Исследование влияния предпосевной обработки семян древесных пород водой, активированной плазмой

Исследование влияния предпосевной обработки семян древесных пород

водой, активированной плазмой

О.И. Гаврилова, К.В. Гостев, В.А. Гостев, М.В. Журавлева, М.А. Румянцева ФБГОУВО «Петрозаводский государственный университет»

Аннотация: Проведена обработка посевного материала древесных пород активированной плазмой водой и исследование ее результатов для повышения процента всхожести семян и ускоренного прорастания. Результатом работы является проведенный анализ результатов посева семян ели европейской (Picea abies L.), сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), березы повислой (Betula pendula Roth.) и клена ясенелистного (Acer negundo L). При времени воздействия 2 минуты всхожесть семян сосны возросла на 22% относительно контроля, ели на 11. Для семян березы период прорастания сократился на 1 день для и 3 дня для клена при общем увеличении всхожести на 18 и 16%. После фитопатологического анализа семян был выявлен некоторый бактерицидный эффект, связанный с уменьшением числа зараженных грибами рода Alternaria, Penicillium и др.

Ключевые слова: вода, низкотемпературная плазма, семена, прорастание, сосна обыкновенная, ель европейская, береза повислая, клен ясенелистный

Важным условием хорошей приживаемости посадочного материала на лесокультурной площади является его высокое качество [1]. При посевах семян в лесных питомниках актуальной проблемой остается выведение семян из состояния покоя [2-4]. Для культур севера России неотъемлемой фазой жизненного цикла является глубокий покой, без которого невозможно прорастание семян. Покой семян обеспечивает сохранение их способности к прорастанию. В связи с периодичностью плодоношения древесных пород семенные годы наступают один раз в несколько лет, и семена хранятся в специализированных семенохранилищах. За время хранения семян нарушается ход их естественной подготовки к прорастанию, снижается качество, ухудшается всхожесть. Предпосевная обработка семян

необходима, так как она улучшает всхожесть семян и сопротивляемость всходов инфекционным заболеваниям [4].

Всхожесть семян зависит от температурных и влажностных условий и

наличия кислорода. Световой режим, динамика температуры дня и ночи и наличие не менее важных питательных веществ - основные факторы, которые следует выделить. Эти факторы оказывают влияние на темпы роста сеянца на начальных этапах развития. При оптимальном режиме проращивания, который наблюдается в условиях теплиц при выращивании контейнеризированных сеянцев, сроки появления всходов в большой степени зависят от способа подготовки семян к посеву [1, 4, 5].

В Республике Карелия имеется склад для хранения семян емкостью 10 т, в котором постоянно поддерживается температура -6 °С. При этом длительность хранения семян с сохранением их качества повышается. Однако и при таком режиме хранения необходимо выводить семена из состояния покоя [4].

Существует довольно большое разнообразие способов подготовки семян к посеву. Самым простым и наиболее распространенным способом, который еще и воздействует щадяще на семена, является намачивание семян в воде. Главные факторы, которые влияют на всхожесть семян, это вода, воздух и тепло. Семена впитывают воду, за счет этого набухают, оболочка разрывается и частицы почвы, окружающие семя, отодвигаются. Вода и воздух увеличивают содержание ферментов в семени. Под воздействием этих двух факторов, воды и воздуха, нерастворимые питательные элементы, которые находятся в семени, переходят в статус легкоусвояемых. [3, 4, 11]

Электрохимическая активация - это технология получения метастабильных веществ анодным или катодным электрохимическим воздействием для последующего использования этих веществ в различных технологических процессах в период сохранения ими повышенной физико-химической и каталитической активности [7, 8].

В Петрозаводском государственном университете в рамках комплексных исследований в области интенсификации лесопользования [5],

ведется поиск путей использования приложений низкотемпературной плазмы для интенсификации биологических процессов, протекающих в семенах древесных пород на начальном этапе развития [4, 5, 6]. На базе физико-технического факультета ПетрГУ было создано мобильное устройство импульсного генератора переохлажденной плазмы на воде [9, 8, 12, 13]. Внешний вид устройства и его структурная схема представлены на рисунке 1.

а б

Рис. 1 - Внешний вид генератора в работе (а); схема установки мобильного устройства импульсного генератора переохлажденной плазмы на воде (б): 1 - блок питания; 2 - ёмкость с водой; 3 - компрессор; а - анод; б -катод.

Технические характеристики мобильного устройства импульсного генератора переохлажденной плазмы на воде:

• Рабочее вещество - вода;

• Объем воды - 1 л;

• Средняя температура: 40-60 °С;

• Напряжение горения разряда 5 кВ;

• Импульсный ток: ~ 40А;

• Энергия одного импульса: ~ 1Дж;

• Скважность 0,1-0,01;

• Частота импульсов 1-10 Гц;

• Потребляемая мощность от сети 50 Вт.

Плазмообразующим веществом является дистиллированная вода. При прохождении воды через разрядный промежуток происходит ее активация с изменением уровня кислотности рН. Время воздействия низкотемпературной плазмы на воду может варьировать. В экспериментах время активации воды в разряде переохлажденной плазмы составляло 2 и 4 минуты. Непосредственно после активации были проведены замеры уровня кислотности. Измерения уровня рН показали, что в исследуемом образце до обработки среда характеризуется как кислая (рН=6,6; близка к нейтральной), после обработки уровень рН увеличивается до рН=8,23 и постепенно в течение времени уменьшается и даже восстанавливается до начального. Впоследствии увеличение уровня рН существенно повышается, на 1-2 единицы. При обработке воды в течение 2 минут уровень кислотности стабилизируется в течение нескольких суток, при обработке в течение 4 минут

Проведенные в 2014 году опыты показали, что обработка семян активированной плазмой водой (АПВ) сосны обыкновенной повышает техническую всхожесть при обработке воды в течение 2 минут на 22%. Время среднего семенного покоя уменьшилось на 1 день.

Для проведения эксперимента по воздействию активированной плазмой воды на прорастание семян древесных пород было выбрано время активации - 1, 2 и 4 минуты. С использованием аппарата Огиевского были заложены на проращивание семена ели обыкновенной, сосны обыкновенной, березы повислой и клена ясенелистного. Все условия использования аппарата были соблюдены: температурный режим, влажная среда, доступ воздуха. Появление плесени при проведении эксперимента не наблюдалось.

-*-2 минуты - -4 минуты

До обработки 3 апреля Через 1 час

после обработки

4 апреля

5 апреля

7 апреля

Рис. 2 - Изменение уровня рН после обработки воды плазмой 03.04.14 Одновременно с работами в лаборатории Петрозаводского государственного университета семена на проращивание были заложены в Отделе «Карельской лесосеменной станции» по адресу: Петрозаводск, Южная промзона. Для проращивания там использовался стол для проращивания шведского производства, отличающийся от аппарата Огиевского наличием подсветки и автоматизированного регулирования температуры воды.

Кроме того, семена, обработанные АПВ, были заложены на фитопатологический анализ. Семена по трем направлениям (сухие семена; семена, намоченные в воде; семена, намоченные в активированной плазмой воде) на фитопатологический анализ были заложены 21.04.14 г. По каждому направлению было заложено по четыре серии, включающие 50 шт. семян

Исследовали всхожесть семян, подвергшихся намачиванию в воде в течение 24 часов, которая обрабатывалась в течение разного времени:

1 вариант - время обработки воды плазмой 1 минута, после чего семена намачивали в течение 24 часов;

2 вариант - время обработки - 2 минуты, намачивание - 24 часа;

3 вариант - время обработки - 4 минуты, намачивание - 24 часа;

4 вариант - контроль, семена намачивали в дистиллированной воде в течение 24 часов, после чего обрабатывали в 0,5-%-ном растворе марганцево-кислого калия (КМп04) и промывали.

Семена, обработанные АПВ, не обрабатывали КМп04.

Результаты проведенных исследований приведены в таблице 1.

В результате у семян сосны обыкновенной, обработанных активированной плазмой водой в течение 1 минуты, на 3 день насчитывалось 50 проростков из 400, у обработанных АПВ в течение 2 минут 32, у семян, обработанных АПВ в течение 4 минут - 29. Для контрольного варианта семян, обработанных по традиционной технологии, насчитывалось 26 проростков.

На пятый день у семян контрольного варианта насчитывалось 149 проростков, обработанных АПВ в течение одной минуты - 184, в течение 2 минут - 224, у обработанных в течение четырех минут насчитывалось 185 проросших семян.

На седьмой день из контрольного варианта обработки проросло 66 штук семян, из обработанных АПВ в течение одной минуты - 57 , в течение 2 минут - 64, а у обработанных АПВ в течение 4 минут - 63.

На десятый день проращивания у семян, обработанных АПВ в течение 1 минуты проросло 6 штук семян, их обработанных 2 минуты - 4, 4 минуты -9 семян, а у партии взятой для контроля (без обработки АПВ) проросло 1 семя.

На пятнадцатый день из обработанных АПВ в течение одной минуты проросло 2 штуки семян, из обработанных АПВ 2 минуты - 3, из обработанных в течение 4 минут - 4, а у семян, взятых для контроля, не было проростков.

Таким образом, при обработке семян АПВ в течение одной минуты проросло всего 299 семян из 400, при обработке семян АПВ в течение 2 минут проросло 328, в течение 4 минут - 288, а из семян, взятых для контроля, 242.

Таблица № 1

Всхожесть семян древесных пород при разном времени воздействия плазмой

на воду при 24-часовом намачивании

№ повторности Дни учета/дата

3/11.07 5/13.07 7/15.07 10/18.07 15/23.07

Число проросших семян/число оставшихся семян

Сосна обыкновенная, время воздействия 1 минута

1 17/83 40/43 11/32 0/32 0/32

2 11/89 47/42 15/27 0/27 0/27

3 10/90 44/46 19/27 4/23 2/21

4 12/88 53/35 12/23 2/21 0/21

Сосна обыкновенная, время воздействия 2 минуты

1 7/93 60/33 16/17 1/16 0/16

2 5/95 52/43 21/22 0/22 0/22

3 11/88 54/34 11/23 1/22 0/22

4 9/91 58/33 16/17 2/15 3/12

Сосна обыкновенная, время воздействия 4 минуты

1 8/92 50/42 19/23 1/22 0/22

2 7/93 40/53 19/34 2/32 3/29

3 6/94 45/49 11/38 2/36 1/35

4 8/92 50/42 14/28 2/26 0/26

Сосна обыкновенная, обработка дистиллированной водой

1 3/97 31/66 19/47 1/46 0/46

2 8/92 41/51 12/39 0/39 0/39

3 10/90 43/47 17/30 0/30 0/30

4 5/95 34/61 18/43 0/43 0/43

Ель европейская, время воздействия 1 мин

1 0/100 3/97 2/95 5/90 43/47

2 0/100 0/100 6/94 10/84 30/54

3 0/100 0/100 10/90 8/82 37/45

4 0/100 0/100 4/96 14/82 32/50

Ель европейская, время воздействия 2 мин

1 0/100 3/97 2/95 5/90 43/47

2 0/100 0/100 6/94 10/84 30/54

3 0/100 0/100 10/90 8/82 37/45

4 0/100 0/100 4/96 14/82 32/50

Ель европейская, время воздействия 4 мин

1 0/100 0/100 14/86 20/66 37/29

2 0/100 0/100 15/85 3/82 33/49

3 0/100 0/100 5/95 17/78 35/43

4 0/100 0/100 8/92 26/66 46/20

Ель европейская, обработка дистиллированной водой

1 0/100 0/100 16/84 19/65 25/40

2 0/100 0/100 10/90 4/86 28/58

3 0/100 0/100 26/74 18/56 30/26

4 0/100 3/97 14/83 27/56 42/14

Береза повислая, обработка дистиллированной водой

1 16/34 6/28 3/25 0/25

Береза повислая, время воздействия 2 мин.

1 25/25 7/18 7/18 3/15 1/14

2 16/34 12/22 12/22 2/20 0/20

3 25/25 9/16 9/16 1/15 0/15

Клен ясенелистный, обработка дистиллированной водой

1 0/50 0/50 2/48 12/36 22/14

Клен ясенелистный, время воздействия 2 мин.

1 0/50 2/48 4/42 17/25 16/9

2 0/50 1/49 3/46 18/25 17/10

3 0/50 3/47 5//42 17/24 17/7

Таким образом, процент проросших семян, обработанных

активированной плазмой водой, превышал процент при намачивании в необработанной плазмой воде (рисунки 3, 4). Средний семенной покой сократился на 2 дня.

Семена ели европейской 1 класса качества из Прионежского района также были разделены на 4 варианта. Каждая секция включала в себя по 400 штук семян. Общее количество используемых семян - 1600 штук.

Первые проростки появились на 5-й день. У семян, обработанных АПВ в течение одной минуты, проросло 1 семя, у семян, обработанных АПВ в течение 2 минут - 3, в течение 4 минут - проросших семян нет, а у семян, взятых для контроля и обработанных в Н20, проросли 3 семени.

На седьмой день из семян, обработанных АПВ в течение одной минуты, проросли 19 штук, из обработанных АПВ в течение двух минут - 22, из обработанных в течение четырех минут - 42 , а из семян, взятых для контроля, проросло 66 штук.

На десятый день проращивания из обработанных АПВ в течение одной минуты проросло 65 семян, у партии обработанных в течение двух минут проросло - 37, из обработанных 4 минуты 66 , а из контрольного варианта -68.

На пятнадцатый день из обработанных АПВ в течение одной минуты семян проросло 146, в течение 2 минут - 142 семени, из обработанных АПВ в течение 4 минут 151, их контрольного варианта 125 семян.

90

о 4-1-1-1-1-

3 5 7 10 15

Деньнаблюдения

—ф— 1 мин -о-2 мин -±-4 мин -^Контроль

Рис. 3 - Всхожесть семян сосны обыкновенной, намоченных в воде,

обработанной плазмой в течение 1, 2 и 4 минут При обработке семян АПВ в течение одной минуты всего проросло 231 семян из 400, при обработке семян АПВ в течение 2 минут проросло 294 из 400, в течение 4 минут 259 из 400, а семян взятых для контроля 228 из 400.

Обработка семян АПВ менее эффективна для семян ели европейской, нежели для сосны. Техническая всхожесть оказалась выше на 2-10%. Однако

следует отметить более раннее прорастание семян, обработанных в воде, активированной плазмой. Это имеет существенное значение при ускоренном выращивании посадочного материала в контролируемых условиях.

Проращивание семян березы повислой (Bétula péndula) активированной плазмой водой проводился в такой же период времени, семена намачивали только водой, обработанной в течение 2 минут. Было взято 200 семян, по 50 штук в каждой секции. Одни (контроль) - намачивание 2 часа в Н2О; вторая, третья и четвертая секции - намачивание 2 часа в растворе АПВ, обработанной в течение 2 минут. На третий день пророщенных из семян контрольного варианта проросло 16 штук, после обработки АПВ 25, 16 и 25.

35

День наблюдений

—1 мин -о-2мин -*-4мин -ж- Контроль

Рис. 4 - Процент проросших семян ели европейской, намоченных в воде, обработанной плазмой в течение 1, 2 и 4 минут На пятый день у контрольного варианта оказалось 6 проростков, у обработанных АПВ 7, 12 и 9. На десятый день из контрольного варианта проросло 3 семени, из обработанных АПВ 3, 2 и 1. На четырнадцатый день проросло только одно семя после обработки АПВ (рисунок 5).

Таким образом, для семян березы повислой всхожесть составила 50%, после обработки АПВ в среднем 68% (72, 70 и 60). Длительность среднего семенного покоя не изменилась.

Семена клена ясенелистного, намачиваемые в течение 72 часов в соответствии с ГОСТом, прорастали медленнее, и после обработки АПВ 2 минуты на 15 день всхожесть составила 52%, у намачиваемых в дистиллированной воде 36% (рисунок 5). Для семян сосны и ели после взрезывания определили процент пустых, ненормально проросших, загнивших и запаренных.

При взрезывании не проросших семян сосны выяснилось, что достаточно большое количество было поражено гнилью, а особенно это выражено у тех семян, которые были намочены в дистиллированной воде. Такие же закономерности наблюдали при взрезывании семян ели.

50

День наблюдения

-•-Береза контроль -о-Береза 2 мин -*-Клен контроль -й- Клен 2 мин

Рис. 5 - Процент проросших семян березы повислой и клена ясенелистного,

по дням проращивания. При выявлении категорий непроросших семян оказалось, что число загнивших после намачивания воде существенно выше, чем у сухих семян, что естественно. Тем не менее, число загнивших после обработки в воде

было выше, чем у намоченных в АПВ, что подтверждает некоторый бактерицидный эффект обработки воды плазмой. Число ненормально проросших и пустых не имело определенных закономерностей (таблица 2).

Таблица № 2

Категории непроросших семян сосны обыкновенной и ели европейской

Категории семян Ель европейская Сосна обыкновенная

сухие намоченные 18 час. в воде намоченные 18 час. в АПВ сухие намоченные 18 час. в воде намоченные 18 час. в АПВ

Пустые 5 9 13 0 5 6

Ненормально проросшие 3 8 7 8 5 6

Загнившие 17 32 21 13 14 7

Запаренные 17 36 25 6 4 2

По результатам проведения анализа на зараженность фитовредителями семян ели европейской выяснилось, что общая зараженность одинакова по всем трем видам семян - сильная (т.е. зараженных семян более 50%). А что касается семян, намоченных в воде, то все 200 штук заложенных на анализ были заражены грибами рода Pénicillium. Их степень общей зараженности можно считать очень сильной (рисунок 6). У семян сухих и тех, которые были обработаны активированной плазмой водой, присутствовала зараженность грибами одного и того же рода (пенициллум, аспиргиллус, кладоспориум, гормесциум, мухор, ризопус, спицириа). У вторых семян помимо перечисленных обнаружилось наличие грибов рода Alternaria. Семена, намоченные в воде, были заражены грибами рода Aspergillus, Mucor, Pénicillium, Rhisopus, Spicaria.

м

Рис. 6. - Результаты анализа семян ели европейской на зараженность

грибами

Выводы и рекомендации

На основании проведенной работы были сделаны следующие выводы:

1. Обработанная плазмой вода меняет свои свойства с изменением уровня рН. Активированная плазмой вода сразу после обработки имеет щелочную среду, рН возрастает до 8 единиц, затем в течение 2 часов резко опускается до 5. После 2-3 часов после обработки величина рН находится в пределах 7. Время обработки воды имеет существенное значение. При длительности обработки 2 минуты уровень кислотности возвращается к нейтральному через 2 суток, при длительности обработки 4 минуты - через 5 суток.

2. Активированная плазмой вода имеет явный эффект стимулирования прорастания семян в более ранние сроки.

3. Вода, обработанная в генераторе, имеет некоторый бактерицидный эффект, проявляющийся в уменьшении количества грибов, проявившихся при проращивании.

4. Эффект стимулирования прорастания может применяться в условиях теплиц, когда каждый день задержки появления всходов сказывается на качестве посадочного материала.

5. Особенно активно вода, активированная плазмой, проявила себя в 100%-ной концентрации на семенах клена ясенелистного, на семена сосны стимулирующий эффект в большей степени проявился при 50%-ной концентрации.

6. Работы над изучением влияния активированной воды имеет смысл продолжить. Следует проверить эффект плазменной воды для обработки семян других древесных пород и изучить воздействие на них активированной плазмой воды в различных вариациях (изменять время воздействия на воду, концентрацию активированной воды и пр.).

Литература

1. Брынцев В.А., Коженкова А.А. Лесное семеноводство. - М.: Наука, -2001. - 245 с.

2. Романов Е.М. Выращивание сеянцев древесных растений: биоэкологические и агротехнологические аспекты. - Йошкар-Ола: Изд-во МарГТУ,2000. -500 с.

3. Гостев К.В., Гаврилова О.И., Гостев В.А. Применение холодного плазменного спрея для предпосевной подготовки семян сосны обыкновенной //Вестник МГУЛ «Лесной вестник» - Т.100. - 2014. - вып.1- стр.90-96.

4. Указания по лесному семеноводству в Российской Федерации. - М.: ГК по лесу РФ, 2000. - 206 с.

5. Хлюстов В.К. Лесные культуры от семян до древостоев /Хлюстов В.К., Гаврилова О.И. Монография. - Palmarium Academic Publishing, - 2015. -205 c.

6. Шегельман И.Р., Щукин П.В. К обоснованию методологии формирования инновационных процессов заготовки и воспроизводства лесных ресурсов // Перспективы науки. - 2012. - № 9(36). - С. 101-103.

7. Прилуцкий В.И., Бахир В.М. Электрохимически активированная вода. Аномальные свойства, механизм биологического действия. Москва. 1995. 151c.

8. Гостев К.В. Особенности и режимы работы генератора холодного плазменного спрея для активации процессов жизненного роста семян хвойных пород // Глобальный научный потенциал. - 2013. - № 2(23). - С. 5860.

9. RU 131931 С1 H05H 1/00. Импульсный генератор переохлажденной плазмы / Гостев К.В., Тихомиров А.А., Тихонов Е.А. - № 2013110894/07, Заявл. 13.03.2013 // Полезные модели.

10. Шегельман И.Р., Кузнецов А.В., Скрыпник В.И., Баклагин В.Н. Методика оптимизации транспортно-технологического освоения лесосырьевой базы с минимизацией затрат на заготовку и вывозку древесины // Инженерный вестник Дона, 2012, №4-2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1284.

11. Долговых О.Г., Огнев В.Н. Экологически безопасная предпосевная обработка семян яровой пшеницы// Инженерный вестник Дона, 2014, № 4 URL: ivdon.ru /ru/magazine/archive/n4y2014/2565.

12. Dobrynin D., Ignakhin V., Gostev V. Cold Plasma as A Powerful Agent for Biological And Medical Applications. // Proceedings of First International Conference on Plasma Medicine. October 15th - 18th, 2007, P. 60

13. Gostev V., Ignakhin V., Popova E., Ostashkov O. "Cold Plasma in Biological Investigations"// NATO: advanced study institute. Plasma Assisted Decontamination of Biological and Chemical Agents. 16-26 September 2007, Qe§me, Turkey. pp.54 - 56

References

1. Bryntsev V.A., Kozhenkova A.A. Lesnoe semenovodstvo [Forest seed]. M.: Nauka, 2001. 245 p.

2. Romanov E.M. Vyrashchivanie seyantsev drevesnykh rasteniy: bioekologicheskie i agrotekhnologicheskie aspekty. [Growing seedlings of woody plants: bio-ecological and agro-technical aspects of scientific publication]. Yoshkar-Ola: Izd-vo, 2000. 500 p.

3. Gostev K.V., Gavrilova O.I., Gostev V.A. Vestnik MGUL «Lesnoy vestnik». T. 100. 2014. vyp. 1. pp.90-96.

4. Ukazaniya po lesnomu semenovodstvu v Rossiyskoy Federatsii [Advice on forest seed in the Russian Federation]. M.: GK po lesu RF, 2000. 206 p.

5. Khlyustov V.K. Lesnye kul'tury ot semyan do drevostoev [Plantations from seed to tree stands]. Palmarium Academic Publishing. 2015. 205 p.

6. Shegel'man I.R., Shchukin P.V. Perspektivy nauki. 2012.

7. Prilutskiy V.I. Elektrokhimicheski aktivirovannaya voda. Anomal'nye svoystva, mekhanizm biologicheskogo deystviya [The electrochemically activated water. The anomalous properties, mechanism of biological action]. Prilutskiy V.I., Bakhir V.M. Moskva.: 1995. 151 p.

8. Gostev K.V. Global'nyy nauchnyy potentsial. 2013. № 2 (23). pp. 58-60.

9. RU 131931 S1 H05H 1/00. Impul'snyy generator pereokhlazhdennoy plazmy [The pulse generator plasma supercooled] Gostev K.V., Tikhomirov A.A., Tikhonov E.A. № 2013110894/07, Zayavl. 13.03.2013. Poleznye modeli

10. Shegel'man I.R., Kuznecov A.V., Skrypnik V.I., Baklagin V.N. Inzenernyj vestnik Dona (Rus) 2012. № 4-2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1284.

11. Dolgovyh O.G., Ognev V.N. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014. №4. URL: ivdon.ru /ru/magazine/archive/n4y2014/2565.

12. Dobrynin D., Ignakhin V., Gostev V. Proceedings of First International Conference on Plasma Medicine. October 15th - 18th, 2007, P. 60

13. Gostev V., Ignakhin V., Popova E., Ostashkov O. NATO: advanced study institute. Plasma Assisted Decontamination of Biological and Chemical Agents. 16-26 September 2007, Qe§me, Turkey. pp.54 - 56