CC BY
42
И. Ш. Абдуллин, Ф. С. Шарифуллин, Р. Р. Галиуллин, С. Ю. Грузкова
ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ И СТИМУЛИРОВАНИЕ ВСХОЖЕСТИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕНЫХ КУЛЬТУР МЕТОДОМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЧ ПЛАЗМЫ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ
Ключевые слова: сельскохозяйственные культуры, плазма, обеззараживание семян, всхожесть семян.
Рассматриваются способы обеззараживания семян, как важнейшие технологические операции растениеводства, от различных биологических загрязнений, а также методы, используемые для повышения их всхожести, с целью улучшения качества посевного материала. Выявлено, что одним из перспективных направлений в решении этой проблемы является использование электрофизических факторов. Установлено, что применение высокочастотной плазмы пониженного давления одновременно с обеззараживанием семян способствует повышению их всхожести.
Keywords: crops, plasma, disinfecting of seeds, viability of seeds.
Ways of disinfecting of seeds as the most important technological operations ofplant growing, from various biological pollution, and also the methods used for increase of their viability for the purpose of improvement of quality of sowing material are considered. It is revealed that one of the perspective directions in the solution of this problem is use of electrophysical factors. It is established that use of high-frequency plasma of the lowered pressure along with disinfecting of seeds promotes increase of their viability.
БИОХИМИЯ, БИОТЕХНОЛОГИЯ И ЭКОЛОГИЯ
УДК 635.2
В современных условиях -
характеризующихся тенденцией роста населения, влияния неблагоприятной экологической обстановки и других обстоятельств место и роль растениеводства в отечественном народно-хозяйственном комплексе приобретает все более важное продовольственное значение. Центральным звеном в увеличении количества и качества продукции растениеводства выступает семеноводство. Семена являются носителями биологических и хозяйственных свойств растений, в решающей степени определяющие качество и количество получаемого урожая.
Производство семян сельскохозяйственных культур включает ряд технологических операций таких как: послеуборочное хранение, допосевная подготовка, уборка, подработка семян, обеззараживание, посев. На каждой стадии производства и хранения на семена возможно негативное влияние как природно-климатических, так и хозяйственных факторов, которые снижают их качество. Так при неудовлетворительном хранении или выращивании семена способны терять естественную всхожесть, заражаются болезнями, повреждаются насекомыми, травмируются при механической подработке и т. д.
Таким образом, вышесказанное
актуализирует проблему поиска эффективного для настоящего времени способа и метода обеззараживания семян (кукурузы, подсолнечника, огурцов, моркови, бахчевых и др.), способствующих также повышению всхожести последних.
На сегодняшний день в научной литературе и практике описаны и используются разнообразные методы и способы обработки семян: химические стимуляторы (дражирование, минеральные удобрения и др.), электрофизические факторы ориентированные на их обеззараживание и увеличение всхожести.
Обеззараживание семян является важнейшим приемом борьбы с болезнями и вредителями. Биологическое загрязнение семян различными микроорганизмами и последующее скопление грибов, бактерий, дрожжей и вирусов на поверхности и внутри семян оказывает существенное влияние на качество посевного материала.
Для борьбы с биологическими загрязнениями и вредителями семян в настоящее время широко используются ядохимикаты. Однако, однократная обработка химическими фумигантами, как правило, не обеспечивает полную дезинсекцию. Требуются повторные обработки. Это приводит к снижению всхожести семян в среднем на 2-4 %. Кроме этого загрязняется окружающая среда и создается угроза здоровью людей.
Доказано, что оздоровлению семян (снижению обсемененности их поверхности микроорганизмами и вредителями) и повышению их посевных качеств способствует термоимпульсный метод - взрыв смеси водорода и кислорода (гремучего газа) в межзерновом объеме. Трехкратная обработка семян такой газовоздушной смесью снижает жизнеспособность спор головни (их прорастание) до 4,4%; шести и десятикратная обработки - до 2,3% и 1,5 % соответственно [1].
Известны примеры обеззараживания семян горячей водой, продувкой семян горячим паром или воздухом (сухой жар). Альтернативным ядохимикатам способом дезинфекции и дезинсекции семян является использование электрофизических факторов: электромагнитных полей, излучений, нагрева, ионизации и др. Так, уничтожение вредителей высокочастотным полем было обнаружено еще в 30-е годы [2]. Положительные результаты дало обеззараживание
семян энергией поля коронного разряда, статического электрического поля и электромагнитными полями [3].
На сегодняшний день важным и перспективным направлением в борьбе с вредителями и болезнями семян является использование сверхвысокочастотной (СВЧ) энергии [4, 5, 6], а также обработка семян сельскохозяйственных культур диазотрофными и фосфатмобилизующими микроорганизмами [7] и ударным давлением [8].
Особенностью СВЧ нагрева является то, что нагрев происходит одновременно по всему объему вещества. Исследования показали, что энергией СВЧ, семена с предварительно увлажненной поверхностью, полностью стерилизуются от микроорганизмов, бактерий и частично от вирусных заболеваний. Сущность процесса дезинсекции и дезинфекции семян электромагнитным полем заключается в избирательном нагреве насекомых-вредителей из-за более высокого содержания в них влаги. Температура нагрева вредителей или увлажненных микроорганизмов на поверхности семян в несколько раз выше температуры нагрева самих семян, что и приводит их к гибели.
Помимо обеззараживания важнейшей технологической операций является предпосевная обработка, оказывающая существенное влияние на такие показатели семян как: всхожесть, энергия прорастания, сила роста. Последние выступают важнейшими показателями качества семян. Известно, что при хранении семена находятся в стадии «покоя» когда все биофизические и биохимические процессы заторможены. Покой семян - один из приспособительных механизмов, обеспечивающих распространение растений во времени и в пространстве. Покой позволяет семенам переносить неблагоприятные условия окружающей среды таких, как замораживание и оттаивание, переувлажнение и сухость, освещение и темноту и др.
Но, даже находясь в состоянии «покоя» часть внутренней энергии семена расходуют на поддержание жизнеспособности. Количество расходуемой энергии зависит от условий хранения. С увеличением температуры, влажности и времени хранения, расход энергии возрастает.
Чтобы выполнить потери энергии и стимулировать биохимические процессы в семенах их подвергают энергетическому воздействию. Дополнительную энергию семена могут получить от солнца, в виде солнечного света или нагрева или от анропогенных источников.
Влияние света на семена исследовали в сериях опытов [9], которые показали, что подавляющее число семян являются чувствительными к свету, т. е. они не прорастают, если на них не попадает свет. Доказано, что свет проникая в почву на глубину 10 см и больше способен прерывать состояние "покоя" семян и ускорять их всхожесть.
Однако, не смотря на то, что облучение семян светом способствует восстановлению их чувствительности и во многих случаях повышает их качество, внедрение установок солнечного облучения связано со многими проблемами. Основная трудность
- это постоянная зависимость от погоды, времени суток, количества солнечных дней. В связи с чем, относительную работоспособность таких установок можно гарантировать лишь в Средней Азии, применение же их в России нецелесообразно.
Среди антропогенных методов, используемых для повышения эффективности прорастания семян известно рентгеновское облучение влияние у - частиц и рентгеновских лучей [9]. Данный способ обработки относится к жестким, так как у -частицы проникают в семена на глубину 0,5 мм и при торможении, излучая рентгеновские и другие лучи, повреждают семена и могут приводить к мутациям.
Имеются многочисленные исследования подтверждают стимулирующее действие лучей (лазерное облучение) на прорастание семян и их урожайность [10, 11]. Применению источников излучения имеющих в своем спектре инфракрасный (ИК) диапазон экономически целесообразно, так как установки для облучения семян ИК лампами просты и могут быть изготовлены в условиях ремонтных мастерских хозяйств [12]. На практике же использование лазерных установок ограничено сроком службы лазерных источников; высокой стоимостью установки; сложностью ремонта; высокими требованиями к квалификации персонала, осуществляющего инженерное обслуживание [13].
Не получили массового распространения в нашей стране и установки электронно-ионной технологии. Обработка семян согласно технологии осуществляется в электрозернообрабатывающих машинах, в качестве рабочего органа к которых используется электрическое поле постоянного тока высокого напряжения [5]. Недостатками метода являются сложность конструкций, наличие высокого напряжения (десятки киловольт), допуск для обслуживания таких машин персонала со специальной группой по электробезопасности.
Изучению влияния магнитных полей (МП) на семена и урожайность растений посвящено множество исследований в России и за рубежом [14, 15]. В данных работах магнитное поле, как действующий фактор, моделировалось в самых разнообразных конфигурациях: варьировались способы обработки, от статического режима с длительностью обработки в несколько недель до динамического, со временем обработки исчисляемым долями секунды. Отмечались факты отрицательного и нейтрального действия МП на семена, но в большинстве случаев результаты были получены положительные.
Для стимулирования всхожести и борьбы с вредителями семян хорошо зарекомендовали себя устройства, генерирующие электромагнитные поля радиоволнового диапазона. В частности поточные системы энергии высокой частоты (ВЧ) и сверх высокой частоты (СВЧ), в основе которых лежит диэлектрический нагрев объекта обработки [4]. В поточной системе семена последовательно обрабатываются пленкообразующими составами, микроэлементами, защитно- стимулирующими веществами. Затем подвергаются термообработке и
стимулированию энергией ВЧ и СВЧ с последующим насыщением семян минеральными удобрениями и биозащитными препаратами. Использование данной технологии позволяет снизить затраты на обработку семян и увеличить урожайность на 10-15%, при одновременном снижении энергоемкости обработки в 15-20 раз [16].
Подытоживая вышесказанное, можно отметить, что все электрические, магнитные и физические факторы, как правило, повышают лабораторную и полевую всхожесть, энергию прорастания и силу роста. Однако к каждому фактору воздействия нужно подходить индивидуально. Если магнитная, электромагнитная обработка,
светоимпульсная стимуляция семян и некоторые другие считаются мягкими факторами, то ультрафиолет, ионизирующая радиация являются жесткими факторами, так как способны вызвать нежелательные эффекты, как для семян, так и для обслуживающего персонала.
Сделанные выводы учитывались нами при выборе способа и метода для обеззараживания семян (кукурузы, подсолнечника, огурцов, моркови, бахчевых) и повышения их всхожести. В качестве электрофизического фактора использовалась ВЧ плазма пониженного давления. Такой система представляет собой ионизированную газовоздушную смесь - низкотемпературную плазму.
Режим обработки ВЧ плазмой был определен следующий: время обработки (1) изменялось от 30 до 300 секунд; давление в камере (Р) 26,6 Па; сила тока (I) варьировалась от 0,28-0,59 А.; напряжение (и) - от 1,5 до 4,0 В (табл. 1).
Таблица 1 - Режимы плазменной обработки
Режим 1, сек Р, Па I, А и, В
1 300 26,6 0,59 4
2 180 26,6 0,48 3
3 60 26,6 0,40 2,5
4 30 26,6 0,40 2,5
5 30 26,6 0,28 1,5
Исходные данные для определения доз и режимов облучения первоначально определялись по литературным источникам, а затем уточнялись, применительно к виду культуры, качеству семян и к их условиям выращивания.
Изначально семена обрабатывались в выбранных нами режимых, а затем проращивались в оптимальных условиях во влажной камере в ватных дисках при температуре около 25 °С. Через несколько дней на семенах появлялась плесень, грибы, капли жидкости - бактериального эксудата пятнистость иди гниль проростков. Одновременно в ходе просмотра зараженности определялись энергия роста и всхожесть семян. Полученные результаты обрабатывались и сравнивались с результатами, полученными в контрольных вариантах.
Опыты показали, что при облучении семян энергетическими факторами в дозах, стимулирующих их всхожесть, одновременно стимулируется и жизнеспособность спор, микроорганизмов и другой микрофлоры, обитающей на них.
Температура окружающей среды является одним из главных факторов, регулирующих время выхода семян из состояния «покоя». Эффективность же тепловой обработки определяется количеством теплоты, поглощаемой семенами. При этом температура нагрева семян, во избежание денатурации протеинов в семенах, не должна превышать критической.
Поскольку поверхность спор, бактерий, вредителей во много раз меньше поверхности семян, то они будут нагреваться значительно быстрее и их температура быстрее превысит допустимую для их жизнеспособности. В нашем исследовании обеззараживание семян предлагается проводить в потоке воздуха нагретого до температуры 900° С. Такая температура обеспечивает наибольшую разницу между температурой семян и температурой теплоносителя (горячего воздуха) и повышает эффективность обеззараживания семян от вредителей и болезней на 40-50 %.
С увеличением времени обработки (табл. 1) обеззараживающее действие плазмы возрастает. Однако полного обеззараживания семян не происходит. Такие болезни, как фузариоз, снижаются незначительно, но скорость их развития заметно замедляется.
Анализ полученных результатов подтверждает также стимулирующее воздействие теплового поля, образованного плазмой, на всхожесть экспериментальных образцов семян (кукурузы, подсолнечника, огурцов, моркови, бахчевых). Так, например, прорастание и лабораторная всхожесть всех видов семян в среднем увеличивались по отношению к контролю от 4 до 10%. Установлено, что обработка положительно влияет и на последующее развитие растений. Замеры и оценка проростков по бальной системе показали, что по всем вариантам обработки они лучше на 8-18 %, чем у контрольных.
Наиболее эффективной дозой обработки оказался режим №4. Длительность обработки от двух до пяти минут практически не оказывала влияние на всхожесть, хотя и угнетала микрофлору на семенах активнее, чем при дозе - 60 с. секунд. Обработка длительностью более 5 минут действовала на проростки угнетающе, сила роста уменьшалась (рис. 1).
Таким образом, проведенное исследование позволяет сделать вывод о том, что обработка семян ВЧ плазмой пониженного давления может использоваться для обеззараживания семян кукурузы, подсолнечника, огурцов, моркови, бахчевых, а также является эффективным агротехническим приемом, способствующим повышению посевных качеств семян.
Стимулирование семян овощных и зерновых культур методом ВЧ плазмы пониженного давления более эффективно и безопасно, нежели существующие химические и физические способы обеззараживания и предпосевной подготовки семян. Они отличаются высокой энергоемкостью, сложностью устройства и обслуживания, опасны для здоровья людей. Предложенный способ
обеззараживания ВЧ плазмой позволяет уменьшить эти недостатки и одновременно с обеззараживанием семян повысить их всхожесть.
Рис. 1 - Всхожесть семян после ВЧ плазменной обработки
Литература
1. Шмигель В.Н. Селекция и семеноводство, 2, 152 (1994).
2. Вендин С.В. СВЧ-дезинсекция семян бобовых. Автореферат диссертации кандидата технических наук. М. МИИСП, 1989. - 12 с.
3. Евреинов М.Г. О работе электробиологической лаборатории Всесоюзного института электрификации
сельского хозяйства. Ультракороткие волны в сельском хозяйстве. Труды ВАСХНИЛ серия 15, выпуск 3-Л., 1934. - 9 с.
4. Интенсификация тепловых процессов подготовки семян к посеву энергией ВЧ и СВЧ. Рекомендации «Ссоюзсортсемовощ» М: Агропромиздат. 1989. - 40 с.
5. Басов А.М. Изаков В.Н. и др. Электрозерноочистительные машины. М. Машиностроение. 1968. - 310 с.
6. Савельев И.В. Куре общей физики. Том 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. М. Наука 1978. - 480 с.
7. И.А. Дегтярева, А.Х. Яппаров, Д.С. Дмитричева, С.К. Зарипова, Вестник Казанского технологического университета, 7, 133-136 (2012).
8. В.В. Фомиченко, А.Б. Голованчиков, В.И. Лысак, Е.Э. Нефедьева, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 18, 188-190 (2013).
9. Крокер В. Бартон Л. Физиология семян. М. Иностранная литература. 1955 - 400 с.
10. Инюшин В.М. и др. Луч лазера и урожай. Алма-Ата. Кайнар. 1981. - 187 с.
11. Шахов А.А. Лазерное излучение, как средство исследования фотоэнергетики растений. Проблемы фотоэнергетики растений. Сборник научных трудов. Кишинев 1975.
12. Пилюгина B.B. Регуш A.B. Электромагнитная стимуляция в растениеводстве. Обзорная информация. М. ВНИИТЭИСХ. 1980. - 50 с.
13. Магеровский В.В. Барыпгев М.Б. Ирха А.П. и др. О влиянии электромагнитных полей на всхожесть семян сельскохозяйственных культур. Тематический сборник науч. трудов КГАУ. Краснодар, 1997. Выпуск 360(388)
14. Ирха П. Д. Кочетов Ю.В. Потешнн И.М. Использование магнитных полей для стимулирования всхожести семян. Труды Кубанского СХИ. Краснодар 1983. Выпуск 228(256) с. 13-19
15. Билык ГШ. Комар В. Н. Сердюк О. Г. Воздействие на семена постоянного магнитного поля. - Картофель и овощи. 1997.
16. Бородин И. Ф. Применение СВЧ-энергии в сельском хозяйстве. Применение низкоэнергетических факторов в биологии и сельском хозяйстве. Тезисы всесоюзной научной конференции. Киров. 1989. - 110 с.
© И. Ш. Абдуллин - д.т.н., профессор, зав. каф. ПНТВМ КНИТУ, abdullin_i@kstu.ru; Ф. С. Шарифуллин - д.т.н., г.н.с. той же кафедры, sharifullin80@mail.ru; Р. Р. Галиуллин. - студент гр.434-М3 той же кафедры; С. Ю. Грузкова - доцент той же кафедры.
© I. Sh. Abdullin - Ph.D., professor, head of the department PNTVM KNRTU, abdullin_i@kstu.ru; F. S. Sharifullin - Ph.D., chief researcher of the same chair, sharifullin80@mail.ru; R. R. Galiullin - student of group 434-M3 of the same chair; S. Y. Gruzkova -assistant professor of the same chair.
