CC BY
69
УДК 631.8:533.9
Р. Р. Галиуллин, Ф. С. Шарифуллин, А. И. Нагмутдинова,
Э. Ф. Вознесенский
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЧЕ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ НА ПОСЕВНЫЕ СВОЙСТВА
СЕМЯН СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР
Ключевые слова: сельскохозяйственные культуры, семена, предпосевная обработка, всхожесть, сила роста, плазма, высокочастотный газовый разряд.
В статье представлены исследования влияния неравновесной низкотемпературной плазмы высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда на величину всхожести и силу роста сельскохозяйственных культур при различных режимах обработки семян. На основе конфокальной лазерной сканирующей микроскопии установлено влияние обработки на поверхность семян. При проращивании семян установлено положительное влияние плазменной обработки.
Keywords: agricultural crops, seeds, presowing treatment, germination, growing strength, plasma, ratiofrequency discharge.
The article showed research of the nonequilibrium lowtemperature plasma of highfrequency capacitive (RFC) discharge on the quantity of agricultural crops growing strength under different treatment mode of seeds. Influence of plasma treatment on the seeds coatings was found by confocal laser scanning microscopy. During seed germination positive influence of plasma treatment was established.
Согласно высказыванию главы Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций (ФАО) каждый седьмой человек на земле страдает от голода [1]. При этом следует отметить, что для Российской Федерации практически достигнут минимальный производственный уровень по Доктрине производственной безопасности относительно отдельных сельскохозяйственных продуктов [2]. Также, по сообщению ТАСС, Россия станет крупнейшим экспортером пшеницы в мире в 2016 году [3]. Опасение может вызывать лишь качество зерна и необходимость в импортозамещении семян. Так, по словам министра сельского хозяйства, количество импортируемых семян может достигать 70% [4]. При этом российское выращиваемое зерно является фуражным, иначе - кормовым с малым содержанием клейковины. Для улучшения качества подобной пшеницы требуется применение обработки химически активными веществами [5].
Качества семян определяются согласно ГОСТ Р 52325-2005 «Семена сельскохозяйственных растений. Сортовые и посевные качества. Общие технические условия». Так, одними из основных требований являются отсутствие сорняков, живых вредителей, возбудителей болезней. Семена обязаны обладать сортовой чистотой, малым поражением головней, высоким процентом всхожести, достаточной степенью чистоты семян.
На сегодняшний день наиболее распространенным методом обработки является применение химически активных веществ [6]. Так, для протравливания семян и освобождение спор от грибковой и бактериальной инфекции применяют фунгициды. Одно из таких веществ, применяемых в России -тирам (ТМТД), который относится к третьему классу опасности и разлагается в земле до более токсичных и более опасных метаболитов: тетраметилмоно-сульфида и тетраметилтиомочевины.
Фенилпирролы (флудиоксонил) не оказывает токсичного действия на растения и живые организмы, однако отличаются средней стойкостью в почве [7].
Также проводятся исследования по влиянию электрофизических методов обработки в качестве стимуляции роста. Так исследовались возможности обработки ультразвуком, концентрированным электрическим и солнечным светом, лучами лазера [8, 9]. Результаты исследования показывают нестабильные и неоднозначные эффекты, что не позволяет применять подобные методы в крупномасштабных производственных объемах, однако их простота и не изученный потенциал дают возможность дальнейшего исследования.
В работе [10] исследована возможность применения нанотехнологий для предпосевной обработки семян с применением многокомпонентных, полифункциональных биологически активных (на-но)чипов. Наноразмерный эффект дает возможность более активного проникновения активных веществ в растение. Однако в данном случае не следует исключать возможность токсичной опасности для семян, растений и почвы также за счет более высокой активности наночастиц.
В качестве предпосевной обработки семян в данной работе предлагается применять неравновесную низкотемпературную плазму ВЧЕ разряда пониженного давления. Следует отметить, что данная технология является экологически чистой, как для окружающей среды ввиду отсутствия химически и биологически активных веществ, так и для самих выращиваемых культур, быстротой, одностадийно-стью, простотой, возможностью точно задавать технологические параметры, для достижения оптимального варианта обработки и получения наилучшего результата.
Исследования [11,12] по влиянию низкотемпературной плазмы на прорастание семян и рост сельскохозяйственных культур уже проводились. Так, было отмечено, что данная обработка играет большую роль в росте растений, физиологических процессах в них, способна изменять структуру поверхности семян, стимулирует всхожесть и темпы роста. Согласно работе [13], где исследовались прораста-
ние и темп роста томатов, влияние оказывают активные частицы атмосферной плазмы, которые проникают через кожуру семян, ускоряя разложение питательного вещества - эндосперм, за счет чего происходит более быстрое прорастание зародыша.
В данной работе предлагается исследовать влияние низкотемпературной неравновесной высокочастотной емкостной (ННТП ВЧЕ) плазмы с плазмооб-разующими газами Аг, Аг/^, N на всхожесть и энергию роста семян различных сельскохозяйственных культур.
В качестве объектов исследования выбраны посевные семена распространенных сельскохозяйственных культур: кукурузы, пшеницы, тыквы.
В качестве опытных образцов были выбраны репродукционные семена гибридов первого поколения F1 из-за повсеместного использования.
Технологические параметры ВЧЕ плазменной обработки находились в следующих пределах: расход газа (О) 0,02-0,1 г/с; мощность разряда (Жр) 3-5 кВт; сила тока на аноде генераторной лампы (1а) 0,10,5 А; напряжение на аноде генераторной лампы (иа) 1-5 В; рабочее давление в разрядной камере (Р) 26,6 Па; продолжительность обработки (т) 3-5 мин.
Поверхность образцов семян - подвергнутых плазменной обработке и контрольных (не прошедших обработку) исследовалась с применением конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (КЛСМ). Микроснимки поверхности семян кукурузы представлены на рисунке 1, пшеницы - 2, тыквы - 3.
Рис. 1 - КЛСМ-изображения поверхностей семян кукурузы в режим лазерного сканирования, где а) контрольный (не прошедший обработку) образец; б) образец подвергнутый плазменному воздействию в режиме Р=26,1 Па, I = 3 мин, иа= 3 кВт, плазмообразующий газ Аг, 1а = 0,4 А
Рис. 2 - КЛСМ-изображения поверхностей семян пшеницы в режим лазерного сканирования, где а) контрольный (не прошедший обработку) образец; б) образец подвергнутый плазменному воздействию в режиме Р=26,1 Па, I = 3 мин, иа= 3 кВт, плазмообразующий газ Аг, 1а = 0,4 А
Рис. 3 - КЛСМ-изображения поверхностей семян тыквы в режим лазерного сканирования, где а) контрольный (не прошедший обработку) образец; б) образец подвергнутый плазменному воздействию в режиме Р=26,1 Па, I = 3 мин, иа= 3 кВт, плазмообразующий газ Аг, 1а = 0,4 А
На скорость прорастания зародыша оказывает влияние структура и толщина кожуры семя, а также наличие трещин, повреждений кожуры. Полученные изображения поверхности показывают наличие больших неровностей, сколов, более глубоких трещин на поверхности образцов, прошедших плазменную обработку. Основываясь на полученных КЛСМ-изображениях можно предположить, что при частичном разрушении кожуры скорость прорастания зародыша увеличится.
Проращивание семян производили согласно ГОСТ 12038 0-84 по следующей методике:
1. Подготовили герметичную емкость, обеззараживали и укладывали на дно ватные диски.
2. Укладывали семена на ватные диски и накрывали их сверху.
3. Увлажняли ватные диски.
4. Емкость герметизировали, в дальнейшем хранили в темном месте при комнатной температуре 21-32 °С.
Средние сроки прорастания выбранного семенного материала 3-7 дней, по заключению 7 суток был проведен расчет всхожести и начальной силы роста экспериментальных семян и контрольных образцов.
Согласно результатам подсчета процента всхожести семян можно сделать вывод, что режим плазменной обработки: Р=26,1 Па, t - 3 мин, иа= 3 кВт, Аг и 1а = 0,4 А оказал наиболее сильное положительное влияние на всхожесть и темп роста.
Процент всхожести при данных технологических параметрах для семян кукурузы, пшеницы, тыквы составил 100, 90 и 100% соответственно, при показателях контрольных (не прошедших обработку) образцов 77, 74 и 78 % соответственно.
Однако, следует отметить, что технологические параметры с более интенсивной обработкой, как: давление Р=26,1 Па, длительность t - 3 мин, напряжение иа = 5 кВт, плазмообразующий газ Аг/^ в соотношении 70/30% и сила тока на аноде ген. лампы, 1а = 0,5 А оказывают губительное воздействие на семена большинства взятых культур. Так, при всхожести контрольных образцов пшеницы в 74% при данных технологических параметрах показатель снижается до 15%.
На рисунке 4 приведены фото стеблей кукурузы, пшеницы, тыквы на 14 день при сравнении обработанных и не обработанных образцов.
а б в
Рис. 4 - Фото стеблей растительных культур на 14 день, где: а) кукуруза; б) пшеница; в) тыква
Основываясь на проведенных исследованиях и приведенных результатах, можно сделать вывод, что плазменная ВЧЕ обработка с применением плазмо-образующего газа Аг способна значительно улучшить всхожесть, а именно на 21% в среднем и силу роста до 38%. Следовательно, можно сделать вывод о возможности применения кратковременной обработки плазменным ВЧЕ разрядом с достаточно щадящими параметрами и плазмообразующим газом аргоном для увеличения всхожести и силы роста сельскохозяйственных культур. Исследование сохранения интенсивности эффекта при длительном хранении (отлежке) требует проведения дальнейших, дополнительных испытаний.
Литература
1. Центр новостей ООН [Электронный ресурс]: оф. вебсайт Центральных учреждений ООН в Нью-Йорке. -Электрон. текстовые дан. - Режим доступа: http://www.un.org/rassian/news/story.asp?NewsГО=17348#. V3jHykhvWfa, свободный.
2. Об утверждении Доктрины продовольственной безопасности Российской Федерации: Указ Президента РФ от 30.01.2010 № 120 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://kremlin.ru/events/president/news/6752, свободный.
3. Минсельхоз: Россия в этом сельхозгоду станет крупнейшим экспортером пшеницы в мире [Электронный ресурс]: ТАСС информационное агентство России. -
Москва: ТАСС, 28.05.2016. - Режим доступа: http://special.tass.ru/ekonomika/3246994, свободный.
4. Ткачев согласился с тем, что импортные семена — «ахиллесова пята» сельского хозяйства [Электронный ресурс]. - Москва: Rambler News Service, 06.04.2016. -Режим доступа: https://rns.online/consumer-market/Tkachev-soglasilsya-s-tem-chto-importnie-semena--ahillesova-pyata-selskogo-hozyaistva-2016-03-06/, свободный.
5. Россельхознадзор: Качество хлеба деградирует буквально на глазах [Электронный ресурс]. - Москва: MK RU, 28.03.2016. - Режим доступа: http://www.mk.ru/economics/2016/02/20/rosselkhoznadzor-kachestvo-khleba-degradiruet-bukvalno-na-glazakh.html, свободный.
6. Острошенко, В.В. Влияние предпосевной обработки семян стимуляторами роста на их посевные качества / В.В. Острошенко, Л.Ю. Острошенко // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. -2011. - № 5. - С. 12-15.
7. Глазунгова Н.Н. Системы защиты растений: сборник лекций / Н.Н. Глазунова. - Ставрополь: Ставропольский гос. аграрный ун-т, 2015. - 112 с.
8. Мухин, В.Д. Предпосевная подготовка семян овощных культур как способ повышения их всхожести и урожайности посевов: автореф. дис. на соиск. учен. степ. доктора сельскохозяйственных наук (06.01.06) / Мухин Вадим Дмитриевич; Московская с/х академия имени К. А. - Москва, 1985. - 36 с.
9. Украинцев, В.С. Влияние ультрафиолетового облучения на повышение посевных качеств семян хвойных пород / В.С. Украинцев, Д.А. Корепанов, Н.П. Кондратьева, А.В. Бывальцев // Вестник Удмуртского университета. -2011. - № 6-1. - С. 135-137.
10. Воропаева, Н.Л. Нанотехнологии предпосевной обработки семян с использованием (нано) чипов / Н.Л. Воропаева, О.Л. Фиговский // Инженерный вестник Дона. -2014. - Т.28, №1.
11. Ling, L. Effects of cold plasma treatment on seed germination and seedling growth of soybean / L. Ling, J. Jiafeng, L. Jiangang, S. Minchong, H. Xin, S. Hanliang, D. Yuanhua // Scientific Reports. - 2014. -No 4.
12. Jiang, J. Effect of Cold Plasma Treatment on Seed Germination and Growth of Wheat // J. Jiang, X. He, L. Li, J. Li, H. Shao, Q. Xu, R. Ye, Y. Dong // Plasma Science and Technology. - 2015. - V. 16, No 1.
13. Zhou, Z. Introduction of a new atmospheric pressure plasma device and application on tomato seeds / Z. Zhou, Y. Huang, S. Yang, W. Chen // Science research. - 2011. - V. 2, No 1. - P. 23-27.
© Р. Р. Галиуллин, магистрант каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, constlogr@mail.ru; Ф. С. Шарифуллин, д.т.н., гл. науч. сотр. той же кафедры, sharifullin80@mail.ru; А. И. Нагмутдинова, магистрант той же кафедры, Anastasiya.Nagm@yandex.ru; Э. Ф. Вознесенский, д.т.н., проф. той же кафедры, howrip@mail.ru.
© R. R. Galiullin, Graduate Student of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, KNRTU, constlogr@mail.ru; F. S. Sharifullin, Doctor of Technical Sciences, Chief Researcher of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, KNRTU, sharifullin80@mail.ru; A. I Nagmutdinova, Graduate Student of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, KNRTU, Anastasiya.Nagm@yandex.ru; E. F. Voz-nesnskiy, Doctor of Technical Sciences, Professor of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, KNRTU, howrip@mail.ru.
