CC BY
58
Исследование влияния предпосевной обработки семян древесных пород
водой, активированной плазмой
О.И. Гаврилова, К.В. Гостев, В.А. Гостев, М.В. Журавлева, М.А. Румянцева ФБГОУВО «Петрозаводский государственный университет» (ПетрГУ)
Аннотация: Проведена обработка посевного материала древесных пород активированной плазмой водой и исследование ее результатов для повышения процента всхожести семян и ускоренного прорастания. Результатом работы является проведенный анализ результатов посева семян ели европейской (Picea abies L.), сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), березы повислой (Betula pendula Roth.) и клена ясенелистного (Acer negundo L). При времени воздействия 2 минуты всхожесть семян сосны возросла на 22% относительно контроля, ели на 11. Для семян березы период прорастания сократился на 1 день для и 3 дня для клена при общем увеличении всхожести на 18 и 16%. После фитопатологического анализа семян был выявлен некоторый бактерицидный эффект, связанный с уменьшением числа зараженных грибами рода Alternaria, Penicillium и др.
Ключевые слова: вода, низкотемпературная плазма, семена, прорастание, сосна обыкновенная, ель европейская, береза повислая, клен ясенелистный
Важным условием хорошей приживаемости посадочного материала на лесокультурной площади является его высокое качество [1]. При посевах семян в лесных питомниках актуальной проблемой остается выведение семян из состояния покоя [2-4]. Для культур севера России неотъемлемой фазой жизненного цикла является глубокий покой, без которого невозможно прорастание семян. Покой семян обеспечивает сохранение их способности к прорастанию. В связи с периодичностью плодоношения древесных пород семенные годы наступают один раз в несколько лет, и семена хранятся в специализированных семенохранилищах. За время хранения семян нарушается ход их естественной подготовки к прорастанию, снижается качество, ухудшается всхожесть. Предпосевная обработка семян
необходима, так как она улучшает всхожесть семян и сопротивляемость всходов инфекционным заболеваниям [4].
Всхожесть семян зависит от температурных и влажностных условий и
наличия кислорода. Световой режим, динамика температуры дня и ночи и наличие не менее важных питательных веществ - основные факторы, которые следует выделить. Эти факторы оказывают влияние на темпы роста сеянца на начальных этапах развития. При оптимальном режиме проращивания, который наблюдается в условиях теплиц при выращивании контейнеризированных сеянцев, сроки появления всходов в большой степени зависят от способа подготовки семян к посеву [1, 4, 5].
В Республике Карелия имеется склад для хранения семян емкостью 10 т, в котором постоянно поддерживается температура -6 °С. При этом длительность хранения семян с сохранением их качества повышается. Однако и при таком режиме хранения необходимо выводить семена из состояния покоя [4].
Существует довольно большое разнообразие способов подготовки семян к посеву. Самым простым и наиболее распространенным способом, который еще и воздействует щадяще на семена, является намачивание семян в воде. Главные факторы, которые влияют на всхожесть семян, это вода, воздух и тепло. Семена впитывают воду, за счет этого набухают, оболочка разрывается и частицы почвы, окружающие семя, отодвигаются. Вода и воздух увеличивают содержание ферментов в семени. Под воздействием этих двух факторов, воды и воздуха, нерастворимые питательные элементы, которые находятся в семени, переходят в статус легкоусвояемых. [3, 4, 11]
Электрохимическая активация - это технология получения метастабильных веществ анодным или катодным электрохимическим воздействием для последующего использования этих веществ в различных технологических процессах в период сохранения ими повышенной физико-химической и каталитической активности [7, 8].
В Петрозаводском государственном университете в рамках комплексных исследований в области интенсификации лесопользования [5],
ведется поиск путей использования приложений низкотемпературной плазмы для интенсификации биологических процессов, протекающих в семенах древесных пород на начальном этапе развития [4, 5, 6]. На базе физико-технического факультета ПетрГУ было создано мобильное устройство импульсного генератора переохлажденной плазмы на воде [9, 8, 12, 13]. Внешний вид устройства и его структурная схема представлены на рисунке 1.
а б
Рис. 1 - Внешний вид генератора в работе (а); схема установки мобильного устройства импульсного генератора переохлажденной плазмы на воде (б): 1 - блок питания; 2 - ёмкость с водой; 3 - компрессор; а - анод; б -катод.
Технические характеристики мобильного устройства импульсного генератора переохлажденной плазмы на воде:
• Рабочее вещество - вода;
• Объем воды - 1 л;
• Средняя температура: 40-60 °С;
• Напряжение горения разряда 5 кВ;
• Импульсный ток: ~ 40А;
• Энергия одного импульса: ~ 1Дж;
• Скважность 0,1-0,01;
• Частота импульсов 1-10 Гц;
• Потребляемая мощность от сети 50 Вт.
Плазмообразующим веществом является дистиллированная вода. При прохождении воды через разрядный промежуток происходит ее активация с изменением уровня кислотности рН. Время воздействия низкотемпературной плазмы на воду может варьировать. В экспериментах время активации воды в разряде переохлажденной плазмы составляло 2 и 4 минуты. Непосредственно после активации были проведены замеры уровня кислотности. Измерения уровня рН показали, что в исследуемом образце до обработки среда характеризуется как кислая (рН=6,6; близка к нейтральной), после обработки уровень рН увеличивается до рН=8,23 и постепенно в течение времени уменьшается и даже восстанавливается до начального. Впоследствии увеличение уровня рН существенно повышается, на 1-2 единицы. При обработке воды в течение 2 минут уровень кислотности стабилизируется в течение нескольких суток, при обработке в течение 4 минут
Проведенные в 2014 году опыты показали, что обработка семян активированной плазмой водой (АПВ) сосны обыкновенной повышает техническую всхожесть при обработке воды в течение 2 минут на 22%. Время среднего семенного покоя уменьшилось на 1 день.
Для проведения эксперимента по воздействию активированной плазмой воды на прорастание семян древесных пород было выбрано время активации - 1, 2 и 4 минуты. С использованием аппарата Огиевского были заложены на проращивание семена ели обыкновенной, сосны обыкновенной, березы повислой и клена ясенелистного. Все условия использования аппарата были соблюдены: температурный режим, влажная среда, доступ воздуха. Появление плесени при проведении эксперимента не наблюдалось.
-*-2 минуты - -4 минуты
До обработки 3 апреля Через 1 час
после обработки
4 апреля
5 апреля
7 апреля
Рис. 2 - Изменение уровня рН после обработки воды плазмой 03.04.14 Одновременно с работами в лаборатории Петрозаводского государственного университета семена на проращивание были заложены в Отделе «Карельской лесосеменной станции» по адресу: Петрозаводск, Южная промзона. Для проращивания там использовался стол для проращивания шведского производства, отличающийся от аппарата Огиевского наличием подсветки и автоматизированного регулирования температуры воды.
Кроме того, семена, обработанные АПВ, были заложены на фитопатологический анализ. Семена по трем направлениям (сухие семена; семена, намоченные в воде; семена, намоченные в активированной плазмой воде) на фитопатологический анализ были заложены 21.04.14 г. По каждому направлению было заложено по четыре серии, включающие 50 шт. семян
Исследовали всхожесть семян, подвергшихся намачиванию в воде в течение 24 часов, которая обрабатывалась в течение разного времени:
1 вариант - время обработки воды плазмой 1 минута, после чего семена намачивали в течение 24 часов;
2 вариант - время обработки - 2 минуты, намачивание - 24 часа;
3 вариант - время обработки - 4 минуты, намачивание - 24 часа;
4 вариант - контроль, семена намачивали в дистиллированной воде в течение 24 часов, после чего обрабатывали в 0,5-%-ном растворе марганцево-кислого калия (КМп04) и промывали.
Семена, обработанные АПВ, не обрабатывали КМп04.
Результаты проведенных исследований приведены в таблице 1.
В результате у семян сосны обыкновенной, обработанных активированной плазмой водой в течение 1 минуты, на 3 день насчитывалось 50 проростков из 400, у обработанных АПВ в течение 2 минут 32, у семян, обработанных АПВ в течение 4 минут - 29. Для контрольного варианта семян, обработанных по традиционной технологии, насчитывалось 26 проростков.
На пятый день у семян контрольного варианта насчитывалось 149 проростков, обработанных АПВ в течение одной минуты - 184, в течение 2 минут - 224, у обработанных в течение четырех минут насчитывалось 185 проросших семян.
На седьмой день из контрольного варианта обработки проросло 66 штук семян, из обработанных АПВ в течение одной минуты - 57 , в течение 2 минут - 64, а у обработанных АПВ в течение 4 минут - 63.
На десятый день проращивания у семян, обработанных АПВ в течение 1 минуты проросло 6 штук семян, их обработанных 2 минуты - 4, 4 минуты -9 семян, а у партии взятой для контроля (без обработки АПВ) проросло 1 семя.
На пятнадцатый день из обработанных АПВ в течение одной минуты проросло 2 штуки семян, из обработанных АПВ 2 минуты - 3, из обработанных в течение 4 минут - 4, а у семян, взятых для контроля, не было проростков.
Таким образом, при обработке семян АПВ в течение одной минуты проросло всего 299 семян из 400, при обработке семян АПВ в течение 2 минут проросло 328, в течение 4 минут - 288, а из семян, взятых для контроля, 242.
Таблица № 1
Всхожесть семян древесных пород при разном времени воздействия плазмой
на воду при 24-часовом намачивании
№ повторности Дни учета/дата
3/11.07 5/13.07 7/15.07 10/18.07 15/23.07
Число проросших семян/число оставшихся семян
Сосна обыкновенная, время воздействия 1 минута
1 17/83 40/43 11/32 0/32 0/32
2 11/89 47/42 15/27 0/27 0/27
3 10/90 44/46 19/27 4/23 2/21
4 12/88 53/35 12/23 2/21 0/21
Сосна обыкновенная, время воздействия 2 минуты
1 7/93 60/33 16/17 1/16 0/16
2 5/95 52/43 21/22 0/22 0/22
3 11/88 54/34 11/23 1/22 0/22
4 9/91 58/33 16/17 2/15 3/12
Сосна обыкновенная, время воздействия 4 минуты
1 8/92 50/42 19/23 1/22 0/22
2 7/93 40/53 19/34 2/32 3/29
3 6/94 45/49 11/38 2/36 1/35
4 8/92 50/42 14/28 2/26 0/26
Сосна обыкновенная, обработка дистиллированной водой
1 3/97 31/66 19/47 1/46 0/46
2 8/92 41/51 12/39 0/39 0/39
3 10/90 43/47 17/30 0/30 0/30
4 5/95 34/61 18/43 0/43 0/43
Ель европейская, время воздействия 1 мин
1 0/100 3/97 2/95 5/90 43/47
2 0/100 0/100 6/94 10/84 30/54
3 0/100 0/100 10/90 8/82 37/45
4 0/100 0/100 4/96 14/82 32/50
Ель европейская, время воздействия 2 мин
1 0/100 3/97 2/95 5/90 43/47
2 0/100 0/100 6/94 10/84 30/54
3 0/100 0/100 10/90 8/82 37/45
4 0/100 0/100 4/96 14/82 32/50
Ель европейская, время воздействия 4 мин
1 0/100 0/100 14/86 20/66 37/29
2 0/100 0/100 15/85 3/82 33/49
3 0/100 0/100 5/95 17/78 35/43
4 0/100 0/100 8/92 26/66 46/20
Ель европейская, обработка дистиллированной водой
1 0/100 0/100 16/84 19/65 25/40
2 0/100 0/100 10/90 4/86 28/58
3 0/100 0/100 26/74 18/56 30/26
4 0/100 3/97 14/83 27/56 42/14
Береза повислая, обработка дистиллированной водой
1 16/34 6/28 3/25 0/25
Береза повислая, время воздействия 2 мин.
1 25/25 7/18 7/18 3/15 1/14
2 16/34 12/22 12/22 2/20 0/20
3 25/25 9/16 9/16 1/15 0/15
Клен ясенелистный, обработка дистиллированной водой
1 0/50 0/50 2/48 12/36 22/14
Клен ясенелистный, время воздействия 2 мин.
1 0/50 2/48 4/42 17/25 16/9
2 0/50 1/49 3/46 18/25 17/10
3 0/50 3/47 5//42 17/24 17/7
Таким образом, процент проросших семян, обработанных
активированной плазмой водой, превышал процент при намачивании в необработанной плазмой воде (рисунки 3, 4). Средний семенной покой сократился на 2 дня.
Семена ели европейской 1 класса качества из Прионежского района также были разделены на 4 варианта. Каждая секция включала в себя по 400 штук семян. Общее количество используемых семян - 1600 штук.
Первые проростки появились на 5-й день. У семян, обработанных АПВ в течение одной минуты, проросло 1 семя, у семян, обработанных АПВ в течение 2 минут - 3, в течение 4 минут - проросших семян нет, а у семян, взятых для контроля и обработанных в Н20, проросли 3 семени.
На седьмой день из семян, обработанных АПВ в течение одной минуты, проросли 19 штук, из обработанных АПВ в течение двух минут - 22, из обработанных в течение четырех минут - 42 , а из семян, взятых для контроля, проросло 66 штук.
На десятый день проращивания из обработанных АПВ в течение одной минуты проросло 65 семян, у партии обработанных в течение двух минут проросло - 37, из обработанных 4 минуты 66 , а из контрольного варианта -68.
На пятнадцатый день из обработанных АПВ в течение одной минуты семян проросло 146, в течение 2 минут - 142 семени, из обработанных АПВ в течение 4 минут 151, их контрольного варианта 125 семян.
90
о 4-1-1-1-1-
3 5 7 10 15
Деньнаблюдения
—ф— 1 мин -о-2 мин -±-4 мин -^Контроль
Рис. 3 - Всхожесть семян сосны обыкновенной, намоченных в воде,
обработанной плазмой в течение 1, 2 и 4 минут При обработке семян АПВ в течение одной минуты всего проросло 231 семян из 400, при обработке семян АПВ в течение 2 минут проросло 294 из 400, в течение 4 минут 259 из 400, а семян взятых для контроля 228 из 400.
Обработка семян АПВ менее эффективна для семян ели европейской, нежели для сосны. Техническая всхожесть оказалась выше на 2-10%. Однако
следует отметить более раннее прорастание семян, обработанных в воде, активированной плазмой. Это имеет существенное значение при ускоренном выращивании посадочного материала в контролируемых условиях.
Проращивание семян березы повислой (Bétula péndula) активированной плазмой водой проводился в такой же период времени, семена намачивали только водой, обработанной в течение 2 минут. Было взято 200 семян, по 50 штук в каждой секции. Одни (контроль) - намачивание 2 часа в Н2О; вторая, третья и четвертая секции - намачивание 2 часа в растворе АПВ, обработанной в течение 2 минут. На третий день пророщенных из семян контрольного варианта проросло 16 штук, после обработки АПВ 25, 16 и 25.
35
День наблюдений
—1 мин -о-2мин -*-4мин -ж- Контроль
Рис. 4 - Процент проросших семян ели европейской, намоченных в воде, обработанной плазмой в течение 1, 2 и 4 минут На пятый день у контрольного варианта оказалось 6 проростков, у обработанных АПВ 7, 12 и 9. На десятый день из контрольного варианта проросло 3 семени, из обработанных АПВ 3, 2 и 1. На четырнадцатый день проросло только одно семя после обработки АПВ (рисунок 5).
Таким образом, для семян березы повислой всхожесть составила 50%, после обработки АПВ в среднем 68% (72, 70 и 60). Длительность среднего семенного покоя не изменилась.
Семена клена ясенелистного, намачиваемые в течение 72 часов в соответствии с ГОСТом, прорастали медленнее, и после обработки АПВ 2 минуты на 15 день всхожесть составила 52%, у намачиваемых в дистиллированной воде 36% (рисунок 5). Для семян сосны и ели после взрезывания определили процент пустых, ненормально проросших, загнивших и запаренных.
При взрезывании не проросших семян сосны выяснилось, что достаточно большое количество было поражено гнилью, а особенно это выражено у тех семян, которые были намочены в дистиллированной воде. Такие же закономерности наблюдали при взрезывании семян ели.
50
День наблюдения
-•-Береза контроль -о-Береза 2 мин -*-Клен контроль -й- Клен 2 мин
Рис. 5 - Процент проросших семян березы повислой и клена ясенелистного,
по дням проращивания. При выявлении категорий непроросших семян оказалось, что число загнивших после намачивания воде существенно выше, чем у сухих семян, что естественно. Тем не менее, число загнивших после обработки в воде
было выше, чем у намоченных в АПВ, что подтверждает некоторый бактерицидный эффект обработки воды плазмой. Число ненормально проросших и пустых не имело определенных закономерностей (таблица 2).
Таблица № 2
Категории непроросших семян сосны обыкновенной и ели европейской
Категории семян Ель европейская Сосна обыкновенная
сухие намоченные 18 час. в воде намоченные 18 час. в АПВ сухие намоченные 18 час. в воде намоченные 18 час. в АПВ
Пустые 5 9 13 0 5 6
Ненормально проросшие 3 8 7 8 5 6
Загнившие 17 32 21 13 14 7
Запаренные 17 36 25 6 4 2
По результатам проведения анализа на зараженность фитовредителями семян ели европейской выяснилось, что общая зараженность одинакова по всем трем видам семян - сильная (т.е. зараженных семян более 50%). А что касается семян, намоченных в воде, то все 200 штук заложенных на анализ были заражены грибами рода Pénicillium. Их степень общей зараженности можно считать очень сильной (рисунок 6). У семян сухих и тех, которые были обработаны активированной плазмой водой, присутствовала зараженность грибами одного и того же рода (пенициллум, аспиргиллус, кладоспориум, гормесциум, мухор, ризопус, спицириа). У вторых семян помимо перечисленных обнаружилось наличие грибов рода Alternaria. Семена, намоченные в воде, были заражены грибами рода Aspergillus, Mucor, Pénicillium, Rhisopus, Spicaria.
м
Рис. 6. - Результаты анализа семян ели европейской на зараженность
грибами
Выводы и рекомендации
На основании проведенной работы были сделаны следующие выводы:
1. Обработанная плазмой вода меняет свои свойства с изменением уровня рН. Активированная плазмой вода сразу после обработки имеет щелочную среду, рН возрастает до 8 единиц, затем в течение 2 часов резко опускается до 5. После 2-3 часов после обработки величина рН находится в пределах 7. Время обработки воды имеет существенное значение. При длительности обработки 2 минуты уровень кислотности возвращается к нейтральному через 2 суток, при длительности обработки 4 минуты - через 5 суток.
2. Активированная плазмой вода имеет явный эффект стимулирования прорастания семян в более ранние сроки.
3. Вода, обработанная в генераторе, имеет некоторый бактерицидный эффект, проявляющийся в уменьшении количества грибов, проявившихся при проращивании.
4. Эффект стимулирования прорастания может применяться в условиях теплиц, когда каждый день задержки появления всходов сказывается на качестве посадочного материала.
5. Особенно активно вода, активированная плазмой, проявила себя в 100%-ной концентрации на семенах клена ясенелистного, на семена сосны стимулирующий эффект в большей степени проявился при 50%-ной концентрации.
6. Работы над изучением влияния активированной воды имеет смысл продолжить. Следует проверить эффект плазменной воды для обработки семян других древесных пород и изучить воздействие на них активированной плазмой воды в различных вариациях (изменять время воздействия на воду, концентрацию активированной воды и пр.).
Литература
1. Брынцев В.А., Коженкова А.А. Лесное семеноводство. - М.: Наука, -2001. - 245 с.
2. Романов Е.М. Выращивание сеянцев древесных растений: биоэкологические и агротехнологические аспекты. - Йошкар-Ола: Изд-во МарГТУ,2000. -500 с.
3. Гостев К.В., Гаврилова О.И., Гостев В.А. Применение холодного плазменного спрея для предпосевной подготовки семян сосны обыкновенной //Вестник МГУЛ «Лесной вестник» - Т.100. - 2014. - вып.1- стр.90-96.
4. Указания по лесному семеноводству в Российской Федерации. - М.: ГК по лесу РФ, 2000. - 206 с.
5. Хлюстов В.К. Лесные культуры от семян до древостоев /Хлюстов В.К., Гаврилова О.И. Монография. - Palmarium Academic Publishing, - 2015. -205 c.
6. Шегельман И.Р., Щукин П.В. К обоснованию методологии формирования инновационных процессов заготовки и воспроизводства лесных ресурсов // Перспективы науки. - 2012. - № 9(36). - С. 101-103.
7. Прилуцкий В.И., Бахир В.М. Электрохимически активированная вода. Аномальные свойства, механизм биологического действия. Москва. 1995. 151c.
8. Гостев К.В. Особенности и режимы работы генератора холодного плазменного спрея для активации процессов жизненного роста семян хвойных пород // Глобальный научный потенциал. - 2013. - № 2(23). - С. 5860.
9. RU 131931 С1 H05H 1/00. Импульсный генератор переохлажденной плазмы / Гостев К.В., Тихомиров А.А., Тихонов Е.А. - № 2013110894/07, Заявл. 13.03.2013 // Полезные модели.
10. Шегельман И.Р., Кузнецов А.В., Скрыпник В.И., Баклагин В.Н. Методика оптимизации транспортно-технологического освоения лесосырьевой базы с минимизацией затрат на заготовку и вывозку древесины // Инженерный вестник Дона, 2012, №4-2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1284.
11. Долговых О.Г., Огнев В.Н. Экологически безопасная предпосевная обработка семян яровой пшеницы// Инженерный вестник Дона, 2014, № 4 URL: ivdon.ru /ru/magazine/archive/n4y2014/2565.
12. Dobrynin D., Ignakhin V., Gostev V. Cold Plasma as A Powerful Agent for Biological And Medical Applications. // Proceedings of First International Conference on Plasma Medicine. October 15th - 18th, 2007, P. 60
13. Gostev V., Ignakhin V., Popova E., Ostashkov O. "Cold Plasma in Biological Investigations"// NATO: advanced study institute. Plasma Assisted Decontamination of Biological and Chemical Agents. 16-26 September 2007, Qe§me, Turkey. pp.54 - 56
References
1. Bryntsev V.A., Kozhenkova A.A. Lesnoe semenovodstvo [Forest seed]. M.: Nauka, 2001. 245 p.
2. Romanov E.M. Vyrashchivanie seyantsev drevesnykh rasteniy: bioekologicheskie i agrotekhnologicheskie aspekty. [Growing seedlings of woody plants: bio-ecological and agro-technical aspects of scientific publication]. Yoshkar-Ola: Izd-vo, 2000. 500 p.
3. Gostev K.V., Gavrilova O.I., Gostev V.A. Vestnik MGUL «Lesnoy vestnik». T. 100. 2014. vyp. 1. pp.90-96.
4. Ukazaniya po lesnomu semenovodstvu v Rossiyskoy Federatsii [Advice on forest seed in the Russian Federation]. M.: GK po lesu RF, 2000. 206 p.
5. Khlyustov V.K. Lesnye kul'tury ot semyan do drevostoev [Plantations from seed to tree stands]. Palmarium Academic Publishing. 2015. 205 p.
6. Shegel'man I.R., Shchukin P.V. Perspektivy nauki. 2012.
7. Prilutskiy V.I. Elektrokhimicheski aktivirovannaya voda. Anomal'nye svoystva, mekhanizm biologicheskogo deystviya [The electrochemically activated water. The anomalous properties, mechanism of biological action]. Prilutskiy V.I., Bakhir V.M. Moskva.: 1995. 151 p.
8. Gostev K.V. Global'nyy nauchnyy potentsial. 2013. № 2 (23). pp. 58-60.
9. RU 131931 S1 H05H 1/00. Impul'snyy generator pereokhlazhdennoy plazmy [The pulse generator plasma supercooled] Gostev K.V., Tikhomirov A.A., Tikhonov E.A. № 2013110894/07, Zayavl. 13.03.2013. Poleznye modeli
10. Shegel'man I.R., Kuznecov A.V., Skrypnik V.I., Baklagin V.N. Inzenernyj vestnik Dona (Rus) 2012. № 4-2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1284.
11. Dolgovyh O.G., Ognev V.N. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014. №4. URL: ivdon.ru /ru/magazine/archive/n4y2014/2565.
12. Dobrynin D., Ignakhin V., Gostev V. Proceedings of First International Conference on Plasma Medicine. October 15th - 18th, 2007, P. 60
13. Gostev V., Ignakhin V., Popova E., Ostashkov O. NATO: advanced study institute. Plasma Assisted Decontamination of Biological and Chemical Agents. 16-26 September 2007, Qe§me, Turkey. pp.54 - 56
