CC BY
37
УДК 635.11 (083.8): 631.52:633
Архипов М. В., д-р биол. наук, профессор, заведующий лабораторией, академик РАЕН,
Великанов Л. П., канд. биол. наук, вед. науч. сотрудник,
Желудков А. Г., канд. физ.-мат. наук, вед. науч. сотрудник,
Гусакова Л. П., канд. биол. наук, заведующий сектором,
Алферова Д. В., аспирант,
ГНУ Агрофизический НИИ Россельхозакадемии
Потрахов Н. Н., д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой,
ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)» Прияткин Н. С., канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, ГНУ Агрофизический НИИ Россельхозакадемии
Возможности биофизических методов в агрофизике и растениеводстве
Ключевые слова: агрофизика, газоразрядная визуализация, зерновка, микрофокусная рентгенография, семеноводство. Keywords: agrophysics, gas discharge visualization, grain, microfocus X-ray, plant science.
Рассмотрены интроскопические методы не-разрушающего контроля семян — методы микрофокусной рентгенографии и газоразрядной визуализации. Приведены результаты оценки структурных характеристик зерновки при механических воздействиях, а также при скрытых повреждениях зерновки биологическими объектами.
Введение
В процессе выращивания, сбора и обработки растений семена подвергаются воздействию различных факторов природного и техногенного характера. В результате таких воздействий конечный продукт, посевной материал, может иметь дефекты и аномалии различных типов. Традиционные методы оценки всех дефектов подобного рода весьма трудоемки и требуют специального анализа дефекта каждого вида, особые затруднения возникают при необходимости регистрировать не только внешние, но и внутренние повреждения структуры семени, зачастую даже косвенно не обнаруживаемые на его поверхности [1]. И здесь большое значение приобретают широко используемые в медицине интроскопические методы неразрушающего контроля биообъектов.
Одним из наиболее перспективных методов регистрации скрытых дефектов в семенном материале является метод микрофокусной рентгенографии, позволяющий визуализировать все внутренние формообразующие структуры семени и, следовательно, их плотностные, объемные и линейные аномалии без разрушения. Рентгенографический анализ — эффек-
тивный метод контроля качества семян, позволяющий получить принципиально новую информацию об их внутренних свойствах, в совокупности с другими методами (морфофизиологическим, биохимическим, люминесцентным и др.) он обеспечивает более высокий уровень экспертной оценки качества семян.
Признание метода рентгенографии выразилось в том, что Министерством сельского хозяйства РФ была создана и аккредитована независимая экспертная лаборатория по рентгенографии, аттестованная в системе сертификации семян [2], в Агрофизическом институте. Метод реализован на практике в службах семенного и карантинного контроля и включен в соответствующие международные и отечественные стандарты [3].
Исследование характеристик газоразрядного свечения семян растений, дополняющее существующие интроскопические методы неразрушающего контроля биообъектов, — одно из интереснейших направлений применения метода газоразрядной визуализации.
Применение биофизических методов в агрофизике и растениеводстве
Применение биофизических методов для структурной оценки прочностных характеристик зерновки. С целью определить степень повреждения семян пленчатых культур на различных этапах и в целом в ходе государственных испытаний семя-очистительного агрегата АС-10 (АООТ «Воронеж-сельмаш») Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук
№ Б(30)/2013 |
биотехносфера
совместно с ФГУ «Калининская машиноиспытательная станция» и ГНУ «Агрофизический НИИ Россельхозакадемии» провел опыты для определения микроповреждения семян машинами и транспортирующими устройствами агрегата [4].
Для успешной реализации поставленных выше задач необходимо было разработать методологию автоматизированной неповреждающей диагностики качества и ростового потенциала семян. Методика содержит экспериментальный, программный, диагностический, технологический блоки.
Для рентгенографического анализа зерна используется передвижная рентгенодефектоскопиче-ская установка типа ПРДУ-02 (разработчик и изготовитель — ЗАО «Элтех-Мед», Санкт-Петербург (www.eltech-med.ru)). Схема эксперимента описана в [4].
При дешифровке полученных рентгенограмм нами были определены типы повреждений, возникающие при механических воздействиях со стороны технологического оборудования и фиксируемые при помощи рентгенографического метода. На их основе была предложена следующая классификация:
• вмятины в области эндосперма;
• вмятины в области зародыша;
• внутренние трещины;
• сколы и выбоины в эндосперме;
• выбитый зародыш.
Следует отметить, что все виды повреждений встречаются также в различных сочетаниях. На основе этой классификации была определена степень повреждения семян овса машинами и транспортирующими устройствами семяочистительного агрегата АС-10 (табл. 1).
Таблица 1 Микроповреждения семян овса машинами и транспортирующими устройствами опытного образца агрегата семяочистительного АС-10
Машина и транспортирующее устройство Целые семена, % Поврежденные семена
Вмятины в области эндосперма Вмятины в области зародыша Трещины Сколы эндосперма Выбитый зародыш
Исходный ворох 68,5 21,75 7,5 2,75 1,0 2,75
Бункер приемный 68,0 22,0 8,25 2,75 1,25 2,75
Транспортер загрузочный ЗАВ-50.09.000-04 (АООТ «Воронежсельмаш») 64,75 24,0 11,00 3,00 3,25 4,00
Нория зерновая НПЗ-50 (АООТ «Воронеж-сельмаш») 60,25 26,25 12,50 3,50 4,25 6,25
Машина предварительной очистки МПО-50 (АООТ «Воронежсельмаш») 59,75 26,75 12,50 3,50 4,0 6,0
Отделение временного хранения ЗАВ-50.03.000-01 (АООТ «Воронежсельмаш») 59,25 30,00 13,75 4,00 3,75 6,0
Транспорт передаточный ЗАВ-50.11.000-01 (АООТ «Воронежсельмаш») 52,25 31,50 15,75 4,75 4,75 7,25
Нория зерновая 2НПЗ-20 (АООТ «Воронеж-сельмаш») 47,75 39,50 17,75 5,00 5,25 7,50
Сушильное отделение: зернопровод 1 загрузочная нория + сушилка М819 (АООТ «Воронежсельмаш») загрузочная нория + зернопровод 2 бункер резерва сухого зерна нория зерновая НПЗ-20 (АООТ «Воронежсельмаш») 47,50 45,75 41,50 41,75 41,00 39,50 36,25 35,25 35,25 32,50 18,75 22,00 19,75 19,25 18,00 5,25 11,25 13,50 13,25 13,25 5,00 5,75 4,25 4,00 4,00 8,00 9,75 10,75 10,75 11,00
Машина вторичной очистки МВО-50 (АООТ «Воронежсельмаш») 38,50 36,75 21,75 13,25 3,75 12,25
Блок триерный ЗАВ-10.90.000А (АООТ «Воронежсельмаш») 41,00 39,75 22,0 10,25 1,50 8,00
Зернопровод 41,00 39,75 22,0 10,25 1,50 8,50
Нория зерновая тихоходная НТХ-20 (АООТ «Воронежсельмаш») 39,75 35,25 23,0 11,00 2,25 11,25
Пневмосортировальный стол СПС-50 (АООТ «Воронежсельмаш») 38,00 44,75 20,0 15,25 2,00 6,20
Бункер готовых семян + выгрузка в автомашину 37,25 24,25 20,5 15,5 2,25 6,75
биотехносфера | № Б(30)/2013
Признак Пшеница Рожь
Образец № 1 Образец № 2 Образец № 1 Образец № 2
Трещиноватость эндосперма 14,4 18,2 0 0
Поврежденность клопом вредной черепашкой (Eurygaster integriceps) 8,3 7,4 0 1,5
Поврежденность трипсом 9,1 7,4 1,7 3,1
Внутренняя поврежденность грызущими насекомыми 0 1,0 3,4 0
Поврежденность эндосперма грибами 0 1,6 1,7 0
Грубые механические повреждения 0 1,0 0 6,2
Скрытое прорастание 4,5 5,8 18,8 9,3
Нежизнеспособность зародыша 22,0 14,0 35,9 21,7
Щуплость 27,3 35,5 10,2 37,2
Таблица 2
Результаты рентгеновского анализа на внутреннюю поврежденность и анализа на зараженность грибами представленных образцов зерна пшеницы и ржи, %
Применение биофизических методов в растениеводстве. Изучается влияние структурных нарушений зерновки на посевные и урожайные характеристики, а также устойчивость к болезням. Проведен анализ скрытых повреждений зерновки экогенного и техногенного характера в партиях зерна, полученных по разным агротехнологиям в полевых и регулируемых условиях.
Для обоснования возможностей рентгенографии для массовой экспресс-диагностики скрытых дефектов экогенного и техногенного характера в партиях зерна и семян выполнены специальные исследования производственных партий ржи и пшеницы, имеющих такие дефекты, как скрытая трещиноватость, скрытое прорастание, скрытая зараженность и по-врежденность зерновки насекомыми-вредителями.
Подготовку семян к рентгенографии, непосредственно рентгеносъемку и анализ рентгенограмм проводили по методике, описанной ранее. Результаты рентгенографического анализа партий семян ячменя, пшеницы и ржи представлены в табл. 2.
Применение газоразрядной визуализации для оценки состояния зерновок пшеницы, пораженной возбудителем фузариоза колоса. С целью оценить возможность применения данного метода для контроля качества зерна изучены характеристики газоразрядного свечения при облучении зерен пшеницы, не имеющих видимых признаков поражения «внешне здоровые» (группа 1), имеющих слабую (группа 2) и сильную (группа 3) степень поражен-ности фузариозом [5].
Метод газоразрядной визуализации позволяет регистрировать и количественно оценивать свечение, возникающее вблизи поверхности объекта при его помещении в электромагнитное поле высокой напряженности. Между исследуемым объектом 1 и диэлектрической пластиной 3, на которой он размещается, подаются импульсы напряжения длительностью 10 мкс от генератора электромагнитного поля 6, для чего на обратную сторону пласти-
ны 3 нанесено прозрачное токопроводящее покрытие (см. рисунок). При высокой напряженности поля в газовой среде пространства контакта объекта 1 и пластины 2 развивается лавинный и/или скользящий разряд, параметры которого определяются свойствами объекта. Свечение разряда с помощью оптической системы 5 и видеопреобразователя 7 преобразуется в видеосигналы, которые записываются в виде одиночных кадров (файлов с расширением Ьтр), каждый из которых представляет собой пространственно распределенную группу участков свечения различной яркости в компьютере 8. Аппаратное обеспечение — серийный аппарат «ГРВ Камера» (разработчик и производитель — ООО «Био-техпрогресс», Санкт-Петербург (www.ktispb.ru)).
Установлено (табл. 3), что внешне здоровые зерна характеризуются максимальным значением параметров газоразрядных изображений: распределением яркости, коэффициентом формы и трех-
Прибор для исследования характеристик газоразрядного свечения:
1 — объект исследования (семя); 2 — газовый разряд; 3 — диэлектрическая пластина; 4 — оптическое излучение; 5 — оптическая система; 6 — генератор; 7 — видеопреобразователь; 8 — компьютер; 9 — корпус; 10 — свечение
№ Б(30)/2013 |
биотехносфера
Таблица 3 Характеристики газоразрядного свечения внешне здоровых зерен ТгШсит аеэШит L. и зерен, пораженных фузариозом
Параметр газоразрядного изображения Зерна Уровень значимости различий между группами зерен р
внешне здоровые слабо пораженные сильно пораженные
Распределение яркости 0,289 ± 0,019 0,261 ± 0,015 0,233 ± 0,018 р1 2* = 0,023; р1,3 = 0,0001; Р2, 3 = 0,024
Коэффициент формы 2,470 ± 0,300 1,690 ± 0,140 1,510 ± 0,140 р1 2 = 0,00003; р1,3 = 0,000001
Трехмерная фрактальность 2,446 ± 0,049 2,352 ± 0,052 2,378 ± 0,025 Р1,2 = 0,001; р1,3 = 0,002
* Нижние индексы обозначают сравниваемые группы зерен.
мерной фрактальностью по сравнению инфицированными зерновками. Газоразрядные изображения внешне здоровых зерновок отличаются большей изрезанностью контура и разнообразием спектра яркости, чем газоразрядные изображения инфицированных зерновок.
Заключение
При анализе качества семян зерновых, полученных по различным агротехнологиям, интроскопи-ческий подход позволяет выявлять скрытые дефекты зерновки всех основных типов, влияющие на хозяйственную пригодность семенного материала, в значительной степени обусловленную различиями в технологиях выращивания, уборки, подработки семян в полевых и регулируемых условиях.
Вариабельность показателей количественной оценки доли хозяйственно-значимых скрытых дефектов в партиях зерна свидетельствует о возможности приемов коррекции агротехнологий (выбор оптимальных режимов сушки, сортировки и сепарации), которые позволяют получать партии зерна с минимальным уровнем скрытой травмированно-сти. Такого рода коррекция будет позитивно отражаться на посевных и технологических характе-
ристиках зерна с точки зрения его хозяйственной годности.
Метод газоразрядной визуализации позволяет визуализировать и анализировать повреждения семян, вызванные фитопатогенными организмами, и служит дополнительным инструментом для семенного контроля.
Литература
1. Архипов М. В., Потрахов Н. Н. Микрофокусная рентгенография растений. СПб.: ИПЦ ЛЭТИ, 2008. 178 с.
2. Архипов М. В., Михайленко И. М., Гусакова Л. П. и др. Проблемы хранения и эффективность оценивания качества зерна и семян // IV Междунар. конгресс «Зерно и хлеб России» 11-13 ноября 2008 г. СПб.: [Б.и.], 2008. С. 36-38.
3. Архипов М. В., Дерунов И. В., Гусакова Л. П. и др. Вопросы обеспечения биобезопасности агросырья в рамках доктрины продовольственной безопасности РФ // Аграрный эксперт. 2009. № 2. С. 60-63.
4. Архипов М. В., Великанов Л. П., Гусакова Л. П. и др. Приемы минимизации скрытых повреждений зерновки экогенного и техногенного характера в партиях зерна, полученных по разным агротехнологиям в полевых и регулируемых условиях: Методические рекомендации. СПб.: [Б.и.], 2008. 40 с.
5. Прияткин Н. С., Коротков К. Г., Куземкин В. А. и др. Исследование влияния внешней среды на состояние растений на основе метода ГРВ биоэлектрографии // Известия вузов. Приборостроение. 2006. Т. 49, вып. 2. С. 67-72.
биотехносфера
| № Б(30)/2013
