CC BY
58
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ СЕДИМЕНТАЦИИ ПЫЛЬЦЕВЫХ ЧАСТИЦ РАСТЕНИЙ, ПРОИЗРАСТАЮЩИХ В ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Владимир Викторович Головко
Институт химической кинетики горения СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская 3, к. б. н, ведущий инженер, тел.: (383)-333-34-99, e-mail: golovko@ns.kinetics.nsc.ru
Вячеслав Лазаревич Истомин
Институт гидродинамики им. Лаврентьева, СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Лаврентьева, 15, д. т. н., г. н. с., тел.: (383)333-1938, e-mail: istomin@hydro.nsc.ru
Константин Петрович Куценогий
Институт химической кинетики горения СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская 3, д. ф.-м. н., г. н. с., тел. (383)-333-37-53, e-mail: koutsen@ns.kinetics.nsc.ru
Излагаются результаты определения аэродинамических характеристик 6 видов растений Западной Сибири Определены скорость седиментации как одиночных пыльцевых зерен, так и их агломератов. Для всех исследованных видов растений вычислены их аэродинамические диаметры.
Ключевые слова: седиментация, пыльцевые зерна, агломераты, скорость, аэродинамический диаметр, несферические частицы.
DETEREMINATION OF THE SEDIMENTATION RATE OF POLLEN PARTICULATES OF THE PLANTS GROWING IN WESTERN SIBERIA.
Vladimir V. Golovko
Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Bldg.3 Institutskaya st., tel. 8(383)3333499, e-mail: golovko@kinetics.nsc.ru
Vyacheslav L. Istomin
Institute of Hydrodynamics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Bldg. 15 Lavrent’ev avenue, tel. 8(383)3331938, e-mail: istomin@hydro.nsc.ru
Konstantin P. Koutsenogii
Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Bldg.3 Institutskaya st., tel. 8(383)3333753, e-mail: koutsen@kinetics.nsc.ru
Results of determination of aerodynamic characteristics of 6 Western Siberian plants are reported. The sedimentation velocities of single pollen grains and their agglomerates were determined. The data obtained were used to calculate the aerodynamic diameters of pollen grains of all investigated plants.
Key words: sedimentation, pollen grains, agglomerate, rate, aerodynamic diameter, non-spherical particles.
Перенос пыльцы растений в атмосфере вызывает сезонные вспышки аллергии у людей, приводит к генетическому обмену между удаленными популяциями, обуславливая пыльцевое «загрязнения» семенных питомников, распро-
странение устойчивости к гербицидам в популяциях сорняков [1 -4]. Расстояние, на которое уносится пыльца, тесно связано со временем, в течение которого она может парить в воздухе: чем оно больше, тем дальше ее может занести. Последнее определяется размерами взвешенных в воздухе частиц. Оценка размера содержащейся в воздухе пыльцы - сложная задача. Литературные данные
о размерах ацетолизированной пыльцы пригодны лишь для приблизительных оценок из-за изменения линейных размеров пыльцы при ацетолизной обработке и высыхания пыльцевых зерен (ПЗ) при попадании в атмосферу. Методы сте-реофотограмметрической обработки изображений и конфокальной сканирующей лазерной микроскопии позволяют оценить объемы индивидуальных ПЗ, однако при оценке объема встречающихся в воздухе агломератов, состоящих двух или более ПЗ, возникают существенные затруднения. Т.о., оптимальным для оценки дальности переноса пыльцевых частиц анемофильных растений и эффективности их оседания на опыляемые растения представляется аэродинамический диаметр, определяемый по их скорости седиментации
Сложная форма ПЗ, деформация их при высыхании, наличие агломератов из двух или большего количества ПЗ крайне затрудняют теоретические расчеты скорости седиментации переносимой по воздуху пыльцы. В связи с этим, скорость седиментации ПЗ определяется экспериментально с помощью разного вида седиментометров [4, 5]. До настоящего времени не описаны скорости седиментации ПЗ большинства видов растений, не определены зависимости скоростей седиментации агломератов от количества составляющих их ПЗ [6].
Основными целями работы были: 1) исследование агрегатного состава пыльцевого аэрозоля, образующегося при распылении пыльцы кукурузы, пихты сибирской, клена ясенелистного, ореха манчжурского, облепихи крушиновидной, дуба черешчатого; 2) экспериментальное исследование скоростей седиментации ПЗ и их агломератов шести видов растений, произрастающих на территории Западной Сибири; 3) определене эквивалентных диаметров оседающих частиц..
Скорость седиментации ПЗ в неподвижном воздухе определялась по времени, необходимому для их оседания от вершины до дна вертикального цилиндра. Для измерения скорости седиментации пыльцы использовалась установка, разработанная в СО РАН и апробированная при определении скоростей седиментации спор. Схема установки, методика проведения эксперимента и расчета скорости седиментации пыльцевой частицы были подробно изложены ранее
[7].
Подсчет под микроскопом позволяет определить число ПЗ в агломерате, а также количество агломератов, состоящих из различного числа ПЗ, осевших на подложку. При этом у достаточно легко распознавались агломераты, содержащие до 6 ПЗ. Доля агломератов из 7 или большего количества ПЗ, точный состав которых определить удавалось не всегда, составляла приблизительно. 2-3 % от общего числа уловленных частиц. Скорости седиментации подобных агломератов не вычислялись.
В таблице 1 приводится данные о доле агломератов от общего числа частиц, осевших на подложки; доле ПЗ в составе агломератов из двух или больше-
го количества зерен, от общего количества ПЗ. При распылении навесок пыльцы в седиментометре пыльцевые агломераты составляют от 33,3 (кукуруза) до 44,8% (орех манчжурский) от общего количества образующихся частиц, при этом в их состав входит от 60,4 до 72,3% распыленных ПЗ.
Таблица 1
Вклад агломератов ПЗ в количество частиц, осевших на подложку и доля ПЗ в составе агломератов от общего числа осевших ПЗ
Видовое название Доля агломератов из двух или более ПЗ от общего количества осевших частиц, % Доля ПЗ в составе агломератов из двух или более ПЗ от общего количества осевших ПЗ, %
Кукуруза 33,3 60,4
Пихта сибирская 41,5 70,6
Клен ясенелистный 42,0 70,6
Орех манчжурский 44,8 72,3
Облепиха крушиновидная 37,5 66,7
Дуб черешчатый 40,5 69,9
Для индивидуальных частиц и для агломератов наблюдается заметный разброс скоростей седиментации. Количества подсчитанных агломератов (] - от
1 до 6), среднегеометрическое значения и среднегеометрические отклонения их скоростей седиментации шести видов западносибирских растений приведены в таблице 2. С увеличением размера агломератов наблюдается уменьшение числа частиц. При этом именно у них отмечены максимальные стандартные геометрические отклонения скорости седиментации. Видимо, это связано с варьированием размеров индивидуальных ПЗ и наличием некоторого числа абортивных ПЗ, что приводит к разбросу скоростей оседания. С ростом числа ПЗ в агломерате эти факторы, вероятно, взаимно компенсируются, а сам агломерат становится более симметричной фигурой. В результате разброс значений скоростей седиментации при оседании уменьшается.
Скорость оседания агломерата возрастает с увеличением количества составляющих его частиц. Ранее нами было показано, что скорости седиментации агломератов в зависимости от числа частиц в агломерате хорошо аппроксимируются степенной зависимостью, построенной методом наименьших квадратов. Аппроксимационные зависимости строились из предположения, что:
— У1] , для 1 < ] < 6 (5)
где - средняя скорость агломерата состоящего из у частиц, У1 - средняя
скорость единичного зерна.
Для исследуемых нами растений полученные данные можно аппроксимировать эмпирическими зависимостями, предложенные в таблице 3.
Таблица 2
Результаты определения скоростей седиментации ПЗ и их агломератов шести
видов растений
і Кукуруза Пихта сибирская Клен ясене- листный Орех манч- журский Облепиха крушино- видная Дуб че- реш- чатый
і=1 Число агломератов 5409 2862 17426 17625 39662 21560
V ], см/с 22,6 6,2 2,3 4,1 2,3 2,7
1,5 1,4 1,3 1,6 1,4 1,4
і=2 Число агломератов 1420 916 5571 6616 10682 5921
V ], см/с 27,2 7,8 3,0 5,7 3 3,6
1,4 1,3 1,3 1,5 1,3 1,4
і=з Число агломератов 573 424 2894 3132 5081 3168
V ], см/с 29,6 9 3,5 6,8 3,4 4,1
1,3 1,3 1,2 1,4 1,3 1,2
і=4 Число агломератов 306 248 1595 1987 3084 1939
V ], см/с 32,8 10,1 3,8 7,6 3,7 4,6
°е 1,4 1,3 1,2 1,4 1,3 1,3
і=5 Число агломератов 159 184 992 1114 1944 1325
V ], см/с 34,7 11 4 8 3,9 4,8
1,4 1,2 1,2 1,4 1,3 1,3
і=6 Число агломератов 100 106 714 694 1304 950
V ], см/с 37,2 11,5 4,2 8,6 4,1 5,2
1,3 1,2 1,2 1,3 1,2 1,2
Таблица 3
Эмпирические зависимости и коэффициенты корреляции
п/п Видовое название эмпирическая зависимость V у, см/с коэффициент корреляции г
1 Кукуруза 22,4*)°,273 0,995
2 Пихта сибирская 6,2*і°,352 0,998
3 Клен ясенелистный 2 3 ^|0,338 0,991
4 Орех манчжурский 4 2*]0,412 0,992
5 Облепиха крушиновидная 2 3 ^|0,321 0,992
6 Дуб черешчатый ^ у ^ 0,421 0,994
Т.о., данные таблицы 3 можно подытожить следующим выводом: зависимость средних значений скоростей седиментации агломератов ПЗ в от числа частиц в агломерате аппроксимируются степенной зависимостью:
уу = а , для 1 < у < 6, (7)
где V] - среднее значение скорости седиментации агломерата состоящего
из у частиц, размерные коэффициенты а и показатель степени к находятся из экспериментальных данных для каждого вида растений. Коэффициент корреляции г - принимает значения в диапазоне 0,992<г<0,998, к принимает значения в диапазоне 0,273<к<0,421. Зафиксированный диапазон V от 2,3 см/с для единичного ПЗ облепихи крушиновидной до 37,2 см/с для агломерата состоящего из шести ПЗ кукурузы, обусловлен различием размеров исследуемых частиц.
Перенос ПЗ анемофильных растений в атмосфере определяется действующим на частицу сопротивлением потока воздуха, силой тяжести, а также размером и формой частицы. Для расчета этого движения введено понятие аэродинамического диаметра ^. Эквивалентный аэродинамический диаметр несферических частиц равен диаметру сферической частицы с плотностью в 1,0 г/см , а её скорость седиментации равна скорости реальной частицы. Вычисляется он с помощью соотношения Осеена, для движения в интервале 0,1 -< Яв < 6,0 [7], используя экспериментально определенную скорость седиментации. Значения эквивалентных аэродинамических диаметров пыльцевых частиц 6 видов Западносибирских растений приводятся в таблице 3.
Таблица 3
Эквивалентные диаметры пыльцевых агломератов шести видов растений, произрастающих на территории Западной Сибири
Видовое название Эквивалентный диаметр агломерата из j ПЗ, мкм
j=1 j=2 j=3 j=4 j=5 j=6
Кукуруза 86,4 94,8 98,9 104,1 107,1 110,8
Пихта сибирская 45,3 50,8 54,5 57,8 60,3 61,6
Клен ясенелистный 27,6 31,5 34,0 35,4 36,3 37,2
Орех манчжурский 36,8 43,4 47,4 50,1 51,4 53,3
Облепиха крушиновидная 27,6 31,5 33,5 35,0 35,9 36,8
Дуб черешчатый 29,9 34,5 36,8 39,0 39,8 41,4
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Rantio-Lehtimaki A. Aerobiology of Pollen and Pollen Antigens // Bioaerosols Handbook / Editors: Cox C. S., Wathes C. M. / Boca Raton, Florida, Lewis Publishers Inc, 1995, pp. 387-406.
2. Sosnoskie L. M., Webster T. M., Dales D., Rains G. C., Grey T. L., and Culpepper A. S. // Pollen Grain Size, Density, and Settling Velocity for Palmer Amaranth (Amaranthus palmeri) // Weed Science 2009, 57 (4): 404-409
3. Di-Giovanni F., Keyan P. G., Nasr M. E., The variability in settling velocities of same pollen and spores. // Grana, 1995. V. 34. N. 1, P. 39-44
4 Jackson S. T., Lypord M. E. Pollen Dispersal Models in Quaternary Plant Ecology: Assumptions, Parameters, and Prescriptions // The botanical review. 1999. V. 65. N. 1. P. 39-74.
5 Дунский В. Ф. Аэромикробиология и прогнозирование болезней растений. Аэрозоли в защите растений. // Научные труды. М., 1982. C. 166-191.
6. Истомин В.Л., Куценогий К.П. Определение скорости седиментации спор плауна и их агломератов //Теплофизика и Аэродинамика. 2001. Том 8. № 2. С. 295-300.
7. Истомин В.Л., Куценогий К.П. Методика определения аэродинамического диаметра аэрозольных частиц сложной геометрической формы в диапазоне чисел Рейнольдса от 0,1 до 6. // Теплофизика и аэродинамика. 2010. Т. 17. № 1. С. 77-83.
© В.В. Головко, В.Л. Истомин, К.П. Куценогий, 2013
