CC BY
50БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И ВРЕМЕНИ ЭКСПОЗИЦИИ ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ ПОРТАТИВНОЙ МАГНИТОПЛАЗМЕННОЙ УСТАНОВКИ
Васильева1 Т.И., Пурыгин2 П.П., Путько3 В. Ф.
1 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королёва,
к.б.н., доцент кафедры биохимии, биотехнологии и биоинженерии
2 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королёва,
д.х.н., профессор кафедры неорганической химии 3 ООО «Инновационный Центр Экотехнологии», д.т.н, профессор, директор
В статье представлен эффективный и экологически безопасный метод предпосевной обработки семян сельскохозяйственных растений магнитным полем, озоном и ультрафиолетовым излучением с помощью магнито-плазменной установки. Изучено влияние различных параметров магнитного поля и времени экспозиции на семена некоторых культурных растений и выбраны оптимальные параметры воздействия в зависимости от размера семян. Результаты исследований вносят определенный вклад в развитие и совершенствование методов предпосевной обработки семян, что позволит значительно повысить продуктивность урожая сельскохозяйственных культур.
The paper presents an effective and environmental friendly method of pre-seeding treatment of seeds of cultural plants with a magnetic field, ozone and ultraviolet radiation using the magneto-plasma installation. The effect of various parameters of the magnetic field and exposure time on the seeds of some cultural plants was studied. Optimal exposure parameters were selected depending on the size of the seeds. The research results contribute to the development and improvement of methods of pre-seeding treatment of seeds. It will significantly increase the productivity of cultural plants.
Ключевые слова: комплекс физических факторов, урожайность, предпосевная обработка, магнитное поле, время экспозиции.
Key words: complex of physical factors, productivity, pre-seeding treatment, magnetic field, exposure time.
ВВЕДЕНИЕ
Повышение урожайности сельскохозяйственных культур и качества продукции растениеводства является важной народнохозяйственной задачей. Для ее решения в последние годы применяют различные электрофизические методы предпосевной обработки семян, это дает возможность увеличить их урожайность, уменьшить заболеваемость растений и повысить качество продукции [1, 2]. Одним из перспективных методов является магнитная обработка. В основном применяют магнитные поля малой интенсивности, сопоставимой с магнитным полем Земли или слабее его (~50 мкТл) [3].
При воздействии на семена и растения яровой пшеницы и ярового ячменя нетеплового воздействия электромагнитными (на частоте 10 ГГц) и магнитными (с напряженностью 15 мТл) полями низкой интенсивности получили повышение урожайности данных культурных растений [4]. Изменение энергии прорастания ячменя при магнитной обработке зависело от квадрата магнитной индукции и скорости движения семян в магнитном поле (МП). Наиболее эффективный режим обработки имел место при магнитной индукции 0,065 Тл и скорости движения семян 0,4 м/с [5,6]. Переменное магнитное поле с частотой 50 Гц существенно изменяло содержание липидов в проростках редиса на свету и в темноте [7]. При воздействии низкочастотного МП на клубни картофеля в клетках увеличивалась ферментативная активность, повышалась у молодых проростков устойчивость к засолению, устойчивость растений к стрессам, азотофиксация и положительное влияние удобрений [8].
Исследования различных научных школ в области магнитобиологии показали перспективность применения импульсных магнитных полей (ИМП) в биорегуляторных технологиях. При обработке ИМП семян садовой земляники увеличивалась их всхожесть, рост растений, подавлялось распространение корневых гнилей, повышалась жизнестойкость и урожайность [9]. В условиях магнитно-импульсной обработки семян Iris ensata наблюдали повышение всхожести до 44% у слабо прорастающих семян [10].
Повышение урожайности сельскохозяйственных культур при магнитной обработке связывают с ростом диффузии молекул вещества через клеточную мембрану [11], что связано с повышением проницаемости клеточных мембран, в результате чего изменяется концентрация веществ в клетках, которая приводит к росту скорости химических реакций, увеличивается водопоглощение семян [2]. Скорость изменения концентрации вещества зависит от величины и градиента магнитной индукции, а также скорости движения семян в магнитном поле [2]. Возможным механизмом стимулирующего воздействия на семена магнито-импульсной обработки являются нелинейные эффекты движения ионов в клетке под действием наводимой ЭДС сверхнизкочастотного ИМП, что вызывает изменение ионной силы и рН в примембранном слое с последующим их влиянием на высвобождение белков из связанного на мембранах состояния, что обуславливает рост корней и проростков семян [9]. Согласно имеющимся
представлениям некоторые ферменты могут проявлять магниторецепторные свойства, изменяя свою активность при воздействии магнитных полей [12]. Кроме того, внешние магнитные поля оказывают влияние на образующиеся в процессе метаболизма радикальные пары, приводя к нарушению электронного транспорта и образованию активных форм кислорода [13].
Собственные исследования показали, что магнитное поле, ультрафиолет и озон в комплексе позволяют решить ряд важных задач сельского хозяйства: стимулирования развития растения, увеличения урожая, уничтожения насекомых вредителей и болезнетворных бактерий. При этом снижают необходимость использования традиционных ядохимикатов, которые отравляют экосистему, делают продукты менее полезными, а в некоторых случаях даже опасными для здоровья. С помощью предлагаемой технологии достигается экологическая чистота продукта, что, несомненно, положительно сказывается на здоровье человека.
Целью данной работы являлось по полученным результатам проделанных научно-исследовательских работ осуществить выбор показателей индукции магнитного поля и времени экспозиции предпосевной обработки семян культурных растений комплексом физических факторов УМПО-2 при неизменных параметрах воздействия ультрафиолетового излучения и озона.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Под руководством профессора д.т.н. Валерия Федоровича Путько были разработаны магнитоплазменные установки [14-17] в том числе и портативная магнитоплазменная установка УМПО-2
Малогабаритная магнитоплазменная установка УМПО-2 обеспечивает обеззараживание и стимуляцию (возбуждение) семян зерновых, бобовых, бахчевых, овощных и других культур. В результате увеличивается урожай, стойкость к засухе, активизируются застарелые семена. Предполагается ее использование дачниками, фермерами и т.п.
С помощью УМПО-2 можно осуществлять воздействие на семена в течение времени от 10 секунд до 3 минут, можно изменять показатели магнитной индукции, включать и выключать ультрафиолетовое излучение. Объем единовременной загрузки до 500 грамм семян. Установка питается от бытовой электрической сети напряжением 220 вольт, потребляет ток до 5 ампер.
В принцип работы установки заложено использование трёх физических факторов: градиентное магнитное поле; ультрафиолетовое излучение; озонирование. Установка генерирует градиентное МП с переменной индукцией от 50 до 300 Гс. УМПО-2 снабжена мощным источником УФ излучения с диапазоном волн 248-340 нм. Озон образуется из воздуха под действием УФ излучения, максимальная концентрация составляет 0,1 мкг/л. Каждое из этих воздействий обладает сильным бактерицидным действием, а магнитное поле способно активировать жизненные процессы в семенах.
Статистическую обработку полученных данных проводили стандартным способом с помощью Ь критерия Стьюдента. Статистически значимыми считали различия с уровнем р<0,05 [18].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Нами было проведено большое количество экспериментальных работ, посвященных предпосевной обработке семян культурных растений комплексом физических факторов с разными параметрами магнитной индукции и времени экспозиции. В качестве изучения биохимических показателей в листьях проростков были выбраны содержание фотосинтезирующих пигментов, которые напрямую связаны с урожайностью растений, а также активность оксидантных ферментов (каталаза и пероксидаза), выполняющих защитную роль в клетках при адаптации растений при изменении факторов внешней среды. Кроме того изучали биометрические показатели проростков и осуществляли статистическую обработку данных.
Результаты показали, что наибольший рост растений пшеницы и ячменя наблюдался при облучении семян в течение 1 или 2 минут комплексом физических факторов с индукциями магнитного поля 200 или 300 Гс [19-23]. Активирующим действием на семена льна, их всхожесть, рост и биохимические показатели обладала предпосевная обработка комплексом физических факторов: УФ излучением, озоном и МП с индукцией 100 Гс при небольшом времени воздействия 10 и 30 с [24]. Таким образом, изучая воздействие
(рис.1) [16].
Рис. 1 Малогабаритная магнитоплазменная установка УМПО-2
комплекса физических факторов на семена различных сельскохозяйственных культур, было отмечено, что выбор параметров обработки магнитным полем и время экспозиции для увеличения жизнедеятельности растения зависят от размера и массы семени (табл.1).
Таблица 1
Распределение семян изученных культурных растений по массе с соответствующими
оптимальными параметрами магнитного поля УМПО-2
Наименование Массса 1000 семян (г) Оптимальные параметры магнитного поля УМПО-2
Ячмень 22 - 60 300 Гс при времени экспозиции 1 минуты
Пшеница 20 - 55 200-300 Гс при времени экспозиции 1-2 минуты
Просо 4 - 9 100 Гс при времени экспозиции 1-2 минуты
Лен 3 - 7 100 Гс при времени экспозиции 10 и 30 с
Дополнительно были проведены исследования по предпосевной обработке семян гречихи посевной (Fagopyrum а'сикМит) комплексом физических факторов с магнитной индукцией 200 Гс и временем экспозиции 1 минута, так как в среднем масса 1000 семян гречихи составляет 30 г. Проращивание семян осуществлялось в чашках Петри, затем производилась пересадка в грунт через 4 дня после замачивания. Для определения изменения роста гречихи, а также активности ферментов пероксидазы и каталазы и содержания фотосинтетических пигментов в надземных частях гречихи, отбирали образцы наземной части растений: на 10 сутки, 13 сутки и 15 сутки. Результаты эксперимента представлены в таблице 2.
Таблица 2
Изменение исследуемых параметров проростков листьев гречихи посевной (Fagopyrum е8си1епШт), семена которой подвергались предпосевной обработке переменным магнитным полем с магнитной
индукцией 200 Гс в течение 1 минуты в установке УМПО-2
Исследуемый параметр Контроль Опыт
10 дней 13 дней 15 дней 10 дней 13 дней 15 дней
Длина листьев, мм 19,2±0,3 19,7±0,4 20,7±0,4 20,5±0,2* 21,1±0,3* 21,5±0,2*
Активность пероксидазы, усл.ед./г 0,252± 0,249± 0,247± 0,259± 0,252± 0,253±
сырой массы 0,003 0,003 0,004 0,003 0,003 0,003
Активность каталазы, мкмоль/мин*г 0,0273± 0,0275± 0,0345± 0,0345± 0,0278± 0,0348±
0,0003 0,0003 0,0003 0,0003* 0,0003 0,0003
Содержание хлорофилла a, мг/л 19,9±0,3 19,3±0,3 19,2±0,3 22,2±0,3* 20,1±0,2 21,7±0,2*
Содержание хлорофилла Ь, мг/л 11,3±0,7 9,4±0,2 9,8±0,5 14,7±0,9* 9,6±0,4 15,0±0,3*
Длина листьев гречихи растений опытной группы в среднем была достоверно выше на 5 %, также тенденция к увеличению была обнаружена при исследовании остальных показателей - активности каталазы и пероксидазы, содержания хлорофиллов а и Ь.
Для подтверждения гипотезы выбора оптимальных параметров воздействия магнитного поля УМПО-2 в зависимости от размера семян проведены эксперименты с семенами некоторых дачных культур: семена моркови Лонге Роте (бессерцевидная) ООО «Группа компаний «Гавриш», томатов Клюква в сахаре ООО «Агрофирма АЭЛИТА», томатов Сибирское яблоко ЗАО ССП «Сортсемовощ», редиса САКСА РС ООО «Агрофирма АЭЛИТА», свеклы столовой Детройт ССК «Поиск», огурца Журавленок F1 Агрофирмы «СемОпт», кабачка F1 Теща хлебосольная ООО Агрофирмы «СеДек».
Семена опытных дачных культур подвергались облучению на портативной магнитоплазменной установке УМПО-2 при комплексном воздействии УФ излучения, озона и магнитного поля, выбор параметров облучения зависел от массы семени (табл.3). Семена контрольных растений облучению не подвергались.
Таблица 3
Распределение семян дачных культур по массе и способу облучения_
Наименование Массса 1000 семян (г) Параметры облучения
Морковь 1-3 100 Гс, 10 с
Томаты 3-5 100 Гс, 30 с
Редис 8-13 200 Гс, 30 с
Свекла 10-22 200 Гс, 1 мин
Огурец 16-35 250 Гс, 1 мин
Кабачок 140-200 300 Гс, 3 мин
Семена выдерживали в темном месте 5 суток, после чего замачивали и на следующий день высаживали в почву и выращивали рассаду в комнатных условиях. Через две недели измеряли длину проростков. После замачивания сразу на следующий день проклюнулись только семена редиса, причем 80% опытных и 20% контрольных. Всхожесть у всех семян была почти 100%, кроме семян свеклы, которые проросли в количестве только 50% как в опытной, так и в контрольной группе.
Таблица 4
Длина двухнедельных проростков некоторых дачных культур, семена которых подвергались _предпосевной обработке комплексом физических факторов_
Наименование Длина проростков, см
Контроль Опыт
Морковь 5,4 ± 0,2 6,2 ± 0,2 *
Томат Клюква в сахаре 4,4 ± 0,5 6,4 ± 0,4 *
Томат Сибирское яблоко 4,7 ± 0,2 8,0 ± 2,8 *
Редис 7,2 ± 0,3 9,3 ± 0,2 *
Свекла 6,3 ± 0,7 5,5 ± 0,5
Огурец 11,6 ± 1,9 15,4 ± 0,6 *
Кабачок 12,3 ± 0,8 14,5 ± 0,7 *
Результаты эксперимента представлены в таблице 4. Отмечено усиление роста растений всех опытных групп, кроме свеклы, проростки которой росли слабыми, отмечена плохая их всхожесть. Возможно, для свеклы рекомендуется уменьшить время облучения. Длина проростков моркови опытной группы была достоверно больше на 15%, томатов Клюква в сахаре - на 45%, томатов Сибирское яблоко -на 70%, редиса - на 29%, огурца и кабачка - на 33% (табл.4).
Исходя из результатов проведенных исследований, была составлена таблица (табл.5), необходимая при дальнейших экспериментальных работах с помощью УМПО-2.
Таблица 5
Предлагаемые параметры облучения в магнито-плазменной установке в зависимости от массы семян
Масса 1000 семян (г) Параметры облучения
1-3 100 Гс, 10 с
3-7 100 Гс, 30 с
8-13 200 Гс, 30 с
15-30 200 Гс, 1 мин
35-65 250 Гс, 1 мин
70-95 300 Гс, 1 мин
100-140 300 Гс, 2 мин
150-200 300 Гс, 3 мин
Действие переменных МП на биосреды прежде всего связывают с глубиной проникновения и энерговыделением. Глубина проникновения переменного МП в проводящую среду зависит от ее магнитных и электрических свойств, частоты поля. Под действием переменного МП ткани с хорошей проводимостью будут нагреваться, а сухое вещество семени представляет собой полупроводник. Тепло оказывает влияние на протекание биопроцессов, является сильным раздражителем, вызывающим реакции в растительном организме [25]. Магнитные поля в зависимости от силы и продолжительности воздействия могут вносить изменения в целостность биологической системы. При действии одних параметров магнитного поля произойдут незначительные изменения, других активация процессов, третьих - наоборот, разрушение системы, болезнь или гибель живой клетки. По своим размерам семена каждой культуры отличаются между собой, и при предпосевной обработке магнитными полями необходимо это учитывать и подбирать соответствующие параметры и время экспозиции.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные результаты исследований показали зависимость величины напряженности магнитного поля и времени экспозиции при предпосевной обработке в портативной магнито-плазменной установке от размера семени, при которых отмечался благотворный эффект (увеличение всхожести, роста растений, фотосинтетическая активность и т.д).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Джанибеков А.К., Васильев А.Н. О возможности использования вторичных ионов для предпосевной обработки семян // Инновации в сельском хозяйстве: электронный журнал ВИЭСХ. 2014. №1(6). С.18-21.
2.Козырский В.В., Савченко В.В., Синявский А.Ю. Влияние магнитного поля на диффузию молекул через клеточную мембрану семян сельскохозяйственных культур // Вестник ВИЭСХ. 2014. №2(15). С.16-19.
3.Шашурин М.М. Влияние предпосевной обработки семян лука дудчатого (Allium fistulosium L.) постоянным магнитным полем на физиологические и биохимические характеристики его проростков // Наука и образование, 2016, №4. С.119-123.
4.Гвоздов А.П., Войнов Г.М., Головач А.А., Павлова Л.Д., Лобода А.А. О влиянии электромагнитных, магнитных и оргонных полей на урожайность и выход семян яровой пшеницы и ячменя // Земледелие и селекция в Беларуси. 2012. №48. С.343-350.
5.Козырский В.В., Савченко В.В., Синявский А.Ю. Влияние предпосевной обработки в магнитном поле на посевные качества семян сельскохозяйственных культур// Вестник ВИЭСХ, 2017. №2(27). С.132-136.
6.Савченко В.В., Синявский А.Ю. Предпосевная обработка ячменя в магнитном поле // Вестник ВИЭСХ, 2015. №4(21). С.45-50.
7.Новицкая Г.В., Церенова О.А., Кочешкова Т.А., Новицкий Ю.И. Влияние переменного магнитного поля на состав и содержание липидов //Физиология растений, 2006. Т.53 №1. С.83-93.
8.Титенкова М.С., Макарова Г.В. Влияние низкочастотного магнитного поля при посадочной обработке клубней картофеля //Инновации в сельском хозяйстве, 2016, №3(18). С.115-118.
9.Инновационные технологии возделывания земляники садовой: науч.-практ. изд. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2010. - 88 с.
10. Сорокопудова О.А., Донецких В.И., Долганова З.В. Стимуляция всхожести семян Iris ensata thumb. Магнитными импульсами с измеряемой частотой //Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2016. №2. С. 98-101.
11. Кларксон Д. Транспорт ионов и структура растительной клетки / Д. Кларксон. - М.: Мир, ф1978. - 368 с.
12. Pazur A., Schimek C. and Galland P. Magnetoreception in microorganisms and fungi // Centr. Eur. J. Biol. 2007. №2. P. 597-659.
13. Galland P., Pazur A. Magnetoreception in plants // J. Plant Res. 2005. V.118. P.371-398.
14. Путько В.Ф. Электрическая дуга в динамических магнитных полях. Дисс. на соиск. доктора технических наук, Самара, 1991.
15. Путько В.Ф., Исаков А.И., Калимуллин А.Н. Устройство для предпосевной обработки. Патент РФ 5037307/15, 1994. Бюл. №1. 10.01.96.
16. Путько В.Ф. Устройство для предпосевной обработки семян. Патент РФ 118161/13, 2012. Бюл. №20. 20.07.12.
17. Путько В.Ф. Устройство для предпосевной обработки. Патент РФ 117247/13, 2012. Бюл. №18. 27.06.12.
18. Фролов Ю.П. Математические методы в биологии. ЭВМ и программирование: Теоретические основы и практикум. - Самара: Самарский университет, 1997. - 256 с.
19. Васильева Т.И., Головина К.В., Пурыгин В.А. Воздействие физических факторов на семена пшеницы, на ее рост и активность каталазы и пероксидазы в проростках // Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции «Образование, культура и молодежь в современном мире» 17-19 января 2013 года. Сибай. 2013.
20. Васильева Т.И., Пурыгин П.П., Цаплев Д.А., Пурыгин В.А. Выбор времени экспозиции и параметров магнитного поля для предпосевной обработки семян пшеницы комплексом физических факторов // Материалы Международного научного Интернет-симпозиума «Перспективные научные достижения современности». Секция «Актуальные проблемы биологии, химии и медицины». 17-24 февраля 2014. / www.sworld.education/index.php/ru/c114-14
21. Васильева Т.И., Советкин Д.А., Пурыгин В.А. Воздействие физических факторов на семена пшеницы, на ее рост и содержание фотосинтетических пигментов в проростках. // Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции «Образование, культура и молодежь в современном мире» 17-19 января 2013 года. Сибай. 2013.
22. Пурыгин П.П., Цаплев Д.А., Цаплева Е.В., Зарубин Ю.П. Определение удельной активности пероксидазы ячменя обыкновенного (Hordeum vulgare) и проса обыкновенного (Panicum miliaceum) при воздействии озона и постоянного магнитного поля // Бутлеровские сообщения. 2013. Т.35. №9. С.90-93.
23. Пурыгин П.П., Цаплев Д.А., Пурыгин В.А., Зарубин Ю.П., Васильева Т.И. Исследование уровня каротиноидов, хлорофиллов а и b в проростках семян ячменя обыкновенного (Hordeum vulgare) после предпосевной обработки семян постоянным магнитным полем и УФ излучением в присутствии озона // Бутлеровские сообщения. 2015. Т.42. №5. С.23-25.
24.Пурыгин П.П., Васильева Т.И., Пурыгин В.А., Советкин Д.А., Цаплев Д.А. Влияние предпосевной обработки семян льна на рост и биохимические показатели проростков // Вестник СамГУ. 2015. №10(132). - С.166-171.
25. Олейник В.П. Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами. Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т Харьк. авиац. ин-т, 2006. - 61 с.
