CC BY
33
Science. 2017 vol. 50. N 2. 253-261. (In English)
https://elibrary.ru/item.asp?id=28172343 DOI: 10.7868/S0032180X17020071
12. Babichev A.N., Monastyrskii V.A., Ol'garenko V.I. Sistema upravleniya shirokozakhvatnoi dozhdeval'noi mashiny krugovogo deistviya dlya pretsizionnogo orosheniya [Control System of Wide-Range Sprinkler for Precision Irrigation]. Puti povysheniya effektivnosti oroshaemogo zemledeliya. 2019. № 1(73). S. 195-200. (In Russian)
https://elibrary.ru/item.asp?id=37948151
13. Babichev A.N., Monastyrskii V.A., Ol'garenko V. Ig. Metodika pretsizionnogo
orosheniya dlya sovremennykh dozhdeval'nykh mashin [Precision irrigation methodology for modern sprinklers]. Puti povysheniya effektivnosti oroshaemogo zemledeliya. 2019. N 2(74). 14-17. (In Russian)
https://elibrary.ru/item.asp?id=38252158 14. Monastyrskii V.A., Babichev A.N., Ol'garenko V. Ig. Algoritm rascheta doz udobrenii v pretsizionnom zemledelii [The calculation algorithm for rate of fertilizer application in precision farming]. Nauchnyi zhurnal Rossiiskogo NII problem melioratsii. 2019. N 1(33). 26-38. (In Russian) https://elibrary.ru/item.asp?id=37057155
УДК 581.142:581.135:58.084.1 Б01 10.24411/0131-5226-2019-10215
УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА КОРНЕВЫХ ЭКССУДАТОВ АЛЛЕЛОПАТИЧЕСКИ
АКТИВНЫХ РАСТЕНИЙ
1 2 А.Н. Скороходова ; Ю.С. Ларикова ;
12 А.С. Иваницких ; Д.М.Скороходов , канд. техн. наук
1ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ), Москва, Россия
2ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева», Москва, Россия
Корневые выделения растений являются одной из основных форм аллелохимикалий, выведение которых свойственно большинству видов растений на нашей планете. Им присуща потенциальная биогербицидная активность, что является актуальным с точки зрения разработки и внедрения новых экологичных приёмов в сельскохозяйственное производство. В статье представлено устройство для сбора и концентрирования корневых выделений аллелопатически активных растений. Для этих целей одним из самых удобных является абсорбент Амберлит XAD4. В статье описана его химическая структура; рассмотрены технические параметры и принцип работы устройства.
Ключевые слова: аллелопатия, корневые выделения, алелохимикалии, биогербицидная активность.
Для цитирования. Скороходова А.Н., Иваницких А. С., Ларикова Ю.С., Скороходов Д.М. Устройство для сбора корневых экссудатов аллелопатически активных растений // Технологии и
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растениеводства и животноводства_
технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 4(101). С 86-93.
DEVICE FOR COLLECTING ROOT EXUDATES OF ALLELOPATHICALLY
ACTIVE PLANTS
1 о
A.N. Skorokhodova1; Yu.S. Larikova2;
1 о
A.S. Ivanitskikh ; D.M. Skorokhodov , Cand Sc. (Engineering)
'Federal Scientific Agroengineering Center VIM, Moscow, Russia
2Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy, Moscow, Russia
Plant root secretions are one of the main forms of allelochemicals, the exudation of which is characteristic of most plant species on our planet. Potentially, they are active in biological weed-killing that is relevant from the point of view of developing and introducing new environmentally friendly methods in agricultural production. The article presents a device for collecting and concentrating the root secretions of allelopathically active plants. For these purposes, one of the most convenient is Amberlite XAD4 absorbent. The article describes its chemical structure; technical parameters and the operation principle of the device are considered.
Key words, allelopathy, root exudates, allelochemicals, bioherbicide activity.
For citation: Briukhanov A.Yu., Shalavina E.V., Vasilev E.V, Vasileva N.S. An algorithm for the formation of technologies and complexes of machines and equipment ensuring an ecologically sustainable state of the environment. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2019. N 4(101): 86- 93. (In Russian)
Введение
Актуальность темы исследования обусловлена тем, что корневые выделения растений являются одной из основных форм аллелохимикалий, выделение которых свойственно большинству видов растений на нашей планете. Им свойственна
потенциальная биогербицидная активность, что является актуальным с точки зрения разработки и внедрения новых экологичных приёмов в сельскохозяйственное
производство. Цель исследования
Является разработка, конструировании и апробация прибора для получения корневых выделений растений. Материалы и методы
Разработано устройство для сбора и концентрирования корневых выделений аллелопатически активных растений (рис. 1).
Рис. 1 Внешний вид устройства для сбора и концентрирования корневых выделений аллелопатически активных растений
Результаты и обсуждение
Устройство предназначено для сбора и концентрирования корневых выделений
аллелопатически активных растений. Использование данного устройства крайне необходимо при изучении взаимодействий между культурными и сорными растениями, явления аутоинтоксикации при длительном выращивании многолетних растений на одном месте (таких как клевер, козлятник восточный, мискантус и т.д.), механизма аллелопатии при внедрении чужеродных (занесённых) растительных видов и эргазиофитов (беглецов из культуры, например, борщевика Сосновского) в естественные растительные сообщества.
Принцип действия устройства основан на адсорбировании корневых выделений при помощи различных поглощающих веществ -активированного угля, сорбентов
органических и неорганических веществ, ионобменных смол.
Работа устройства основана на явлении абсорбции (лат. absorptio от absorbere — поглощать) — поглощении сорбата всем объёмом сорбента.
Корневые экссудаты растений -вещества совершенно разнообразной химической природы, поэтому, для их сбора необходимо использовать универсальные абсорбенты [3].
Промышленностью на сегодняшний день выпускается большое количество специализированных абсорбентов. Для сбора корневых выделения одним из самых удобных является абсорбент Амберлит XAD4.
Амберлит XAD4 - это полимерный адсорбент, поставляемый в виде белых нерастворимых шариков. Он представляет из себя не-ионный перекрёстно-связанный полимер, абсорбционные свойства которого обусловлены макросетчатой структурой (которая в своём составе содержит и удлинённую полимерную фазу и удлинённую поровую фазу). Для него свойственна высокая удельная поверхность,
связанной с ароматической природой его поверхности (рис. 2) [4].
Подобная структура придаёт
полимерному адсорбенту Амберлит ХА04 необходимые физические и химические свойства, а также термическую стабильность. Полимерный адсорбент Амберлит ХА04 может быть использован в замкнутых циклах, в хроматографических колонках и пакетных режимах, что делает его подходящим для использования в разработанном приборе.
Рис. 2 Химическая структура полимерного адсорбента Амберлит XAD4
Характеристики распределения размеров пор делают Амберлит ХА04 подходящим для адсорбции органических веществ с относительно низкой молекулярной массой, которая свойственна и корневым выделениям растений (рис 3).
0.8-го, 0.6--
1_) си
I 0А-
О >
ш [_
£ 0.20 —
0 50 100 150 200 Роге с11ате1ег, А Рис. 3 Распределение пор в полимерном адсорбенте Амберлит XAD4
Однако, несмотря на все вышеперечисленные преимущества, данный абсорбент является сравнительно дорогим. Для удешевления стоимости сбора корневых выделений в качестве абсорбента предлагается использовать активированный уголь.
Активированный уголь - это вещество с высоко развитой пористой структурой, которое получают из различных углеродсодержащих материалов
органического происхождения, таких как древесный уголь, каменноугольный кокс, нефтяной кокс, скорлупа кокоса, грецкого ореха, косточки абрикоса, маслины и других плодовых культур [5].
Наилучшим по качеству очистки и сроку службы считается активированный уголь (карболен), изготовленный из скорлупы кокоса, а благодаря высокой прочности его можно многократно регенерировать, что важно при циклической работе нашего прибора.
Активированный уголь с точки зрения химии - это одна из форм углерода с несовершенной структурой, практически не содержащая примесей. Активированный уголь на 87-97 % по массе состоит из углерода, также может содержать водород, кислород, азот, серу и другие вещества. Наличие химически связанного кислорода в структуре активных углей, образующего поверхностные химические соединения основного или кислого характера, значительно влияет на их адсорбционные свойства.
Активированный уголь имеет огромное количество пор и поэтому обладает очень большой поверхностью, вследствие чего обладает высокой абсорбцией (1 г активного угля, в зависимости от технологии изготовления имеет поверхность от 500 до 1500 м2).
В активированных углях различают макро-, мезо- и микро- поры. В зависимости
от размеров молекул, которые нужно удержать на поверхности угля, должен изготавливаться уголь с разными соотношениями размеров пор. Поры в активном угле классифицируют по их линейным размерам - Х (полуширина - для щелевидной модели пор, радиус - для цилиндрической или сферической): Х <= 0,6-0,7 нм - микропоры; 0,6-0,7 < Х < 1,5-1,6 нм - супер-микропоры; 1,5-1,6 < Х < 100-200 нм - мезопоры; Х > 100-200 нм - макропоры.
Для адсорбции в микропорах (удельный объем 0,2-0,6 см3/г и 800-1000 м2/г), соизмеримых по размерам с адсорбируемыми молекулами, характерен главным образом механизм объемного заполнения. Аналогично происходит адсорбция также в супермикропорах (удельный объем 0,15-0,2 см /г) -промежуточные области между
микропорами и мезопорами. В этой области свойства микропор постепенно
вырождаются, свойства мезопор
проявляются. Механизм адсорбции в мезопорах заключается в последовательном образовании адсорбционных слоев (полимолекулярная адсорбция), которое завершается заполнением пор по механизму капиллярной конденсации. У обычных активных углей удельный объем мезопор
составляет 0,02-0,10 см /г, удельная
2
поверхность 20-70 м2/г; однако у некоторых активных углей (например, осветляющих)
эти
показатели
могут
достигать
3 2
соответственно 0,7 см /г и 200-450 м /г. Макропоры (удельный объем и поверхность
3 2
соответственно 0,2-0,8 см /г и 0,5-2,0 м /г) служат транспортными каналами,
подводящими молекулы поглощаемых веществ к адсорбционному пространству гранул активированного угля. Микро- и мезопоры составляют наибольшую часть поверхности активированных углей, соответственно, именно они вносят
наибольший вклад в их адсорбционные свойства. Микропоры особенно хорошо подходят для адсорбции молекул небольшого размера, а мезопоры - для адсорбции более крупных органических молекул. Определяющее влияние на структуру пор активированных углей оказывают исходное сырье, из которого их получают. Активные угли на основе скорлупы кокоса характеризуются большей долей микропор, а активированные угли на основе каменного угля - большей долей мезопор. Большая доля макропор характерна для активированных углей на основе древесины. В активном угле как правило существуют все разновидности пор, и дифференциальная кривая распределения их объема по размерам имеет 2-3 максимума. В зависимости от степени развития супермикропор различают активные угли с узким распределением (эти поры практически отсутствуют) и широким (существенно развиты).
В порах активного угля существует межмолекулярное притяжение, которое приводит к возникновению адсорбционных сил (Ван-дер-Вальсовые силы), которые по своей природе сродни силе гравитации с той лишь разницей, что действуют они на молекулярном, а не на астрономическом уровне. Эти силы вызывают реакцию, подобную реакции осаждения, при которой адсорбируемые вещества могут быть удалены из водных или газовых потоков. Молекулы удаляемых загрязнителей удерживаются на поверхности
активированного угля межмолекулярными силами Ван-дер-Ваальса. Таким образом, активированные угли удаляют загрязнители из очищаемых веществ (в отличие, например, от обесцвечивания, когда молекулы цветных примесей не удаляются, а химически превращаются в бесцветные молекулы). Химические реакции также могут возникать между адсорбируемыми
веществами и поверхностью
активированного угля. Эти процессы называются химической адсорбцией или хемосорбцией, однако в основном процесс физической адсорбции происходит при взаимодействии активированного угля и адсорбируемого вещества. Хемосорбция широко применяется в промышленности для очистки газов, дегазации, разделения металлов, а также в научных исследованиях. Физическая адсорбция обратима, то есть адсорбируемые вещества могут быть отделены от поверхности и возвращены в их первоначальное состояние при
определенных условиях. При хемосорбции, адсорбируемое вещество связано с поверхностью посредством химических связей, изменяя его химические свойства. Хемосорбция не обратима.
Таким образом, благодаря наличию в активированном угле различных типов сорбции и возможности его регенерации он является весьма подходящим веществом для проведения экстракции корневых
экссудатов.
Прибор для получения корневых экссудатов позволяет производить экстракцию, концентрацию и изучение выделений корневой системы различных растений.
Принципиальная схема устройства представлена на рисунке 4.
Устройство состоит из ёмкости для растений 2, закреплённой на неподвижной станционарной опоре 9. Количество и размеры ёмкостей для растений можно изменять в зависимости от потребностей, то есть учитывать виды растений, из которых необходимо получить корневые экссудаты, а также их необходимое количество. В зависимости от этого количество ёмкостей можно увеличивать, либо брать ёмкость большего объёма. В нашем устройстве использованы ёмкости объёмом 1 литр для удобства экспериментальной работы.
Регулируемое крепёжное
приспособление 2 позволяет настраивать необходимую конфигурацию работы прибора для удобства его эксплуатирования.
Для исключения попадания в раствор корневых выделений разнообразных загрязнителей крупной и мелкой фракции в приборе предусмотрены фильтры для мелких и крупных частиц (3; 6).
Рис. 4 Принципиальная схема устройства для сбора и концентрирования корневых выделений аллелопатически активных растений 1 - ёмкость для растений; 2 - регулируемое крепёжное приспособление; 3 - фильтр корневых выделений; 4 - фильтр мелких частиц;
5 - Насос перистальтический; 6 - фильтр крупных частиц; 7 - отсек с абсорбентом; 8 - блок управления
насосом; 9 -опора; 10 - выход отфильтрованной воды; 11 - блок питания
Постоянство водного тока внутри прибора обеспечивается за счёт включения в его устройство перистальтического насоса 5, равномерная работа которого позволяет нам получить поток раствора с необходимой заданной скоростью, которая обеспечит качественное выделение корневых экссудатов с поверхности корневой системы растений, а также позволит предотвратить возможное травмирование используемых растений.
В зависимости от вида и количества растений может возникнуть потребность в
изменении скорости водного тока через прибор. Для простоты и удобства в приборе предусмотрен блок управления насосом, где в цифровом формате можно указать необходимую скорость вращения
перистальтического насоса и,
соответственно, задать необходимую скорость потока воды.
Сбор корневых экссудатов происходит в фильтре корневых выделения 3, в котором имеется отсек с адсорбентом 7. Это ключевое звено прибора, поскольку именно в данной его части производится сор и концентрация корневых выделений растений, с которыми возможно производить последующую работу (рис. 5).
После прохождения воды через все вышеперечисленные блоки прибора она выходит через специальное отверстие 10 -Выход отфильтрованной воды. Прибор имеет замкнутую схему работы, поэтому после использования вода заново подаётся к корневой системе растения и процесс замыкается в цикл.
Рис. 5 Отсек с абсорбентом
С одной стороны замкнутый принцип работы прибора обуславливает его экономность - необходимо лишь следить за тем, чтобы уровень воды в устройстве не опускался ниже предельных значений. С другой стороны замкнутый цикл позволяет наиболее полно производить сбор растворённых корневых выделений, тем самым избегая существенных их потерь.
Приборы работает от электрической сети, поэтому в его конструкциии предусмотрено наличие блока питания 11.
За рубежом были созданы приборы, которые позволяют производить сбор аллелохимикалий растений, однако они являются дорогими и сложными в работе и устройстве приспособлениями.
Разработанный нами прибор лишен указанных недостатков.
Работает прибор по следующему механизму:
Растения - доноры корневых выделений высаживаются в ёмкость для растений, которая заполнена нейтральным субстратом - перлитом или керамзитом. Субстрат должен быть предварительно промыт и продезинфицирован. После высадки растений включается перистальтический насос, который заставляет воду внутри прибора циркулировать по замкнутой системе. В воду добавляются необходимые растениям для нормального роста макро- и микроэлементы, которые не будут подвергаться сорбированию. Вода омывает корневую систему растений и попадает на фильтры грубой и тонкой очистки, где происходит удаление из неё различных механических примесей. Затем вода с растворёнными в ней корневыми выделениями попадает на фильтр корневых выделений, заполненный сорбентом, где происходит их абсорбция. Оставшаяся вода подаётся на корневую систему растений для дальнейшего их орошения. Тем самым цикл замыкается.
Для получения раствора корневых выделений необходимо снять картридж с сорбентом с фильтра корневых выделений и промыть его соответствующим
растворителем (в зависимости от типа сорбента). Тем самым мы получаем раствор корневых экссудатов растений, с которым можно продолжать работать.
В настоящее время в РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева совместно с ФГБНУ ФНАЦ ВИМ проводятся лабораторные исследования по изучению корневых выделений таких культур как: овес, люпин, борщевик Сосновского и д.р. аллелопатических активных культур. На рисунке 6 представлено постановка опыта по изучению устройства для сбора и концентрирования корневых выделений аллелопатически активных растений.
Рис. 6 Лабораторные исследования по изучению
устройства для сбора и концентрирования корневых выделений аллелопатически активных растений
Выводы
Создано устройство для сбора и концентрирования корневых выделений аллелопатически активных растений, которое обладает следующими
преимуществами по сравнению с аналогами:
1. Простота конструкции;
2. Надёжность - любой узел прибора можно при необходимости быстро заменить на аналогичный;
3. Высокая эффективность;
4. Автоматизированность;
5. Низкая стоимость конструкции
6. Экологичность.
Использование данного устройства открывает перспективу новых исследований корневых экссудатов растений, а также сможет помочь в разработке новых экологически безопасных гербицидов -
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_
биогербицидов на основе корневых выделений растений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кондратьев М.Н., Ларикова Ю.С., Давыдова А.Н. Вторичные соединения лекарственных растений как потенциальная основа для создания биогербицидов // Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии. 2017. Т. 20. № 5. С. 36-40.
2. Bertin C. Yang X. Weston L.A. The role of root exudates and allelochemicals in the rhizosphere // Plant and Soil. 2003. № 256. pp. 67-83.
3. Macias F.A., Marin D., OliverosBastidas A. et al. Allelopathy as a new strategy for sustainable ecosystem development // Biological sciences in Space. 2003. 17. №1. pp. 18-23.
4. Opender K., Suresh W. Comparing impacts of plant extracts and pure allelochemicals and implications for pest control //Perspectives in Agriculture, Veterinary Science, Nutrition and Natural Resources. 2009,
4. № 049. pp.1-30.
5. Ren Sen Zeng, Azim U. Mallik, Shi Ming Luo. Allelopathy in Sustainable Agriculture and Forestry. New York: Springer-Varlag. 2008. 412 p.
6. Rovira A. Plant root exudates // The Botanical Review January. 1969. Vol. 35(1). pp.35 -57.
7. Weir T.L., Park S-W., Vivanco J.M. Biochemical and physiological mechanisms mediated by allelochemicals // Plant Biology. 2004, 7, 472-479.
REFERENCES
1. Kondratev M.N., Larikova Yu.S., Davydova A.N. Vtorichnye soedineniya lekarstvennykh rastenii kak potentsial'naya osnova dlya sozdaniya biogerbitsidov [Secondary compounds of medicinal plants as a potential basis for the creation of bioherbicides]. Voprosy biologicheskoi, meditsinskoi i farmatsevticheskoi khimii. 2017. vol. 20. N 5. 36-40. (In Russian)
2. Bertin C. Yang X. Weston L.A. The role of root exudates and allelochemicals in the rhizosphere. Plant and Soil. 2003. N 256. 67-83.
3. Macias F.A., Marin D., Oliveros-Bastidas A. et al. Allelopathy as a new strategy for sustainable ecosystem development. Biological sciences in Space. 2003. 17. N 1. 18-23.
4. Opender K., Suresh W. Comparing impacts of plant extracts and pure allelochemicals and implications for pest control. Perspectives in Agriculture, Veterinary Science, Nutrition and Natural Resources. 2009, 4, N 049. 1-30.
5. Ren Sen Zeng, Azim U. Mallik, Shi Ming Luo. Allelopathy in Sustainable Agriculture and Forestry. New York: Springer-Varlag. 2008. 412.
6. Rovira A. Plant root exudates. The Botanical Review January. 1969. Vol. 35(1). 35 -57.
7. Weir T.L., Park S-W., Vivanco J.M. Biochemical and physiological mechanisms mediated by allelochemicals. Plant Biology. 2004. 7. 472-479.
