СПОСОБ БИОТЕСТИРОВАНИЯ ПО ПРОРАЩИВАНИЮ СЕМЯН
METHOD OF BIOTESTING ON SEED GERMINATION

Изобретение относится к инженерной экологии и может быть использовано при мониторинге качества проб воды рек и водоемов тестированием ростом корней различных видов тестовых растений, а также тестированием фильтратов из различных свалок и складов хранения твердых отходов.
Известен способ испытания загрязнения воды по времени роста корней растения (Пат. 2402765 Российская Федерация, МПК G01N 33/18. Способ испытания загрязнения воды по времени роста корней растения / Мазуркин П.М., Евдокимова О.Ю. (РФ); заявитель и патентообладатель Марийск. гос. тех. ун-т. - №2009133898/04; заявл. 09.09.2009; опубл. 27.10.10), в котором до основных экспериментов тестирования дополнительно проводят предварительный эксперимент по определению рационального срока проращивания семян тест-растения, при этом для каждого вида растения определяют свой срок рационального проращивания семян.
Недостатком является то, что способ учитывает только влияние времени проращивания семян в чашке Петри на рост корней растения, когда в чашке Петри растущие корни у 50 семян начинают мешать друг другу.
Известен также способ испытания загрязнения воды по росту корней растения в соответствии с методикой биотестирования по проращиванию семян (Приложение 10. Санитарные правила и нормы СанПиН 2.1.7.573-96 "Гигиенические требования к использованию сточных вод и их осадков для орошения и удобрения" (утв. постановлением Госкомсанэпиднадзора РФ от 31 октября 1996 г. №46), включающий равномерную укладку 30 или 50 штук семян редиса красного круглого с белым кончиком или белой горчицы (Sinapis alba) на фильтровальную бумагу в чашке Петри диаметром 10 см (Сводный доклад стран-членов СЭВ по теме 7.03.05. Будапешт, 1975, с.2-4). Причем в каждую чашку Петри наливают по 5 мл исследуемой и чистой воды при 4-8-кратной повторности, при этом уровень жидкости в чашках должен быть ниже поверхности семян, затем чашки покрывают и помещают в термостат при температуре 20°C. А при отсутствии термостата эксперимент возможен в комнатных условиях, но тогда из-за колебаний температуры затрудняется сопоставление результатов, проводимых в различное время. Перед использованием чашки Петри стерилизуют в автоклаве при 2 атм в течение 10 мин или в кипящей воде 30 мин. Эксперимент заканчивается через 72 часа. Измеряют длину корней, исключая из ряда данных пять наименьших значений, включая и не проросшие семена. Если, по сравнению с контрольными, семена в исследуемой воде вообще не проросли или же длина корней в процентах от контроля ниже 70%, то испытуемая вода непригодна для орошения. Порог 70% обосновывается тем, что почва, благодаря сорбционной способности, снижает ингибирующее воздействие исследуемой воды. При длине корней в опыте свыше 120% от контроля предполагается, что вода обладает стимулирующими свойствами. Примечание: Тест на проращивание семян можно провести и с семенами других растений и, в первую очередь, растений, которые планируется выращивать при орошении.
Недостатком является то, что способ не учитывает влияние сторон света на колебания волнового возмущения растений по длине корней, когда распределение длины корней связано с азимутом посадки семян, не учитываются региональные особенности водного объекта для тестирования семян других растений. Причем 50 проростков через 72 часа переплетаются друг с другом, не только мешая проведению измерений, но и образуя взаимную сильную внутривидовую конкуренцию при развитии и росте корней. Пи этом непроросшие семена никак не учитываются в измерениях по прототипу.
Технический результат - повышение точности тестирования проб воды семенами растений за счет достижения оптимальных условий роста корней у каждого растения, учета в измерениях непроросших семян тестируемого растения, а также снижение трудоемкости при проведении измерений за счет сокращения количества семян от 50 до 12, то есть более чем в четыре раза, и оптимизации числа повторов чашки Петри для основных экспериментов по каждому водному объекту за счет проведения предварительных опытов.
Этот технический результат достигается тем, что способ биотестирования по проращиванию семян, включающий равномерную укладку 30 или 50 семян редиса красного круглого с белым кончиком на фильтровальную бумагу в чашке Петри, в которую наливают по 5 мл исследуемой или чистой пробы воды, при этом уровень жидкости в чашке должен быть ниже поверхности семян, затем чашку покрывают крышкой, после 72 часов проращивания измеряют длину корня каждого проростка, причем измерения проводят у проростков, исключая из ряда данных пять наименьших значений, причем тест на проращивание семян можно провести и с семенами других растений и, в первую очередь, растений, которые планируется выращивать при орошении, отличающийся тем, что фильтровальная бумага принимается круглой формы по диаметру чашки Петри с меткой на краю, на нее укладывается шаблон с отверстиями для разметки мест посадки семян, причем одно из отверстий ориентируется относительно метки фильтровальной бумаги, далее размеченную фильтровальную бумагу помещают в чашку Петри с ориентацией ее метки в северном направлении по компасу, причем аналогично поступают с другими чашками Петри в повторах эксперимента, затем на каждой чашке Петри по размеченным местам посадки на фильтровальную бумагу без шаблона укладываются семена, наливают исследуемую воду, после проращивания семян до измерения длины корня у каждого проростка измеряют угол его направления как показатель азимута корня, причем у непроросших семян азимут корня принимают за отсутствие количественного значения и в журнале измерений ставят прочерк, в дальнейшем у всех проростков измеряют длину корня, причем эту длину корня измеряют у всех семян, включая и непроросшие, у которых значение длины корня принимают равным нулю, после завершения испытания исследуемой воды и проведения измерений длины и азимута корней выявляют статистическим моделированием общую биотехническую закономерность распределения длины корней от азимута посадки семян по каждой чашке Петри и их совокупности, а впоследствии проводят расчеты коэффициента корреляции по всем пробам исследуемой воды и по их совокупности, затем сравнивают их с пробой контрольной воды, а для тестирования семян других растений и, в первую очередь, растений, которые планируется выращивать при орошении, вначале проводят региональные для каждого водного объекта предварительный и основные эксперименты.
Выявление методом идентификации биотехнической закономерности изменения длины корня каждого проростка растения в зависимости от азимута посадки проростков за 72 часа проращивания семян выполняют по обобщенной формуле:
1
2
L=L+L,
1
0
2
7
a
L=L, L=Acos(πφ/p±),
<mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mi>e</mi><mi>x</mi><mi>p</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>−</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><msup><mi>ϕ</mi><mrow><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>p</mi><mo>=</mo><msub><mi>a</mi><mn>4</mn></msub><mo>±</mo><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub><msup><mi>ϕ</mi><mrow><msub><mi>a</mi><mn>6</mn></msub></mrow></msup></mrow>
,
,
где L - длина корня каждого проростка растения в чашке Петри, мм;
1
L - первая составляющая, учитывающая влияние загрязнения в чистом виде, мм;
0
L - теоретическое независимое значение длины корня от азимута посадки семени, показывает, что данное значение имеет зависимость от других факторов, мм;
2
L - вторая составляющая колебательного возмущения растения по
длине корня каждого проростка в чашке Петри за 72 часа, характеризующая влияние стороны света, мм;
А - половина амплитуды колебательного возмущения корней проростков, мм;
p - половина периода колебательного изменения по азимуту посадки семени, град.;
φ - азимут посадки семени, град.;
а
а
1
7
… - параметры готовой статистической модели, параметры модели принимают конкретные значения для конкретных условий проращивания семян с испытуемой водой для полива.
Остальные закономерности остаются еще недостаточно ясными по содержательной интерпретации.
Сущность технического решения заключается в том, что фильтровальная бумага принимается круглой формы по диаметру чашки Петри с меткой на краю, на нее укладывается шаблон с отверстиями для разметки мест посадки семян, причем одно из отверстий ориентируется относительно метки фильтровальной бумаги, при этом метки мест посадки семян наносят карандашом в виде точек, после нанесения разметки шаблон убирают, размеченную фильтровальную бумагу помещают в чашку Петри с ориентацией ее метки в северном направлении по компасу.
Сущность технического решения заключается в том, что шаблон с отверстиями для разметки мест посадки семян изготавливают в виде окружности по диаметру чашки Петри, причем отверстия для разметки мест посадки семян располагают по часовой стрелке через 30 градусов, при этом расстояние между отверстиями и центром шаблона составляет примерно 30 мм.
Сущность технического решения заключается в том, что у всех проростков измеряют длину корня, причем эту длину корня измеряют у всех семян, включая и непроросшие, у которых значение длины корня принимают равным нулю, причем измерение длины проростков проводят последовательно, начиная с первого проростка по ходу часовой стрелки от 30 до 360 градусов.
Сущность технического решения заключается также в том, что в предварительном эксперименте, при сравнении с контрольной пробой чистой воды семена в исследуемой загрязненной воде вообще не проросли, или же длина корней в процентах от контроля ниже 70, то вода не пригодна для орошения, причем по прототипу порог 70% обосновывается тем, что почва, благодаря сорбционной способности, снижает ингибирующее воздействие исследуемой воды, а при длине корней в опыте свыше 120% от контроля предполагается, что вода обладает стимулирующими свойствами, то для обоснования количества повторов чашек Петри в основных экспериментах выполняют корреляционный анализ проростков в каждой чашке Петри и по их совокупности из предварительного эксперимента, вычисляя статистический коэффициент корреляции.
Сущность технического решения заключается также и в том, что для речной воды водозабора города Йошкар-Ола основные эксперименты по проращиванию семян редиса красного круглого с белым кончиком включает равномерную укладку семян в чашку Петри в количестве 12 штук в месте через 30 градусов азимута посадки при четырех повторах чашек Петри.
Положительный эффект достигается тем, что определяются условия для наиболее благоприятного роста корней тестового растения с целью повышения точности испытания загрязнения воды, в особенности той природной и иной загрязненной воды различного качества, которую планируется использовать для орошения растений сельскохозяйственных культур.
Новизна технического решения заключается в том, что эксперимент по проращиванию семян выполняют по изменению длины корня тест-растения в зависимости от азимута посадки семени и азимута корня каждого проростка.
Предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками, новизной и значительным положительным эффектом. Материалов, порочащих новизну технического решения, нами не обнаружено.
к
к
На фиг.1 показана схема размещения 12 семян редиса красного круглого с белым кончиком в чашке Петри через 30 градусов (номерами обозначены места посадки семян); на фиг.2 приведен угол определения азимута посадки φ и азимута корня проростков φ; на фиг.3 представлено изображение при определении азимута корня проростков φ; на фиг.4 приведен график первой составляющей распределения длины корня 12 семян редиса красного круглого с белым кончиком от азимута посадки при росте в течение 72 часов в первой чашке Петри; на фиг.5 показан график второй составляющей колебательного возмущения растения по длине корня каждого проростка в чашке Петри в зависимости от азимута посадки семени; на фиг.6 приведен общий график по двухчленной математической модели в первой чашке Петри; 7 - то же на фиг.6 во второй чашке Петри; на фиг.8 - то же на фиг.6 в третьей чашке Петри; на фиг.9 - то же на фиг.6 в четвертой чашке Петри; на фиг.10 - то же на фиг.6 в пятой чашке Петри; на фиг.11 - то же на фиг.6 в шестой чашке Петри; на фиг.12 - то же на фиг.6 в седьмой чашке Петри.
Способ биотестирования по проращиванию семян в общем случае включает следующие действия.
Проводится отбор пробы воды, проводится ее консервация и подготовка для каждого испытания.
В лабораторных условиях проводится испытание по проращиванию семян. Для этого фильтровальная бумага принимается круглой формы по диаметру чашки Петри 10 см с меткой на краю, на нее укладывается шаблон с отверстиями для разметки мест посадки семян, причем одно из отверстий ориентируется относительно метки фильтровальной бумаги, при этом метки мест посадки семян наносят карандашом в виде точек.
Шаблон изготавливается в виде окружности по диаметру чашки Петри, причем отверстия для разметки мест посадки семян располагают по часовой стрелке через 30 градусов, при этом расстояние между отверстиями и центром шаблона составляет примерно 30 мм.
После нанесения разметки шаблон убирают, а размеченную фильтровальную бумагу помещают в чашку Петри с ориентацией ее метки в северном направлении по компасу. Аналогично поступают с другими чашками Петри по всем повторам эксперимента. Причем перед использованием чашки Петри стерилизуют в автоклаве при 2 атм в течение 10 мин или в кипящей воде 30 мин.
Затем в каждой чашке Петри по размеченным местам посадки на фильтровальную бумагу укладываются семена тест-растения. После чего в каждую чашку Петри наливают по 5 мл исследуемой пробы воды при 4-8-кратной повторности, при этом уровень жидкости в чашках должен быть ниже поверхности семян. Далее чашку покрывают крышкой и помещают в термостат при температуре 20°C, а при отсутствии термостата эксперимент возможен в комнатных условиях, но тогда из-за колебаний температуры затрудняется сопоставление результатов, проводимых в различное время.
После 72 часов проращивания семян до измерения длины корня у каждого проростка измеряют угол его направления как показатель азимута корня, причем у непроросших семян азимут корня принимают за отсутствие количественного значения и в журнале измерений ставят прочерк.
В дальнейшем у всех проростков измеряют длину корня, причем эту длину корня измеряют у всех семян, включая и не проросшие, у которых значение длины корня принимают равным нулю, причем измерение длины проростков проводят последовательно, начиная с первого проростка по ходу часовой стрелки от 30 до 360 градусов.
После завершения испытания исследуемой воды и проведения измерений длины и азимута корней выявляют статистическим моделированием общую биотехническую закономерность распределения длины корней от азимута посадки семян по каждой чашке Петри и их совокупности.
Выявление методом идентификации биотехнической закономерности изменения длины корня каждого проростка растения в зависимости от азимута посадки проростков за 72 часа проращивания семян выполняют по обобщенной формуле:
1
2
L=L+L,
1
0
2
7
A
L=L, L=cos(πφ/p±a),
<mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mi>e</mi><mi>x</mi><mi>p</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>−</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><msup><mi>ϕ</mi><mrow><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>p</mi><mo>=</mo><msub><mi>a</mi><mn>4</mn></msub><mo>±</mo><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub><msup><mi>ϕ</mi><mrow><msub><mi>a</mi><mn>6</mn></msub></mrow></msup></mrow>
,
,
где L - длина корня каждого проростка растения в чашке Петри, мм;
1
L - первая составляющая, учитывающая влияние загрязнения в чистом виде, мм;
0
L - теоретическое независимое значение длины корня от азимута посадки семени, показывает, что данное значение имеет зависимость от других факторов, мм;
2
L - вторая составляющая колебательного возмущения растения по длине корня каждого проростка в чашке Петри за 72 часа, характеризующая влияние стороны света, мм;
A - половина амплитуды колебательного возмущения корней проростков, мм;
p - половина периода колебательного изменения по азимуту посадки семени, град.;
φ - азимут посадки семени, град.;
a
a
1
7
… - параметры готовой статистической модели, параметры модели принимают конкретные значения для конкретных условий проращивания семян с испытуемой водой для полива.
После выявления биотехнической закономерности изменения длины корня растения в зависимости от азимута посадки определяют значимости каждой составляющей статистической модели.
По коэффициенту приспособляемости, равному отношению волновой второй составляющей к первой составляющей модели, при значении этого коэффициента меньше единицы принимают оценку, что приспособляемость растений к поливаемой воде сомнительна, а при условии превышения единицы - достаточно надежна.
Затем проводят расчеты коэффициента корреляции по всем пробам исследуемой воды и по их совокупности, и сравнивают их с пробой контрольной воды, а для тестирования семян других растений и, в первую очередь, растений, которые планируется выращивать при орошении, вначале проводят региональные для каждого водного объекта предварительный и основные эксперименты.
В предварительном эксперименте, при сравнении с контрольной пробой чистой воды семена в исследуемой загрязненной воде вообще не проросли или же длина корней в процентах от контроля ниже 70, то вода непригодна для орошения, причем по прототипу порог 70% обосновывается тем, что почва, благодаря сорбционной способности, снижает ингибирующее воздействие исследуемой воды, а при длине корней в опыте свыше 120% от контроля предполагается, что вода обладает стимулирующими свойствами, то для обоснования количества повторов чашек Петри в основных экспериментах выполняют корреляционный анализ проростков в каждой чашке Петри и по их совокупности из предварительного эксперимента, вычисляя статистический коэффициент корреляции.
Способ биотестирования по проращиванию семян, например, редиса красного круглого с белым кончиком при тестировании проб речной воды, включает следующие действия.
Проводится отбор пробы речной воды, затем ее консервация и подготовка для каждого испытания.
В лабораторных условиях проводится испытание по проращиванию семян редиса красного круглого с белым кончиком.
Для этого фильтровальная бумага принимается круглой формы по диаметру чашки Петри 10 см с меткой на краю, на нее укладывается шаблон с отверстиями для разметки мест посадки семян, причем одно из отверстий ориентируется относительно метки фильтровальной бумаги, при этом метки мест посадки семян наносят карандашом в виде точек.
Шаблон изготавливается в виде окружности по диаметру чашки Петри, причем отверстия для разметки мест посадки семян располагают по часовой стрелке через 30 градусов, при этом расстояние между отверстиями и центром шаблона составляет примерно 30 мм.
После нанесения разметки шаблон убирают, а размеченную фильтровальную бумагу помещают в чашку Петри с ориентацией ее метки в северном направлении по компасу. Аналогично поступают с другими чашками Петри в 4 повторах эксперимента. Причем перед использованием чашки Петри стерилизуют в автоклаве при 2 атм в течение 10 мин или в кипящей воде 30 мин.
Затем в каждой чашке Петри по размеченным местам посадки на фильтровальную бумагу укладываются 12 семян редиса красного круглого с белым кончиком. После чего в каждую чашку Петри наливают по 5 мл исследуемой пробы воды при 4-8-кратной повторности, при этом уровень жидкости в чашках должен быть ниже поверхности семян. Далее чашку покрывают крышкой и помещают в термостат при температуре 20°C, а при отсутствии термостата эксперимент возможен в комнатных условиях, но тогда из-за колебаний температуры затрудняется сопоставление результатов, проводимых в различное время.
После 72 часов проращивания семян редиса красного круглого с белым кончиком до измерения длины корня у каждого проростка измеряют угол его направления как показатель азимута корня, причем у непроросших семян азимут корня принимают за отсутствие количественного значения и в журнале измерений ставят прочерк.
В дальнейшем у всех проростков измеряют длину корня, причем эту длину корня измеряют у всех семян, включая и непроросшие, у которых значение длины корня принимают равным нулю, причем измерение длины проростков проводят последовательно, начиная с первого проростка по ходу часовой стрелки от 30 до 360 градусов.
После завершения испытания исследуемой воды и проведения измерений длины и азимута корней выявляют статистическим моделированием общую биотехническую закономерность распределения длины корней от азимута посадки семян по каждой чашке Петри и их совокупности.
Выявление методом идентификации биотехнической закономерности изменения длины корня каждого проростка растения в зависимости от азимута посадки проростков за 72 часа проращивания семян выполняют по обобщенной формуле:
1
2
L=L+L,
1
0
2
7
A
L=L, L=cos(πφ/p±a),
<mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mi>e</mi><mi>x</mi><mi>p</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>−</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><msup><mi>ϕ</mi><mrow><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>p</mi><mo>=</mo><msub><mi>a</mi><mn>4</mn></msub><mo>±</mo><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub><msup><mi>ϕ</mi><mrow><msub><mi>a</mi><mn>6</mn></msub></mrow></msup></mrow>
,
,
где L - длина корня каждого проростка растения в чашке Петри, мм;
1
L - первая составляющая, учитывающая влияние загрязнения в чистом виде, мм;
0
L - теоретическое независимое значение длины корня от азимута посадки семени, показывает, что данное значение имеет зависимость от других факторов, мм;
2
L - вторая составляющая колебательного возмущения растения по длине корня каждого проростка в чашке Петри за 72 часа, характеризующая влияние стороны света, мм;
А - половина амплитуды колебательного возмущения корней проростков, мм;
p - половина периода колебательного изменения по азимуту посадки семени, град.;
φ - азимут посадки семени, град.;
а
а
1
7
… - параметры готовой статистической модели, параметры модели принимают конкретные значения для конкретных условий проращивания семян с испытуемой водой для полива.
После выявления биотехнической закономерности изменения длины корня растения в зависимости от азимута посадки определяют значимости каждой составляющей статистической модели.
По коэффициенту приспособляемости, равному отношению волновой второй составляющей к первой составляющей модели, при значении этого коэффициента меньше единицы принимают оценку, что приспособляемость растений к поливаемой воде сомнительна, а при условии превышения единицы - достаточно надежна.
Затем проводят расчеты коэффициента корреляции по всем пробам исследуемой воды и по их совокупности и сравнивают их с пробой контрольной воды, но при этом вначале проводят региональные для каждого водного объекта предварительный и основные эксперименты.
В предварительном эксперименте, при сравнении с контрольной пробой чистой воды семена в исследуемой загрязненной воде вообще не проросли или же длина корней в процентах от контроля ниже 70, то вода не пригодна для орошения, причем по прототипу порог 70% обосновывается тем, что почва, благодаря сорбционной способности, снижает ингибирующее воздействие исследуемой воды, а при длине корней в опыте свыше 120% от контроля предполагается, что вода обладает стимулирующими свойствами, то для обоснования количества повторов чашек Петри в основных экспериментах выполняют корреляционный анализ проростков в каждой чашке Петри и по их совокупности из предварительного эксперимента, вычисляя статистический коэффициент корреляции.
Пример. Эксперименты были проведены в феврале 2009 - ноябре 2010 года. Пробу воды отбирали из поверхностного водоисточника перед городским водозабором - река М. Кокшага.
В таблице 1 приведены данные проращивания в комнатных условиях (семена были посажены в 18 часов 3 февраля 2010 г.) независимых выборок из 12 семян редиса красного круглого с белым кончиком в семи повторах чашек Петри.
Таблица 1
Длина корней редиса красного круглого в семи чашках Петри, мм
Азимут посадки φ, град.
№1
№2
№3
№4
№5
№6
№7
L, мм
φ<sub>к</sub>, град.
L, мм
φ<sub>к</sub>, град.
L, мм
φ<sub>к</sub>, град.
L, мм
φ<sub>к</sub>, град.
L, мм
φ<sub>к</sub> град.
L, мм
φ<sub>к</sub>, град.
L, мм
φ<sub>к</sub>, град.
30
43
315
5
225
5
135
26
180
11
270
15
315
15
225
60
15
45
18
180
36
135
37
45
41
315
19
225
36
270
90
21
225
8
0
5
315
40
135
25
180
6
45
13
45
120
37
315
25
270
26
315
35
45
18
270
24
90
13
45
150
25
315
9
270
0
-
0
-
20
135
38
225
18
315
180
14
225
21
90
44
225
0
-
35
180
29
315
26
225
210
32
315
0
-
17
225
36
45
23
135
27
45
4
315
240
26
315
15
0
0
-
13
225
21
135
41
135
33
135
270
24
315
29
135
22
315
0
-
17
45
24
135
3
225
300
27
315
38
225
19
315
22
135
5
0
0
-
27
315
330
20
45
3
225
0
-
21
135
0
-
19
135
33
45
0
43
45
53
225
22
45
0
-
0
-
11
0
17
315
При проведении эксперимента на фильтровальную бумагу круглой формы с меткой на краю укладывался шаблон с отверстиями для разметки мест посадки семян (фиг.1), которую затем помещали в чашку Петри с ориентацией ее метки в северном направлении по компасу. Аналогично поступали по всем повторам чашек Петри, после проводили укладку семян через каждые 30 градусов азимута посадки φ.
После 72 часов проращивания семян до измерения длины корня у каждого проростка измеряли угол его направления как показатель азимута корня, причем у непроросших семян азимут корня принимают за отсутствие количественного значения и в журнале измерений ставили прочерк.
Далее у всех проростков проводили измерение длины корня, причем эту длину корня измеряли у всех семян, включая и непроросшие, у которых значение длины корня принимают равным нулю.
При поливе семян речной водой в одной чашке Петри (график показан фиг.6) была получена двухчленная биотехническая закономерность
<mrow><mtext>L</mtext><mo>=</mo><msub><mtext>L</mtext><mtext>1</mtext></msub><mo>+</mo><msub><mtext>L</mtext><mtext>2</mtext></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
L=25,51866,
2
0,51390
1,73960
L=35,83023exp(-0,096491φ)cos(πφ/(55,91559-0,00050888φ)-1,05930).
Первая составляющая показывает стабильное распределение длины корней растений, то есть характеризуется устойчивым законом (фиг.4). Наиболее значимой является вторая составляющая (фиг.5), которая характеризует колебательное возмущение популяции семян редиса красного от азимута посадки семян.
Максимум волнового возмущения проростков редиса красного круглого 17,54 мм наблюдался при азимуте посадки семени равном 0 градусов.
По остальным повторам графики распределения длины корня редиса красного круглого от азимута посадки представлены на фигурах 7-12.
Результаты расчетов по формуле (1) приведены в таблице 2.
Таблица 2
Изменение длины корня по статистической (математической) модели (1), мм
Азимут посадки φ, град.
Фактическое значение длины корня
Расчетные значения длины корня, мм
Составляющие модели (1)
L
ε
Δ, %
L<sub>1</sub>
А
Р
L<sub>2</sub>
30
43
42,13
0,87
2,02
25,52
20,59
55,73
16,61
60
15
14,10
0,90
6,00
25,52
16,24
55,28
-11,42
90
21
17,92
3,08
14,67
25,52
13,52
54,64
-7,60
120
37
36,45
0,55
1,49
25,52
11,58
53,81
10,93
150
25
25,42
-0,42
-1,68
25,52
10,09
52,81
-0,10
180
14
17,55
-3,55
<u>-25,36</u>
25,52
8,91
51,65
-7,97
210
32
32,41
-0,41
-1,28
25,52
7,95
50,34
6,90
240
26
23,90
2,10
8,08
25,52
7,14
48,88
-1,62
270
24
23,02
0,98
4,08
25,52
6,46
47,28
-2,50
300
27
29,67
-2,67
-9,89
25,52
5,87
45,54
4,15
330
20
21,38
-1,38
-6,90
25,52
5,36
43,67
-4,14
0
43
43,06
-0,06
-0,14
25,52
35,83
55,92
17,54
Примечание. Максимальная относительная погрешность подчеркнута.
Максимум длины корня проростков редиса красного круглого с белым кончиком наблюдается при азимуте посадке равном 0 и 30 градусов, минимум приходится на 180 градусов.
Амплитуда колебания для наилучшей особи растения всегда равна нулю, то есть самая сильная особь не волнуется. Большой размах амплитуды, что видно из таблицы 2, показывает расширение изменчивости параметров растения по отдельным особям, так как речная вода расширяет адаптационные возможности изменчивости в росте корней редиса красного. При этом амплитуда принимает высокие значения, когда семена тест-растения расположены в восточной части чашки Петри, здесь семена испытывают сильное волнение. При 180° азимута посадки амплитуда уменьшается, достигает минимума при 330 градусах, при этом семена испытывают меньшее волнение.
Причем наименьшее значение половина амплитуды принимает при 330 градусах, здесь растение практически не волнуется, наибольшие колебания испытывает на северном меридиане, где значение амплитуды равно 35,83.
Чем больше период колебания, то тем легче происходит адаптация популяции к внешним условиям из-за того, что частота колебательного возмущения убывает. Из таблицы 2 видно, что частота колебательного возмущения возрастает от северного конца меридиана от 0 до 360 градусов.
Максимальная относительная погрешность в таблице 2 подчеркнута и составляет 14,67%. Поэтому доверительная вероятность формулы (1) будет не ниже 74,64%. Формула выше 70% адекватности принимается имеющей сильную связь между сопоставляемыми факторами. Поэтому формула (1) может быть применена при параметрической идентификации по данным измерений и по другим растениям.
Коэффициент корреляции 0,9814 высок (фиг.6), что убеждает в высокой адекватности полученной статистической модели.
Поэтому для описания распределения длины корней растения от азимута посадки семени предлагается обобщенная формула
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mtext>                                       </mtext><mi></mi><mi>L</mi><mo>=</mo><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub><mo>,</mo><mi></mi><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>A</mi><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>π</mi><mi>ϕ</mi><mo>/</mo><mi>p</mi><mo>±</mo><msub><mi>a</mi><mn>7</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mi>A</mi><mo>=</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mi>e</mi><mi>x</mi><mi>p</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>−</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><msup><mi>ϕ</mi><mrow><mi>a</mi><mn>3</mn></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mi>p</mi><mo>=</mo><msub><mi>a</mi><mn>4</mn></msub><mo>±</mo><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub><msup><mi>ϕ</mi><mrow><mi>a</mi><mn>6</mn></mrow></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr></mtable>
где L - длина корня каждого проростка растения в чашке Петри, мм;
1
L - первая составляющая, учитывающая влияние загрязнения в чистом виде, мм;
0
L - теоретическое независимое значение длины корня от азимута посадки семени, показывает, что данное значение имеет зависимость от других факторов, мм;
2
L - вторая составляющая колебательного возмущения растения по длине корня каждого проростка в чашке Петри за 72 часа, характеризующая влияние стороны света, мм;
А - половина амплитуды колебательного возмущения корней проростков, мм;
p - половина периода колебательного изменения по азимуту посадки семени, град.;
φ - азимут посадки семени, град.;
a
a
1
7
… - параметры готовой статистической модели, параметры модели принимают конкретные значения для конкретных условий проращивания семян с испытуемой водой для полива.
Сравнение результатов нескольких испытаний проводят по нескольким критериям, количественно получаемым из опытов и последующего статистического моделирования.
По данным таблицы 3 проанализируем предельные значения отдельных составляющих и компонентов полученной формулы (2) по результатам эксперимента, проведенного в феврале 2010 года в 7 чашках Петри.
Таблица 3
Значимость и приспособляемость проростков в речной воде
Номер повтора
Азимут посадки φ, град.
Составляющие модели (2), мм
L, мм
Коэффициент значимости
Коэффициент приспособляемости k
L<sub>2</sub>
L<sub>1</sub>
α<sub>1</sub>
α<sub>2</sub>
1
30
25,52
16,61
43
0,59
0,39
0,6509
60
25,52
-11,42
15
1,70
-0,76
-0,4475
90
25,52
-7,60
21
1,22
-0,36
-0,2978
120
25,52
10,93
37
0,69
0,30
0,4283
150
25,52
-0,10
25
1,02
-0,00
-0,0039
180
25,52
-7,97
14
1,82
-0,57
-0,3123
210
25,52
6,90
32
0,80
0,22
0,2704
240
25,52
-1,62
26
0,98
-0,06
-0,0635
270
25,52
-2,50
24
1,06
-0,10
-0,0980
300
25,52
4,15
27
0,95
0,15
0,1626
330
25,52
-4,14
20
1,28
-0,21
-0,1622
0
25,52
17,54
43
0,59
0,41
0,6873
2
30
18,22
-1,33
5
3,64
-0,27
-0,0730
60
18,22
-14,64
18
1,01
-0,81
-0,8035
90
18,22
-7,33
8
2,28
-0,92
-0,4023
120
18,22
9,93
25
0,73
0,40
0,5450
150
18,22
12,70
9
2,02
1,41
0,6970
180
18,22
-2,68
21
0,87
-0,13
-0,1471
210
18,22
-13,71
0
-
-
-0,7525
240
18,22
-4,24
15
1,21
-0,28
-0,2327
270
18,22
11,32
29
0,63
0,39
0,6213
300
18,22
9,02
38
0,48
0,24
0,4951
330
18,22
-7,42
3
6,07
-2,47
-0,4072
0
18,22
14,32
53
0,34
0,27
0,7859
3
30
16,93
-2,01
5
3,39
-0,40
-0,1187
60
16,93
-3,34
36
0,47
-0,09
-0,1973
90
16,93
-2,84
5
3,39
-0,57
-0,1677
120
16,93
-0,77
26
0,65
-0,03
-0,0455
150
16,93
1,72
0
-
-
0,1016
180
16,93
3,26
44
0,38
0,07
0,1926
210
16,93
3,01
17
1,00
0,18
0,1778
240
16,93
1,10
0
-
-
0,0650
270
16,93
-1,41
22
0,77
-0,06
-0,0833
300
16,93
-3,15
19
0,89
-0,17
-0,1861
330
16,93
-3,15
0
-
-
-0,1861
0
16,93
0,43
22
0,77
0,02
0,0254
4
30
18,12
2,57
26
0,70
0,10
0,1418
60
18,12
20,67
37
0,49
0,56
1,1407
90
18,12
24,19
40
0,45
0,60
1,3350
120
18,12
7,02
35
0,52
0,20
0,3874
150
18,12
-18,22
0
-
-
-1,0055
180
18,12
-18,38
0
-
-
-1,0143
210
18,12
15,60
36
0,50
0,43
0,8609
240
18,12
6,22
13
1,39
0,48
0,3433
270
18,12
-13,07
0
-
-
-0,7213
300
18,12
-2,15
22
0,82
-0,10
-0,1187
330
18,12
5,51
21
0,86
0,26
0,3041
0
18,12
-17,36
0
-
-
-0,9581
5
30
19,28
-3,79
11
1,75
-0,34
-0,1966
60
19,28
12,51
41
0,47
0,31
0,6489
90
19,28
6,42
25
0,77
0,26
0,3330
120
19,28
-5,40
18
1,07
-0,30
-0,2801
150
19,28
-5,65
20
0,96
-0,28
-0,2930
180
19,28
1,38
35
0,55
0,04
0,0716
210
19,28
3,85
23
0,84
0,17
0,1997
240
19,28
0,45
21
0,92
0,02
0,0233
270
19,28
-2,17
17
1,13
-0,13
-0,1126
300
19,28
-0,99
5
3,86
-0,20
-0,0513
330
19,28
0,98
0
-
-
0,0508
0
19,28
-22,90
0
-
-
-1,1878
6
30
15,23
-2,11
15
1,02
-0,14
-0,1385
60
15,23
0,37
19
0,80
0,02
0,0243
90
15,23
3,40
6
2,54
0,57
0,2232
120
15,23
7,04
24
0,63
0,29
0,4622
150
15,23
11,29
38
0,40
0,30
0,7413
180
15,23
15,87
29
0,53
0,55
1,0420
210
15,23
19,80
27
0,56
0,73
1,3001
240
15,23
20,17
41
0,37
0,49
1,3244
270
15,23
10,21
24
0,63
0,43
0,6704
300
15,23
-15,40
0
-
-
-1,0112
330
15.23
3,78
19
0,80
0,20
0,2482
0
15,23
-4,15
11
1,38
-0,38
-0,2725
7
30
19,19
-0,91
15
1,28
-0,06
-0,0474
60
19,19
5,04
36
0,53
0,14
0,2626
90
19,19
0,79
13
1,48
0,06
0,0412
120
19,19
-8,00
13
1,48
-0,62
-0,4169
150
19,19
6,14
18
1,07
0,34
0,3200
180
19,19
4,14
26
0,74
0,16
0,2157
210
19,19
-14,69
4
4,80
-3,67
-0,7655
240
19,19
18,59
33
0,58
0,56
0,9687
270
19,19
-14,06
3
6,40
-4,69
-0,7327
300
19,19
3,20
27
0,71
0,12
0,1668
330
19,19
10,84
33
0,58
0,33
0,5649
0
19,19
-3,32
17
1,13
-0,20
-0,1730
Приспособляемость популяции семян редиса красного (табл.3) к внешним воздействиям показывается коэффициентом k. При этом приспособляемость может быть кризисно-негативной или кризисно-позитивной. При условии k>1 будем считать приспособляемость растений к поливаемой воде сомнительной, а при условии k<1 достаточно надежной.
max2
max1
Из данных табл.3 видно, что наибольшую приспособляемость 1,3350 в направлении позитивной адаптации семена редиса красного круглого имеют при азимуте посадки 90 градусов. Коэффициент приспособляемости, вычисляемый по формуле k=L/L, равен при таком расположении семени 1,3350. Наименьшее позитивное влияние 0,0039 наблюдается при 150°.
Максимальный кризис для проростков наблюдается при 0 градусов с негативным приспособлением к условиям роста с коэффициентом приспособляемости k=-1,1878, то есть когда семена редиса красного круглого располагались в северной части чашки Петри. Однако он меньше позитивного максимума 1,3350.
Для обоснования количества повторов чашек Петри в основных экспериментах выполним корреляционный анализ проростков в каждой чашке Петри по известным стандартным методикам.
В таблице 4 представлено количество взошедших семян по результатам эксперимента по проращиванию семян редиса красного круглого с белым кончиком по четырем месяцам.
Таблица 4
Количество проросших семян от азимута их посадки по четырем месяцам
№
Азимут посадки φ, град.
Число проросших семян
02.12.09
05.04.10
10.08.10
13.10.10
1
30
7
7
7
7
2
60
5
7
4
7
3
90
7
5
6
6
4
120
5
6
5
6
5
150
7
7
5
7
6
180
6
7
5
7
7
210
6
6
4
7
8
240
6
6
6
6
9
270
6
7
2
6
10
300
7
5
4
7
11
330
6
7
6
6
12
0
6
7
6
7
Проведем расчет показателей описательной статистики для последующего обоснования необходимого объема выборки.
Результаты статистической обработки представлены в таблице 5.
σ
Коэффициент вариации V составил меньше 33%, то есть все совокупности однородны, колебания длины корня редиса красного круглого незначительны.
max
min
По полученным результатам Е<0, то есть данные более равномерно распределены по всей области значений от x до x.
При этом распределение плосковершинное.
Для августа Е>0, данные сконцентрированы около среднеарифметического значения. Так как As<0, то наблюдается асимметрия левосторонняя.
Сущность способа вычисления необходимого числа наблюдений заключается в том, что совокупности значений факторов принимаются в качестве статистических выборок. Для любого количества факторов справедливо соотношение
n=m·m',
где n - общее количество семян в чашке Петри по всем повторам проводимого эксперимента,
m - количество взошедших семян во всех повторах чашек Петри,
m' - число повторов чашек Петри.
Таблица 5
Описательная статистика по количеству взошедших семян редиса красного круглого по месяцам
Статистические показатели
Значения описательной статистики по месяцам
02.12.09
05.04.10
10.08.10
13.10.10
Размах R, мм
2,00
2,00
5,00
1,00
Минимум x<sub>min</sub>, мм
5,00
5,00
2,00
6,00
Максимум х<sub>мах</sub>, мм
7,00
7,00
7,00
7,00
Среднее арифметическое <maths num="9"><math display="block"><mrow><mover accent="true"><mi>x</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow></math><img file="00000006.tif" he="5" wi="3" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, мм
6,17
6,42
5,00
6,58
Средняя ошибка выборки, мм
0,21
0,23
0,39
0,15
Среднее квадратическое отклонение σ, мм
0,72
0,79
1,35
0,51
Дисперсия выборки σ<sup>2</sup>
0,52
0,63
1,82
0,27
Коэффициент вариации V<sub>σ</sub>, %
11,64
12,36
29,97
7,82
Эксцесс Е
-0,69
-0,46
0,92
-2,26
Асимметричность As
-0,26
-0,99
-0,80
-0,39
Предельная ошибка выборки при P=0,954 Δ<sub>x</sub>
0,46
0,50
0,86
0,33
Для вычисления интервала Δx применим формулу Г.А. Стреджеса
<mrow><mi>Δ</mi><mi>x</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mi>m</mi><mi>a</mi><mi>x</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mi>m</mi><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mn>3</mn><mo>.</mo><mn>3</mn><mn>2</mn><mn>2</mn><mn>1</mn><mi>g</mi><mi>n</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
max
min
где x, x - максимальное и минимальное количество взошедших семян.
Выражение в знаменателе (3) характеризует число групп наблюдений m. Для вычисления числа наблюдений используем формулу
<mrow><mi>n</mi><mo>≥</mo><mi>l</mi><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">[</mo><mi>m</mi><mo>'</mo><mo stretchy="false">]</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
m
m
m
m
где [m'] - число повторений чашек Петри в проведенном нами эксперименте. Например, текущее число наблюдений n составило 84. Тогда число групп наблюдений l=7. Нами проведен эксперимент при семи повторах, поэтому [m'] примем равным семи. Тогда получаем n≥7×7=49. Так как n>n, то исходных данных достаточно, условие п≥l·[m'] выполнено для данного фактора. Пусть n=48, следовательно l=7. Количество повторов примем равным четырем. Так как n=7×4=28, то условие n≥l·[m'] выполняется.
Отсюда следует, что основные эксперименты по биотестированию речной воды водозабора города Йошкар-Ола достаточно проводить при проращивании семян редиса красного круглого с белым кончиком в количестве 12 штук при четырех повторах в чашках Петри.
Таким образом, способ биотестирования по проращиванию семян для речной воды водозабора города Йошкар-Ола основные эксперименты по проращиванию семян редиса красного круглого с белым кончиком включают равномерную укладку семян в чашку Петри в количестве 12 штук в месте через 30 градусов азимута посадки при четырех повторах чашек Петри.
Предложенный способ с высокой точностью описывает влияние азимута на распределение длины корня проростка при определении загрязнения речной воды. Он обладает простотой проведения испытаний речной воды, а также фильтрационных вод, что значительно повышает точность соотнесения измерений загрязнения в реках и водоемах с результатами тестирования качества воды растениями. Поэтому предлагаемый способ позволяет на некоторое время отказаться от дорогостоящих методов анализа проб воды и заменить их предлагаемым способам комплексной оценки качества воды.
Применение предложенного способа расширяет возможности территориального экологического мониторинга загрязнения простыми средствами у тех водотоков речной сети, на которых расположены населенные пункты и земельные участки сельскохозяйственного назначения, свалки и склады хранения твердых отходов.