CC BY
15
УДК 532.529.5
СКОРОСТИ СЕДИМЕНТАЦИИ ПЫЛЬЦЕВЫХ ЧАСТИЦ АНЕМОФИЛЬНЫХ РАСТЕНИЙ, ИНТРОДУЦИРОВАННЫХ В ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
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. Лаврентьева 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
Александр Сергеевич Козлов
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. (383)333-29-44, e-mail: kozlov@ns.kinetics.nsc.ru
Излагаются результаты определения аэродинамических характеристик анемофильных растений, интродуцированных в Западной Сибири. Подсчитана процентная доля индивидуальных зерен пыльцы и их агломератов, образующихся при распылении. Определены скорость седиментации как одиночных пыльцевых зерен, так и их агломератов. Установлена зависимость скорости седиментации агломерата от числа входящих в него пыльцевых зерен.
Ключевые слова: скорость седиментации, пыльцевые зерна, агломераты, анемофиль-ные растения, импульс воздуха.
SPEEDS OF SEDIMENTATION OF POLLEN PARTICLES OF THE ANEMOFILNY PLANTS INTRODUCED IN WESTERN SIBERIA
Vladimir V. Golovko
Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya St., Ph. D., lead engineer, tel. (383)333-34-99, e-mail: golovko@kinetics.nsc.ru
Vyacheslav L. Istomin
Institute of Hydrodynamics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 15 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., chief researcher, tel. (383)333-19-38, e-mail: istomin@hydro.nsc.ru
Aleksandr S. Kozlov
Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya St., Ph. D., researcher, tel. (383)333-29-44, e-mail: kozlov@kinetics.nsc.ru
Results of definition of aerodynamic characteristics the anemofilnykh of the plants introduced in Western Siberia are reported. The percantage of individual grains and their agglomerates resulting from spraying was calculated. The sedimentation rate of aggllomerates, consisting of one to six pollen grains, was determined. The sedimentation rate of agglomerates was found to depend on the number of the pollen grains involved.
Key words: sedimentation rate, pollen grains, agglomerates, anemophilic plants, air impact.
В «естественной» (без интродуцентов) флоре окрестностей Академгородка отмечено 417 видов, принадлежащих 61 семейству, и 235 родам. Это составляет 56 % семейств, 33 % родов и 12,5 % видов флоры Западной Сибири. Помимо растений, исконно обитающих на данной территории, во флоре Академгородка г. Новосибирска можно встретить и растения, интродуцированные человеком: 766 видов, 129 родов, и 40 семейств деревьев, кустарников, полукустарников и древесных лиан. В их числе 227 сибирских видов и 539 экзотов, либо успешно интродуцированных на территории Сибири, либо произрастающих в областях, более-менее близких по климату к Сибири.
Одним из таких растений, использовавшихся при озеленении Академгородка, является береза мелколистная. Исходно данный вид встречался по пустынным степным долинам горных рек Алтая и Монголии. Береза мелколистная - дерево до 4-5 м высотой, нередко низкое и корявое, растущее в виде кустарника. Декоративным достоинством вида является желтовато-серая, иногда розовая кора, небольшие листья и своеобразная по форме крона. В вегетацию вступает позже других видов берез. Этот вид рекомендован и используется для озеленения парков и лесопарков в виде одиночных или групповых посадок.
Как и другие виды данного рода, во время цветения береза мелколистная продуцирует огромные количества пыльцы, вероятно, обладающей аллергенными свойствами, что обуславливает интерес к распространению ее пыльцы. Перенос пыльцевой компоненты атмосферного аэрозоля - физический процесс. Его дальность, эффективность оседания пыльцы на опыляемые растения и поверхности отбирающих устройств обусловлены скоростью седиментации. Сложная форма пыльцевых частиц, их деформация при высыхании, наличие агломератов из нескольких зерен пыльцы затрудняют теоретические расчеты скорости седиментации переносимой по воздуху пыльцы. Ее определяют экспериментально с помощью седиментометров. К настоящему времени скорости седиментации описаны для пыльцы «200 видов растений. Скорости седиментации агломератов пыльцевых зерен практически не изучались. Данная работа представляет собой продолжение цикла исследований посвященных изучению аэродинамических характеристик пыльцевых частиц, переносящихся ветром.
Рис. 1. Схема: А) установки для распыления пыльцы; Б) поворотного храпового
механизма
Экспериментальная установка (рис. 1, А) состоит из: I - дозирующей системы и II - собственно седиментатора. Дозирующая система импульсного распыления и состоит из дозатора 1 исследуемой пыльцы, воздуховода 2, ресивера 3, электроконтактного манометра 4, электроклапана 5. Собственно седиментатор (II) представляет собой цилиндр 6, который разделен заслонкой 7 на две части. Его верхняя часть - приемник распыленного вещества, поступающего из дозирующей системы (I) через сопло 8. Она сверху оканчивается фильтродержателем 9 с установленными на металлической сетке фильтрами типа АФА-ХА-18 для выхода воздуха. Нижняя часть цилиндра седиментатора оканчивается храповым устройством 10, представлющим собой неподвижную щелевую диафрагму 1 с окном 2, имеющим вид сектора. Ниже лежит сменный стеклянный диск для сбора распыленной пыльцы 3 на вращающемся ложе 4, которое зафиксировано стопором 5 относительно храповика 6. Ложе со стеклянным диском может вращаться с переменной скоростью и имеет несколько фиксированных положений. Вращение стекла на заданный угол осуществляется храповиком 6.
Методика проведения эксперимента
Порции пыльцы распылялась в верхнюю часть установки при закрытой заслонке 7. В приемной части седиментатора устанавливалась щелевая диафрагма. В опытах смена секторов осуществлялась вручную через фиксированные промежутки времени tф секунд, начиная с первого Последняя диафрагма
в опытах экспонировалась в течение 1 мин. Сектор номер 1 служил фоном, контролирующим загрязнение стеклянной пластинки. Во всех опытах на нем не было зафиксировано ни одного ПЗ.
После завершения отбора образцов с осадком стеклянный диск с осевшими пыльцевыми частицами помещали под микроскоп МБИ-11. Для закрепления пыльцевых частиц на стекле использовался глицерин-желатин с добавлением к красителя кумаши голубого. Для каждого сектора просматривалось 30 полей зрения. На каждой из просматриваемых площадок подсчитывалось число единичных ПЗ, а также и число агломератов, содержащих более одного ПЗ. Агломераты, содержащие 2, 3 и т. д. ПЗ, подсчитывались отдельно.
Рис. 2. Одиночные ПЗ и их агломераты у березы мелколистной
Несмотря на имеющиеся морфологические особенности, способствующие распространению в атмосфере индивидуальных пыльцевых зерен, при распылении пыльцы березы мелколистной наряду с ними образовывались агломераты, в состав которых входило от двух и более зерен пыльцы. Агломерат из двух либо большего числа зерен составляли > 37 пыльцевых частиц, осевших на подложки. В их состав входило 64,5 % распыленных пыльцевых зерен.
Значение скорости седиментации, характеризующее частицы, оседающие
в пределах выбранного сектора (V 1), рассчитывалось по формуле
— V + V,
V = (1)
где V и Уг+1 - максимальная и минимальная скорость седиментации частиц в г-секторе.
Средняя скорость седиментации Vj агломерата, состоящего из у зерен, рассчитывалась по формуле
V: = ехр
у
г
X пу
I
(3)
где Vу - среднее геометрическое значение скорости седиментации агломератов из у частиц, оседающих на г-й сектор; Пу - число агломератов из у частиц, осевших на г-й сектор.
Среднегеометрические отклонения а у от среднего значения V: агломерата, состоящего из у зерен рассчитывались формуле
а = ехр
X Пу (1п<Уу ) - МУу ) )
' --(4)
X
V
Для индивидуальных частиц и для агломератов наблюдается заметный разброс скоростей седиментации. Количества подсчитанных агломератов (у -от 1 до 6), среднегеометрическое значения и среднегеометрические отклонения их скоростей седиментации березы мелколистной приведены в таблице. 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.
Таблица
Результаты определения скоростей седиментации ПЗ и их агломератов березы мелколистной
Число зерен пыльцы в агломерате Число агломератов Средняя геометрическая скорость оседания У], см/с Стандартное геометрическое отклонение а^
1 2739 2,7 1,4
2 734 3,6 1,3
3 388 4,2 1,3
4 247 5,0 1,5
5 127 5,7 1,5
6 79 6,1 1,4
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:
У] = У], для 1 < ] < 6, (1)
где V] - средняя скорость агломерата состоящего из у частиц; ¥1 - средняя скорость единичного зерна.
Для березы мелколистной полученные данные можно аппроксимировать эмпирической зависимостью:
V] - = 2,1°'372 коэффициент корреляции г = 0,9991
Данные можно подытожить следующим выводом: полученные средние значения скоростей седиментации агломератов ПЗ в зависимости от числа частиц в агломерате аппроксимируются степенной зависимостью вида:
У] = а * /, для 1 < ] < 6, (2)
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.
Зафиксированный диапазон V] от 2,1 см/с для единичного пыльцевго
зерна до 4,1 см/с для агломерата из шести зерен, обусловлен различием размеров исследуемых частиц..
© В. В. Головко, В. Л. Истомин, А. С. Козлов, 2017
