CC BY
2
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АКТИВИРОВАННОЙ ПЛАЗМОЙ ВОДЫ ДЛЯ СТИМУЛЯЦИИ
РОСТА САДОВЫХ РАСТЕНИЙ
Д.В. Казанцева, мл. науч. сотр. М.О. Пасхин, мл. науч. сотр.
В.И. Луканин, канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. Институт общей физики им. А.М. Прохорова (Россия, г. Москва)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-9-3-53-57
Аннотация. Технологии, основанные на получении и применении плазма-активированной воды (ПАВ), являются перспективным направлением в сельском хозяйстве. Метод плазменной активации осуществляется генератором плазмы тлеющего разряда. Это простой и привлекательный процесс получения ПАВ, но сохранение активных соединений в течение длительного времени является одной из важнейших проблем. Поли-винилпирролидон - инертный, нетоксичный, термостойкий, биоразлагаемый полимер, который хорошо зарекомендовал себя как стабилизирующий агент, поэтому было предложено использовать его с ПАВ. В данной работе активированная плазмой вода использовалась для предпосевной обработки семян земляники (Fragaria ananassa), характеризующихся низкой всхожестью. Было показано, что использование ПАВ привело к повышению всхожести семян на 30 процентов, большему развитию на начальных стадиях и более высокой всходимости. Биохимический анализ проростков показал, что баланс фитогормонов смещен в сторону ростовых гормонов. Таким образом, получаемая нами ПАВ эффективна для ускорения роста и развития растений земляники.
Ключевые слова: активированная плазмой вода, растения, клубника, рост, полимер.
Большая часть земель в России, пригодных для сельскохозяйственного использования, относится к зонам рискованного (затрудненного из-за климатических условий) земледелия [1]. Поэтому важно найти и создать антистрессовые регуляторы роста. Эти регуляторы должны обладать определенными свойствами. Они должны быть полезны для использования в сельскохозяйственной практике. Несколько десятилетий назад было предложено использовать обработанные плазмой водные растворы в качестве стимуляторов роста растений [2]. При взаимодействии плазмы с конденсированным веществом, таким как вода, происходит передача энергии между частью электронов и ионов плазмы и молекулами воды [3]. В результате в воде образуется несколько порядков различных химических соединений [4]. Некоторые из этих соединений обладают значительной биологической активностью и сохраняют свои свойства в течение длительного времени. Некоторые из этих соединений называются активными формами кислоро-
да, а другие - активными формами азота [3]. Высокие уровни активных форм кислорода могут приводить к окислительному стрессу, тогда как низкие уровни могут оказывать заметное стимулирующее воздействие на живые системы [5]. Воду, обработанную плазмой и содержащую много активных соединений, обычно называют плазма-активированной водой. Активные соединения имеют короткий срок службы, что поднимает проблему стабилизации ПАВ. Одним из подходов к решению этой проблемы является ингибирование поверхностно-активных соединений [6]. Они стабилизируют молекулы перекиси водорода. Мы предполагаем, что поливи-нилпирролидон (ПВП) может служить таким соединением. ПВП - водорастворимый биосовместимый полимер. Он широко используется в биологических исследованиях и медицинских приложениях. ПВП обладает способностью связывать до 5060% массы перекиси водорода. Квантово-химические расчеты использовались для определения энергий связи для модельных
систем ПВП с перекисью водорода. Полученные результаты подтверждают, что полимер образует прочные комплексы с перекисью. Это позволяет разрабатывать биологически активные комплексы с длительной эффективностью. Это особенно выгодно, когда перекись водорода генерируется непосредственно в активной системе.
Методология, используемая для получения плазменно-активированной воды, основана на использовании электрохимической ячейки. Ячейка имеет контейнер, в котором находится электролит, куда погружены два электрода - активный и пассивный. Работающая часть называется катодом [7, 8]. Он изготовлен из вольфрама и имеет вид цилиндра диаметром 0,6 мм и длиной до 20 мм. Нейтральный электрод (анод) изготовлен из пиролитического графита и имеет площадь 12 см2. При работе установки ток, протекающий через реактор, имеет постоянную составляющую, а в реакторе образуются две области. Питание реактора осуществляется от специально разработанного высокочастотного генератора, работающего на частоте 0,44 МГц. Рабочее напряжение на электродах реактора поддерживается в пределах 250-350 В. Пиковая мощность генератора при зажигании составляет 1500 Вт, а потребляемая мощность во время работы - около 300 Вт. Для корректной работы устройства ток в отрицательном полупериоде (катодная полярность) должен значительно превышать ток в положительном полупериоде (анодная полярность). Форма изменения силы тока во времени в отрицательном полупериоде и положительном полупериоде также существенно отличается.
Мы использовали высокоточную измерительную станцию Seven Ex Cellence S470 (Mettler Toledo, Колумбус, Огайо, США) с электродом-датчиком InLab Expert Pro-ISM. Измерения pH и окислительно-восстановительный потенциал проверяли на датчике InLab Redox и проводимость на датчике InLab731-ISM. Измеряемые растворы смешивали в ламинарном режиме с частотой около 2-3 Гц. Концентрацию молекулярного кислорода, растворенного в ПАВ, определяли с помощью полярографа
АКПМ-1-02 (BSS, Москва, Россия) с учетом атмосферного давления и компенсации. Концентрацию нитрат-анионов определяли с помощью нитратомера Horiba LAQUAtwin B-741. Концентрацию перекиси водорода в ПАВ определяли методом усиленной хемилюминесценции в системе «люминол-4-йодфенол-пероксидаза».
Использовали семена земляники (Fragaria ananassa) садового сорта Regina. Объем выборки семян для одного опыта составил 100 штук. Было проведено пять серий независимых экспериментов. Семена отбирали случайным образом. Предпосевную обработку проводили путем погружения семян земляники в специальном ситечке в исследуемый раствор на 5 минут с последующим высушиванием при комнатной температуре. Семена раскладывали для проращивания на влажные целлюлозные фильтры в климатической камере с температурой +20 °C. Проверяли их на всхожесть на 8, 10 и 15 сутки.
Активность супероксиддисмутазы измеряли колориметрически с использованием нитросинего тетразолия. Активность пе-роксидазы оценивали по окислению гваякола, которое контролировали по изменению оптической плотности при 470 нм. Активность каталазы измеряли по потреблению перекиси водорода с использованием описанного выше метода. Перекисное окисление липидов оценивали по измерению содержания малонового диальдегида.
Результаты исследования
Воздействие плазмы на образцы водных растворов проводили в течение 30 минут. При более длительном воздействии скорость образования некоторых химических продуктов снижалась. В частности, концентрация перекиси водорода переставала существенно увеличиваться. Максимальные концентрации перекиси водорода достигали 7-10 мМ.
Исследования показали, что предобработка семян стимулирующим раствором ПВП и ПАВ оказывает положительное влияние на посевные качества семян. Это проявляется в увеличении площади листовой поверхности проростков уже на ранней стадии роста. Результаты оценки представлены на графике.
Control PAW + PVP
10 12 14
Duration of the Experiment, Days
Рис. Площадь поверхности листьев земляники в мм2, * - Статистические различия относительно контрольной группы (р < 0,05).
Так, на 8-й день площадь листовой поверхности предобработанных семян была в 1,4 раза больше, чем у контроля. К 10-му дню разница достигла своего максимума и составляла 1,6 раза. Это близко к разнице всхожести, измеренной на первом этапе. Разница между контролем и опытом практически незаметна. Это связано с ростом и взаимным перекрытием листовых поверхностей проростков. Увеличение площади листовой поверхности у обработанных семян свидетельствует об улучшении фотосинтеза. Как следствие, растения растут и развиваются интенсивнее. Это подтверждается и тем, что обработанные семена показали более высокую урожайность по сравнению с контролем. Стимулирующий раствор плазменно-активированной воды с ПВП оказывает положительное влияние на качество семян.
Эффект плазменно-активированного комплекса за счет активных соединений может вызывать небольшой стресс у растений, тем самым повышая их жизнеспособность [9]. В связи с этим предложением было проведено
исследование по изучению влияния обработки ПВП и ПАВ на антиоксидантный статус растений земляники.
После обработки ПВП и ПАВ было показано, что наблюдалось снижение активности антиоксидантных ферментов в листьях растений земляники. Активность супероксиддисмутазы снизилась на 35% по
сравнению с контролем через 8 дней обработки. Активность пероксидазы существенно не изменилась. Активность фермента каталазы снизилась более чем на 20% по сравнению с контрольными значениями. В то же время количество малонового диальдегида в тканях листьев увеличилось на 15-20% по сравнению с контролем. Так, было установлено, что обработка ПВП и ПАВ не вызывала развития гормезиса у растений.
Одним из фитогормонов является индо-лил-3-уксусная кислота (ИУК). Это химическое вещество с высокой физиологической активностью. Оно образуется в растениях и влияет на процессы роста [10]. Его также называют гормоном роста. Было изучено влияние обработки ПВП и ПАВ на содержание ИУК в листьях растений земляники. Было установлено, что после обработки ПВП и ПАВ наблюдалось увеличение содержания гормона в тканях листьев на 30% по сравнению с контролем.
Также одним из значимых гормонов, влияющих на развитие и развитие растений, является абсцизовая кислота (АБК). Абсцизовая кислота является фитогормо-ном, который подавляет рост и развитие [11]. Известно, что АБК и ИУК могут оказывать перекрестное действие друг на друга [12]. Изучалось влияние обработок PAW и PVP на содержание абсцизовой кислоты в листьях растений земляники. Было обнаружено, что после обработки плазменно-активированной водой и PVP
1500 -
1000-
500-
0-
8
16
наблюдалось снижение содержания гор- энергичными. На физико-химическом мона в тканях листьев на 25% по сравне- уровне наблюдались более высокие скоро-нию с контролем. В целом полученные сти оттока метаболитов из семян после обданные в сочетании с данными о содержа- работки семян ПВП и ПАВ. В листьях со-нии пигментов и скорости усвоения позво- держание гормона роста индолил-3-ляют предположить, что обработка ПВП и уксусной кислоты было выше, в то время ПАВ на биологическом уровне также мо- как содержание гормона роста абсцизовой жет работать через эти механизмы. кислоты было снижено. Использование
Заключение стимулирующего раствора на основе ком-
Результаты показали, что после обра- позиции ПВП и ПАВ может быть эффек-ботки комбинацией раствора плазменной тивным средством проведения однократ-активации и поливинилпирролидона семе- ной предпосевной обработки семян земля-на имели более высокую всхожесть, расте- ники при размножении растений. ния развивались быстрее и были более
Библиографический список
1. Thirumdas R. et al. Plasma activated water (PAW): Chemistry, physico-chemical properties, applications in food and agriculture // Trends in food science & technology. - 2018. - Т. 77.
- P. 21-31.
2. Bulanov S.V. Electron Dynamics in the Field of Strong Plasma and Electromagnetic Waves: A Review // Physics of Wave Phenomena. - 2021. - Т. 29. - № 1. - Pp. 1-46.
3. Simakin A.V. et al. Comparison of the intensities of chemical and physical processes occurring during laser-induced breakdown of colloidal solutions of Tb nanoparticles with different oxidation states // Doklady Physics. - Moscow: Pleiades Publishing. - 2022. - Т. 67. - № 11. -Pp. 465-471.
4. Danileyko Y.K. et al. Portable Technology for Obtaining Plasma-Activated Water to Stimulate the Growth of Spruce and Strawberry Plants // Horticulturae. - 2023. - Т. 9. - № 10. -P. 1142.
5. Gulen H., Kesici M., Ergin S. Proline and antioxidant enzyme activities in some strawberry cultivars under drought and recovery. - 2018.
6. Gudkov S.V. et al. Impact of biologically relevant anions on reactive oxygen species formation in water under the action of non-ionizing physical agents //Biophysics. - 2014. - Т. 59. -Pp. 700-707.
7. Meier A. et al. Reviewing Plasma Seed Treatments for Advancing Agriculture Applications on Earth and Into the Final Frontier //Gravitational and Space Research. - 2021. - Т. 9. - № 1. -Pp. 133-158.
8. Ohta T. Plasma in agriculture // Cold plasma in food and agriculture. - 2016. - Pp. 205221.
9. Sergeichev K.F. et al. Water activated by a microwave plasma argon jet as a factor stimulating the germination of plant seeds // Russian Journal of Physical Chemistry B. - 2022. - Т. 16.
- № 1. - Pp. 84-89.
10. Bispo R.L. B. et al. Exogenous Indole-3-Acetic acid production and phosphate solubilization by Chlorella vulgaris beijerinck in heterotrophic conditions // Fermentation. - 2023. - Т. 9.
- № 2. - P. 116.
11. Zhao Y. et al. Abscisic-acid-regulated responses to alleviate cadmium toxicity in plants //Plants. - 2023. - Т. 12. - № 5. - Pp. 1023.
12. Ortiz-Garcia P. et al. Do opposites attract? Auxin-abscisic acid crosstalk: new perspectives // International Journal of Molecular Sciences. - 2023. - Т. 24. - № 4. - P. 3090.
USING PLASMA-ACTIVATED WATER TO STIMULATE THE GROWTH
OF GARDEN PLANTS
D.V. Kazantseva, Junior Researcher M.O. Paskhin, Junior Researcher
V.I. Lukonin, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Senior Researcher A.M. Prokhorov Institute of General Physics (Russia, Moscow)
Abstract. Technologies based on obtaining and using plasma-activated water (PAW) are a promising direction in agriculture. The method of plasma activation by a glow discharge generator. This is a simple and attractive process for obtaining PAW, but preserving active compounds for a long time is one of the main problems. Polyvinylpyrrolidone is an aqueous inert, non-toxic, heat-resistant, biodegradable polymer that has proven itself as a stabilizing agent, so it was proposed to use it with PAW. In this work, plasma-activated water was usedfor pre-sowing treatment of strawberry seeds (Fragaria ananassa), characterized by a low germination rate. It was shown that the use of PAW led to an increase in seed germination by 30 percent, greater development at the initial stages and higher germination. Biochemical analysis of seedlings showed that the balance of phytohormones shifts towards growth hormones. Thus, we obtain a surfactant that is effective in accelerating the growth and development of earthlings.
Keywords: plasma activated water, plants, strawberries, growth, polymer.
