CC BY
48
УДК 551.52:528.4
ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ОБЪЕМА ЗЕРЕН ПЫЛЬЦЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Владимир Викторович Головко
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская 3, кандидат биологических наук, ведущий инженер, тел. (383)330-77-43, e-mail: golovko@ns.kinetics.nsc.ru
Вячеслав Лазаревич Истомин
Институт гидродинамики им. М. А. Лавреньтьева СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева 15, доктор технических наук, главный научный сотрудник, тел: (383)333-19-38, e-mail: impuls@hydro.nsc.ru
Измерены массы индивидуальных пыльцевых зерен (ПЗ) анемофильных растений Западной Сибири. Методом фотограмметрической обработки изображений произведена оценка объема гидратированных пыльцевых зерен. Произведены оценки изменения объема при высыхании и рассчитаны эквивалентные аэродинамические диаметры ПЗ.
Ключевые слова: пыльцевой аэрозоль, масса пыльцевых зерен, анемофильные растения, объем, аэродинамический диаметр.
ESTIMATION OF THE CHANGE IN THE POLLEN GRAINS VOLUME BY METHOD OF PHOTOGRAMMETRIC PROCESSING OF IMAGES
Vladimir V. Golovko
Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya st., Bldg., tel. (383)330-77-43, e-mail: golovko@kinetics.nsc.ru
Vyacheslav L. Istomin
Institute of Hydrodynamics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 15 Lavrent'ev avenue, Bldg., tel. (383)333-19-38, e-mail: istomin@hydro.nsc.ru
The masses of single pollen grains (PG) of anemophilous plants of Western Siberia were measured. The method of photogrammetric processing of images was used to estimate the volume of hydrated pollen grains. The changes in volume upon drying were estimated and the equivalent aerodynamic PG diameters were calculated.
Key words: pollen aerosol, masses of the pollen grains, anemophilous plants, volume, aerodynamic diameter.
Перенос пыльцы анемофильных растений в атмосфере - физический процесс, обусловленный аэродинамическими характеристиками ПЗ. При контакте с атмосферным воздухом ПЗ теряют содержащуюся в них воду. Высыхание сопровождается уменьшением объема, изменением формы и плотности, и, иногда, появлением воздушных полостей внутри ПЗ. Т. о., имеющиеся литературные данные о размерах ацетолизированных ПЗ позволяют произвести лишь приблизительную оценку их объема аэродинамических характеристик и массовой концентрации пыльцы, присутствующей в атмосфере. Данная работа посвящена экспериментальному определению массы ПЗ западносибирских расте-
ний, а также оценке изменения их объема и аэродинамических характеристик при высыхании.
Использованная в экспериментах пыльца была собрана с растений произрастающих в окрестностях г. Новосибирска. Зрелая пыльца собиралась при раскрытии пыльников, просеивалась для и помещалась в бумажные пакеты.
Масса индивидуальных ПЗ западносибирских растений определялась исходя из их массы и количества напыленной на фильтр АФА-ХА пыльцы. Для измерения массы индивидуальных ПЗ использовалась экспериментальная установка для распыления порошкообразных материалов, разработанная в Институте гидродинамики им. Лаврентьева СО РАН. Схема установки, методика проведения эксперимента и расчета массы индивидуальных ПЗ были подробно изложены ранее [1].
Плотность индивидуальных ПЗ гораздо меньше плотности минеральных частиц и близка к плотности воды. В данной работе она была принята равной
-5
1 г/см . Объем сухого ПЗ в кубических микрометрах равен его массе (в нано-граммах) умноженной на 1000. Массы индивидуальных ПЗ, стандартные геометрические отклонения данной характеристики (а^) и Эквивалентные по массе диаметры (ёт) ПЗ и приводятся в таблицах 2-3.
Для оценки объемов гидратированной пыльцы использовались ПЗ, помещенные в глицерин-желатин с добавлением в него красителя Кумаши голубого. В данной среде ПЗ большинства анемофильных растений имеют форму близкую к сферической. Их объем хорошо аппроксимируется эллипсоидом вращения (сплющенным или вытянутым), частным случаем которого является сфера. ПЗ хвойных растений, имеют сложную форму и снабжены воздушными мешками. Производились оценки объема лишь тела ПЗ хвойных растений, т.к. вклад воздушных мешков в их массу незначителен.
Ранее была предложена методика определения объема ПЗ методом фотограмметрической обработки изображения [2]. Она включала в себя: 1) получение их фотографических изображений в цифровой форме с помощью микроскопа АхюБсоре А1; 2) математическую обработку цифровых изображений с использованием программных модулей; 3) статистическую обработку результатов определения характеристик пыльцы
Фотографическое изображение ПЗ фактически является их сечением, каковое можно аппроксимировать эллипсом. Периметр и (Р) и площадь (£) ПЗ выражаются через значения большой (2Ь) и малой (2а) осей следующими соотношениями:
р
2 Ъ =--2 а =
2 Е(е) 2 пЪ ^
где
е = Бта = (2)
е - модуль эллиптического интеграла, а - модулярный угол, а Е(е) - полный эллиптический интеграл.
Из формулы (2) можно получить следующее соотношение между экспериментально определенными значениями Р, 3 и величиной е.
(3)
Ч/
Я = Де) =
Е(Е) Р
Значение параметра R и модулярного угла а приведено в табл. 1.
Значения функции ^е) и модулярного угла а
Таблица 1
а, град /(е) а,град Не) а, град /(е) а,град /(е)
5 0,63662 30 0,63414 55 0,60169 80 0,39808
10 0,63659 35 0,6319 60 0,58385 85 0,29023
15 0,63646 40 0,62827 65 0,55859 90 0
20 0,63616 45 0,62261 70 0,52291
Объем (V) эллипсоида вращения можно найти по следующим формулам для сплющенного и вытянутого эллипсоида вращения соответственно:
V = АтюР/Ъ
(4а) V = АлЬа2 ¡Ъ (4Ь)
Диаметр эквивалентной сферы, т. е. сферической частицы, объем которой равен объему частицы несферической формы, дается следующими соотношениями для сплющенного и вытянутого эллипсоида вращения соответственно:
ёэкв = \2а(2Ъу
(5а)
ёэкв = 3 2Ъ(2а)2
(5Ь)
Значения объемов (Уё) гидратированных ПЗ анемофильных растений, их стандартные геометрических отклонения (ау), диаметры эквивалентных им по
-5
объему сферических частиц плотностью 1 г/см (ёу) приводятся в табл. 2, 3.
Значения объемов (Уё) гидратированных ПЗ анемофильных растений, их стандартные геометрических отклонения (ау), диаметры эквивалентных им по
-5
объему сферических частиц плотностью 1 г/см (ёу) приводятся в таблицах 2-3.
Вес индивидуальных ПЗ анемофильных растений различается на 4 порядка. Максимальный вес - 243,7 нг отмечен у ПЗ кукурузы, минимальный -0,77 нг - у ПЗ крапивы двудомной (таб. 2-3). Экспериментально наблюдаемая величина изменчивости веса ПЗ а''„ в ряде случаев заметно выше погрешности определения его массы. Следовательно вес индивидуальных ПЗ не монодисперсен. Наименее изменчив вес ПЗ ивы остролистной (стёт = 1,03), наиболее -вес пыльцевых зерен можжевельника казацкого (ст„т = 1,74).
Ранее нами было показано [2], что изменчивость веса индивидуальных ПЗ хорошо соответствует логнормальному распределению следующего вида:
(р (1п О
- ехр
1п
О
Оз.
СТ = 1п СТ,
(6) (7)
где р - вероятность обнаружения веса пыльцевого зерна в интервале от О до О+сЮ, О50 - модальное значение веса пыльцевого зерна, оё - изменчивость веса пыльцевого зерна.
Таблица 2
Аэродинамические характеристики ПЗ древесных растений при относительной влажности воздуха (ЯН). Массы mg, и эквивалентные диаметры ^т) сухих
и эквивалентные объемы (Уё) и диаметры ^у) гиратированных ПЗ, и их стандартные геометрические отклонения. Отношение объемов (Ут/Уё) сухих и гидратированных зерен пыльцы
Видовое название RH, % m& ng (^gm) dm, цт \r 3 цт c?v dv, цт Vm/Vg, %
Abies sibirica Ledeb. 60 82,4 1,23 54,0 246972 1,23 77,8 33,4
Acer negundo L. 59 8,3 1,21 25,1 14990 1,21 30,6 55,4
Alnus glutinosa (L.) Gaertn. 48 3,5 1.30 18,8 6757 1,15 23,5 51,8
Betula microphylla Bunge 79 3,9 1,07 19,6) 10737 1,15 27,4 36,3
Betula pendula Roth 50 2,8 1,26 17,4 8529 1,13 25,3 32,8
Hippophae rhamnoides L. 55 7,5 1,33 24,3 10344 1,3 27,0 72,5
Juglans mandshurica Maxim. 79 12,9 1,29 29,1 31209 1,15 39,1 41,3
Juniperus abina L. 79 3,8 1,74 19,3 11633 1,15 28,1 32,7
Larix sibirica Ledeb. 60 153,2 1,40 66,4 278447 1,15 81,0 55,0
Picea obovata Ledeb. 63 63,1 1,07 49,4 268296 1,16 80,0 23,5
Pinus mugo Turra 30 18,2 1,31 32,6 39246 1,17 42,2 46,4
Pinus pallasiana D. Don 60 13,7 1,09 29,7 44846 1,21 44,1 30,5
Pinus sibirica Du Tour 63 16,4 1,15 31,5 27691 1,47 37,5 59,2
Pinus sylvestris L. 51 14,5 1,22 30,3 41281 1,13 42,9 35,1
Populus nigra L. 38 3,5 1,16 18,9 13474 1,21 29,5 26,0
Populus tremula L. 49 4,0 1,26 19,7 13525 1.30 29,6 29,6
Quercus robur L. 50 8,21 1,44 25,0 10416 1,21 27,1 78,8
Salix acutifolia Willd. 43 3,0 1,03 17,9 6905 1,11 23,6 43,4
Salix alba L. 43 2,4 1,11 16,6) 4001 1,18 19,7 60,0
Salix carpea L. 28 2,2 1,10 16,1 3703 1,16 19,2 59,4
Salix pentandra L. 71 2,5 1,28 16,9 5119 1,12 21,4 48,8
Tilia cordata Mill. 28 10,7 1,25 27,3 15403 1,23 30,9 69,5
При нормально-логарифмическом распределении величины а„ для любых моментов распределения сохраняются, а нормирующие множители момента любого порядка могут быть вычислены, если они известны для одного их них. При этом необходимо выполнение следующего условия - изоморфности формы и однородности состава исследуемых объектов. Последнее справедливо для ПЗ растений. Характерный размер ПЗ ^(кв) оценивается следующим соотношением:
г3
' ОЭЭК '
> = 7Td_p6 (8)
-5
где р - средняя плотность пыльцевого зерна, приниятая равной 1 г/см .
Таблица 3
Аэродинамические характеристики ПЗ злаков и сорных трав при относительной влажности воздуха (ЯН). Массы (тД и эквивалентные диаметры ^т) сухих
и эквивалентные объемы (У^ и диаметры ^у) гиратированных ПЗ, и их стандартные геометрические отклонения. Отношение объемов (Ут/У^ сухих и гидратированных зерен пыльцы
Species ¡RH, % mg ng agm dm, цт Vg, цт3 C?V dV, цт Vm/Vg, %
Злаки
Agropyron pectinatum P. Beauv. 70 16,0 1,26 31,3 36022 1,18 41,0 44,4
Agrostis gigantea Roth 63 6,9 1.10 23,6 14218 1,21 30,1 48,5
Arrhenatherum elatius C. 64 21,3 1,12 34,4 34525 1,16 40,4 61,7
Bromus inermis Leyss. 74 20,8 1,18 34,1 42989 1,32 43,5 48,4
Dactylis glomerata L. 64 9,9 1,40 26,7 21528 1,21 34,5 46,0
Elytrigia intermedia Nevski. 72 50,6 1,05 45,9 74079 1,21 52,1 68,3
Elytrigia repens Nevski. 73 22,3 1,13 34,9 45743 1,33 44,4 48,8
Festuca arundinacea Schreb. 74 18,2 1,23 32,7 27222 1,27 37,3 66,9
Festuca pratensis Huds. 74 16,9 1,22 31,9 26399 1,26 36,9) 64,0
Phalaroides arundinacea Rau-schert 41 10,0 1,18 26,7 32381 1,21 39,5 30,9
Phleum pratense L. 61 15,8 1,20 31,1 27514 1,21 37,5 57,4
Zea mays L. 44 243,7 1,22 77,5 420242 1,17 92,9 58,0
Сорные травы
Artemisia absinthium L. 51 1,6 1,51 14,4 5791 1,17 22,3 27,6
Artemisia sieversiana Willd. 30 1,7 1,38 14,7 5168 1,20 21,5 32,9
Carex macroura Meinsh. 37 4,5 1,36 20,5 11706 1,33 28,2 38,4
Cannabis sativa L. 51 3,0 1,30 17,9 8911 1,23 25,7 33,7
Chenopodium album L. 51 3,8 1,17 19,4 5770 1,37 22,3 65,9
Datisca cannabina L. 37 1,0 1,29 12,4 2255 1,17 16,3 44,3
Humulus lupulus L. 65 3,5 1,14 18,9 5507 1,22 21,9 63,6
Plantago lanceolata L. 65 5,7 1,09 22,1 14365 1,13 30,2 39,7
Plantago media L. 52 3,7 1,44 19,2 7960 1,22 24,8 46,5
Rumex confertus Willd. 65 9,9 1,12 26,7 22754 1,21 35,2 43,5
Solidago Canadensis L. 44 2,7 1,16 17,2 4036 1,23 19,8 66,9
Thalictrum simplex L. 65 4,1 1,11 19,9 8985 1,26 25,8 45,6
Typha latifolia L. 52 3,3 1,32 18,4 3843 1,22 19,4 85,9
Urtica dioica L. 51 0,77 1,17 11,3 2778 1,29 17,4 27,7
Диапазон варьирования размеров гидратированных пыльцевых зерен ане-мофильных растений составлял три порядка от 2,3*103 ^т3 у крапивы двудомной до 420,2*103 ^т3 у кукурузы. Экспериментально наблюдаемая величина изменчивости объема гиратированных пыльцевых зерен значительно превышает погрешности его определения.
Сопоставление объемов сухих и гидратированных ПЗ позволяет оценить влияние высыхания на дальность распространения пыльцы. В среднем при высыхании объем пыльцевых зерен уменьшается вдвое, а эквивалентный диаметр - примерно на 22%.
Для оценки скорости седиментации ПЗ до сих пор подходящим методом считается закон Стокса:
Vs=^d2g(^-L) (9)
18 tj
Скорость седиментации пропорциональна квадрату диаметра оседающей частицы. Таким образом, учитывая уменьшение эффективного даметра ПЗ при высыхании, можно ожидать, что скорость оседания сухих зерен будет составлять примерно 60% от скорости гидратированных.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Головко В.В., Куценогий К.П., Истомин И.Л. Определение массы индивидуальных пыльцевых зерен сибирских растений // Оптика атмосферы и океана. - 2011. - Вып. 24 (6). -С. 525-528.
2. V. Golovko, K. P. Koutzenogii, E. I. Kirov, L. K. Trubina, A. P. Guk Using of potogramme-tric treatment to determination the morpologigical characteristics of pollen grains // J. Aerosol Sci. - 1999. - Suppl. 1. - pp. S159-160.
© В. В. Головко, В. Л. Истомин, 2015
