Влияние ультразвукового облучения на ризогенную активность растительных объектов

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ОБЛУЧЕНИЯ
И РЕГУЛЯТОРОВ РОСТА НА РИЗОГЕННУЮ АКТИВНОСТЬ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

 

 

 

 ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКА И РЕГУЛЯТОРОВ РОСТА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ

 

Ультразвук и биологические системы

 

Ультразвуковые колебания – это упругие, механические колебания с частотой более 20 кГц, распространяющиеся в различных материальных средах (Сарвазян, 1977). При распространении ультразвуковых колебаний в среде возникают чередования сжатия и разряжения, причем амплитуда сжатия всегда соответствует амплитуде разряжения, а их чередование соответствует частоте колебаний ультразвуковой волны. Это явление называется ультразвуковым давлением (Красильников, 1960). Рабочий инструмент ультразвуковой колебательной системы приводит в движение прилегающие к нему частицы обрабатываемой среды и вызывает их постоянное смещение, называемое ультразвуковым ветром (Мэзон, 1966).

При распространении интенсивных ультразвуковых колебаний (интенсивностью более 1…2 Вт/см2) в жидкости наблюдается обусловленный ультразвуковым давлением эффект, называемый ультразвуковой кавитацией (Бергман, 1957). Кавитационные пузырьки совершают пульсирующие колебания, приводящие к активной локальной турбулизации среды (Зубрилов, 1988). После кратковременного существования часть пузырьков захлопывается. При этом наблюдаются локальные мгновенные давления, достигающие сотен и тысяч атмосфер. При захлопывании кавитационных пузырьков наблюдаются также локальные повышения температуры и электрические разряды (Сиротюк, 1969).

Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости, частоты звука, температуры и других факторов. В воде на частоте 20 кГц она составляет около 0,3 Вт/см2 (Розенберг, 1970).

Выявлено, что в диапазоне частот (5…10)×103 Гц отмечаются такие физико-химические явления, как разделение молекул и ионов с различной массой, искажение формы волны, появление переменного электрического поля, капиллярно-акустического и теплового эффекта, активация диффузии. Здесь проявляются сопутствующие эффекты, влияющие на процессы экстракции из лекарственного, растительного и животного сырья, наблюдается усиление процессов гиперфильтрации, проницаемости клеточных мембран, становятся возможными стерилизация термолабильных веществ, фонофорез, получение концентрированных ингаляционных аэрозолей (Рождественский, 1977).

Воздействие ультразвука на биологические объекты.Механическое действие ультразвука приводит к размельчению и диспергированию частиц (Рид, 1960). Механически работа ультразвука усиливает диффузию растворителей в биологические ткани (Mummery, 1978). Физико-химическое действие ультразвука на биологические объекты, прежде всего, связано с морфологией их поверхности. Ультразвук усиливает в тканях проницаемость клеточных мембран и диффузные процессы, изменяет концентрацию водородных ионов в тканях, вызывает расщепление высокомолекулярных соединений, ускоряет обмен веществ. При умеренной и небольшой интенсивности ультразвука в живых тканях явления кавитации практически не выражены и наблюдается лишь пульсация естественных пузырьков в биологических жидкостях и усиление внутриклеточных и внеклеточных микропотоков жидкости, прекращающихся при отключении генератора ультразвука (Эльпинер, 1973).

Помимо освобождения механической энергии, образование кавитационных полостей сопровождается возникновением электрических зарядов на пограничных поверхностях, вызывающих люминесцентное свечение и ионизацию молекул воды, которые распадаются на свободные гидроксильные радикалы и атомарный водород (Н2O = НО + Н) (Маргулис, 1986).

В химическом отношении продукты распада ионизированных молекул воды в тканях организма крайне активны. Именно их большой активностью обусловлен ряд общебиологических эффектов, проявляющихся под влиянием ультразвука (Мэзон, 1966).

Ультразвук изменяет скорость процессов на границе газ–жидкость. Так, по данным F. Laugier (2008), его действие повышает растворимость азота в воде на 12 %. И в то же время ультразвуковое облучение растворов приводит к их обезгаживанию.

M. Breitbach (2001) показал эффективность влияния ультразвукового облучения на процессы сорбции и десорбции в гетерогенных системах.

Ультразвуковое воздействие частотой 1700 кГц, мощностью 14 Вт ускоряет растворение синильной кислоты в воде (Ghodbane, 2009).

Тепловое действие ультразвука происходит вследствие превращения акустической энергии в тепловую в результате поглощения ультразвука. Кроме того, образование тепла обусловлено физическими явлениями, вызывающими так называемый эффект пограничных поверхностей. Сущность его заключается в усилении действия ультразвука на границе разделения двух сред. Особенно это сказывается на тепловом эффекте, который может усиливаться в несколько раз (Бергман, 1956).

Биологическое действие ультразвука на клетки и ткани определяется главным образом интенсивностью ультразвука и длительностью облучения и может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность организмов. Так, возникающие при сравнительно небольших интенсивностях ультразвука (до 1…2 Вт/см2) механические колебания частиц производят своеобразный микромассаж тканей, способствующий лучшему обмену веществ и лучшему снабжению тканей кровью и лимфой. Повышение интенсивности ультразвука может привести к возникновению в биологических средах акустической кавитации, сопровождающейся механическим разрушением клеток и тканей (кавитационными зародышами служат имеющиеся в биологических средах газовые пузырьки) (Байер, 1958). Однако более интенсивные и длительные воздействия могут привести к перегреву биологических структур и их разрушению (денатурация белков и др.).

Первичный эффект действия ультразвука проявляется влиянием на тканевые и внутриклеточные процессы, на изменение процессов диффузии и осмоса, проницаемости клеточных мембран, интенсивности протекания ферментативных процессов, окисления, кислотно-щелоч-ного равновесия, электрической активности клетки. В тканях под действием ультразвука активируются обменные процессы, увеличивается содержание нуклеиновых кислот и стимулируются процессы тканевого дыхания. Под влиянием ультразвука повышается проницаемость стенок сосудов (Молчанов, 2009).

В основе биологического действия ультразвука могут лежать также вторичные физико-химические эффекты. Так, при образовании акустических потоков может происходить перемешивание внутриклеточных структур. Кавитация приводит к разрыву молекулярных связей в биополимерах и других жизненно важных соединениях и к развитию окислительно-восстановительных реакций. Ультразвук повышает проницаемость биологических мембран, вследствие чего происходит ускорение процессов обмена веществ из-за диффузии. Все перечисленные факторы в реальных условиях действуют на биологические объекты в том или ином сочетании совместно, и поэтому трудно, а подчас невозможно раздельно исследовать процессы, имеющие различную физическую природу (Константинов, 1974).

В настоящее время ультразвук – один из методов интенсификации биокатализа. Ультразвуковое облучение ассоциируется с повреждением клеток, но доказаны и благотворные последствия озвучивания на усиление биокатализа и жизнедеятельность живых клеток (Chisti, 2003).

Оксиление холестерола клетками Rhodococcuserythropolis, дегидрогенирование кортизола неподвижными клетками Arthrobacter было исследовано при ультразвуковом облучении на частоте 20 кГц. Значительное повышение скорости биотрансформации наблюдалось при облучении клеток в течение 5 секунд каждые 10 минут мощностью       2,2 Вт/см2. Ультразвук повышал массобмен через клеточные мембраны (Bar, 1988; Zabaneh,1991).

Кавитация в суспензиях клеток. При повышении интенсивности ультразвука до значений, когда в среде возникают механические усилия, сравнимые с прочностью клеточных мембран, начинается процесс разрушения клеток. Эффект наблюдается, если амплитуда пульсации пузырьков возрастает до определенной величины. Величина эта различна для разных клеток, зависит от их формы и размера, а также прочности цитоплазмической мембраны и наличия цитоскелета (Хенох, 1963; Журавлев, 1977).

Ультразвуковая дезинтеграция клеток получила широкое применение в биотехнологии, в биохимических и вирусологических исследованиях для выделения отдельных веществ и фрагментов клеток, а также в лабораторной диагностике для определения механической резистентности клеточных мембран (Хилл, 1989).

Воздействие ультразвука на белки. Известно, что в ультразвуковом поле происходит изменение структуры, формы и функции молекулы белка. Направление этих изменений зависит от строения белковых и концевых групп белка и свойств газа, содержащегося в водном растворе (Гауровиц, 1965).

Установлено, что эффект воздействия ультразвука на биомакромолекулы (нуклеопротеиды, нуклеиновые кислоты, липопротеиды и другие) зависит от природы газа, присутствующего в озвучиваемом растворе исследуемых веществ. В присутствии кислорода происходит процесс деградации биомакромолекул, вызывающий угнетение их биокаталитической активности. Данные процессы сопровождаются снижением вязкости растворов этих веществ. В присутствии водорода наблюдается увеличение молекулярной массы биомакромолекул при сохранении их нативных свойств, в частности таких белков, как сывороточный альбумин, трипсин и пепсин (Брагинская, 1965; Рейх, 1966).

Воздействие ультразвука на ферменты. Выявлено, что изменения ферментов при ультразвуковом облучении обусловлены не только структурой этих белков, но и природой присутствующего газа. В связи с этим ультразвук не всегда оказывает на них инактивирующее действие(Эльпинер, 1973). Инактивация ферментов при озвучивании наблюдается в том случае, если этот процесс происходит в присутствии кислорода; в среде, насыщенной водородом, инактивация не происходит. Это установлено при ультразвуковой обработке таких ферментов, как трипсин, пепсин, тирозиназа и других. Некоторые ферменты, например каталаза, вообще не инактивируются ультразвуком. Оксидазы более чувствительны к воздействию ультразвука, в то время как редуктазы, каталазы и амилазы обладают достаточной устойчивостью (Браунштейн, 1964; Поляновский, 1964).

Стерилизующий эффект ультразвука обусловлен разрушающим воздействием ультразвуковых колебаний на микроорганизмы, что позволило использовать ультразвук для стерилизации и дезинфекции. Так, например, стерилизация молока при озвучивании в течение 15…60 секунд задерживает его скисание на 5 суток, при этом витамины в молоке сохраняются. В 1 см3 молока, стерилизованного ультразвуком, содержится в среднем 18 КОЕ, в то время как после обычной пастеризации в течение 1 часа в 1 см3 его остается около 3000 КОЕ (Хмелев, 2006).

Механизм стерилизующего действия ультразвука весьма сложен и раскрыт не полностью. Очевидно, кавитация является ведущим фактором. Явление кавитации возникает в первую очередь там, где прочность жидкости наименьшая, т.е. на границе раздела сред клетка-жидкость. При образовании на поверхности клетки кавитационного пузырька в момент его уменьшения происходит как бы втягивание структуры стенки в полость каверны. В последующей фазе при захлопывании каверны возникает мощный гидродинамический удар, достигающий десятков мегапаскалей.

Выявлены положительные результаты дезинфекции воды посредством ультразвуковых колебаний; в течение 5 минут удается достигнуть полной стерилизации воды без применения каких-либо химических реагентов. Отмечается также положительный эффект применения ультразвуковых колебаний для стерилизации консервов и соков (Geiduschek, 1958; Эльпинер, 1959; Mahvi, 2005).

Выяснено, что при действии ультразвука повышается чувствительность микроорганизмов к дезинфицирующим веществам. Стерилизующий эффект при обработке водных взвесей бактерий кишечной палочки (Escherichia coli), которые предварительно подвергались действию ультразвука, был достигнут при значительно меньших концентрациях хлора, формалина и других дезинфицирующих веществ. Это обусловлено изменением («расшатыванием») макромолекулярных структур, входящих в состав оболочки озвучиваемых микроорганизмов, что приводит к нарушению проницаемости оболочек и мембран живых клеток (Lerman, 1964; Эльпинер, 1973; Hua, 2000).

Еще в 1928 году было впервые показано, что обработанные ультразвуком растворы, эмульсии, суспензии и отвары в течение некоторого времени после обработки остаются стерильными (Sevag, 1938).

Существует метод очистки семян от спор грибов с помощью ультразвука (UnitedStatesPatent 6185865, 2001). Метод осуществляется путем погружения семян в водный раствор с инертным газом с помощью ультразвуковой обработки с частотой 15…30 кГц, удельной мощностью 1…10 Вт/см2 и продолжительностью 1…15 минут.

Почти все микроскопические растения и организмы погибают, если подвергнуть их действию ультразвука высокой интенсивности, мощностью 500 кГц. Этот факт в настоящее время рассматривается как альтернативный, безопасный путь к очищению воды и продуктов питания (Bar, 1987).

Разрушаются ультразвуком кишечная (Escherichia coli), брюшнотифозная (Salmonella typhi), дифтерийная (Corynebacterium diphtheriae), сенная (Bacillus subtilis) палочки, клетки столбняка (Tetanus bacillus), сальмонеллы (Salmonella), кокки (Staphylococcus), трипаносомы (Trypanosoma bacillus), трихомонады (Trichomonas), возбудитель тифа (Typhus recurrens) и др. Ультразвук высокой интенсивности оказывает разрушающее действие на вирусы табачной мозаики (Tobacomosaicvirus), энцефалита (Encephalitis virus), сыпнотифозные, гриппа (Influentia). Бактериофаги больших размеров также чувствительны к действию ультразвука. Из патогенных микроорганизмов наибольшую устойчивость к воздействию ультразвука проявляют различные штаммы туберкулезных палочек (Tuberculum bacillus) (Davies, 1959; Elpiner, 1964; Joyce, 2003; Dehghani, 2005).

Cтерилизующее действие ультразвука на микроорганизмы проявляется на частотах 20 кГц и выше, при интенсивности более 0,5 Вт/см2 в кавитационном режиме облучения (Брагинская, 1963; Вашков, 1973).

Применение ультразвука возможно для стерилизации лекарственных препаратов, приготовленных как в заводских, так и в аптечных условиях. В аптечных условиях, применяя ультразвук частотой 490 кГц и интенсивностью 20 Вт/см2 в течение 5 минут, достигали полной стерилизации глазных капель: 0,25 %-ного раствора сульфата цинка,
1 %-ных растворов дионина, платифиллина гидротартрата, солянокислого пилокарпина. Анализ приготовленных растворов показал сохранение подлинности и количественного содержания лекарственных веществ в растворах до и после ультразвукового воздействия (Молчанов, 1980).

Известно, что высокую степень микробной обсемененности имеет лекарственное сырье, в особенности растительное. Поэтому настои, отвары и слизи в аптеках сохраняются не более 2 суток, так как после этого срока может бурно развиться микрофлора. Ультразвук определенных частот и интенсивности вызывает эмульгирование двух несмешивающихся жидкостей и одновременно стерилизацию обращенных эмульсий. Если же возникает необходимость простерилизовать готовые эмульсии ультразвуком, то экспозицию озвучивания по сравнению с озвучиванием суспензии следует уменьшить до 5…10 мин при интенсивности до 5…10 Вт/см2 независимо от частоты ультразвука (Стекольников, 1977). Одновременное использование антисептиков и ультразвуковой обработки позволяет снизить концентрацию антисептиков в 10…50 раз в лекарственных формах (Молчанов, 2009).

В настоящее время делаются попытки стерилизации большой группы жидких лекарственных форм с помощью ультразвука различных частоты и интенсивности в сочетании с некоторыми антимикробными препаратами. Ионы серебра, меди, цинка, находящиеся в растворе в концентрациях, не поддающихся количественному определе-
нию («следы»), в комбинации с ультразвуком (интенсивностью
0,3…0,5 Вт/см2, временем облучения 15…30 мин) проявляют олигодинамическое воздействие на всю микрофлору, которая находится в лекарственной форме. Активность ионов металлов в отношении, например, грибов снижается в ряду Ag+, Hg2+, Cu2+, Cd2+, Cr2+, Ni2+, Pb2+, Co2+, Zn2+, Fe2+, Ca2+. Соли тяжелых металлов в большой концентрации коагулируют белки, в малых являются блокаторами меркаптогрупп (Молчанов, 2009).

По данным Koda (2009), инактивирование грамотрицательных бактерий Escherichia Coli и грамположительных бактерий Streptococcus Mutans происходит при ультразвуковом воздействии частотой 500 кГц и мощностью 1,7…12,4 Вт.

При ультразвуковой обработке водных суспензий микобактерий частотой 20 кГц происходит разрушение 93 % микобактерий, а при высокочастотном ультразвуковом воздействии (612 кГц) – 35,5 % (Bsoul, 2009).

Ультразвуковой капиллярный эффект – явление увеличения глубины и скорости проникновения жидкости в капиллярные каналы под действием ультразвука (по сравнению с глубиной и скоростью, обусловленных только капиллярными силами). Открытие ультразвукового капиллярного эффекта принадлежит белорусскому ученому академику Е.Г. Коновалову (1961).

Впервые Ричардс обнаружил влияние ультразвука на подъем жидкости в капиллярах (Новицкий, 1983). В его эксперименте использовались стеклянные трубки с диаметром 2 мм, имевшие входной рупор. При нормальном падении волн на отверстие рупора в трубке наблюдался дополнительный подъем уровня жидкости (сверх высоты капиллярного уровня), пропорциональный силе звука.

В серии работ Е.Г. Коновалова обнаружено, что дополнительный подъем под действием ультразвука линейно растет при повышении температуры и увеличении диаметра. Максимальная высота и скорость подъема наблюдались при контакте капилляров с поверхностью излучателя. Московским институтом химического машиностроения совместно с Институтом физической химии АН СССР была предпринята попытка дополнительной экспериментальной проверки эффекта (Прохоренко, 1985). Исследование дало основание полагать, что ультразвуковой капиллярный эффект обусловлен ударами кумулятивных струй или в упрощенном варианте давлением, возникающим при захлопывании кавитационных пузырьков около устья капилляра (Кардашев, 1990). Подобно ультразвуковому капиллярному эффекту и явление «обратного» ультразвукового капиллярного эффекта, нашедшего широкое применение в том числе и в медицине (Педдер, 2009).

 

 


Ультразвуковая экстракция – один из наиболее распространенных методов, используемых в процессе получения биологически активных веществ из растительного или животного сырья. Все процессы экстракции лимитирует диффузия на границе раздела фаз через диффузионный слой с градиентом концентраций экстрагируемого вещества (Лаптев, 2005). Традиционные методы экстракции продолжительны. Использование ультразвука позволяет значительно ускорить процесс экстракции, увеличить выход и снизить себестоимость экстрагируемого вещества, улучшить условия труда и повысить его производительность (Акопян, 2005; Хмелев, 2007).

Достаточно широко, например, изучена ультразвуковая экстракция полифенолов из отжимок красных сортов винограда в работах M. Gon-zálezи других (2006), при частоте 35 кГц и мощности ультразвукового воздействия 240 Вт (PalmaM. и др., 2002).

Установлено, что ультразвуковым облучением с частотой
19…44 кГц из растений с сокращением времени процесса экстракции на 1…2 порядка можно извлекать флавоноиды, дубильные вещества, фенолгликозиды, связанные кумарины, антоцианы, фенолкарбоновые кислоты. При этом имеет место не только значительное ускорение процесса извлечения из растений полезных веществ, но и увеличение, по сравнению с другими методами экстрагирования, выхода основного продукта. При применении ультразвука имеет место звукокапиллярный эффект, который не только ускоряет вытеснение пузырьков воздуха, но и создает условия для их растворения в жидкости. В результате имеет место резкое сокращение процесса замачивания (Носов, 1963;
Eller, 1967; Брук, 1972; Молчанов, 2009). При воздействии ультразвука скорость экстракции возрастает в 3…20 раз (Литвинова, 1977).

Установлено, что характер воздействия ультразвука на процессы экстракции биологически активных веществ различен: одни вещества сохраняют свою активность, другие уменьшают, третьи теряют ее.Это связано с избирательным действием ультразвука на различные ткани, их строением, составом и функциями (Вайсман, 1962).

Известно применение ультразвука для экстракции масла семян корейской сосны (Pinus koraiensis) – частота ультразвукового воздействия 32 кГц, температура 80 °C, время 50 минут (ZhangYing, 2005) – и масла из семян табака (Nicotiana tabacum L.) (Stanisavljevića и др., 2006).

Под действием ультразвука ферменты или белки можно экстрагировать из клеток или межклеточных органелл в результате разрушения клетки (Mokkila и др., 2004).

Влияние ультразвука на коэффициент диффузии. Ультразвук оказывает влияние на коэффициент внутренней диффузии. Изменяя мощность ультразвукового поля при экстрагировании растительного сырья, можно регулировать скорость диффузии веществ из клеток, что имеет несомненное практическое значение (Семагина, 2000).

Влияние ультразвука на развитие черенков.В Ботаническом саду Одесского университета изучали влияние ультразвуковых колебаний на возможность ускорения корнеобразования и увеличения выхода укорененных черенков роз (RosaL.). Черенки нарезали из средней части однолетних полуодревесневших побегов. Связанные в пучки черенки помещали в ванну, дном которой служила излучающая пластинка, после чего ванну заполняли водой. Опытные черенки озвучивали в течение 15, 30, 45 секунд, 1, 3, 5, 12 и 20 минут при интенсивности
1 Вт/см2 и частоте колебаний 22 кГц, контрольные – выдерживали в водной среде. Для укоренения использовали смесь листовой земли, чернозема и речного песка в соотношении 2:2:1. Результаты опыта показали, что у всех сортов обработка в течение трех минут увеличивает укореняемость и ускоряет корнеобразование. Срок укоренения черенков в опыте составил 15 дней, в контроле 28 дней. Под действием ультразвука интенсивность трансприрации у опытных растений по сравнению с контролем увеличивалась на 20…25 %. Применение ультразвука позволяет проводить черенкование без специальных туманообразующих установок 2…3 раза в год (Николаева, 1987).

 

Экологические аспекты использования ультразвуковых технологий

Ультразвук и ультразвуковые технологии с точки зрения охраны окружающей среды и рационального природопользования, в соответствии с теоретическими законами, правилами, требованиями, а также с нормативными актами Российской Федерации при определенных обстоятельствах и в различных сферах использования могут рассматриваться, во-первых, как составляющая потоков информации в естественных природных системах. Во-вторых, как потенциальная опасность, связанная с возможностью разрушающих воздействий на живые организмы. В-третьих, ультразвук может быть нейтральным к природным составляющим экосистем.

Степень «опасности» ультразвука определяется техническим приложением или качеством проектирования технологического процесса его использования. Малогабаритные, маломощные, многофункциональные генераторы ультразвуковых колебаний, приборы, системы и технологические процессы на их основе экологически безопасны, экономически эффективны, обеспечивают сокращение потребления энергетических и сырьевых ресурсов при выпуске одинаковых объемов продукции в сравнении с традиционными технологиями, т.е. обеспечивают актуальное в настоящее время требование – рациональное природопользование (Хмелев, 1997). Ультразвук, используемый в данной работе, относится к низкочастотному (22 кГц) при разрешенной частоте 16…63 кГц, уровень шума на рабочем месте от прибора, работающего на частоте 22 кГц, не превышает предельно допустимый – 100 дБ согласно ГОСТ 12.1.001-83 и отвечает требованиям СанПиН 2.2.4./2.1.8.582-96 «Гигиенические требования при работах с источниками воздушного и контактного ультразвука промышленного, медицинского и бытового назначения».

Следует отметить, что ультразвуковое воздействие высокой мощности в течение 10…30 минут разрушает до 70 % пестицидов (Collings, 2009).

 

 


Используемые регуляторы роста растений

 

Изучалось действие стимуляторов корнеобразования, янтарной кислоты и ингибиторов развития – нитратов кадмия и свинца. Поскольку в литературе отсутствуют экспериментальные данные по совместному воздействию регуляторов роста и ультразвукового облучения, кратко рассмотрим свойства этих регуляторов роста.

Стимуляторы корнеобразования. Ауксины (от греческого слова «расти») – это присутствующие во всех органах растений ростовые гормоны: индолил-3-уксусная кислота (ИУК, или гетероауксин) и ее производные. Они являются участниками процессов деления, роста, дифференциации клеток, особенно активно влияют на корнеобразование. Поэтому гетероауксин в основном применяют как стимулятор роста корней. Ауксины широко применяют для вегетативного размножения черенками, при пересадке, для стимуляции плодообразования, для уменьшения опадения плодов, для прореживания цветков и завязей плодовых растений, для задержки цветения плодовых деревьев, при хранении клубней, корнеплодов и луковиц, для уничтожения сорняков (Холодный, 1955).

Наиболее известный тип стимуляции роста под действием добавляемых извне, или экзогенных ауксинов, – это вытягивание стеблей и колеоптилей в длину. Другой тип роста – увеличение размеров клетки путем неполярного набухания (Леопольд, 1968).

Синтетические стимуляторы типа ауксинов β-индолилуксусная кислота, или гетероауксин, β-индолилмасляная кислота, α-нафтилук-сусная кислота, или АНУ, используются для усиления корнеобразования у черенков древесных и травянистых растений, улучшения срастания тканей при их пересадке и прививках, для предотвращения опадения завязей у плодовых деревьев и ягодников и др. Эти вещества применяют в различных концентрациях (от 20 до 1000 мг/дм3) в зависимости от способа их нанесения на растение. Гиббереллины используют для усиления роста ягод бессемянных сортов винограда, выведения из состояния покоя клубней картофеля, усиления роста стеблей конопли, льна и ускорения плодоношения томата (Муромцев, 1979).

Наиболее распространённый способ обработки растений регуляторами роста – опрыскивание. Так, для предотвращения опадения завязей плодовые деревья и ягодники опрыскивают стимуляторами типа АНУ и её производными. Для увеличения выхода волокна у лубяных культур вегетирующие растения опрыскивают раствором гиббереллина (Кефели, 1960).

Стимуляторы прорастания семян. Брассинолиды – гормоны, поддерживающие иммунную систему в стрессовых ситуациях (пониженные температуры, заморозки, затопление, засуха, болезни, действие пестицидов, засоление почвы и т.д.). Относятся к группе так называемых стрессовых адаптогенов, обладающих сильной ростостимулирующей активностью. Препаративная форма под названием эпибрассинолид нашла широкое применение во многих странах. Семена, обработанные эпибрассинолидом, быстрее прорастают, а рассада, полученная из таких семян, обладает иммунитетом ко многим распространенным заболеваниям.

Высокой физиологической активностью обладает эпин. Это синтетический брассинолид (аналог природного фитогормона), занимает особое место среди других регуляторов роста растений, активизируя в растениях другие фитогормоны – гиббереллины, цитокинины и ауксины (Полевой, 1982).

Янтарная кислота.Для изучения различных физиолого-биохи-мических процессов растительной клетки большое внимание уделяется влияющим на эти процессы органическим кислотам, а именно тем, которые функционируют в цикле Кребса, – лимонной, янтарной, яблочной и фумаровой. Известно, что данные кислоты, введенные экзогенно, легко проникают в митохондрии и используются так же быстро, как и их эндогенные формы (Ветроухова, 1988). В литературе имеются данные о том, что лимонная кислота является ингибитором гликолиза на уровне фосфофруктокиназы и пируваткиназы и регулирует пропускную способность гликолиза, а значит, и содержание пирувата. При введении экзогенной лимонной кислоты обнаружено увеличение пировиноградной кислоты на свету (Постовалова, 1993). Подобная закономерность характерна и при использовании других субстратов цикла Кребса – яблочной и янтарной кислот (Астафурова, 1988). Янтарная кислота, введенная экзогенно, оказывает активирующее действие на различные физиолого-биохимические процессы у растений, причем действие ее проявляется в относительно низких концентрациях (Максютова, 1998). Данная кислота может изменять энергетический уровень ферментов, повышать всхожесть семян и продуктивность некоторых растений (Косакович, 1993), стимулировать ростовые процессы и активизировать синтез аскорбиновой кислоты (Чупахина, 1999).

Янтарная кислота, содержащаяся в органах и тканях, является продуктом пятой реакции и субстратом шестой цикла трикарбоновых кислот. Окисление янтарной кислоты в шестой реакции цикла Кребса осуществляется с помощью сукцинатдегидрогеназы, характерной особенностью которой является локализация на внутренней поверхности мембран митохондрий и независимость ее активности от концентрации окисленной и восстановленной формы НАД/НАДН, что позволяет сохранить энергосинтезирующую функцию митохондрий при нарушении НАД-зависимого дыхания клеток. Выполняя каталитическую функцию по отношению к циклу Кребса, янтарная кислота снижает в крови концентрацию других интермедиатов данного цикла – лактата, пирувата и цитрата, накапливающихся в клетке на ранних стадиях гипоксии. Феномен быстрого окисления янтарной кислоты сукцинатдегидрогеназой, сопровождающийся АТФ-зависимым восстановлением пула пиримидиновых динуклеотидов получил название «монополизация дыхательной цепи», биологическое значение которого заключается в быстром ресинтезе АТФ. В нервной ткани функционирует так называемый
γ-аминобутиратный шунт (цикл Робертса), в ходе которого янтарная кислота образуется из γ-аминомасляной кислоты через промежуточную стадию янтарного альдегида (Ленинджер, 1966
; Браун, 1977; Березов, 1983; Раевский, 1986; Браунштейн, 1987; Тарчевский, 1996; Тарчевский, 1999).

Отмечено также, что положительное действие янтарной кислоты может быть объяснено не только активацией цикла Кребса, но и стимулированием синтеза восстановленных форм аминокислот (Чупахина, 2001).

Изучение влияния интермедиата НАДФН-оксидазной системы – салициловой кислоты на синтез белков привело к выводу о причине давно установленной биологической активности другого соединения – янтарной кислоты. Оказалось, что последняя является миметиком салицилата и обработка ею растений «включает» сигнальные системы, что приводит к синтезу салицилат-индуцируемых защитных белков и повышению устойчивости к патогенам (Тарчевский, 1997).

Янтарная кислота относится к регуляторам роста растений и используется для предпосевной обработки семян с целью повышения энергии прорастания и всхожести семян, урожайности и качества (Шевелуха, 1998; Куренкова, 2001).

Так как янтарная кислота не токсична, ее применение помогает избавляться от вредного техногенного влияния на почвенные структуры, не загрязняя дополнительно действующим веществом. Препарат благотворно влияет на активность микрофлоры почвы, обеспечивая интенсивную биологическую переработку минеральных удобрений (Cataldo, 1975).

Предварительная обработка посадочного материала раствором янтарной кислоты (10-4…10-2 М) либо одно-двукратный полив растений в период их роста повышает стрессоустойчивость растений к воздействию неблагоприятных факторов (заморозки, жара, засуха, излишняя влажность и т.д.), снижает заболеваемость растений, повышает содержание в листьях хлорофилла, что позволяет растению более интенсивно развиваться. Применение янтарной кислоты может предохранить от излишнего накопления в растениях азотистых веществ при их чрезмерном содержании в почве. Препарат не заменяет удобрения, однако улучшает показатели роста и устойчивости растения (Куренкова, 2001).

Препарат может увеличить урожайность корнеплодов на 15…20 %, некоторых бахчевых культур – на 30 %. В растениях и плодах повышается содержание биологически ценных веществ, к примеру, аскорбиновой кислоты, аминокислот, сахаров и органических кислот.

Янтарная кислота проявляет себя как умеренный активатор роста. Она помогает обеспечить стабильное получение повышенного урожая без использования избытка минеральных удобрений (Сафронова, 1995).

Опрыскивание раствором янтарной кислоты стимулирует у растений рост новых побегов. Замачивание корней в растворе на 4…6 часов стимулирует рост новых корней. Обычно семена замачивают в янтарной кислоте на 12…24 часа перед высаживанием или проращивают семена перед посадкой на готовом растворе.

Янтарная кислота и эпин оказывают стимулирующее действие при концентрациях 10-2…10-4 М (Горбатенко, 1997).

Токсичность регуляторов роста растений.Китайские ученые Ren, Zhu, Li (2007) исследовали влияние 2-фуран-2-ил-[1,3]диоксилана на рост пшеницы. Все показатели обработанных семян превышали контроль на 234 % по длине корня и 295 % по массе проростка. В различных токсикологических испытаниях препарат показал низкую к окружающей среде токсичность и отсутствие мутагенного потенциала.

Изучение токсичности некоторых регуляторов роста растений: трийодобензойной, нафтилуксусной и 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты на крысах – показало, что эти кислоты повышают содержание малондиальдегида в тканях, блокируют антиоксидативную и имунную системы крыс. Данные показали, что исследуемые регуляторы роста оказывают токсичное действие на органы легких в течение 25 дней (Ismail, Yasin, 2007).

Исследования токсического действия цитокининов, гиббереллинов, ауксинов, проводимые на крысах и кроликах, выявили, что концентрация этих препаратов до 1000 мг/кг/день не токсична и не вызывает мутаций (EPA, 1998).

При изучении влияния стимуляторов роста растений (ивин, эмистим, зеастимулин, агростимулин, бетастимулин и др.) на выживание, развитие и плодородность дафний было установлено, что изученные химические препараты практически нетоксичны для дафний (Shcherban, 2001).

Янтарная кислота рассматривается как эффективный и экологически чистый регулятор роста (Куренкова, 2001).

По степени воздействия на водные биоценозы регулятор роста гетероауксин ТАБ (920 г/кг), относится к III классу опасности и в рекомендуемых регламентах применения разрешен без ограничения применения в водоохранной рыбохозяйствемной зоне. ПДК препарата для воды рыбохозяйственных водоемов составляет 0,5 мг/дм3.

Эпин (эпибрассинолид) практически не опасен для человека, теплокровных животных, рыб, пчел и других полезных насекомых. Относится к III классу опасности.

 


 

Влияние тяжелых металлов – свинца и кадмия – на растения

 

Ионы свинца и кадмия оказывают тормозящее влияние на изоцитратлиазную активность в первые сутки и ингибируют малатсинтазную активность через 5 суток проращивания. Результатом такого действия является торможение роста корешка в длину. Известно, что ионы Cd2+ запирают кальциевые каналы, вследствие чего тормозятся реакции глюконеогенеза, в семенах сои (Glicine max L.) при проращивании (Бездудная, 2008).

Было установлено, что нитраты свинца и кадмия в концентрациях кадмия до 40 мг/л и свинца до 400 мг/л не оказывают существенного влияния на прорастание семян ячменя и редиса. Отмечены тенденции в снижении размеров корешка у редиса (Горкова, 2002).

Свинец. Промышленные предприятия являются одним из ведущих источников антропогенного загрязнения окружающей среды свинцом. Огромное влияние на загрязнение свинцом оказывал автотранспорт.

Кларк металла в незагрязненных почвах равен 5…10 мг/кг (Кабата-Пендиас, 1989). А.П. Виноградов (1957) приводит значение кларка свинца в почве – 10 мг/кг. Фоновые концентрации свинца для почв России составляют 10…15 мг/кг (Барсукова, 1997). В Алтайском крае, по данным Г.Г. Морковкина (2002), повышенное содержание свинца от 1 до 2 медианного фона (медианный фон – 16,0 мг/кг) отмечается в Приалейской степи. Самое высокое содержание свинца регистрируется в Змеиногорском районе.

Установлено, что в небольших количествах свинец необходим растительным организмам. Несмотря на то, что свинец присутствует во всех живых организмах и доказаны, с одной стороны, его жизненная необходимость, а с другой – токсичность, биологическая роль и механизмы действия элемента изучены весьма слабо (Ильин, Сысо, 2001). Средний уровень его содержания в растениях незагрязненных и безрудных областей довольно постоянен и лежит в пределах 0,1…10 мг/кг сухой массы (Кабата-Пендиас, 1989).

Свинец относительно слабо поглощается растениями (Галиулин, 1994). В растения попадает 0,003…0,005 % всего свинца почвы. Скорость поглощения свинца растениями увеличивается при подкислении почвы и при увеличении температуры.

ПДК в растительной продукции в России (мг/кг): в овощах, фруктах при естественной влаге, зерне для пищевых целей – 0,5, в семенах – 1, в кормовом зерне, грубых и сочных кормах (в расчете на сухую масс-су) – 5 (Ильин, Сысо, 2001). Избыток свинца в растениях ингибирует дыхание и подавляет процесс фотосинтеза, вследствие чего не только снижается урожайность растений, но и резко ухудшается качество продукции (Ягодин и др., 1995).

Кадмий.Кадмий попадает в почву с локальными выбросами промышленных комплексов, производящих или использующих кадмий, тепловых энергетических установок, с минеральными удобрениями. Концентрация кадмия в почвах варьирует в широких пределах. Среднее содержание находится в диапазоне от 0,07 мг/кг до 1,1 мг/кг, при этом фоновые уровни кадмия в почвах не превосходят 0,5 мг/кг, более высокие значения свидетельствуют об антропогенном вкладе в содержание кадмия в верхнем слое почвы. Кларк металла – 0,16 мг/кг (Кабата-Пендиас, 1989).

ПДК кадмия в почве в разных странах колеблется от 2 до 5 мг/кг (Ильин, Сысо, 2001). В Алтайском крае, по данным Г.Г. Морковкина (2002), высокое содержание кадмия в сравнении с медианным фоном (0,20 мг/кг) характерно для Рубцовского, Курьинского, Смоленского, Советского, Первомайского районов.

Активность кадмия в любой почве сильно зависит от pH среды. Кадмий наиболее подвижен в кислых почвах. Сорбция кадмия – очень быстрый процесс и в большинстве случаев происходит за 10…15 минут на 95 %.

Критические концентрации кадмия в листьях сельскохозяйственных растений, вызывающие снижение урожайности на 10 и 25 %, составляют 15 и 70 мг/кг сухого вещества соответственно. Естественные (фоновые) содержания кадмия в растениях невелики и составляют (мг/кг сухого вещества): в траве – 0,07…0,27, картофеле – 0,03…0,30, зерне злаков – 0,013…0,220 (Ильин, Сысо, 2001). Повышенные концентрации кадмия в корнеобитаемой среде вызывают у растений замедление роста и развития (Титов, 2002), нарушения в протекании основных физиологических процессов (Barcello, Pochenrieder, 1990). Кроме того, кадмий тормозит фотосинтез, нарушает транспирацию и фиксацию CO2.

Механизм ингибирующего действия свинца и кадмия на онтогенез растений обусловлен взаимодействием их ионов с остатками серусодержащих аминокислот (Молчанов, 2009).

На основании анализа представленных данных можно отметить, что действие ультразвука в жидких средах на растительные объекты разнонаправлено. Положительно могут влиять на рост и развитие растений ультразвуковой капиллярный эффект, способствующий диффузии росторегулирующих веществ в растительные объекты, а также стерилизация среды. В то же время процессы диффузии и экстракции, лизиса клеток в результате кавитационного воздействия при увеличении времени озвучивания должны приводить к снижению биологической активности растительных объектов. Существующие теоретические подходы не позволяют apriori рекомендовать режимы наиболее эффективной ультразвуковой обработки. Их можно установить только на основании экспериментальных данных, которые представлены ниже.

 

 


СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ОБЛУЧЕНИЯ И СТИМУЛЯТОРОВ РОСТА НА РИЗОГЕННУЮ АКТИВНОСТЬ ЧЕРЕНКОВ ВИНОГРАДА

 

Объект исследования

 

Виноград(Vitis vinifera), как правило, размножают вегетативными способами: двулетними, однолетними саженцами или зелеными черенками, отводками и прививками. Семенами виноград размножают только в селекционной работе при выведении новых сортов; отводками – чаще всего при ремонте (реконструкции) старых виноградников.

При размножении сортов винограда методом зеленого черенкования важно правильное решение вопроса о количестве глазков на зеленых черенках, что связано с объемом материала, обрабатываемого ростовыми веществами в целях лучшего укоренения черенков и развития растений (Мирзаев, 1987).

Проблема повышения приживаемости растений при вегетативном размножении актуальна как для декоративных, так и садовых культур и особенно важна в регионе Западной Сибири. В настоящее время регуляторы роста в виноградарстве в основном применяются при производстве привитого посадочного материала в целях стимулирования корне-, каллусообразования. Применение стимуляторов существенно повышает интенсивность дыхания черенков и активность ферментов каталазы и пероксидазы. При этом уменьшается количество крахмала в тканях, возрастает количество подвижных сахаров, увеличивается транспортировка водородных ионов из цитоплазмы в клеточную стенку и ускоряется растяжение клеточных стенок. Действие регуляторов роста зависит от концентрации применяемого раствора и экспозиции выдержки в нем черенков (Хмелева, 2007).

В настоящее время регуляторы роста в виноградарстве в основном применяются в питомниководстве при производстве привитого и корнесобственного посадочного материала в целях стимулирования корнеобразования, а также срастания прививочных компонентов. В работах М.Х. Чайлахяна, М.М. Саркисовой (1980), Р.Х. Турецкой (1960, 1968) наиболее полно отражены результаты исследования действия регуляторов роста на черенки винограда (Малтабар, 2002).

Согласно имеющимся в литературе данным, применение стимуляторов существенно повышает интенсивность дыхания черенков и активность ферментов каталазы и пероксидазы. При этом уменьшается количество крахмала в тканях, возрастает количество подвижных сахаров, увеличивается транспортировка водородных ионов из цитоплазмы в клеточную стенку и ускоряется растяжение клеточных стенок (Гартман, 1963).

При использовании регуляторов роста необходимо учитывать следующее: черенки во время заготовки должны содержать оптимальное количество воды (не менее 48 % на сырую массу) и питательных веществ, в частности, углеводов (не менее 12 % на абсолютно сухую массу), так как регуляторы роста дают максимальный эффект на хорошо вызревших черенках.

Действие регуляторов роста зависит от концентрации применяемого раствора и экспозиции выдержки в нем черенков. Повышенная концентрация раствора и длительная выдержка в нем черенков могут вызвать не стимуляцию корне- и побегообразования, а ингибирование этих процессов и даже гибель растения (Жуковский, 1964).

Черенки, обработанные гетероауксином, лучше приживаются и растут, на них быстрее появляются корни. Для обработки деревянистых черенков применяют раствор с концентрацией 0,6 г/дм3, погружая в него черенки на 2/3 длины и выдерживая их там до суток. Зеленые черенки опускают в раствор меньшей концентрации (0,3...0,4 г/ дм3), погружают только на 1/3 длины и выдерживают 8...12 часов (Шестер, 1992).

По данным многих исследователей (Майстренко, 2001; Радчевский, 2002; Терещенко, 1992), при использовании регуляторов роста в оптимальных концентрациях и экспозициях черенков в них корни образуются раньше и в большем количестве, улучшается срастание привитых компонентов при начальной задержке роста побегов на привое.

На практике наиболее распространены следующие регуляторы роста: гетероауксин, или β-индолилуксусная кислота (ИУК), калиевая соль гетероауксина, индолилмасляная кислота (ИМК), α-нафтилуксус-ная кислота (НУК), ее калиевая соль (КАНУ). Основными регуляторами роста являются эпин, никфан, корневин, кавказ, универсальный, симбионт, силк, экзуберон и др. (Плакида, 1964).

В настоящее время в виноградном питомниководстве в основном применяют гетероауксин. Этот препарат используется как для стимулирования корнеообразования, так и для ингибирования распускания глазков (Манаков, 1989).

Субботович и другие (1984) в ходе проведенных опытов пришли к выводу о том, что с целью ингибирования распускания глазков у привоя в период стратификации привитых черенков черенки привоя после их замочки опускают на 30 мин в раствор гетероауксина 0,05 %-ной концентрации, а для стимуляции образования каллуса на подвое черенки помещают верхними концами на ⅓ в емкость с 0,05 %-ным раст-вором гетероауксина на 3 часа. По их данным наиболее эффективным способом подготовки черенков подвоя к прививке является вымачивание их в растворе регуляторов роста – гетероауксине концентрации 0,01 % или α-нафтилуксусной кислоте – 0,006 %.

Л.А. Майстренко (2001) для предпрививочной подготовки подвойных черенков с пониженной ризогенной активностью рекомендует черенки базальными концами на 1,5…2 см обмакивать в 0,15…0,20 %-ный раствор гетероауксина с экспозицией 1…1,5 с. После такой обработки черенки обматывают полиэтиленовой пленкой и прогревают 6…8 суток при температуре 22 °С. Такой способ обусловливает повышение ризогенной активности. Перед постановкой на стратификацию верхнюю часть привитых черенков погружают в 0,15…0,20 %-ный раствор гетероауксина на 1…1,5 с, что увеличивает выход саженцев из школки и улучшает их качество.

Заслуживает внимания работа, проведенная А.П. Терещенко (1992), по применению пористого штифта, насыщенного раствором гетероауксина. Такой штифт вставляется в сердцевину базальной части подвойного черенка, что обеспечивает ярко выраженное воздействие его не только на ризогенез, но и на каллогенез подвоя в месте спайки компонентов. Механизм действия его в этом случае заключается в том, что стимулятор во время стратификации на слое воды вымывается из штифта и поднимается вместе с током воды по сосудам подвойного черенка.

Большая работа по применению комплекса микроэлементов и янтарной кислоты в качестве стимуляторов проведена Э.М. Хреновским (1985 г.). По его мнению, вымачивание подвоя в растворе, содержащем 25 г янтарной кислоты и 300 г сульфата марганца на 1000 л воды, может заменить для ранних прививок предпрививочную стратификацию верхушек подвойных черенков.

В странах Евросоюза используется регулятор роста экзуберон, который оказывает существенное влияние на ризогенез виноградных черенков. Этот препарат содержит в форме растворенного концентрата
4 г/л β-индолилмасляной кислоты с витаминами. По данным P. Castro (2000), эффективность обработок базальных концов черенка этим стимулятором достигается при пониженных температурах (+4
°С) в течение 24 ч в растворе при его концентрации 1…2 %.

Известно также, что одни и те же регуляторы роста по-разному действуют на черенки разных сортов винограда (Мишуренко, 1987).

Известно, что способность зеленых черенков к укоренению зависит от определенных условий – температуры, влажности, освещения и других факторов среды, которые при оптимальном их сочетании способствуют активному функционированию листьев и накоплению пластических веществ, необходимых для образования придаточных корней (Ермаков, 1975).

Исследования по установлению корнеобразовательной способности янтарной кислоты с концентрацией 0,01 %...0,005 % на черенках винограда выявили, что при замачивании черенков на 48 часов в растворе 0,005 % янтарной кислоты, выход саженцев увеличивался на 13,5 % по сравнению с контролем (Радчевский, 2000).

 

 


Ультразвуковая установка для облучения растительных объектов

 

Для проведения опытов был применен специальный аппарат, разработанный в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института, предназначенный для обработки растительных объектов в жидких средах (рисунок 1). Обработка производилась при мощности облучения 350 Вт, удельной мощности
175 Вт/дм3, интенсивности 12 Вт/см2 и частоте 22 кГц.

Конструктивной особенностью аппарата является наличие емкости, в дно которой встроен ультразвуковой излучатель, а также сетчатая ячейка из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т, размеры отверстий в ячейке 1 мм для обработки семян. Аппарат позволяет за один прием обработать значительное количество растительных объектов, причем на фиксированном расстоянии от излучателя (от 0,1 до 4 см).

 

Технические характеристики ультразвукового аппарата «Волна» представлены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Технические характеристики ультразвукового аппарата «Волна»

 

Характеристика

Показатель

Питание от сети переменного тока напряжением, В

220±22

Частота механических колебаний, кГц

22±1,65

Максимальная потребляемая мощность, Вт

700

Диапазон регулирования мощности, %

10...100

Время непрерывной работы, мин, не более

20

Масса электронного блока, кг, не более

5

Габаритные размеры электронного блока, мм

270´270´110

Габаритные размеры ультразвуковой ванны, мм

300´120´130

Объем ультразвуковой ванны, дм3

2

Условия эксплуатации:

Температура окружающего воздуха, °С

10...40

Относительная влажность, %, не более

80

Масса колебательной системы, кг, не более

2

Время установления рабочего режима, сек, не более

5

Амплитуда колебаний на торце рабочего инструмента при максимальной мощности, мкм, не менее

40

 

Устройство и принцип работы. В основу работы установки положен принцип электронного преобразования энергии электрической промышленной сети в механические ультразвуковые колебания с помощью пьезоэлектрического эффекта.

Ультразвуковой аппарат конструктивно состоит из электронного блока и подключаемой к нему с помощью соединительного кабеля ультразвуковой ванны. Электронный блок представляет собой электронный генератор – источник электрических колебаний с рабочей частотой 22 кГц для возбуждения механических колебаний пьезоэлектрического преобразователя, расположенного в колебательной системе, в рабочей емкости.

На передней панели электронного блока расположены: выключатель сетевого питания «СЕТЬ», индикаторный светодиод работы аппарата «РАБОТА», кнопка «ПУСК-СТОП», многорежимный цифровой индикатор (отображение мощности, времени с момента включения, таймера), кнопка «ВЫБОР ПАРАМЕТРА», кнопки установки выбранного параметра «+» и «-».

На задней панели электронного блока расположены: кабель для подключения колебательной системы, кабель питания для подключения аппарата к сети переменного тока и держатели предохранителей.

На корпусе ультразвуковой ванны размещен вентилятор, обеспечивающий воздушное принудительное охлаждение колебательной системы.

При прохождении ультразвука через слой жидкости определенной толщины часть звуковой энергии поглощается жидкостью. Соотношение между амплитудой звуковой волны до и после прохождения через среду выражается зависимостью:

A = A0e-αx,

где Аоамплитуда начальных колебаний, мкм;

А – амплитуда колебаний после прохождения среды, мкм;

е – основание натурального логарифма;

х – расстояние, проходимое ультразвуком в среде, м;

а – коэффициент поглощения, зависящий от свойств среды и частоты ультразвуковых колебаний, м-1.

Вследствие этого для обеспечения воспроизводимости экспериментальных данных как между параллельными измерениями, так и при использовании большого числа облучаемых объектов ультразвуковое облучение производилось в сетчатой ячейке из нержавеющей стали, установленной на расстоянии 2 см параллельно ультразвуковому излучателю.

Эксперименты проводились согласно требованиям СанПиН 2.2.4./2.1.8.582-96 «Гигиенические требования при работах с источниками воздушного и контактного ультразвука промышленного, медицинского и бытового назначения», а также согласно ГОСТ 12.1.001-89 «ССБТ. Ультразвук. Общие требования безопасности».

 

 


Исследование процесса диффузии красителя в черенки винограда при ультразвуковом облучении

 

Моделирование процесса диффузии из жидкой среды в растительную ткань осуществлялось с помощью водорастворимого индикатора ксиленолового оранжевого (ТУ 6-09-1509-78). В качестве растительной ткани были взяты одревесневшие черенки винограда. Прототипом данной методики послужила методика по обработке древесины (Задорский, 1995).

Для осуществления диффузии только с поверхности среза, боковая поверхность образца и противоположный срез покрывались парафином. Образцы были длиной 110мм и диаметром 6±1 мм. В процессе ультразвуковой обработки образы фиксировались на расстоянии 20 мм от ультразвукового излучателя. При проведении опытов осуществлялся контроль над температурой раствора (Хмелева, 2008).

После проведения опыта черенки разрезались по вертикали, и глубина проникновения красителя определялась по высоте окрашенной зоны черенка, например, для мощности облучения 700 Вт.

Таким образом, из представленных данных можно сделать вывод, что даже при продолжительности ультразвуковой обработки 2…5 минут и мощности облучения 100…400 Вт происходит диффузия жидкой среды в срез черенка, что, по-видимому, связано с явлением ультразвукового капиллярного эффекта. Можно предположить, что использование более высоких временно-мощностных параметров может сказаться на целостности клеточной структуры и функциони-ровании ферментативной системы растений.

 

  Влияние ультразвукового облучения растворов  со стимуляторами роста на ризогенную активность черенков винограда

 

Опыты с зелеными черенками винограда. Для черенкования использовали стебли с хорошей корнеобразовательной способностью. С этой целью маточные растения, предназначенные для черенкования, заранее подвергали сильной обрезке. В результате стимулируется формирование новых побегов с хорошей корнеобразовательной способностью.

Для получения черенка отбирали один из молодых побегов. Очень важно, чтобы листья на нем не были повреждены, они должны быть уже развернутыми и полностью сформированными. Черенки нарезали секатором. Срез делали как можно ближе к почке, стараясь по возможности не оставлять пенька. Это снижает вероятность ее загнивания или гибели (Терещенко, 1992). Нижний срез делался в 2,5…4 см от верхнего, чтобы черенок можно было достаточно прочно закрепить в субстрате.

В сосуде, заполненном смесью для черенкования, делали колышком лунку. Черенок высаживали, стараясь поместить почку на одном уровне с поверхностью субстрата. После посадки землю тщательно уплотняли. Устанавливали этикетку и поливали субстрат вокруг растения. Для предупреждения потерь влаги и увядания черенки помещали под полиэтиленовую пленку в затененное место. Поверхность листьев зеленых черенков винограда и внутреннюю поверхность пленки опрыскивали водой через 5...7 суток.

Через 30 суток их начинали усиленно проветривать (снимали полиэтиленовое укрытие), затем открывали на ночь. Через 7 суток проветривания снимали защитное покрытие (Хмелева, 2008). Состояние черенков учитывали через 40 суток эксперимента по разработанной пятибалльной шкале: - – погибшие растения; 2;3- – отсутствие листьев и корней; 3;3+ – развитых корней нет, хорошие листья; 4;4+ – живые черенки с корневой системой; 5;5+ – мощная корневая система и листья.

В эксперименте использовали 32 зеленых черенка на каждый вариант опыта. В качестве эталона использовали раствор гетероауксина с концентрацией 0,002 г/дм3.

Все опыты проводились в четырехкратной повторности, результаты обрабатывались статистически. Диаметр черенков 5…7 мм.

Исследования с зелеными черенками винограда проводились на опытном участке в селе Сростки Бийского района Алтайского края, при температуре 27±2 °С и влажности 80±10 %.

В 2006 г. изучалось корнеобразование зеленых одноглазковых черенков винограда сортов Прима и Мускат белый по следующей схеме опыта:

1) контроль – черенки винограда, помещенные в воду;

2) черенки винограда, обработанные водным раствором янтарной кислоты (ЯК) с концентрацией 10-11 М;

3–5) черенки, обработанные в воде при воздействии ультразвука (УО) в течение 5, 10 и 15 минут;

6–8) черенки, обработанные водным раствором янтарной кислоты с концентрацией 10-11 М при воздействии ультразвука в течение 5, 10 и 15 минут;

В 2007 году зеленые одноглазковые черенки винограда сортов Кобзарь, Тайфи и Лора обработали по тем же вариантам, сократив продолжительность ультразвуковой обработки до 1…5 минут. За эталон взяли водный раствор гетероауксина (ГА) с концентрацией
0,002 г/дм3, так как в практике виноградарства для улучшения корнеобразования черенков рекомендуется применять в первую очередь ауксиноподобные стимуляторы корнеобразования. В каждом варианте опыта использовалось 8 одновременно обработанных черенков, повторность опытов четырехкратная.

Ультразвуковое облучение черенков винограда осуществлялось при удельной мощности облучения 175 Вт/ дм3 и частоте 22 кГц. Опыты с зелеными черенками проводились в первой декаде июня и в августе 2006 года и в июле 2007 года на винограднике в селе Сростки Бийского района.

После обработки все черенки были высажены в сосуды объемом    1 дм3, через месяц осуществляли усиленное проветривание и открывание на ночь.

В 2006 г. изучалось корнеобразование зеленых одноглазковых черенков винограда сортов Прима и Мускат белый. Черенки обрабатывали янтарной кислотой с концентрацией 10-7…10-15 М и ультразвуком продолжительностью 5…15 минут в растворах воды и янтарной кислоты. Результаты опыта представлены в таблице 2.

Наилучшие результаты – живые черенки с корневой системой и пасынками – наблюдались при обработке черенков ультразвуком с янтарной кислотой концентрацией 10-11 М в течение 5 минут для сорта Прима и 10 минут для сорта Мускат белый, продолжительность обработки 5 минут для обоих сортов оптимальна. При этом приживаемость черенков возросла с 40…45 % до 90…100 %. Исходя из полученных результатов, в последующих опытах использовали раствор янтарной кислоты концентрацией 10-11 М.

Таблица 2 – Приживаемость зеленых черенков винограда в 2006 г.

 

Вариант обработки

Приживаемость зеленых черенков
для сортов винограда, %

Прима

Мускат белый

1

2

3

Янтарная кислота

10-7 М

10-9 М

10-11 М

10-13 М

10-15 М

 

38 %

45 %

47 %

38 %

25 %

 

25 %

40 %

47 %

40 %

25 %

Вода + УО 5 мин

55 %

40 %

Вода + УО 10 мин

55 %

60 %

Вода + УО 15 мин

50 %

45 %

Янтарная кислота

10-7 М+ УО 5 мин

10-9 М+ УО 5 мин

10-11 М + УО 5 мин

10-13 М+ УО 5 мин

10-15 М+ УО 5 мин

 

67 %

95 %

100 %

85 %

65 %

 

65 %

85 %

85 %

80 %

60 %

Янтарная кислота

10-7 М+ УО 10 мин

10-9 М+ УО 10 мин

10-11 М + УО 10 мин

10-13 М+ УО 10 мин

10-15 М+ УО 10 мин

 

50 %

58 %

60 %

55 %

47 %

 

80 %

85 %

90 %

85 %

70 %

Янтарная кислота

10-7 М+ УО 15 мин

10-9 М+ УО 15 мин

10-11 М+ УО 15 мин

10-13 М+ УО 15 мин

10-15 М+ УО 15 мин

 

75 %

80 %

85 %

75 %

75 %

 

40 %

45 %

50 %

45 %

40 %

Контроль

45 %

40 %

 

В 2007 году зеленые одноглазковые черенки винограда сортов Кобзарь, Тайфи и Лора обработали по тем же вариантам, снизив продолжительность обработки ультразвуком до 1…5 минут. За эталон взяли водный раствор гетероауксина (ГА) с концентрацией 0,002 г/дм3, рекомендованной инструкцией по применению. Приживаемость черенков винограда оценивали по пятибалльной шкале (таблица 3).

Наилучшие результаты в 2006 году – живые черенки с развитой корневой системой и пасынками – наблюдались при УО черенков с янтарной кислотой в течение 5…10 минут для сорта Прима и Мускат белый.

 

Таблица 3 – Приживаемость зеленых черенков в 2006–2007 гг.

 

Вариант

обработки

Сорт винограда

Прима

Мускат белый

Кобзарь

Лора

Тайфи

ЯК, 10-11 М

2;3+

-

3

2

3

Вода + УО 5 мин

2;3-

2;2

2

5+

4

Вода + УО 10 мин

3-;3-

2;2

 

 

 

Вода + УО 15 мин

2

2;2;3

 

 

 

ЯК + УО 5 мин

4;4+

4;4+

4

5

5+

ЯК + УО 10 мин

5;4

4;5

 

 

 

ЯК + УО 15 мин

3

2;3-;3-

 

 

 

Контроль

3;3+

-

-

3

3

Эталон (ГА)

 

 

3

4

2

ЯК + УО 3 мин

 

 

4

5+

4

ЯК + УО 2 мин

 

 

3

5

3

ЯК + УО 1 мин

 

 

3

3

3

УО+ГА 5 мин

 

 

-

2

5+

Примечание: - – погибшие растения; 2;3- – отсутствие листьев и корней; 3;3+ – развитых корней нет, хорошие листья; 4;4+ – живые черенки с корневой системой; 5;5+ – мощная корневая система и листья

 

Наилучшие результаты в 2007 году – живые черенки с корневой системой и листьями – наблюдались при обработке черенков ультразвуком с раствором янтарной кислоты в течение 5 и 3 минут для всех сортов винограда. Нужно отметить, что озвученные черенки винограда начали плодоносить на второй год, а необлученные на третий год.

 

 


Опыты с одревесневшими черенками винограда

 

Объектом исследования также явились одревесневшие черенки винограда сортов Амирхан и Тукай, 2007 г., (одноглазковые); Катыр, Мускат Донской, Краса Севера, Алеша, Память Домбковской, 2008 г., (двухглазковые). В 2008 г. продолжительность ультразвуковой обработки одревесневших черенков составляла 5 минут. Диаметр черенков 5…7 мм. Опыты проводились в лаборатории кафедры общей химии и экспертизы товаров БТИ АлтГТУ при температуре 25±3 °С, влажности 60±15 % и освещенности    500 лк. После обработки черенки помещались в сосуд, наполненный реакционной жидкостью на высоту 2 см. В каждом варианте опыта использовалось 10 одновременно обработанных черенков, повторность опытов четырехкратная (Хмелева, 2009).

Еженедельно производились замеры корневой системы и побегов. Продолжительность опыта составляла 8…9 недель.

Приготовление раствора янтарной кислоты. В экспериментах использовали янтарную кислоту пищевую. Растворы готовились путем последовательного десятикратного разбавления исходного децимолярного раствора.

Приготовление раствора гетероауксина. Раствор с концентрацией 0,002 г/дм3 готовился путем растворения двух таблеток готового препарата индолил-3-уксусной кислоты в 10 литрах воды.

В 2008 г. продолжительность обработки одревесневших черенков составляла 5 минут. После обработки черенки помещались в сосуд, наполненный реакционной жидкостью на высоту 2 см. В каждом варианте опыта использовалось 10 одновременно обработанных черенков.

Результаты эксперимента представлены в таблицах 4 и 5.

 

Таблица 4 – Влияние условий обработки на корнеобразование           одревесневших черенков винограда сорта Амирхан в 2007 г.

 

Вариант обработки

Побеги

Корневая система

Начало образования, недель

Средняя скорость роста побегов, мм/неде-лю

Отношение к конт-ролю, %

Начало образования, недель

Средняя скорость роста корней, мм/неде-лю

Отношение к конт-ролю, %

1

2

3

4

5

6

7

Контроль

5

3,0±0,2

100

9

2,0±0,1

100

ЯК

4

6,0±0,2

200

8

10,0±0,2

500

ГА

4

8,0±0,6

267

8

12,0±0,5

600

УО+ЯК

5 мин

4

8,0±0,6

267

7

30,0±1,3

1500

УО+ЯК 10 мин

3

9,0±0,5

300

7

30,0±1,3

1500

УО+ЯК 15 мин

3

10,0±0,7

333

8

14,0±0,8

700

 

Продолжение таблицы 4

1

2

3

4

5

6

7

УО+ГА

5 мин

3

10,0±0,6

333

7

34,0±1,5

1700

УО+ГА

10 мин

4

7,0±0,6

233

7

26,0±1,7

1300

УО+ГА

15 мин

4

7,0±0,6

233

8

15,0±1,1

750

УО+вода

4

5,0±0,6

167

9

7,0±0,4

350

НСР0,5

 

0,5

 

 

1,0

 

 

Из представленных данных следует, что к максимальной скорости образования корней приводит ультразвуковое облучение черенков винограда в водном растворе гетероауксина с продолжительностью обработки 5 минут и в водном растворе янтарной кислоты в течение 5 и 10 минут. Очевидны и более ранние сроки побего- и корнеобразования у облученных черенков.

Отметим, что период между началом побего- и корнеобразования минимален для черенков винограда, облученных ультразвуком в растворе янтарной кислоты в течение 5 минут и в растворе гетероауксина в течение 10 минут, в то время как этот период для черенков, обработанных ультразвуком в воде максимален.

Совместное применение стимуляторов и ультразвукового облучения сокращает срок начала побегообразования и корнеобразования по сравнению с контролем на 1…2 недели.

 

Таблица 5 – Влияние условий обработки на корнеобразование
одревесневших черенков винограда сорта Тукай в 2007 г.

Вариант

обработки

Побеги

Корневая система

Начало образования, недель

Средняя скорость роста побегов, мм/неде-лю

Отношение к контролю,%

Начало образования, недель

Средняя скорость роста корней, мм/не-делю

Отношение к конт-ролю,%

1

2

3

4

5

6

7

Контроль

6

2,0±0,2

100

10

5,0±0,2

100

ЯК

4

4,0±0,3

200

8

10,0±0,2

200

ГА

4

5,0±0,1

250

7

15,0±0,5

300

УО+ЯК

5 мин

3

7,0±0,2

350

7

25,0±1,2

500

Продолжение таблицы 5

1

2

3

4

5

6

7

УО+ЯК

10 мин

3

9,0±0,5

450

7

21,0±1,6

420

УО+ЯК

15 мин

4

10,0±0,5

500

8

20,0±1,6

400

УО+ГА

5 мин

4

10,0±0,2

500

7

30,0±1,3

600

УО+ГА

10 мин

4

8,0±0,6

400

7

25,0±1,1

500

УО + ГА
15 мин

4

7,±0,4

350

7

27,0±1,1

540

УО + вода

4

5,0±0,2

250

9

5,0±0,2

100

НСР0,5

 

0,6

 

 

1,0

 

                 

 

Из данных таблицы 5 следует, что наилучшие результаты по скорости корнеобразования и роста побегов в этой группе опытов наблюдались при обработке черенков винограда в водных растворах гетероауксина, при ультразвуковом воздействии продолжительностью 5 минут и в водном растворе янтарной кислоты, при обработке ультразвуком также в течение 5 минут. Побегообразование и корнеобразование черенков, обработанных ультразвуком, началось на 2…3 недели раньше не озвученных.

Отметим, что период между началом побего- и корнеобразования одревесневших черенков винограда сорта Тукай минимален для черенков, облученных ультразвуком в растворе гетероауксина, в то время как этот период максимален для черенков, облученных в воде.

Для оценки величины синергетического эффекта одновременного воздействия ультразвукового облучения и стимуляторов роста использовали подход, применяемый для оценки взаимодействия лекарственных средств, где выделяют четыре вида синергизма.

Сенситизация (от англ. sensitivity – чувствительность), или сенситизирующее действие, – такой вид синергизма, когда oднo из вхoдящих в комбинацию средств усиливает действие другого. Такой вид взаимодействия средств можно выразить условной формулой 0 + 1 = 1,5.

Аддитивное (от лат. additio – прибавление) действие средств – такой вид их взаимодействия, при кoтopом итоговый эффект комбинируемых средств больше, чем эффект каждого из них, но меньше их математической суммы. Этот вид взаимодействия средств можно выразить условной формулой 1 + 1 = 1,75.

Суммация эффекта – это такой вид взаимодействия средств, при котoром их совместный эффект равен математической сумме эффектов каждого из них. Такой вид взаимодействия средств можно выразить условной формулой 1+1=2.

Потенцирование (от англ. potentiate – усиливать, придaвать силу) эффекта – такой вид взаимодействия средств, при кoтopом эффект комбинации выше математической суммы эффекта каждого из совместно применявшихся средств. Его можно выразить условной формулой 1 + 1 = 3.

Применительно к нашему случаю расчет синергетического эффекта производился по формуле

F= [УО + С]/[УО] + [С],                                                                  (2.1)

где F– величина синергетического эффекта;

[УО+С] – результат совместного действия ультразвука и стимулятора роста;

[УО] – результат действия ультразвука;

[С] – результат действия стимулятора роста.

Проведенные по формуле (2.1) расчеты представлены в таблице 6.

 

Таблица 6 – Показатели синергетического эффекта для сортов           винограда Амирхан и Тукай

Вариант

Величина синергетического эффекта

Амирхан

Тукай

Средняя скорость роста

побегов

Средняя скорость роста корней

Средняя скорость роста побегов

Средняя скорость роста

корней

ЯК+УО 5 мин

0,73

1,76

0,78

1,67

ЯК+УО 10 мин

0,82

1,76

1,00

1,40

ЯК+УО 15 мин

0,91

0,82

1,11

1,33

ГА+УО 5 мин

0,77

1,79

1,00

1,50

ГА+УО 10 мин

0,54

1,37

0,80

1,25

ГА+УО 15 мин

0,54

0,79

0,70

1,35

 

По данным таблицы 6 можно сделать вывод, что потенцированный синергетический эффект обнаружен для совместной обработки черенков ультразвуком и янтарной кислотой в течение 5 минут для корневой системы и 15 минут для побегообразования обоих сортов винограда.

 


 

Результаты опытов по влиянию условий обработки на побегообразование одревесневших черенков винограда различных сортов представлены в таблице 7, из которой видно, что сорт винограда оказывает влияние на побегообразование черенков, но наилучшая ризогенная активность по всем сортам винограда наблюдалась при обработке черенков винограда ультразвуком в растворе янтарной кислоты.

.

Таблица 7 – Влияние условий обработки на побегообразование         одревесневших черенков винограда в 2008 г.

Сорт

винограда

Вариант обработки

Начало образования, недель

Средняя скорость роста, мм/неделю

Отношение к контролю, %

Катыр

Контроль

6

15,0±0,2

100

ЯК

7

20,0+1,2

133

ГА

7

2,5±0,5

17

ЯК+УО

6

23,8±1,5

159

ГА+УО

4

18,6±1,5

124

УО+вода

5

18,0±1,1

120

Краса

Севера

Контроль

6

2,5±0,6

100

ЯК

4

13,8±0,6

552

ГА

6

7,5±0,2

300

ЯК+УО

4

16,3±1,5

652

ГА+УО

7

6,3±0,6

252

УО+вода

5

5,7±0,2

228

Память

Домб-ковской

Контроль

6

11,3±0,2

100

ЯК

5

20,0±1,7

177

ГА

6

12,5±0,6

111

ЯК+УО

4

37,5±1,6

332

ГА+УО

5

36,3±1,5

321

УО+вода

5

22,8±1,5

202

НСР0,5

 

 

1,5

 

 

В таблице 8 представлены данные по влиянию условий обработки на корнеобразование одревесневших черенков винограда различных сортов. По представленным в ней данным можно сделать вывод, что максимальное корнеобразование черенков достигается при их обработке ультразвуком в растворах янтарной кислоты концентрацией 10-11 М и ультразвуком в растворе гетероауксина. Корни у обработанных черенков стали появляться на 1 неделю раньше контроля. Отметим, что период между началом побего- и корнеобразования одревесневших черенков винограда минимален для черенков сорта Катыр, обработанных янтарной кислотой и гетероауксином, для черенков сорта Мускат  Донской облученных в воде и растворах стимуляторов, в то время как этот период максимален для черенков сорта Краса Севера, обработанных янтарной кислотой. Совместное применение стимуляторов и ультразвукового облучения сокращает срок начала побегообразования и корнеобразования по сравнению с контролем на 1…2 недели.

 

Таблица 8 – Влияние условий обработки на корнеобразование           одревесневших черенков винограда в 2008 г.

Сорт винограда

Вариант обработки

Начало образования, недель

Средняя

скорость роста корней, мм/неделю

Отношение к контролю, %

Катыр

Контроль

8

8,0±0,2

100

ЯК

7

11,0±0,1

138

ГА

8

8,0±0,2

100

ЯК+УО

7

13,0±0,1

163

ГА+УО

7

9,0±0,3

113

УО+вода

7

9,3±0,2

116

Краса

Севера

Контроль

9

2,0±0,1

100

ЯК

9

3,0±0,2

150

ГА

8

5,0±0,2

250

ЯК+УО

8

7,0±0,3

350

ГА+УО

8

8,0±0,4

400

УО+вода

8

6,0±0,5

300

Память

Домбковс-кой

Контроль

7

3,0±0,2

100

ЯК

7

7,0±0,3

233

ГА

7

5,0±0,2

167

ЯК+УО

7

15,0±0,4

500

ГА+УО

7

8,0±0,2

267

УО+вода

7

6,8±,05

227

НСР0,5

 

 

0,6

 

 

Биометрические показатели корневой системы одревесневших черенков винограда в зависимости от условий обработки показаны в таблице 9, по данным которой видно, что максимальная продуктивность черенков достигается при их обработке ультразвуком в растворах янтарной кислоты концентрацией 10-11 М и ультразвуком в растворе гетероауксина.

 

Таблица 9 – Влияние условий обработки на массу корней                   одревесневших черенков винограда в 2008 г.

Сорт

винограда

Вариант обработки

Масса воздушно-сухих

корней, г

Отношение к контролю, %

Масса
сухих корней, г

Отношение к конт-ролю, %

Количество корней, шт.

Катыр

Контроль

4,10±0,10

100

2,40±0,10

100

9

ЯК

5,17±0,20

126

2,76±0,10

115

15

ГА

5,49±0,20

134

2,94±0,10

123

18

ЯК+УО

6,31±0,30

154

3,07±0,20

128

21

ГА+УО

5,12±0,20

125

3,00±0,20

125

15

УО+вода

4,92±0,10

120

2,98±0,10

124

11

Краса Севера

Контроль

1,32±0,10

100

0,73±0,03

100

3

ЯК

2,70±0,10

205

0,82±0,04

112

5

ГА

3,91±0,20

296

1,07±0,10

147

10

ЯК+УО

5,02±0,20

380

2,11±0,10

289

16

ГА+УО

5,88±0,30

445

2,34±0,10

320

14

УО+вода

4,20±0,20

318

1,28±0,10

175

10

Память Домб-ковс-кой

Контроль

2,24±0,10

100

1,03±0,10

100

6

ЯК

5,00±0,20

223

2,05±0,10

199

17

ГА

3,13±0,20

140

1,31±0,10

127

8

ЯК+УО

6,03±0,30

269

3,05±0,20

296

24

ГА+УО

4,57±0,20

204

2,22±0,10

216

13

УО+вода

4,12±0,20

184

2,00±0,10

194

10

НСР0,5

 

0,6

 

0,3

 

1,0

 

 

 

Из представленных данных следует, что максимальным стимулирующим воздействием обладает ультразвуковое облучение в присутствии стимулятора роста в течение 5 минут. Причем, сроки начала корне- и побегообразования у облученных черенков на 1…2 недели раньше, чем у не обработанных. Более длительная обработка ухудшает корнеобразование, что можно связать с разрушением растительных тканей и ферментативной системы черенков. Но вместе с тем можно отметить, что использование янтарной кислоты примерно одинаково эффективно с гетероауксином при ее концентрации в 107 раз меньше.

Таким образом, ультразвуковое облучение черенков совместно со сверхмалыми дозами янтарной кислоты обеспечивает максимальные скорости корне- и побегообразования по сравнению с эталонными стимуляторами роста.

Существует подход к выявлению водных кластеров – изучение свойств очень разбавленных водных растворов. По этому направлению выполнен значительный объем работ, которые позволяют с большой вероятностью предполагать существование в нормальных условиях стабильных водных кластеров, ответственных за каталитические реакции, а также за стимуляцию разного рода биологической активности. Проведенные исследования по изучению действия сверхмалых доз природных органических кислот на онтогенез редиса показали, что при уменьшении концентрации водных растворов малоновой, янтарной и щавелевой кислот до 10-7 М наблюдалось повышение урожайности от 170 до 340 % по сравнению с контролем (Кропоткина, 2006). На основании представленных данных можно предположить, что повышение активности изученных кислот каким-то образом связано с изменением их строения в процессе разбавления.

Известно, что пространственное расположение карбонильных групп существенным образом сказывается на биологической активности препаратов янтарной кислоты (Кашлинский, 2000).

Учитывая то, что областью воздействия отрицательно заряженных частиц могут быть органеллы митохондрий, имеющие области различного заряда и изменяющие свою величину в процессе функционирования, то можно предположить, что двухзарядные отрицательные анионы природных органических кислот, адсорбируясь на поверхности митохондрий, изменяют величину мембранного потенциала, что приводит к интенсификации цикла Кребса за счет снижения энергии активации его стадий. Причем вид аниона может определять тип взаимодействия с поверхностью: однозарядные анионы и двухзарядные гош-конформеры взаимодействуют с положительно заряженными частями поверхности, уменьшая величину суммарного положительного заряда, в то время как адсорбируемые трансоидные конформеры изменяют положительный заряд поверхности на отрицательный, более существенно изменяя величину мембранного потенциала. Возможно, для этого нет необходимости иметь большую концентрацию анионов, поскольку митохондрии представляют связанную систему, которая изменяется под воздействием изменений в небольшой части.На основании проведенного анализа можно предположить механизм действия анионов дикарбоновых кислот по аналогии с катализаторами гетерогенного катализа и электрокаталитическими процессами. Также как в и случае катализаторов, когда происходит уменьшение величины энергии активации химической реакции, адсорбированные анионы на положительно заряженной поверхности мембран изменяют величину мембранного потенциала за счет частичной перезарядки поверхности, что приводит к существенному увеличению скорости энерговыделения и проницаемости мембран растений.

Таким образом, столь высокую активность янтарной кислоты можно связать с возможным изменением пространственного расположения карбонильных групп в процессе ее разбавления, тем самым увеличивая биологическую активность кислоты и изменяя величину мембранного потенциала.

 

 


ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ультразвукОВОГО ОБЛУЧЕНИЯ и регуляторов роста на РАННИЕ СТАДИИ ОНТОГЕНЕЗА семян льна-ДОЛГУНЦА

 

Семена льна

 

Род LinumL. Семейство льновые (Linaceae) включает свыше 200 видов, которые распространены в умеренных и субтропических областях всех частей света. Это однолетние, реже многолетние травянистые растения. Наибольшее значение в сельском хозяйстве играет лен обыкновенный – LinumusitatissimumL.

Применение ультразвука в растениеводстве связанос улучшением посевных качеств семян и ускоренного развития черенков, вероятнее всего, благодаря ультразвуковому капиллярному эффекту (Хмелев, 2007).

Одной из проблем, возникающих при длительном хранении семян, является снижение их посевных качеств. Особенно это актуально для семян льна, поскольку в некоторые неблагоприятные по климатическим условиям годы более 50 % посевного материала относится к некондиционному по показателям качества. При посеве таких семян происходит значительное изреживание посевов (Павлов, 1999).

Ультразвуковое облучение семян перед посадкой интенсифицирует процесс прорастания, повышает урожайность различных культур в среднем на 20…40 %. Так, обработанные ультразвуком зерна ячменя (Hordeum) дают всходы на 2…3 дня раньше, чем контрольные посадки, длина колоса и количество зерен в нем увеличиваются на 30 %, количество стеблей от одного зерна также увеличивается на 25…30 %. Механизм ультразвукового воздействия на зерна и семена до конца не изучен. Ясно только, что УО в большей или меньшей степени, но всегда положительно влияет на процесс прорастания зерен и семян и увеличивает урожайность. При обработке семян ультразвуком в них можно имплантировать необходимые микроэлементы, уничтожать возбудителей болезней и вредителей, активизировать ферменты. Так, например, УО семян редиса (Raphanus sativus) в растворе органических удобрений повышает урожайность не менее чем в 2 раза. Обработка семян и зерен может осуществляться в воде или в водном растворе микроэлементов и удобрений (Истомина, 1936; Давыдов, 1940).

В работе А.И. Жатова(1987) изучалось воздействие ультразвука на всхожесть и энергию прорастания семян растений конопли (Cannabis). Семена обрабатывали ультразвуком удельной мощностью 25,5 Вт/см2. Отмечено, что энергия прорастания и всхожесть были наибольшими при продолжительности обработки 4 минуты. Ультразвук оказывал существенное влияние на увеличение массы стеблей, урожая семян и волокна. В конце вегетации в опытных вариантах женские особи были выше, чем в контроле, на 3,6…25,6 сантиметра (Авсиевич, 1992).

Был описан эффективный способ для облегчения ручного труда при определении жизнеспособности семян проса (Panicum) и пшеницы (Triticum) без извлечения зародыша. Семена предварительно обрабатывали ультразвуком в водном растворе тетразола. Диффузия тетразола происходила только в жизнеспособные семена (Боронина, 1985).

Была проведена также серия опытов по установлению влияния ультразвука на хозяйственные качества второклассных семян лука
(
Allium
). Установлено, что предпосевное облучение способствовало улучшению посевных качеств семян. Так, при экспозиции в 1 минуту энергия прорастания возрастала с 65 % в контроле до 73 %, всхожесть – с 70 до 78 %. Наибольшая масса одного растения отмечена при
двухминутном облучении. Облучение семян ультразвуком большой мощности снижало посевные качества семян в сравнении с контролем (Суванаджиев, 1988).

Ультразвуковое облучение позволяет усилить эффект стимуляции при сочетании ее с воздействием парааминобензойной кислотой, а также влияет на стабилизацию жидких удобрений, содержащих азот и фосфор (Акопян, 1987; Шангин-Березовский, 1988; Zuziova, 1990).

Известен метод усиления прорастания семян путем погружения их в водный раствор, содержащий инертный газ и его ультразвуковой обработки с частотой 15…30 кГц и удельной мощностью 10 Вт/см2, продолжительностью от 1 до 15 минут. Ультразвуковое облучение семян способствовало усилению ростовых характеристик, включая сопротивление пестицидам, и улучшению ростовых свойств семян с последующим введением питательных веществ (USPatent 6250011, 2001).

Е. Rinaldelli (1987) установил, что продолжительность ультразвуковой обработки при частоте 1700 кГц в течение 2…8 минут при температуре 25 °C и 30 °C увеличивают энергию прорастания семянкаперса (CapparisspinosaL.) на 35…50 %.

Установлено также, что применение ультразвукового облучения мощностью 460 Вт и продолжительностью обработки 3…15 минут увеличивает энергию прорастания семян ячменя на 30…50 % (Yaldagard и др., 2008).

Кроме этого, после ультразвуковой обработки пустые, невсхожие семена овощных культур остаются плавать на поверхности жидкости, а всхожие оседают на дно (Хмелев, 1997).

Обеззараживание семян.Обеззараживание семян пшеницы,пораженных микотоксинами семейств Penicillium, Rhisopus, Mucor и Fusa-rium ультразвуковым облучением, описано в работе Колывановой (Колыванова, 1985).

Известен метод обработки ультразвуком питательного раствора при выращивании гидропонной культуры томатов (Solanum lycope-rsicum) с целью повышения эффективности борьбы с фитопатогенными грибами (Wambeke, 1985).

Эффективным оказался способ протравливания семян в сочетании с их обработкой ультразвуком в борьбе с белой гнилью (Sclerotinia sclerotiorum) растений. Эпифитотивное поражение посевов подсолнечника (Helianthus) белой гнилью приводит к потере до 50 % урожая, не считая ухудшения качества зерновок. Ультразвуковое облучение семян в сочетании с фунгицидами снижало раннюю зараженность всходов и ускоряло прорастание семян (Nagy, 1984, 1986).

Влияние на ферментативную систему семян. В исследовании MaryamYaldagard и других (2007) было установлено, что обработка семян ячменя ультразвуком частой 20 кГц, при мощности 460 Вт и продолжительности 5, 10 и 15 минут при постояннойтемпературе (30 oC) сокращает период прорастания с 5 до 4 суток за счет увеличения активности α-амилазы на 46 %.

При обработке клеток культуры женьшеня (Panax) ультразвуком с частотой 38,5 кГц в течение 0,5…6 минут происходит стимулирование синтеза вторичных метаболитов, без потери выхода биомассы культур клетки женьшеня (Wu, 2002).

Таким образом, при обработке семян ультразвуком в них можно вносить необходимые микроэлементы, уничтожать возбудителей болезней и вредителей, а также активизировать ферменты, что в конечном итоге повышает энергию прорастания, усиливает активность ферментативной системы растений.

 

 


Влияние ультразвукового облучения и регуляторов роста на прорастание семян льна-долгунца

 

Лабораторный опыт по определению энергии прорастания семян проводился на культуре льна-долгунца, сорт Томский-16, срок хранения 4 года. Согласно ГОСТ 12038-84 проводилось определение всхожести.Семена обрабатывали раствором янтарной кислоты или растворами солей тяжелых металлов (нитратом свинца или нитратом кадмия) с концентрацией от 1 М до 10-14 М без или совместно с ультразвуковым воздействием в течение 2 минут (более длительная ультразвуковая обработка приводила к повышению температуры облучаемых растворов). Ультразвуковое облучение 100 семян льна проводилось в сосуде из нержавеющей стали 12Х18Н10Т объемом 2 дм3 (Хмелева, 2008).

Также изучалось влияние янтарной кислоты с концентрацией от
1 М до 10-14 М на энергию прорастания семян льна-долгунца без или совместно с ультразвуком.

Приготовление раствора эпибрассинолида. Раствор с концентрацией 0,02 г/дм3 готовился путем растворения двадцати капель препарата «эпин экстра» в 1 литре воды.

Приготовление растворов нитрата свинца и кадмия.Растворы готовились путем последовательного десятикратного разбавления децимолярных растворов солей.

Определение длины и массы корней семян.Через 24, 48 и 72 часа проращивания, с помощью измерительной линейки определяли длину всех корней семян льна-долгунца в миллиметрах. Через 72 часа проращивания и анализа всех результатов у семян срезались корни и взвешивались на технических весах в граммах.За результат анализа принимали среднее арифметическое результатов определения длины всех проанализированных проб.

Чашки Петри с обработанными семенами помещали в термостат при температуре 27 °C. Опыты проводились в четырехкратной повторности.

Результаты обрабатывались статистически и представлены в таблице 10.

 

Таблица 10 – Влияние условий обработки на прорастание семян     льна-долгунца

Вариант

Энергия прорастания,

%

Относительная энергия прорастания, %

Длина корней, мм

Относительная длина корней, %

Масса корней, г

Относительная масса корней, %

1

2

3

4

5

6

7

Контроль

80±2

100

10,0±0,2

100

0,37±0,02

100

Эпин

78±2

98

8±0,2

80

0,24±0,01

65

ЯК,

10-11 М

86±3

107

9±0,2

90

0,38±0,01

97

УО+Н2О

2 мин

79±3

99

11,0±0,5

110

0,69±0,02

186

 

Продолжение таблицы 10

1

2

3

4

5

6

7

УО+Н2О

4 мин

90±2

112

13,0±0,4

130

0,73±0,06

197

УО+Н2О

6 мин

85±2

106

11,0±0,3

110

0,68±0,03

187

УО+ЯК

2 мин

91±2

113

16,0±0,6

160

0,88±0,02

238

УО+ЯК

4 мин

90±2

112

15,0±0,6

150

0,71±0,02

192

УО+ЯК

6 мин

83±1

104

12,0±0,5

120

0,60±0,03

162

УО + Э

2 мин

76±3

95

8,0±0,2

80

0,24±0,01

65

УО + Э

4 мин

76±1

95

7,0±0,2

70

0,20±0,01

54

УО + Э

6 мин

75±1

97

7,0±0,2

70

0,20±0,01

54

НСР0,5

1,0

 

0,5

 

0,06

 

 

Из таблицы 10 видно, что максимальная энергия прорастания у семян льна-долгунца после длительного хранения наблюдается при обработке их ультразвуком в воде (с продолжительностью обработки
4 минуты) и в растворе янтарной кислоты с концентрацией 10-11 М в течение 2 и 4 минут. Более длительная обработка снижает энергию прорастания, что можно связать с разрушением растительных клеток и ферментативной системы семян. Но вместе с тем можно отметить, что использование янтарной кислоты заметно эффективнее по сравнению с эталонным стимулятором при концентрации в 107 раз меньше.

 

 

Таким образом, ультразвуковое облучение семян льна-долгунца совместно со сверхмалыми дозами янтарной кислоты обеспечивает максимальную энергию прорастания семян после длительного хранения, по сравнению с эталонными стимуляторами роста, и позволяет повысить энергию прорастания семян льна-долгунца на 14 % после длительного хранения.

 

 

Лабораторный опыт по изучению влияния ультразвуковой обработки водных растворов янтарной кислоты на развитие семян проводился на культуре льна-долгунца, сорт Томский-16. Семена льна-долгунца обрабатывали янтарной кислотой (ЯК) с концентрацией
1 М…10-14 М и УО в течение 2 минут, удельная мощность 175 Вт/дм3, рабочая частота 22 кГц.

Опыты по проращиванию проводились при температуре 27 °C в трехкратной повторности, результаты обрабатывались статистически. Полученные результаты представлены на рисунках 9, 10, 11.

Из полученных данных следует, что средняя длина и масса корней максимальны при облучении их ультразвуком в растворе янтарной кислоты с концентрацией 10-11…10-13 М.

Можно предположить, что янтарная кислота оказывает положительный эффект на прорастание семян льна-долгунца после длительного хранения, особенно в сверхмалых дозах, а совместно с ультразвуковым облучением ростостимулирующее действие усиливается, что можно связать с ускорением диффузии раствора янтарной кислоты в семена льна.

 

 

 

у=0,66x+86,8, R2=0,567 – ЯК+УО;

y=0,94x+76,85, R2=0,408 – ЯК

 

Рисунок 9 – Зависимость энергии прорастания семян льна-долгунца   от концентрации янтарной кислоты и ультразвукового воздействия

 

 

 

y=0,90x+16,00, R2=0,612 – ЯК+УО;

y=1,41x+6,52, R2=0,914 – ЯК

 

Рисунок 10 – Зависимость длины корней от концентрации янтарной кислоты и ультразвукового воздействия

 

 

 

 

y=x+0,017, R2=0,635 – ЯК + УО;

y=0,001х+0,010, R2=0,816 – ЯК

 

 

Рисунок 11 – Зависимость массы корней от концентрации янтарной  кислоты и ультразвукового воздействия

 

Представленные данные показали, что ультразвуковой капиллярный эффект повышает стимулирующее действие янтарной кислоты на 20…40 % в диапазоне концентраций от 1 М до 10-14 М. Причем наиболее существенное значение из биометрических показателей оказывает ультразвуковое облучение на длину корней, затем на их массу, а энергия прорастания менее всего подвержена изменению.

 

 


Влияние ультразвукового облучения на токсичность нитратов свинца и кадмия при начальных стадиях развития семян льна-долгунца

 

Семена льна-долгунца обрабатывали растворами солей тяжелых металлов (нитратом свинца или нитратом кадмия) с концентрацией от 1 М до 10-14 М без или совместно с ультразвуковым облучением (Хмелева, 2009) (рисунок 12).

 

y= 2,641x+66,18, R2=0,329 – НС;

y= 3,287х+51,05, R2=0,401 – НС + УО

 

Рисунок 12 – Влияние ультразвукового облучения и нитрата свинца   на энергию прорастания семян льна-долгунца

 

Из рисунка 12 видно, что растворы нитрата кадмия обладают ростостимулирующим действием в первые сутки развития семян, в диапазоне концентраций 10-9…10-14 М/дм3 (максимум активности был обнаружен для концентрации 10-11…10-12). (Можно предположить, что ростостимулирующее действие кадмия связано с совпадением размера его иона с размером иона цинка. В семенах на первоначальном этапе развития ионы кадмия могут замещать ионы цинка в ферментативных системах.) Нитрат свинца в первые сутки был неактивен. В последующем росте активность нитратов свинца и кадмия была примерно одинакова. Ультразвуковое воздействие в первые сутки развития не изменило качественный характер распределения активности, но количественно было зарегистрировано достоверное снижение энергии прорастания в диапазоне концентраций 10-2…10-3 М и 10-6…10-13 М от 2 до
50 %. Эта тенденция сохранилась и при дальнейшем развитии семян, где снижение энергии прорастания семян при ультразвуковом воздействии происходило на всем диапазоне концентраций на 5…10 % по сравнению с контролем.

На рисунке 13 представлены данные по влиянию ультразвукового облучения в растворах нитрата свинца на длину проростков.

 

 

y= 0,197x+8,725, R2=0,039 – НС;

y = -0,011х+6,087, R2=0,000 – НС + УО

 

Рисунок 13 – Влияние ультразвукового облучения и нитрата свинца   на длину корней льна-долгунца

 

Максимальное значение длины проростка получены при концентрации нитрата кадмия 10-9…10-11 М.

На рисунке 14 представлены данные по влиянию ультразвукового облучения в растворах нитрата свинца на массу проростков.

 

y= 0,001x+0,011, R2=0,659 – НС;

y = 0,001х+0,006, R2=0,838 – НС + УО

Рисунок 14 – Влияние ультразвукового облучения и нитрата свинца   на массу корней семян льна-долгунца

Из рисунков 13 и 14 следует, что максимальное значение длины и массы корней получены при концентрации нитратов кадмия и свинца 10-13 М, причем ультразвуковое воздействие повышает токсичность в диапазоне концентраций от 10-2 М до 10-12 М примерно на 20…40 % по сравнению с контролем. Следует отметить, что действие нитрата свинца более токсично, чем воздействие нитрата кадмия как с ультразвуковым воздействием, так и без него в первые сутки развития семян льна-долгунца.

Таким образом, ультразвуковое облучение способствует диффузии ионов свинца и кадмия в семена льна-долгунца, что приводит к ингибированию развития семян льна-долгунца в диапазоне концентраций от 1 до 10-12 М и к снижению качественных и количественных показателей развития. Причем уменьшение концентрации раствора нитрата кадмия приводит к повышению показателей роста растения, но воздействие ультразвука увеличивает порог токсичности. Существенное ингибирующее действие ультразвук с солями тяжелых металлов оказывает на длину корней, затем на их массу, а энергия прорастания семян льна-долгунца под влиянием ультразвука изменяется незначительно.

Уменьшение концентрации раствора нитрата кадмия приводит к повышению показателей роста растения, но воздействие ультразвука увеличивает порог токсичности и снижает показатели.

Из представленных данных следует, что ультразвуковой капиллярный эффект усиливает диффузию солей тяжелых металлов в растения, что приводит к снижению качественных и количественных показателей их развития.

Таким образом, из представленных данных следует, что ультразвуковой капиллярный эффект усиливает диффузию растворов биологически активных сред в растения, что приводит к повышению биологической активности регуляторов роста растений.

 

Вы здесь: Home Влияние ультразвукового облучения на ризогенную активность растительных объектов