектров лазерно-индуцированной флуоресценции.
Принцип действия лазерного флуориметра основан на облучении растительности лазером в ультрафиолетовом или видимом диапазонах (для возбуждения флуоресценции) и регистрации характеристик флуоресцентного излучения.
Наличие загрязнителей в почве приводит к стрессовым состояниям для растений и невозможности их нормального роста. Такие стрессовые состояния сложно идентифицировать на ранних стадиях по внешнему виду растений. Флуоресцентный анализ на основе лазерно-индуцированной флуоресценции потенциально позволяет обнаруживать стрессовые состояния растений, которые могут быть индикаторами наличия в почве различных загрязнителей.
Поскольку спектры флуоресценции здоровой растительности отличаются от спектров флуоресценции растительности в стрессовых ситуациях, это дает потенциальную возможность обнаруживать стрессовые состояния растительности путем регистрации спектра флуоресценции.
2. Описание лабораторной установки
Для измерения спектров лазерно-индуцированной флуоресценции растений в различных условиях была создана лабораторная установка, структурная схема которой представлена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема лабораторной установки
Основные параметры лабораторной установки и лазерного источника приведены в таблицах 1, 2.
Таблица 1
Основные параметры лабораторной установки
Диапазон регистрации спектра, нм 595 - 800
Разрешение по спектру, нм 8
Диаметр приемного объектива, мм 15
Расстояние до растений, м 0,5
Количество измеряемых образцов 24
Количество контрольных образцов 3
Таблица 2
Основные параметры лазера
Энергия импульса лазера, мДж 2,1
Длительность импульса, нс <7
Длина волны, нм 532
Частота повторения, Гц до 500
Модовый состав ТЕМ00
Расходимость луча, мрад < 3
Диаметр луча, мм 0.8
Стабильность энергии в импульсе, СКО, % < 1
Охлаждение воздушное
Габариты блока излучателя, мм 164х274х93
Габариты блока питания 340х365х290
Потребляемая мощность, Вт < 300
В качестве источника возбуждения излучения флуоресценции использована вторая гармоника YAG:Nd лазера. В лабораторной установке был использован твердотельный лазер YAG:Nd с диодной накачкой и с удвоением частоты МЬ210, фирмы EKSPLA (Латвия) [18]. Внешний вид лазера с модулем генерации второй гармоники показан на рисунке 2.
Подсистема регистрации излучения флуоресценции построена на основе полихроматора и высокочувствительного матричного детектора с усилителем яркости.
Разложенный полихроматором спектр флуоресценции регистрируется высокочувствительным матричным детектором с усилителем яркости на основе электронно-оптического преобразователя (ЭОП) «Матрица-430к-нс» российской фирмы ООО «ДельтаТех».
Рис. 2. Внешний вид лазера с модулем генерации второй гармоники
ЭОП «Матрица-430к-нс» предназначен для цифровой регистрации низкоуровневого черно-белого изображения в лабораторных условиях. Регистрация может осуществляться как в непрерывном, так и в стробируемом режимах. Для работы в стробируемом режиме, позволяющим осуществлять регистрацию изображений с высоким временным разрешением, электронно-оптического преобразователь имеет наносекундный генератор строба. Стробируемый режим позволяет осуществлять временное разделение излучения лазерно-индуцированной флюоресценции и лазерного излучения возбуждения флуоресценции.
Изображение спектра с выхода полихроматора проецируется на фотокатод усилителя яркости, осуществляющего усиление изображения и состоящего из фотокатода, микроканальной пластины (МКП), и фосфорного экрана. Фотокатод преобразует падающий свет в фотоэлектроны; микроканальная пластина, осуществляет умножение числа электронов; фосфорный экран осуществляет обратное преобразование электронов в свет. Усиленное изображение переносится оптической системой на входную фоточувствительную поверхность ПЗС детектора. Детектор преобразует изображение в цифровой массив и по интерфейсу и8Б1.0 передает этот массив в компьютер.
Внешний вид усилителя яркости показан на рисунке 3.
Рис. 3. Внешний вид усилителя яркости на основе ЭОП «Матрица-430к-н
Для управления экспериментальной установкой было разработано специальное программное обеспечение в среде визуального программирования LabView, выпускаемой фирмой National Instruments. Программное обеспечение состоит из графического интерфейса пользователя, программных блоков высокого уровня управления комплексом, банка данных для хранения измеренных спектров флуоресценции, и библиотек функций управления и взаимодействия с блоками и системами автоматизированного комплекса.
В работе производилось исследование спектров флуоресценции травы (выращенной из газонной смеси Декора Aros), находящейся в нормальном состоянии и при воздействии различных стрессовых факторов (добавление в почву медного купороса CuSO4, железного купороса FeSO4 и соли NaCl). Всего было посажено 24 образца, которые были впоследствии разделены на 3 группы по степени густоты травы.
На установке были проведены измерения спектров флуоресценции травы в диапазоне 595 - 800 нм. Одновременно со спектром флуоресценции регистрировалась интенсивность упруго рассеянного излучения на длине волны 532 нм. Каждый образец измерялся по три раза. Видимый диаметр лазерного пятна на образце составлял приблизительно 2,5 см.
3. Анализ полученных экспериментальных данных
На рис. 4 показаны примеры измеренных спектров газонной травы в нормальном состоянии. Хорошо видно, что интенсивность флуоресценции зависит от степени густоты травы.
Рис. 4. Измеренные спектры флуоресценции травы в нормальном состоянии
На рис. 5 представлена фотография типичного образца травы в нормальном состоянии, с которым проводились эксперименты (габаритные размеры горшка 9х9х10 см, высота травы 8 см).
На рис. 6 показана фотография, на которой представлены для сравнения образцы травы в стрессовых состояниях - через 7 дней после внесения в почву медного купороса
С^Оф
Рис. 5. Фотография экспериментального образца в нормальном состоянии
Як
1
Рис. 6. Фотография образца травы при добавлении в почву медного купороса
На фотографии (рис. 6) видна зеленая трава, внешний вид которой не говорит о загрязнениях почвы.
Флуоресцентный анализ позволяет проводить контроль состояния растений на ранних стадиях, когда по внешнему виду растений стрессовые состояния растений не обнаруживаются.
На рис. 7-9 приведены примеры типичных измеренных спектров лазерно-индуцированной флуоресценции травы в различных стрессовых состояниях, вызванных наличием загрязнителей в почве.
На всех рисунках черная сплошная линия (1) соответствует измерению спектра лазерно-индуцированной флуоресценции через месяц после первых всходов травы, а пунктирная черная линия (2) - еще через две недели непосредственно перед внесением в почву загрязнителей.
На рисунках 7-9 цветные кривые (3) соответствуют спектрам флуоресценции травы в стрессовом состоянии, измеренным через две недели после внесения в почву загрязнителей:
- медного купороса CuS04 (5 г, разбавленные в 200 мл воды, на 3 образца) для рисунка 7 (голубая кривая);
- железного купороса FeS04 (10 г, разбавленные в 200 мл воды, на 3 образца) для рисунка 8 (голубая кривая);
-соли №С1 (5 г на 1 образец) для рисунка 9 (желтая кривая).
На рисунках 7а, 8а, 9а приведены ненормированные спектры флуоресценции, а на рисунках 7б, 8б, 9б приведены нормированные (на сигнал упругого рассеяния на длине волны возбуждения 532 нм) спектры флуоресценции. Нормировка спектров флуоресценции необходима для того, чтобы убрать зависимость интенсивности
измеренных спектров от параметров лабораторной установки (например, от расстояния до исследуемого растения, от энергии в импульсе источника возбуждения излучения флуоресценции и т.п.).
а
б
Рис. 7. Измеренные спектры флуоресценции травы при добавлении в почву медного купороса; а - ненормированные спектры флуоресценции, б - нормированные спектры
флуоресценции
а
б
Рис. 8. Измеренные спектры флуоресценции травы при добавлении в почву железного купороса; а - ненормированные спектры флуоресценции, б - нормированные спектры
флуоресценции
а
б
Рис. 9. Измеренные спектры флуоресценции образца травы при добавление в почву соли; а - ненормированные спектры флуоресценции, б - нормированные спектры
флуоресценции
Из рисунков 7-9 хорошо видно, что спектры флуоресценции здоровой растительности имеют хорошо выраженный максимум на длине волны ~ 740 нм и слабо выраженный максимум на длине волны ~ 690 нм. При этом интенсивность флуоресценции в максимуме на длине волны ~ 740 нм значительно больше, чем интенсивность флуоресценции в максимуме на длине волны ~ 690 нм.
Стресс растений, вызванный наличием загрязнителей в почве, приводит к тому, что разница интенсивностей в максимумах на длинах волн 740 нм и 690 нм становится незначительной (см. рис. 7 - 9). При этом максимум на длине волны ~ 690 нм может оставаться слабо выраженным (см. рис. 10), а может стать хорошо выраженным (см. рис. 7, 8).
Анализ полученных спектров флуоресценции показывает, что наличие загрязнителей в почве заметно искажает форму спектральной кривой флуоресценции даже такого неприхотливого растения как газонная трава.
Заключение
Таким образом, экспериментальные исследования спектров флуоресценции в нормальном и различных стрессовых состояниях показывают, что воздействие на растение стрессовых факторов, вызванных наличием загрязнителей в почве, заметно искажает спектр флуоресценции, что может быть положено в основу лазерного метода контроля состояния растений.
Список литературы
1. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. М.: Мир, 1987. 550 с.
2. Laser-induced fluorescence of green plants. 1: A technique for the remote detection of plant stress and species differentiation / Emmett W. Chappelle [et al.] // Applied Optics. 1984. Vol. 23, no. 1. Р. 134-138.
3. Laser-induced fluorescence of green plants. 2: LIF caused by nutrient deficiencies in corn / Emmett W. Chappelle [et al.] // Applied Optics. 1984. Vol. 23, no. 1. Р. 139-142.
4. Cecchi G., Bazzani M., Pantani L. Fluorescence lidar method for remote monitoring of effects on vegetation // SPIE. 1995. Vol. 2585. Р. 48-56.
5. Luedeker W., Guenther K.P., Dahn H.-G. Laser induced fluorescence a tool for vegetation status- and stress- monitoring and optical aided agriculture // SPIE. 1997. Vol. 3059 Advances in Laser Remote Sensing for Terrestrial and Oceanographic Applications. Р. 63-75. DOI: 10.1117/12.277619
6. Emmett W. Chappelle, Lawrence A. Corp.,James E. McMurtrey III, Moon S. Kim, Craig S.T. Daughtry. Fluorescence: A Diagnostic tool for the detection of stress in plants // Proc. SPIE. 1997. Vol. 2959 Remote Sensing of Vegetation and Sea. DOI:10.1117/12.264261.
7. Fateeva N.L., Matvienko G.G. Application of the method of laser-induced fluorescence // Proc. of SPIE. 2004. Vol. 5232. Р. 652-657.
8. Fluorescence lidar method for remote monitoring of effects on vegetation / G. Matvienko [et al.] // Proc. of SPIE. 2006. Vol. 6367. Р. 63670F-1 - 63670F-8.
9. Фатеева Н.Л., Климкин А.В., Бендер О.В., Зотикова А.П., Ямбуров М.С. Исследование лазерно-индуцированной флуоресценции хвойных и лиственных растений при азотном загрязнении почвы // Оптика атмосферы и океана. 2006. Т. 19, № 2-3. С. 212-215.
10. Detection of mecanical and disease stresses in citrus plants by fluorescence spectroscopy / J. Belasque [et al.] // Applied Optics. 2008. Vol. 47, no. 11. Р. 1922-1926.
11. Water deficit and salt stress diagnosis through LED induced chlorophyll fluorescence analysis in Jatropha curcas L. oil plants for biodisiel / A.S. Gouveia-Neto [et al.] // Proc. of SPIE. 2011. Vol. 7902. Р. 79020А-1 - 79020А-10.
12. Maurya R., Prasad S.M., Gopal R. LIF technique offers the potential for the detection of cadmium-induced alteration in photosynthetic activities of Zea Mays L. // Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews. 2008. Vol. 9. P. 29-35.
13. Middleton E., McMurtrey J.E., Encheva P.K. Campbell Optical and fluorescence properties of corn leaves from different nitrogen regimes // Proc. of SPIE. 2003. Vol. 4879. Р. 72-83.
14. Заворуев В.В., Заворуева Е.Н. Флуоресценция листьев тополей, растущих вблизи автомобильных дорог // Оптика атмосферы и океана. 2011. Т. 24, № 5. С. 437-440.
15. Белов М.Л., Булло О.А., Городничев В.А. Лазерный флуоресцентный метод контроля состояния растений в стрессовых ситуациях // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 4. Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/361884.html (дата обращения 25.03.2013).
16. Федотов Ю.В., Булло О.А., Матросова О.А., Белов М.Л., Городничев В.А. Экспериментальное исследование лазерного флуоресцентного метода контроля состояния растений в стрессовых состояниях, вызванных механическими повреждениями // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 11. DOI: 10.7463/1112.0480063
17. Белов М.Л., Булло О.А., Матросова О.А., Федотов Ю.В., Городничев В.А. Лазерный флуоресцентный метод обнаружения стрессовых состояний растений, вызванных механическими повреждениями // Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение. 2012. Спец. вып. № 9 "Современные проблемы оптотехники". С. 115-121.
18. Ekspla. Режим доступа: http://www.ekspla.com (дата обращения: 13.03.2013).
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THE RAIJMAN MS TU
SCIENCE and EDUCATION
EL № FS77 - 48211. №0421200025. ISSN 1994-040S
electronic scientific and technical journal
Experimental studies of laser fluorescence method for remote control of plant stress situation induced by soil pollution # 05, May 2013 DOI: 10.7463/0513.0565060
Fedotov Yu.V., Bullo O.A., Matrosova O.A., Belov M.L., Gorodnichev V.A.
Bauman Moscow State Technical University, 105005, Moscow, Russian Federation
[email protected] [email protected] [email protected] [email protected]
The article describes an experimental setup for studying the laser fluorescence method for control of stress situations for plants. Fluorescence spectra of lawn grass are presented in normal and various stress conditions during fluorescence excitation at the wavelength of 532 nm induced by anthropogenic soil pollution. It is shown that influence of stress factors induced by soil pollution on plants transforms the fluorescence spectrum significantly; these results could be used as a basis for a new laser method for remote control of plants' condition.
Publications with keywords: fluorescence, plant, laser method, detection of plant stress Publications with words: fluorescence, plant, laser method, detection of plant stress
References
1. Measures R.M. Laser remote sensing. Fundamentals and applications. J. Wiley & Sons, New York, 1984. 510 p. (Russ. ed.: Mezheris R. Lazernoe distantsionnoe zondirovanie. Moscow, Mir, 1987. 550 p.).
2. Emmett W. Chappelle, et al. Laser-induced fluorescence of green plants. 1: A technique for the remote detection of plant stress and species differentiation. Applied Optics, 1984, vol. 23, no. 1, pp. 134-138.
3. Emmett W. Chappelle, et al. Laser-induced fluorescence of green plants. 2: LIF caused by nutrient deficiencies in corn. Applied Optics, 1984, vol. 23, no. 1, pp. 139-142.
4. Cecchi G., Bazzani M., Pantani L. Fluorescence lidar method for remote monitoring of effects on vegetation. Proc. of SPIE, 1995, vol. 2585, pp. 48-56.
5. Luedeker W., Guenther K.P., Dahn H.-G. Laser induced fluorescence a tool for vegetation status- and stress- monitoring and optical aided agriculture. Proc. of SPIE, 1997, vol. 3059
Advances in Laser Remote Sensing for Terrestrial and Oceanographic Applications, pp. 63-75. DOI: 10.1117/12.277619
6. Emmett W. Chappelle, Lawrence A. Corp.,James E. McMurtrey III, Moon S. Kim, Craig S.T. Daughtry. Fluorescence: A Diagnostic tool for the detection of stress in plants. Proc. of SPIE, 1997, vol. 2959 Remote Sensing of Vegetation and Sea. DOI:10.1117/12.264261
7. Fateeva N.L., Matvienko G.G. Application of the method of laser-induced fluorescence. Proc. of SPIE, 2004, vol. 5232, pp. 652-657.
8. Matvienko G., et al. Fluorescence lidar method for remote monitoring of effects on vegetation. Proc. of SPIE, 2006, vol. 6367, pp. 63670F-1 - 63670F-8.
9. Fateeva N.L., Klimkin A.V., Bender O.V., Zotikova A.P., Iamburov M.S. Issledovanie lazerno-indutsirovanoi fluorestsentsii khvoinykh i listvennykh rastenii pri azotnom zagriaznenii pochvy [The study of laser-induced fluorescence of conifers and deciduous plants in the nitrogen pollution of the soil]. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics], 2006, vol. 19, no. 2-3, pp. 212-215.
10. Belasque J., et al. Detection of mechanical and disease stresses in citrus plants by fluorescence spectroscopy. Applied Optics, 2008, vol. 47, no. 11, pp. 1922-1926.
11. Gouveia-Neto A.S., et al. Water deficit and salt stress diagnosis through LED induced chlorophyll fluorescence analysis in Jatropha curcas L. oil plants for biodisiel. Proc. of SPIE, 2011, vol. 7902, pp. 79020A-1 - 79020A-10.
12. Maurya R., Prasad S.M., Gopal R. LIF technique offers the potential for the detection of cadmium-induced alteration in photosynthetic activities of Zea Mays L. Journal of Photochemistry andPhotobiology C: Photochemistry Reviews, 2008, vol. 9, pp. 29-35.
13. Middleton E., McMurtrey J.E., Encheva P.K. Campbell Optical and fluorescence properties of corn leaves from different nitrogen regimes. Proc. of SPIE, 2003, vol. 4879, pp. 72-83.
14. Zavoruev V.V., Zavorueva E.N. Fluorestsentsiia list'ev topolei, rastushchikh vblizi avtomobil'nykh dorog [Fluorescence of poplar leaves, growing near the road]. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics], 2011, vol. 24, no. 5, pp. 437-440.
15. Belov M.L., Bullo O.A., Gorodnichev V.A. Lazernyi fluorestsentnyi metod kontrolia sostoianiia rastenii v stressovykh situatsiiakh [Laser fluorescence method of remote control of plants state under stress]. Nauka i obrazovanieMGTUim. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU], 2012, no. 4. Available at: http://technomag.edu.ru/doc/361884.html , accessed 25.03.2013.
16. Fedotov Iu.V., Bullo O.A., Matrosova O.A., Belov M.L., Gorodnichev V.A. Eksperimental'noe issledovanie lazernogo fluorestsentnogo metoda kontrolia sostoianiia rastenii v stressovykh sostoianiiakh, vyzvannykh mekhanicheskimi povrezhdeniiami [Experimental studies of laser fluorescence method for remote sensing of plants in stressful situations due to mechanical injuries]. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU], 2012, no.11. DOI: 10.7463/1112.0480063
17. Belov M.L., Bullo O.A., Matrosova O.A., Fedotov Iu.V., Gorodnichev V.A. Lazernyi fluorestsentnyi metod obnaruzheniia stressovykh sostoianii rastenii, vyzvannykh mekhanicheskimi povrezhdeniiami [Laser fluorescence method of detection of stress conditions
of plants caused by mechanical damage]. VestnikMGTU. Ser. Priborostroenie [Herald of the Bauman MSTU. Ser. Instrument Engineering], 2012, Spec. iss. no. 9 "Sovremennyeproblemy optotekhniki" [Modern problems of optical engineering], pp. 115-121.
18. Ekspla. Available at: http://www.ekspla.com , accessed 13.03.2012
