Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович icon

Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович




НазваМіністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович
Сторінка2/8
Дата конвертації04.04.2015
Розмір1.85 Mb.
ТипДокументи
джерело
1   2   3   4   5   6   7   8

^ 1.2 Біофізичні властивості насіння

Дію електромагнітного поля на насіння – як біологічний об’єкт – необхідно розглядати з урахуванням будови насіння і клітин, з яких це насіння складається (рис. 1.1).


Рисунок 1.1 – Зерно пшениці і його перикард [81]: А – зерно розділене повздовжньо, паралельно бороздці; маленький прямокутник вказує положення ділянки, що представлена на розрізі Б (×7); Б – поперечний розріз пери-карда (×300); 1 – епідерміс, 2 – субепідерміальний шар, 3 – зруйнована паренхіма, 4 – поперечні клітини, 5 – трубчасті клітини, 6 – шар кутикули, 7 – внутрішній шар внутрішнього інтегументу, 8 – зруйновані клітини нуцелусу,
9 – алейроновий шар, 10 – ендосперм, 11 – крохмалоносний ендосперм,
12 – бороздка, 13 – епідермальні волосинки, 14 – поверхня перикарду,
15 – щиток, 16 – зародок.

Насіння зернових сільськогосподарських культур відноситься до біологічних об’єктів. Тканини таких біологічних об’єктів мають певні особливості, які стосуються їх електричних властивостей [82, 83]. Активна електрична провідність біологічних тканин обумовлена, переважно, наявністю в тканинах води, яка знаходиться в міжклітинному середовищі і в самих клітинах [83–85]. Вільними носіями заряду є розчинені в цій воді іони, переважно Na+, К+, Cl та інші. Концентрація іонів у воді така, що дія зарядів в ній компенсується. Отже, середовище всередині клітини і міжклітинне середовище є електрично нейтральним і, відповідно, має лише активну складову опору. Таким чином, чим більший вміст води, тим більша провідність тканин і тим менший її активний опір.

До складу тканин входять біологічні мембрани клітин. Вони являють собою тонкі стінки (рис. 1.2), які складаються з двох шарів білка, розділених шаром молекул ліпідів (жирів) [83, 85]. Кожен такий шар має товщину близько 3,0 нм, а товщина всієї мембрани складає 9,0 нм.

Ліпід, поміщений на поверхню води, буде розтікатися, і товщина його шару може зменшуватися до товщини однієї молекули (моношар) [84–86].
У такому стані полярні (гідрофільні) голівки ліпіду повернені до води, а неполярні хвости (гідрофобні) орієнтовані в протилежний бік. Біологічна мембрана складається з двох шарів ліпіду (ліпідний бішар), які упорядковані таким чином, що полярні групи обернені до внутрішнього (або міжклітинного) водного середовища.

Гідрофобні шари утворюють внутрішню частину мембрани. Ця частина поводить себе як діелектрик (ізолятор). Мембранні білки – це дискретні утворення, глибоко занурені в мембрану [85, 86]. Транспортні білки (які приймають участь у переносі іонів) пронизують мембрану наскрізь. Вважається, що білки не закріплені в мембрані, а мають деяку свободу руху. Можна виділити два типи переносу іонів через мембрану.

Перший тип – це так званий пасивний транспорт речовин (дифузія), другий тип – це активний транспорт речовин (робота іонних насосів). Оскільки іони несуть електричні заряди, а мембрана характеризується певною електричною ємністю, то заряди накопичуються, що призводить до виникнення різниці потенціалів на мембрані (мембранного потенціалу).

У той час, коли в тканинах здійснюються обмінні процеси, мембрани поляризовані. На внутрішній поверхні мембрани накопичуються негативні заряди, а на зовнішній – позитивні.

Рисунок 1.2 – Схематичне зображення мембранної структури, де показані інтеґровані білки, вбудовані в двошарову ліпідну матрицю мембрани [85]


Різниця потенціалів між внутрішньоклітинним і міжклітинним простором складає близько 70 мВ (рис. 1.3). Потенціал у міжклітинному середовищі вважається рівним нулю. Зауважимо, що надлишок зарядів із кожного боку і мембрани існує тільки на її поверхні, рідина з кожного боку мембрани
електрично нейтральна.

Мембрана клітини розділяє дві області, які містять різні розчинені
іони [86]. У міжклітинному просторі є надлишок іонів Na+ і Cl, а в середині клітини найбільшу концентрацію мають іони К+. Ці іони, за рахунок дифузії, можуть проникати через пористу білкову структуру мембрани, але швидкість дифузії різних іонів різна. Різниця потенціалів обумовлює наявність градієнта концентрації різних іонів.

Якби дифузія була єдиним процесом, що керує іонами всередині і зовні клітини, то спостерігався б рух всередину клітини іонів натрію і назовні рух іонів калію.


Рисунок 1.3 – Схематичне зображення ефектів дифузії та активного транспорту за наявності на мембрані клітини різниці потенціалів [86]


Відносні концентрації їх змінювалися би до тих пір поки не досягнуто стану рівноваги. Цього не відбувається, оскільки крім дифузії існує активний перенос іонів Na+ і К+ через мембрану. Такий активний перенос викликаний механізмом (комплексом хімічних реакцій), що має назву «калій-натрієвий насос».

Іонні насоси працюють за рахунок вільної енерґії гідролізу АТФ – спеціальної системи інтеґральних білків (транспортні АТФази) [84, 86]. Перенос іонів транспортними АТФазами відбувається внаслідок поєднання процесів переносу з хімічними реакціями, за рахунок метаболізму клітин. Під час роботи К+ – Na+ – АТФази за рахунок енерґії, яка вивільняється під час гідролізу АТФ, у клітину переноситься два іони калію і одночасно із клітини викачуються три іони натрію. Таким чином, створюється підвищена, порівняно з міжклітинним середовищем, концентрація в клітині іонів калію і понижена концентрація іонів натрію.

Молекулярний механізм роботи іонних АТФаз до кінця не вивчено, але можна виділити основні етапи цього складного ферментативного процесу. Ключовими етапами роботи ферменту є:

1) створення комплексу ферменту з АТФ на внутрішній поверхні мембрани;

2) зв’язування комплексом трьох іонів натрію;

3) фосфотування ферменту з утворенням аденозиндифосфату;

4) обертання ферменту всередині мембрани;

5) реакція іонного обміну натрію на калій, яка відбувається на зовнішній стороні мембрани;

6) повторне обертання ферментного комплексу з переносом іонів калію всередину клітини;

7) повернення ферменту у вихідне положення з вивільненням іонів
калію і неорганічного фосфату.

У стані спокою мембрана проникна для іонів К+ у 50–100 разів більше, ніж для іонів Na+ [85, 86], тому коли іони калію накачуються в клітину, вони знову намагаються дифузувати назовні. Однак звернемо увагу на те, що потенціал для іонів калію (-90 мВ) близький до мембранного потенціалу
(-70 мВ) [86]. Це означає, що для підтримання відповідних концентраційних співвідношень калієвий насос не повинен працювати дуже інтенсивно.

Оскільки мембрана дуже тонка, факт існування різниці потенціалів 70 мВ означає, що напруженість електричного поля всередині мембрани дуже висока і складає 7,8 · 106 В/м. Хоча напруженість поля всередині мембрани дуже велика, необхідно відносно небагато іонів для її підтримання. Поляризація мембран здійснюється переважно за рахунок роботи іонних насосів (зокрема К+ – Nа+ – насоса).

Таким чином, поляризована мембрана, з електричної точки зору, являє собою плоский конденсатор із значним струмом витоку. Струм витоку існує за рахунок вбудованих у мембрану білків, що являють собою провідники, а також за рахунок пористості мембрани. Порушення біоенерґетичних процесів у клітині і роботи К+ – Na+ – АТФази призводить до зменшення мембранного потенціалу [84, 86]. Порушення клітинної мембрани призводить до підвищення її проникності для всіх іонів. За рахунок зменшення проникності абсолютне значення мембранного потенціалу знижується. Для сильно пошкоджених клітин мембранний потенціал дуже малий, але все ж зберігається деякий від’ємний потенціал за рахунок вмісту в клітині поліаніонів – нега-тивно заряджених білків, нуклеїнових кислот та інших великих молекул, що не можуть проникнути через мембрану. Під час повного руйнування мембрани мембранний потенціал зникає повністю, і таку тканину, відповідно, вважають мертвою.

Наявність у біологічних тканинах поляризованих мембран приводить до того, що, крім активного опору, біологічні тканини характеризуються ще і ємнісним опором. Взагалі, опір біологічних тканин, внаслідок вищезгаданих причин, буде комплексним [82, 85, 87, 88]. Мембрану клітини можна представити у вигляді паралельно з’єднаних активного опору і ємності (реактивного ємнісного опору). Опори міжклітинного і внутрішньоклітинного середовища будуть мати тільки активну складову. У разі порушення обмінних процесів і руйнації мембран ємнісна складова комплексного опору буде зменшуватись.

Існують різноманітні методи визначення електричних характеристик біологічних об’єктів за дії різних зовнішніх впливів [82, 87–90]. До них належать методи визначення електропровідності, яка є коефіцієнтом пропорційності між силою струму та різницею потенціалів; електричного опору – значення, обернене електропровідності; питомої електропровідності і питомого електричного опору, що пов’язані з геометрією електродів та біооб’єкту; електричної ємності, яка пов’язує електричний потенціал провідника з його електричним зарядом; біоелектроімпедансу [6, 91, 92,], що є повним опором, який враховує, що біологічна тканина має як електричний опір, так і електричну ємність; діелектричної проникливості – коефіцієнт, що характеризує середовище між двома взаємодіючими електричними зарядами, поляризаційного коефіцієнту, а також метод газорозрядної візуалізації [6, 93, 94].

Вищезгадані методи дають можливість оцінювати результат зовнішніх впливів на біологічні об’єкти, виявити позитивну дію і прогнозувати їх подальший розвиток.

Існує ряд теоретичних уявлень про вплив зовнішніх факторів, насамперед електромагнітних випромінювань, на насіння сільськогосподарських культур, що відображені математичними моделями.

У моделі, запропонованій В. Н. Шмігелєм і А. Юсубалієвим [9], насіння представлене у вигляді тришарового еліпсоїду обертання, що занурений в однорідне електромагнітне поле. Доведено, що напруженість поля всередині насіння залежить від діелектричної проникності відповідних шарів насіння і орієнтації еліпсоїду відповідно до ліній напруженості поля. Як наслідок, максимальна напруженість досягається всередині еліпсоїду, де діелектрична проникність найбільшою є за орієнтації еліпсоїду великою піввіссю вздовж ліній напруженості поля.

Вплив ЕМП СВЧ-діапазону на клітину, що представлена у вигляді сферичного резонатору, висвітлено в роботі Р. Н. Нікуліна [88]. Доведено, що діапазон частот, в якому можлива дія електромагнітної енерґії на клітину, досить широкий. Якщо клітини, що відносяться до різних біологічних об'єктів або його частин структурно відрізняються, то для досить точного визначення діапазону частоти, необхідно знати електричні параметри внутрішнього складу клітини і мембрани окремо.

Біологічна дія низькоенерґетичних електромагнітних полів надзвичай високочастотного діапазону виявлена на клітинному й організменому рівнях та пов'язана з резонансним характером поглинання електромагнітних випромінювань [70].

У роботах Л. Є. Нікіфорової [3, 96] насіння представлене у вигляді
еліпсоїду, що заповнений ендоспермом, всередині якого знаходиться сферична зернівка. Висвітлено вплив низько енерґетичних ЕМП КВЧ-діапазону і показано, що плоска хвиля поширюється нормально до поверхні насіння, а її
електричний вектор направлений по дотичній до поверхні. На основі математичної моделі отримано закономірності резонансного поглинання електромагнітного поля в насінні тепличних культур, які дозволяють визначити його частотний діапазон, що забезпечує активацію насіння. Для тепличних культур він складає 37−38 ГГц за щільності потоку 15 мкВт/см2 та експозиції близько 10 хвилин.

Зважаючи на викладене, можна виділити декілька факторів впливів, що спричиняють електромагнітні поля на біологічні об’єкти [8, 87, 88, 95, 96]:

  • тепловий вплив (найпростіший випадок, але зазвичай це явище відіграє найважливішу роль);

  • структурний нетепловий вплив – вплив на структурні елементи клітин, не пов’язаний з тепловою дією;

  • вторинний фізіологічний вплив – нейрорефлекторна та нейрогуморальна реакція організму на первинні теплові і нетеплові впливи, зміни у обміні речовин, інші фізіологічні реакції;

  • інформаційний (гостро резонансний вплив).

Немає єдиної теорії про механізми впливу електромагнітних полів на біологічні об’єкти, але можна виділити декілька рівнів їх вивчення.

За масштабами біологічного об’єкту [7, 8, 87, 93, 97]:

- на рівні біологічних молекул (дослідження показують, що такі молекули не є найменшими одиницями «живого», тому не можуть розглядатися як об’єкти первинного механізму дії);

- на рівні структурних елементів клітин (біологічні мембрани, рибосоми та інші) – це один із найбільш продуктивних рівнів досліджень.

Із погляду класичної електродинаміки, причини взаємодії випромінювання і речовини пов’язані з наявністю дипольного (або більш високого порядку) моменту в речовині, наскрізної провідності і з достатньої за розміром інтенсивності концентрації випромінювання в цьому ж місці [98]. Тому, з одного боку, необхідно знати структуру хвильового поля в області взаємодії, а з іншого боку, наявність дипольного моменту і провідності. З цих позицій
можна пояснити тепловий компонент дії електромагнітного поля.

Тепловий компонент (який є найбільш характерним для дії НВЧ електромагнітних полів) проявляється через нагрівання тканин за рахунок ендогенного тепла, що утворюється в результаті тертя і коливань дипольних молекул навколо своєї вісі в процесі орієнтування їх за напрямками силових ліній електромагнітного поля, а також за рахунок виділення тепла молекулами води при поглинанні ними енерґії мікрохвиль. Частота коливань поля молекул води збігається з частотою НВЧ коливань, тому найбільше утворення тепла відбувається в тканинах, що містять значну кількість води [8, 97].

Електромагнітні коливання міліметрового діапазону, внаслідок скін-ефекту, викликають нагрівання, переважно, поверхневих шарів [8, 87]. Дія електромагнітних коливань меншої частоти на біологічні об’єкти забезпечує розігрівання по всьому об’єму.

Під час дії НВЧ випромінювань можуть порушуватися фізико-хімічні властивості біологічних структур [87]. Під впливом НВЧ випромінювання можуть руйнуватися гідратні оболонки молекул, що впливає на структуру
білків вищих порядків. НВЧ випромінювання міліметрового діапазону зумовлює зміни молекул ДНК.

Однією з основних закономірностей дії міліметрових хвиль на біоло-гічні об’єкти є їх резонансна дія [87]. Резонансними системами, що реагують на опромінення міліметрового діапазону, можуть бути білкові молекули, мембрани при збудженні у них електричних хвиль.

Наведені відомості і математичні моделі в цілому описують вплив ЕМП на окремі насінини та їх структурні елементи, але не дають уявлення про дію таких полів на насипне насіння, що є досить важливим з практичної точки зору. Результат дії ультрависокочастотного електромагнітного поля на насіння залежить від електричних характеристик насіння. Крім того, вивчення зміни електричних характеристик після ВЧ обробки насіння дає певні
відомості щодо зміни обмінних процесів у насінні.


^ 1.3 Огляд методів і технічних засобів електромагнітного опромінення насіння

Електромагнітні методи стимуляції насіння можна розділити на два види впливу: магнітний і електричний, однак такий поділ є досить умовним. При використанні таких впливів найчастіше спостерігається поєднання магнітної і електричної складових поля, особливо це властиво для електромаг-нітних полів радіочастотного діапазону. До магнітних способів можна віднести вплив геомагнітного поля, обробку насіння постійним магнітним полем і змінним (імпульсним) магнітним полем (рис. 1.4).

Електричні методи включають обробку постійним і змінним електричним полем, а також опромінення в полі коронного розряду. При електромагнітній стимуляції використовують поля безперервної й імпульсної генерації радіочастотного діапазону (від НЧ до КВЧ випромінювань).

Вплив геомагнітного поля Землі на рослини досліджується давно [100, 101]. Встановлено ряд закономірностей. Рослини, що розвиваються вільно, орієнтуються у напрямку південного магнітного полюса, їх корені ростуть переважно в цьому напрямку. Залежність росту рослин (чи їх частин) від
магнітного поля була названа магнітотропізмом рослин [102, 103].

Цей ефект у рослин вивчався дуже детально як в природних умовах, коли рослини розвивалися в магнітному полі Землі, так і в умовах, створених штучно, коли величина і напрямок магнітного поля, що впливало на рослини, змінювалися. Реакція рослин завжди залежить від напрямку магнітного поля.

Зокрема, від напрямку магнітного поля, яке впливало на зародки насіння, залежать функціонально-біохімічні властивості рослин, що розвинулися з насіння.


Рисунок 1.4 – Електромагнітні методи опромінення насіння

Так, якщо орієнтувати корінці зародка пшениці у напрямку південного магнітного полюса, то вся рослина (і корені, і стебла) розвивається ефективніше, ніж у разі орієнтації корінців зародка у напрямку північного магнітного полюса.

Досліди проводилися на зародках пшениці, кукурудзи, огірків, буряка, соняшнику, гороху, дині, ячменю і вівса [104–106]. Виявлено, що насіння, висіяне корінцями зародків на південь, проростає швидше (на 4–5 днів), ніж у тому випадку, коли вони орієнтуються на північ. Також вказані властивості залежать від фази місяця. Найефективніше вони проявляються при повному місяці, а при молодику ефект менш виражений.

Дуже ефективним впливом на ріст рослин є обробка штучними магнітними полями. Під дією штучного магнітного поля може значно прискоритися зростання рослин, а також зменшитися ураженість їх плісневими грибками [100, 105, 108]. Так, за допомогою магнітного поля можна збільшувати врожайність томатів [105], підвищувати швидкість проростання зародків ячменю і пшениці [109], прискорювати веґетацію кореневої системи у бобів і жита [109, 110].

Орієнтація насіння кукурудзи певним чином (насіння розташовувалося плоскою стороною на південь) відносно штучного магнітного поля призводила до збільшення урожаю кукурудзи на 20 ц/га [105, 111]. Дія невеликим магнітним полем (близько 20−60 ерстед) на рослини в період відносно низької ферментативної активності (тобто в перші 2−3 дні) призводить до того, що знижується споживання кисню, підвищується зміст нуклеїнових кислот у клітинах рослин, збільшується частота дихання в стеблах і коренях. У цілому позитивний ефект спостерігається як за дії постійними магнітними полями, так і за використання змінних (імпульсних) магнітних полів.

Розроблені установки для магнітної стимуляції насіння типу «Циклон» [112] із продуктивністю 7–30 т/год й енерґоспоживанням до 1 кВт не знайшли широкого вжитку через високу вартість і неекономічність. Максимальний ефект від їх використання досягається за поєднання магнітної обробки з хімічною, що ускладнює технологію, а отже, перешкоджає впровадженню.

Окремо слід відзначити поєднання магнітних впливів з іншими методами обробки (озонування, ІЧ і УФ опромінення, лазерна стимуляція) [48, 108, 113]. Виявлено позитивні впливи: поліпшення схожості насіння до 12 %, підвищення врожайності до 10–15 %, прискорення веґетації рослин. Однак частина результатів неоднозначна, продовжуються дослідження в цій галузі. Складність технології перешкоджає впровадженню результатів досліджень.

Однак найчастіше магнітні впливи поєднані з електричними. При використанні електромагнітних технологій магнітна складова є невід’ємною частиною електромагнітного впливу. Застосування постійного електричного поля або поля коронного розряду не виявили дії магнітної складової на біоло-гічні об’єкти. Під час використання опромінення хвилями радіочастотного діапазону (від НЧ до ГВЧ) суттєвим є поєднання електричної і магнітної складових поля. Тому доцільно ці впливи розглядати комплексно. Дія електромагнітних полів може бути як позитивною, так і негативною. Такі дії можуть бути використані з користю в практичних цілях.

Використовуючи негативний вплив електромагнітних полів на біоло-гічні об’єкти, проводять дезінфекцію і дезінсекцію сільськогосподарської продукції [113, 114]. Для цього може використовуватись ультрафіолетове, гамма випромінювання, але найбільш вигідним і ефективним є використання струмів ВЧ із частотою 47,7 МГц і 2450 МГц. Використання такого опромінення знищує 90–100 % хвороботворних бактерій, грибків і шкідників.

Серед найпоширеніших технологій слід відмітити використання НВЧ випромінювання [115] для знезаражування різноманітних субстанцій біоло-гічного походження (наприклад, комбікормів [116], воску) або навіть для механічного впливу (наприклад, технологія обробки вовни перед миттям [117]). Зрозуміло, що подібні технології не можна застосовувати до живих біологічних об’єктів (насіння, рослин, тварин, людини).

Важливим випадком використання електромагнітних полів є передпосівна обробка насіння [4, 34, 115, 118, 119]. У залежності від типу випромінювання можуть використовуватися різні технічні засоби, методики і технології.

Позитивний результат передпосівної обробки з використанням елек-тричних методів може бути одержаний за допомогою електричних полів різної частоти, починаючи з постійних полів ( f = 0 ) до електромагнітних полів оптичного діапазону. До методів передпосівної обробки насіння за рахунок постійних полів належить метод, в якому насіння перед сівбою пропускається через коронний розряд [120, 121]. Результатом є прискорення проростання і підвищення врожайності різних сільськогосподарських культур.

Електромагнітне поле напруженістю 600 кВ/м з експозицією 1−3 секунди підвищує польову схожість насіння ярової пшениці на 17−22 % залежно від її сортової особливості, істотно збільшується енерґія проростання, водопоглинальна здатність, інтенсивність дихання проростків і продуктивність фотосинтезу рослин [122]. Як результат, помітно збільшується висота рослин, довжина і число колосків, озерненність і абсолютна вага насіння.

Застосування електричного поля високої напруги значною мірою допомагає захищати насіння від хвороботворних мікроорганізмів майже без отрутохімікатів. Це значно покращує санітарні умови роботи із захисту насіння від хвороб, знижує концентрацію отрутохімікатів у ґрунті, що призводить як до поліпшення якості продукції рослинництва, так і стану екології в цілому.

Дослідження, проведені різними авторами [122–124], показують, що за обробки посівного матеріалу в полі коронного розряду в оптимальних режимах метаболічна активність збудників захворювань зростає на 10–15 %, проте стійкість рослин до токсинів і збудників підвищилася в 3−4 рази і, як наслідок, спостерігається покращення схожості на 10–12 % і урожайності – до 10 %.

Розроблено електрооброблювальну машину транспортерного типу в ЧИМЭСХ (Росія), що використовує поле коронного розряду [125]. Вона
може бути вмонтована в зерноочисний аґреґат, дозволяє сортувати і стимулювати насіння. Проте широкого вжитку машина не набула через високу вартість і енерґоємність процесу.

Під час передпосівної обробки насіння ячменю в електричному полі постійного струму високої напруги (коронного розряду, електростатичному) струм проявляє стимулюючу дію на посівні якості. Результати досліджень показали, що максимальну врожайність отримують за електростимуляції насіння із застосуванням джерела напруги 24 кВ протягом трьох, двох і однієї секунд. Енерґія проростання підвищилася, відповідно, до 86, 84 і 87 %, схожість − до 92, 90 і 90 %, а врожайність склала 2,68 т/га, що на 0,52 т/га більше у порівнянні з контролем [126].

Експериментальні дослідження впливу електричного поля коронного розряду градієнтного типу на життєздатність насіння ячменю сорту Абава проводилися в НТЦФ ВНИИЭФ (Росія) на установці «Екран», що має про-дуктивність 1,2 т/год у діапазоні напруженості 1−6 кВ/см [122]. Механізм дії електричного поля коронного розряду градієнтного типу полягає в активації роботи ферментних систем, що гарно позначається на життєдіяльності насіння і, як наслідок, підвищує схожість у межах 15 %.

Окремо слід виділити вплив електричного випромінювання високої потужності з промисловою частотою, що супроводжує роботу силового обладнання і мереж. Дослідження та екологічні спостереження під лініями ЛЕП дали наступні результати. У польових експериментах при електричному полі з напруженістю 15−60 кВ/м (50 Гц) на поверхні землі виявлено зменшення загальної чисельності безхребетних під лінією ЛЕП; при 60 кВ/м (50 Гц) зменшилась щільність травостою і уповільнився темп розвитку рослин на
10–20 %. Це виявлено після 10-річної експлуатації ЛЕП (500 кВ, 50 Гц) [127].

Використання енерґії електромагнітного поля різної частоти істотно доповнює можливості електротехнології в сільському господарстві. Широке застосування апаратів електромагнітної дії на біосистеми в сільськогосподарському виробництві є перспективним з точки зору затратного механізму при проектуванні, виготовленні і експлуатації подібних пристроїв. Експериментальні дані вітчизняних і закордонних дослідників свідчать про підвищення біологічної активності за використання электромагнітних полів в усіх частотних діапазонах [4, 34].

Сформувалися два основних уявлення про вплив електромагнітних полів радіочастотного діапазону на матеріали і речовини. Для високочастотної області (міліметровий діапазон) перевага віддається «інформаційному впливу» [7, 34, 128, 129], а для низькочастотної області (сантиметровий, дециметровий, метровий діапазони) зміни пояснюють за рахунок теплового впливу.

Трансформація електромагнітної енерґії у матеріалах і речовинах приводить до нагрівання, однак, наслідки цього ефекту можуть бути різними, починаючи з чисто фізичних змін у речовині (плавлення, прискорення розчинення), закінчуючи хімічними реакціями (утворення складних ефірів, роз-щеплення крохмалів) [129–131]. У рослинах і біологічних об'єктах електромагнітні поля приводить до оборотних і необоротних процесів, що використовуються для прискорення проростання насіння і збільшення врожайності рослин [128], знищення комах і їхніх личинок [113, 114, 132, 133]. Неоднозначність одержаних результатів після впливу ЕМП обумовлена багатофакторністю систем, а також змінними зовнішніми умовами. Найбільш істотними серед них є: вихідна вологість і температура зразка, що опромінюється, відношення рівня потужності до маси, стан зразка (щільність і рухливість).

Використання позитивної дії електромагнітних випромінювань (ЕМВ) як стимулятора життєздатності насіння з одночасною згубною дією на збудників захворювань насіння і рослин засновано на різній чутливості рослин і супутніх їм мікроорганізмів до цих видів випромінювань.

Обробку НВЧ проводять у побутових мікрохвильових печах і спеціальних аґреґатах, що використовують генератори типу ВЧД [34]. Заздалегідь (за 10−15 хв) замочене насіння поміщають у піч на 30−50 секунд. За тривалішої обробки різкий нагрів насіння може призвести до температурного шоку, розриву тканин сім’я.

Глибина проникнення випромінювань ВЧ залежить від довжини хвилі. Довгохвильове випромінювання (дециметрове) проникає глибше і чинить вплив на внутрішні тканини, тоді як короткохвильове (сантиметрове і міліметрове) випромінювання поглинається поверхневим шаром й уся поглинена енерґія перетворюється на тепло.

Експериментальні дослідження, проведені на базі Харківського національного університету радіоелектроніки та Інституту овочівництва і баштанництва УААН, виявили, що зміна тривалості впливу від 20 до 60 с за частоти опромінення 2450 МГц призводить до зміни енерґії проростання, схожості і довжини корінців, що утворилися [134]. Так, за часу експозиції 40 с енерґія проростання складає 98 %, схожість − 99 %, довжина корінців на восьмий день – 70,5 мм, а в контролі, відповідно, – 95 %, 98 % і 54 мм. Збільшення тривалості експозиції до 60 с призводить до зниження досягнутого ефекту й отримані результати стають схожими з результатами в контрольному зразку.

У Московському інституті інженерів сільськогосподарського виробництва імені В. П. Горячкіна розроблена експериментальна імпульсна НВЧ установка на базі радіолокатора «Сатурн» [135]. Проведені експериментальні дослідження дозволили обґрунтувати способи зняття спокою і дезінфекції насіння енерґією ЕМП із великою імпульсною потужністю (до 850 кВт) на надвисоких частотах (50–2700 МГц). Для зняття стану глибокого органічного спокою насіння овочевих культур оброблялось енерґією електромагнітного поля з дозою 18−24 кДж/кг при кінцевій температурі не вище 35 °С. Питомі енерґовитрати склали 9,5 кВт·год/т.

Передпосівне опромінення насіння ярової пшениці і ячменю електромагнітними хвилями КВЧ діапазону (30–300 ГГц) підвищує енерґію проростання на 7−14 %, лабораторну схожість − на 5−7 %; позитивно впливає на стійкість рослин до ураження основними збудниками хвороб цих культур, забезпечує появу дружніших і повніших сходів, стимулює ріст рослин, покращує їх збереження і густину продуктивного стеблостою, що підвищує урожай ярової пшениці на 12,0−13,8 %, ячменю – на 12,6−14,2 % [136].

Науково-дослідним центром прикладної електродинаміки Казанського державного технічного університету ім. А. Н. Туполєва розроблено дводіапазонну мікрохвильову установку для передпосівної обробки насіння. Вона працює в двох діапазонах: НВЧ (частота 2450 МГц, продуктивність 24 кг/год) і КВЧ (частоти – 30–80 ГГц, продуктивність –10 кг/год). Також розроблено однодіапазонну мікрохвильову установку «Росток», призначену для фермерських й індивідуальних господарств, що працює в КВЧ діапазоні (частоти – 30–70 ГГц, продуктивність – 8 кг/год) [137]. Передпосівна обробка насіння сосни і ялини за допомогою цих установок підвищує ґрунтову схожість на 18 %, стійкість до хвороб – на 30 %.

Окремо слід виділити низькоенергетичні інформаційні впливи КВЧ [3, 7]. Передпосівне опромінення насіння низькоенерґетичними електромагнітними полями з частотою 37,705 ГГц, щільністю потоку потужності 7,5 мкВт/см2 та експозицією 8,5 хв покращує проростання насіння томатів на 16–20 %, енерґію росту – на 13–15 %, урожайність – на 25–40 %. Такі впливи пов’язані з дією випромінювання на мембранний транспорт і іонний струм у клітинах, однак ці впливи не до кінця вивчені.

Техніко-економічну ефективність використання різних способів передпосівного опромінення насіння необхідно розглядати комплексно, враховуючи наступні фактори:

- простота та низька вартість реалізації технології і виготовлення обладнання, що використовується;

- екологічна чистота, що полягає в мінімально шкідливому впливі на людину-оператора і оточуюче середовище;

- низька енерґоємність обладнання і в цілому технології.

Враховуючи наведені критерії, самим вигідним є використання технологій електромагнітного опромінення насіння хвилями радіочастотного діапазону (ВЧ, УВЧ, НВЧ).

Розроблені генератори радіохвиль мають невисоку вартість, можуть забезпечувати високий рівень вихідного сигналу і дають можливість регулювання вихідної потужності в широких межах, дозволяють реалізовувати стабілізацію вихідних параметрів різними способами. Технологія опромінення не вимагає допоміжних операцій, таких як зволожування, висушування, обробка різними речовинами та інше.

Для забезпечення екологічної чистоти доцільно використовувати радіочастоти, дозволені в медицині. Так, ВЧ опромінення не несе значної шкоди людині і навколишньому середовищу, а навпаки, має терапевтичну дію в разі невеликих доз [138]. Енерґетичну ефективність технології доцільно розглядати за питомими затратами електроенерґії на її реалізацію (рис 1.5) [5].

Із наведеної нижче діаграми видно, що використання ЕМ полів радіочастотного діапазону є вигідним з енерґетичної точки зору. Для обробки однієї тонни насіння використовується до 2,5 кВт електроенерґії за годину.
У разі застосування інших технологій цей показник значно вищий. Затрати електроенерґії знаходяться в межах 3–11 кВт∙год.


Рисунок 1.5 – Питомі енерґозатрати на опромінення насіння за різних технологій:

ПЕП – постійне електричне поле;

ЕППЧ – електричне поле промислової частоти;

РЧ – радіочастотне випромінювання;

ІЧ – інфрачервоне випромінювання;

УФ – ультрафіолетове випромінювання;

γ – гама випромінювання.


За використання γ-випромінювання енерґозатрати є меншими − 1,33 кВт ∙ год. Однак використання γ-променів погано позначається на екології, до того ж вартість обладнання для опромінення дуже висока.

З урахуванням невисокої вартості таких технологій і екологічної чистоти, доцільним є їх використання і подальша розробка та вдосконалення. Окремого дослідження потребують питання впливу ЕМ полів на біологічні об’єкти та їх структурні елементи, а також теоретичні й експериментальні здобутки в цій царині.

1   2   3   4   5   6   7   8



Схожі:

Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович iconМіністерство аграрної політики та продовольства україни головне управління агропромислового розвитку Херсонської обласної державної адміністрації Державна податкова адміністрація у Херсонській області двнз «Херсонський державний аграрний університет» актуальні аспекти розвитку підприємств аграрної с
Актуальні аспекти розвитку підприємств аграрної сфери: облік, аудит та фінансування

Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович iconМіністерство аграрної політики І продовольства україни

Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович iconМіністерство аграрної політики та продовольства України Національна академія аграрних наук Державний вищий навчальний заклад «Херсонський державний аграрний університет»
М. Ф.Іванова «Асканія-Нова» Національний науковий селекційно-генетичний центр з вівчарства

Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович iconМіністерство аграрної політики та продовольства України Національна академія аграрних наук Державний вищий навчальний заклад «Херсонський державний аграрний університет»
М. Ф.Іванова «Асканія-Нова» Національний науковий селекційно-генетичний центр з вівчарства

Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович iconМіністерство аграрної політики та продовольства україни державний вищий навчальний заклад «херсонський державний аграрний університет» нака з

Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович iconМіністерство аграрної політики та продовольства україни сумський національний аграрний університет пропозиції науково-педагогічних працівників Сумського нау щодо наукового супроводу виробництва аграрної продукції та бізнесу на 2012 рік Суми 2012
Оцінка шляхів підвищення ефективності використання основних ресурсів у землеробстві в ринкових умовах

Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович iconУкраїна міністерство аграрної політики та продовольства України Мінагрополітики Державний вищий навчальний заклад
Найменування предмета закупівлі Продукти нафтоперероблення рідкі (код 23. 20. 1 за дк 016-97)

Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович iconПро Порядок нормативної грошової оцінки земель сільськогосподарського призначення та населених пунктів
Державний комітет україни по земельних ресурсах міністерство аграрної політики україни міністерство будівництва, архітектури та житлово-комунального...

Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович iconМіністерство аграрної політики та продовольства україни державна інспекція з карантину рослин
Укрголовдержкарантину від 04. 10. 2012 року №165 «Про заходи щодо припинення діяльності державної інспекції з карантину рослин по...

Міністерство аграрної політики та продовольства України Полтавська державна аграрна академія На правах рукопису Петровський Олександр Миколайович iconУкраїна міністерство аграрної політики та продовольства України Державний вищий навчальний заклад
Державного вищого навчального закладу «Херсонський державний аграрний університет» згідно нижченаведених умов та додатків

Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©lit.govuadocs.com.ua 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи