CC BY
19ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОЛОКОННОГО ИТТЕРБИЕВОГО ЛАЗЕРА ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ОБЛУЧЕНИЯ НА СЕМЕНА
ДАНЧЕНКО М. В.,
Национальный исследовательский университет ИТМО, m_a_r_i_a_g_l@mail.ru
ЛИСИНА Т.Н.,
Пермский научно-исследовательский институт сельского хозяйства ПФИЦ УрО РАН, atea2@yandex.ru
Лазерное облучение при предпосевной обработке семян является одним из способов применения фотонных технологий для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур. Технологии лазерного облучения семян соответствуют концепции экологического земледелия и являются энергосберегающими. В настоящей работе проведены эксперименты по предпосевному облучению семян пяти видов сельскохозяйственных культур иттербиевым волоконным лазером. Экспериментально подтверждено наличие положительного влияния облучения на семена льна и гороха в лабораторных условиях.
Laser irradiation during pre-sowing seed treatment is one of the ways to use photonic technologies to increase the productivity of crops. The laser technologies developed for seeds irradiation correspond to the concept of ecological farming and are energy-saving. In this manuscript, experiments were carried out on the five types of agricultural crops seeds presowing irradiation of an ytterbium fiber laser. The presence of irradiation positive effect on flax and pea seeds in laboratory conditions has been experimentally confirmed.
ВВЕДЕНИЕ.
Лазерные технологии находят широкое применение в современной науке, технике и медицине и сельском хозяйстве. Опыт применения лазерных технологий в сельском хозяйстве не ограничивается использованием лазеров при проектировании и производстве сельскохозяйственной техники. Лазерное излучение способно оказывать непосредственное влияние на биологические организмы, в том числе на сельскохозяйственные культуры [1].
БЕЛОКРЫЛОВ М. Е.,
Пермский научно-исследовательский институт сельского хозяйства ПФИЦ УрО РАН, belokrylovme@gmail.com
КОНСТАНТИНОВ Ю.А.,
Пермский федеральный исследовательский центр УрО РАН,
yuri.al.konstantinov@ro.ru
doi 10.24412/2308-6920-2022-7-8-11
Управляя параметрами и характеристиками света - его спектральным составом, плотностью мощности, существует возможность оказывать влияние на рост, развитие, плодоношение, морфологию (фотоморфогенез), направление роста (фототропизм), а также стрессоустойчивость растений [2,3,4].
По данным опубликованных исследований наибольший биологический эффект оказывает лазерное излучение, обладающее высокой когерентностью [3,5,6,8]. Кратковременное облучение возбуждает специфические белки-хромопротеи-ды фоторегуляторных систем клетки. В результате возрастает функциональная активность всего организма, что может проявляться в повышении регенерационной способности, устойчивости, продуктивности [6,7].
Одним из практических применений лазерных технологий в сельском хозяйстве является предпосевная обработка семян. Обработка семян в инфракрасном излучении позволяет интенсифицировать биохимические процессы зародыша, в результате чего увеличивается энергия прорастания и всхожесть. На сегодняшний день имеется много исследований, доказывающих, что воздействие низкоинтенсивного когерентного света повышает энергию прорастания семян, увеличивает устойчивость к неблагоприятным биотическим и абиотическим факторам, стимулирует рост растений [2,10,11,12]. Это позволяет снизить объём применения токсичных защитных препаратов - фунгицидов. Последние научные приоритеты в сфере аграрной политики предусматривают ограничение применения химических средств, гормональных препаратов и пестицидов при возделывании сельскохозяйственных культур.
На это клетки активизируют антиоксидантные системы, что может сопровождаться стимуляцией функциональной активности [9]. ИК обработка не изменяет содержание основных макронутриентов в семенах, однако оказывает влияние на изменение соотношения фракций в белковом комплексе семян (уменьшается содержание альбуминов и повышается
f \ Ключевые слова: иттербиевый лазер, семена сельскохозяйственных культур, предпосевная обработка, всхожесть семян, длина проростков семян.
Key words: ytterbium laser, crop seeds, pre-sowing treatment, seed germination, length of seedlings.
Рис. 1. Схема установки для облучения семян с волоконным иттерби-евым лазером. ЧЙ - брэгговская решетка с высоким коэффициентом отражения, Й - коэффициент отражения брэгговской решетки.
содержание глютелинов и нерастворимых белков). Таким образом, под действием кратковременной ИК-обработки не снижается биологическая ценность семян, происходит мягкая денатурация белка, что повышает его перевариваемость [5].
В России разработаны промышленные установки для предпосевной обработки семян, но в основном с использованием гелий-неоновых лазеров. По литературным данным перспективным направлением исследований является замена или дополнение газовых гелий-неоновых устройств современными полупроводниковыми диодами или лазерами. Кроме того, развитие оптоволоконных технологий позволяет расширить области применения волоконных лазеров, в том числе на область сельского хозяйства. Волоконные лазеры обладают рядом важных качеств, позволяющих применять их в жёстких условиях. В частности, они обладают компактными размерами и высокой устойчивостью к механическим воздействиям. Благодаря использованию волоконных брэгговских решеток и активных сред, легированных ионами редкоземельных металлов Ш 3+, Yb 3+, Er 3+, ^ 3+, Ш 3+, волоконные лазеры обладают высокой гибкостью к выбору спектрального состава излучения. Использование полупроводниковых диодов накачки с волоконным выходом предоставляет широкие возможности по управлению мощностью выходного излучения.
В настоящей работе по исследованию воздействия излучения ближнего ИК спектра на прорастаемость семян нескольких сельскохозяйственных культур был использован волоконный иттербиевый лазер.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ.
Схема волоконного иттербиевого лазера в составе установки для предпосевной обработки семян изображена на рисунке 1. Волоконный лазер состоит из полупроводникового диода накачки с волоконным выходом с длиной волны 976 нм и мощностью до 30 Вт, отрезка двухэлементного волоконного световода GT-wave, легированного ионами иттербия и двумя брэгговскими решетками, образующими резонатор. Входная решётка имеет близкий к единице коэффициент отражения, а коэффициент отражения выходной решетки, равный 30%, определялся из расчета величины усиления и оптических потерь излучения в световоде. [7,8].
Данная схема лазера позволила получить непрерывную лазерную генерацию с центральной длиной волны в области 1080 нм, с шириной спектральной линии (при используемой в экспериментах с облучением семян выходной мощности около 0.5 Вт) около 1 нм (рис. 2) [13]. Для измерения спектрального состава с помощью спектроанализатора был использован оптический аттенюатор. На рисунке 2 приведён спектр лазера с учётом ослабления мощности оптическим аттенюатором. Ширина спектра на полувысоте составляет 1 нм. Подавление спонтанной эмиссии более 40 дБ.
Рис. 2. Спектр волоконного иттербиевого лазера
Выходной пучок лазерного излучения из сколотого торца волокна направлялся на зеркало через линзу, после чего излучение попадало на исследуемый образец (рис. 1). Радиус светового пятна с гауссовым распределением мощности составлял порядка 2.5 см. Получаемое значение плотности мощности Ш излучения - 250 Вт/м2. Изменяя радиус пятна лазера, можно регулировать значение плотности мощности.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.
В каждом эксперименте использовались 4 контейнера с семенами. На дне контейнера помещался слой фольги, на нём располагалась смоченная водой марлевая ткань, на марлевой ткани выкладывались семена. В первый контейнер помещалось 50 семян контрольного образца, которые не подвергались облучению. Остальные образцы в контейнерах подвергались облучению длительностью 1, 3 и 5 минут. Эксперимент повторялся 5 раз. Лабораторные исследования энергии прорастания и всхожести семян проводились согласно действующим в настоящее время стандартам. Результаты эксперимента снимали через 3 дня. Измерялось количество проросших зёрен и их длина ростков.
РЕЗУЛЬТАТЫ.
На рисунке 3 приведены результаты измерения числа проросших семян в зависимости от времени облучения. Основной стимуляционный эффект облучения наблюдается для семян льна. Доверительный интервал для доли проросших
Горох Лён
Пшеница №1 Овёс
Пшеница №2
У.
Рис. 3. Зависимость количества проросших зёрен от длительности облучения.
Время облучения, мин
Рис. 4. Зависимость средней длины ростков от длительности облучения.
семян составляет 20% для всех видов семян. Облучение зерен двух сортов пшеницы и одного сорта гороха не дало статистически значимых различий на всхожесть. Облучение зёрен льна дало положительный эффект вегетации зёрен, и качественно подтвердило цикличность процесса стимуляции [4]. Облучение зерен овса привело к снижению показателей энергии прорастания, однако данный эффект находится на границе погрешности 20%.
Вторым исследуемым показателем являлась средняя длина ростков. В результате были получены следующие показатели (рис. 4). Стимуляция роста ростков для зёрен овса выбранными показателями нецелесообразна, полученные результаты стимуляции или ухудшения не выходят за интервал погрешности. На пшеницу №2 облучение иттерби-евым лазером оказывает негативное влияние на всех временных интервалах облучения. Для пшеницы №1 наблюдается положительная отдача при длительности облучения 1 = 1 мин, однако она также находится на границе погрешности. Наблюдается значительное повышение длины ростков гороха при 1 = 3, 5 мин. На зёрна льна облучение иттер-биевым лазером так же оказывает существенное положительное влияние на всех исследуемых временах облучения.
Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что семена гороха и льна положительно реагируют на облучение УЬ-лазером в выбранных режимах, потому проведение дальнейших экспериментов планируется с облучением данных семян.
Облучение семян пшеницы и овса не дало статистически значимых результатов. Возможно, что для стимуляции роста данных культур необходимо применять другие значения длины волны, плотности мощности или длительности облучения.
ОЦЕНКА ТЕПЛОВОГО ВЛИЯНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА НА ОБЛУЧАЕМЫЕ СЕМЕНА.
Очевидно предположить, что стимуляция роста отдельных видов семян может быть вызвана тепловым эффектом облучения. Для оценки влияния теплового нагрева исследуемых семян был проведен качественный расчет нагрева облучаемых семян излучением лазера. При максимальном времени облучения, равном 300 секунд и мощности, равной 0.5 Вт, семенам, погруженным в 2 см3 воды, сообщалась энергия равная:
Q = р . 1 = 150 Дж (1)
Сообщаемая энергия приводила к изменению температуры семян, окружающей воды, марлевой подкладке и фольге (которая лежала под облучаемым материалом) равному (без учета теплоотдачи):
АТ= О- = 150 „ 7° (2)
^ с • т 4200 • 0.005 ' у>
Где Q - подводимая энергия, с - теплоемкость воды, т -суммарная масса облучаемого материала. С учётом того, что основная масса облучаемого материала приходится на воду, для оценки была взята теплоёмкость воды. Оценка теплоотдачи в окружающий воздух от фольги, на которой располагались семена, площадью равной 20 см2 составляет:
Q =а • 5 • АТ • Ж « 100 Дж, (3)
Где а - суммарный коэффициент теплоотдачи поверхность-воздух, 5 - площадь поверхности, АТ - пороговая разность температур, А1 - время.
Учитывая поглощательную способность облучаемых материалов и перенос тепла через физический контакт облучаемого материала с предметным столиком, повышение температуры семян за время облучения не превышает 1°С
ВЫВОДЫ.
Проведены исследования влияния предпосевной обработки семян с использованием иттербиевого волоконного лазера.
• Для семян льна продемонстрировано повышение процента прорастаемых семян, а также существенное увеличение длины их ростков.
• Семена гороха после облучения в течение 3-х минут демонстрируют увеличение длины ростков, однако, процент всхожести не изменяется.
• На семенах пшеницы №2 наблюдается сокращение длины ростков, при сохранении процента всхожести.
• Для семян овса и пшеницы №1 статистически значимого влияния облучения иттербиевым лазером при выбранных условиях не зафиксировано.
В дальнейших работах планируется продолжить проведение экспериментов по облучению зёрен ближним ИК спектром для получения более точной и полной статистической картины исследования. Также планируется расширить временной диапазон воздействия и разнообразить опыты различным семенным материалом. Таким образом, можно будет пронаблюдать наличие цикличности процесса стимуляции и проследить за его изменениями при облучении Yb лазером.
При получении статистически достоверных результатов по влиянию облучения иттербиевым лазером на семенной материал планируется провести эксперименты с изменением степени когерентности излучения и отследить влияние этих изменений на развитие семени, а также на последующие стадии развития растений: густоту стеблей, количество зерен в колосе, масса зерен, биохимическую структуру зерен. Также следует исследовать возможные отложенные во времени последствия облучения на качество товарного урожая.
Работа выполнена в рамках государственного задания, номер государственной регистрации НИОКТР 122031100058-3.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Попов А. Ю., Попова Н. А., Тюрин А. В. Физическая модель воздействия низкоинтенсивного лазерного излучения на биологические объекты //Оптика и спектроскопия. - 2007. - Т. 103. - №. 4. - С. 690-697.
2. Ю. Н. Кульчин. Агробиофотоника - влияние света на развитие растений. - Фотон-Экспресс, 2019, 6(158), с. 64.
3. А. В. Будаговский. О способности клеток различать когерентность оптического излучения. - Квантовая электроника, 2005, т. 35, №4, с. 369-374.
4. А. В. Будаговский. Фоторегуляторное действие когерентного света. - Плодоводство и ягодоводство России, 2012, т. 33, с. 53-60.
5. Миневич И.Э., Ущаповский И.В. Влияние ИК-об-лучения на биологическую ценность семян льна. Аграрная наука. 2020;(11-12):144-146. https://doi. org/10.32634/0869-8155-2020-343-11-134-136
6. Будаговский А.В., Будаговская О.Н. Фотоника в сельском хозяйстве и природопользовании, перспективные направления развития Лазер-Информ N 1516 (582-583), август 2016
7. А.В. Будаговский, Н.В. Соловых, О.Н. Будагов-ская. Реакция растительных организмов на воздействие квазимонохроматического света с различными длительностью, интенсивностью и длиной волны. - Квантовый электроник, 2015, 45, №4, с. 345 - 350
8. А. С. Курков, Е. М. Дианов, "Непрерывные волоконные лазеры средней мощности", Квантовая электроника, 34:10 (2004), 881-900 [Quantum Electron., 34:10 (2004), 881-900]
9. Гарифзянов А. Р., Жуков H.H., Иванищев В. В. Образование и физиологические реакции активных форм кислорода в клетках растений // Современные проблемы науки и образования. - № 2. - 2011.
10. А. В. Будаговский. Дистанционное межклеточное взаимодействие. - М.: НПЛЦ «Техника», 2004. - 104 с.
11. С.Х. Ким, С. З. Цой, С. Ч. Ким. Обработка рисовых семян лазерным светом. - Международный научно-исследовательский журнал. - №4-6 (46), 2016, с. 43-46.
12. Dolgovyh O.G., Krasil'nikov V.V., Gaztdinov R.R. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2012. №4. URL: ivdon.ru/ magazine/archive/n4p2y2012/1422.
13. М. Е. Белокрылов, Ю. А. Константинов, К. П. Латкин, Д. Клод, Д. А. Селезнев, А. А. Степин, Ю. А. Конин, В. А. Щербакова, Р. Р. Кашина / Полностью волоконный рефлектометр временной области для измерения длины активных эрбиевых волоконных световодов / Приборы и техника эксперимента Номер 4, 2020, с. 45=50 DOI: 10.31857/S0032816220050018
