Как ультразвук влияет на растения
Обновлено: 05.10.2024
13.08.2014 23:02
дата обновления страницы
Приведем несколько наиболее занимательных и познавательных на мой взгляд статей из книги: Ультразвуковые процессы и аппараты в биологии и медицине". Учебное пособие для студентов специальности 190500, под редакцией профессора В.Н. Лясникова (СГТУ, Саратов 2005 г. тираж 100 экземпляров), данную книгу можно взять в городской библиотеке г. Саратова на ул. академика Зарубина и ознакомится с ней более подробно.
Обработка ультразвуком семян и ростков дает противоречивые результаты, объясняющиеся различиями условий опытов. При малых интен-сивностях обнаружено ускорение развития зародыша и частично также его рост. Такие опыты проводились, например, с ростками гороха, фасоли, семенами томатов, картофеля и лука. При обработке ультразвуком семян картофеля вес клубней увеличивался на 25 - 40 %, а вес ботвы уменьшался до 33 %.
Наряду с интенсификацией роста растений имеется возможность умерщвления грибковых образований, например дрожжевых грибков, плесени. Например, если семенное зерно обрабатывать ультразвуком во время травления, то микробы и грибки уничтожаются наиболее полно. При помощи ультразвука в оболочку посевных семян можно вводить бактерицидные вещества и стимуляторы роста.
Были проведены исследования влияния ультразвука на различных животных [1,3].
Рядом авторов было показано, что находящиеся в ультразвуковом поле небольшие животные - рыбы, лягушки, головастики и др. - парализуются или погибают.
У лягушек после кратковременного облучения наблюдается состояние паралича, особенно задних конечностей, напоминающее паралич, вызываемый кураре.
При очень большой интенсивности облучения у рыб в различных участках тела возникают небольшие кровотечения, особенно на плавниках и у ротового отверстия. Обычно обнаруживаются и другие повреждения плавников, а именно разрывы тонкой кожи между лучамии. На жабрах наблюдаются повреждения поверхностных участков с небольшими кровотечениями и набуханием покровного эпителия, хотя капиллярная система плавников не повреждается сколько-нибудь значительно. Однако все эти повреждения не могут объяснить поведения животных и их гибели в звуковом поле. Не обнаружены также кровоизлияния или какие-либо повреждения центральной нервной системы. Нет основания говорить о действии сильного нагревания, так что непосредственная причина смерти заключается в воздействии на нервную систему, не сопровождающемся заметными морфологическими изменениями.
При большой интенсивности звукового воздействия обнаружены разрывы мышечной ткани у более крупных животных, которые, вероятно, являются результатом рефлекторных явлений и обусловлены стягиванием волокон, что, в свою очередь, вызвано раздражением кожи. Подобные разрывы ткани не наблюдаются в тех случаях, когда двигательные нервы искусственно парализованы.
Описанные действия ультразвука наблюдались при облучении животных в жидкой среде [7].
Однако ультразвук, распространяющийся в воздухе, также способен оказать повреждающее, а иногда даже смертельное действие на небольших животных. После ультразвуковой сирены при частоте 20 кГц и силе звука 1-3 Вт/см2 в течение короткого времени погибают мелкие животные - мыши, различные насекомые и т.д.; смерть при этом вызывается повышением температуры тела.
Разрушающее действие звуковых волн зависит не только от силы звука и продолжительности облучения, но и от стадии развития организма; чем меньше возраст личинок, куколок, яиц и т. п., тем они чувствительнее к облучению. Яйца, как правило, сразу же разрушаются. По-видимому, играет роль и вид животного, например, личинки различных видов комаров проявляют разную устойчивость к УЗ. Ниже определенной пороговой силы звука разрушающее действие отсутствует и наблюдается, наоборот, ускорение развития личинок [3].
Интенсификация и оптимизация процессов производства сельскохозяйственной продукции, разработка принципиально новых технологических приемов и создание высокоэффективного оборудования базируется на глубоком изучении генной инженерии, биохимических, биотехнологических, тепло и массообменных процессов, протекающих при закаливании, проращивании и предпосевной обработке семян.
Зрелые семена культур, предназначенные для предпосевной подготовки, должны пройти период послеуборочного дозревания в течение нескольких месяцев. За это время в тканях зерна завершаются определенные биохимические процессы, в результате которых изменяется физиологическое состояние семян, направленное на прорастание зародыша.
В процессе предпосевной подготовки зерно и семена после дозревания, очистки и сортировки поступают на мойку. Это обусловлено тем, что на поверхности семян находятся различные органические и неорганические загрязнения, которые создают благоприятные условия для развития микроорганизмов, поглощающих кислород и выделяющих токсические вещества. Для мойки семян, с учетом жесткости воды, применяют различные моющие и дезинфицирующие средства. Однако моющие и дезинфицирующие средства с технологической и гигиенической точки зрения нежелательны, т.к. они загрязняют сточную воду и накапливаются в семенах.
Применение ультразвуковых преобразователей в диапазоне частот 20-40 кГц в кавитационном режиме позволяет провести качественную и безвредную очистку и мойку семян. Благодаря дезинфицирующему воздействию ультразвука имеется возможность уничтожить патогенную микрофлору на поверхности семян практически не применяя химических веществ, или значительно сократить их применение. В качестве примера: дезинфекция питьевой воды хлором на водозаборной станции проводится в течение 30 минут дозой хлора 2-2,5 мг/л. Под воздействием ультразвука частотой 22 кГц тот же процесс обеззараживания воды до требований стандарта проходит за 30-60 сек с дозой хлора 1,5 мг/л.
Воздействие ультразвука возбуждающе действует также и на наружную оболочку семян, способствуя более эффективному процессу замачивания семян и значительно ускоряет процессы очистки и мойки, не травмируя посевной материал.
Замачивание семян является важным этапом в предпосевной подготовке. Достаточная влажность, наличие кислорода и оптимальная температура – важнейшие предварительные условия для предпосевной подготовки посадочного материала. Ультразвуковые воздействия на семена в процессе замачивания необходимо проводить в докавитационном режиме. Рассмотрим подробнее механизмы и процессы, происходящие в зерне в ходе замачивания на примере ячменя.
Свободная вегетационная влага в зерне, являющаяся результатом искусственного насыщения его водой, обеспечивает переход в раствор питательных веществ и их миграцию к зародышу. При этом создаются благоприятные условия для проникновения в эндосперм ферментов, которые переводят резервные нерастворимые вещества зерна в растворимые и легкоусваиваемые зародышем. Таким образом, вегетационная влага не только средство миграции питательных веществ к зародышу, но и фактор, ускоряющий биохимические процессы, связанные с жизнедеятельностью зерна и активацией ферментов.
Влажность зерна состоит из первоначальной его влажности (10-15 %) и количества воды, поглощенной зерном в период замачивания. Конечная влажность зерна, необходимая для его проращивания, называется степенью замачивания. Оптимальная степень замачивания ячменя составляет 42-50 % и зависит от его сорта и пр.
Вода при замачивании проникает, в основном, через микрокапиллярные отверстия, расположенные в местах зародышах. Часть ее попадает внутрь зерна и через мякинную оболочку по всей его поверхности. Движущей силой проникновения воды в зерно является разность ее концентраций на поверхности и внутри зерна. Следовательно, с увеличением влагосодержания зерна, разность концентраций воды внутри и снаружи зерна уменьшается, поэтому значительно сокращается скорость замачивания. Особенно замедляется этот процесс при достижении влажности зерна 35 %. Семенная оболочка зерновки является полупроницаемой мембраной и представляет собой физиологический защитный орган, предотвращающий поступление нежелательных веществ внутрь зерновки и потери, в результате выщелачивания, органических и других веществ.
На скорость замачивания ячменя заметное влияние оказывает его химический состав. Вследствие наличия в зародыше значительного количества белковых веществ, обладающих высокой способностью набухания, вода быстро поглощается всей его массой. Эндосперм, содержащий основную часть крахмала, набухает медленно, следовательно, его ткани в меньшей степени поглощают воду. Поэтому, замачивание зерна в ультразвуковом поле нивелирует требование по однородному составу и размеру зерна, зоне произрастания и климатическим условиям, которые также сказываются на скорости обычного замачивания. Ячмени, выросшие при сухой и жаркой погоде, а также не достигшие солодовой зрелости, в процессе обычного замачивания очень медленно поглощают воду.
Продолжительность и степень замачивания зерна зависят от температуры воды, применяемого способа замачивания, размеров и состояния зерна. Температура воды является главным фактором, влияющим на скорость замачивания. С ее повышением улучшается набухаемость белка, крахмала и клетчатки, а также возрастает скорость диффузии воды вследствие понижения вязкости. Так, при замачивании зерна в воде температурой 20 ºС, степень замачивания 45 % достигается в два раза быстрее, чем при 10ºС. Однако следует помнить, что при температуре выше 15 ºС происходит активное развитие микроорганизмов. Для их ингибирования в промышленности широко используют различные антисептики, которые являются одновременно и стимуляторами роста зерна. Ультразвуковое поле, в определенных режимах, подавляет развитие микроорганизмов, и позволяет если не полностью отказаться, то значительно снизить количество антисептиков без потери их эффективности.
Образующаяся, в процессе дыхания зерна, двуокись углерода (СО2) оказывает постоянное тормозящее действие на рост зерна в процессе замачивания. При недостаточной продувке слоя зерна воздухом образуется избыток СО2 и коэффициент дыхания становится больше 1, в результате чего происходит спиртовое брожение (анаэробиоз), продуктами которого ингибируется зародыш. Содержание спирта в замоченной воде приводит к неравномерному росту зерна, а иногда (при содержании спирта более 1 %) – и к полному торможению роста. Кроме того, зерно приобретает способность к избыточному водопоглощению, снижается всхожесть.
Применение ультразвука в процессе замачивания семян полностью исключает эту опасность, т.к. под действием ультразвуковых колебаний постоянно протекает процесс дегазации жидкости, а также отпадает необходимость проводить продувку зерна воздухом (либо значительно ее снизить).
Замачивание зерна в ультразвуковом поле следует рассматривать как комплексный процесс увлажнения и биохимической фазы роста. Чем быстрее протекает процесс насыщения влагой зерна и чем интенсивнее удаляются ингибирующие вещества, тем активнее идут ферментативные процессы, приводящие, в дальнейшем, к улучшению прорастания и роста растений.
Возбуждающее действие на проращивание зерна в процессе замачивания оказывают биологические стимуляторы роста и развития растений. К ним относится группа веществ, состоящая из гиббереллинов: А1; А2; А3; А4. Наиболее активен А3 (С19Н22О6) – гибберелловая кислота, стимулирующая выход семян из состояния покоя. Ее можно использовать для ускорения проращивания. Гиббереллин активизирует амилолитические, протеолитические и другие ферменты.
В нормальных условиях хорошие результаты дает добавление 0,15 мг гибберелловой кислоты или ее калийных солей на 1 кг ячменя. При замачивании семян в ультразвуковом поле можно сократить количество гиббереллинов в 2-3 раза без потери эффективности их воздействия.
Ультразвуковое воздействие в процессе замачивания семян способно значительно ускорить процессы прорастания и роста растений, увеличить урожайность, повысить стойкость растений к болезням и вредителям.
Значительных эффектов стоит ожидать при воздействии ультразвуком на питательную среду при выращивании растений на гидропонике.
Еще одна сфера применения ультразвука - сушка семян, зерна и др. сельхозпродукции. С помощью ультразвуковых колебаний можно создать псевдоожиженный слой высушиваемого сырья, тем самым значительно ускорить процесс сушки с уменьшением энергозатрат.
Ультразвук способен в 2-3 раза ускорить протравливание и прочие всевозможные химические процессы, применяемые в сельском хозяйстве.
Эта установка может быть использована в тепличных хозяйствах, на птицефабриках, свинокомплексах, животноводческих фермах для обеззараживания питьевой воды и кормов. Вопрос чистой воды актуален, особенно сегодня: птичий грипп и пр. инфекционные заболевания.
Хотелось бы акцентировать внимание читателей на том, что оборудование и технологии уже разработаны, для их внедрения и применения необходимы лишь незначительные исследования в лабораториях хозяйств и на конкретных предприятиях для их привязки к уже существующим технологическим процессам.
Кавитация в среде является основной причиной разрушающего действия ультразвука на микроорганизмы. Если образование пузырьков подавлялось путем повышения внешнего давления, то разрушающее действие на простейших уменьшалось. Почти мгновенный разрыв объектов в поле ультразвука вызывался заключенными внутри этих организмов пузырьками воздуха или находящегося в растительных клетках углекислого газа.
Это показывает, что возникающие при кавитации большие разности давлений приводят к разрыву клеточных оболочек и целых маленьких организмов. Многократно изучалось действие ультразвука на различные виды грибов. Так, ультразвук успешно применяют в фитопатологии. На семенах сахарной свеклы, зараженных естественным путем Phoma betae, Cercospora beticola, Alternaria sp. или Fusarium sp., удалось гораздо лучше уничтожить эти грибы и бактерии путем кратковременного облучения ультразвуком в воде, чем это удавалось до сих пор при помощи протравления. Облучение семян ультразвуком во время протравления значительно усиливает действие фунгицидного или бактерицидного вещества. Причина, по-видимому, заключается в том, что звуковые колебания увеличивают скорость диффузии воды и растворенных в ней веществ через оболочки растительных клеток, чем достигается более быстрое действие на грибы и бактерии.
Негативно действует УЗ и на отдельные клетки высших организмов. При облучении красных кровяных телец (эритроцитов) наблюдалось следующее: они теряли свою первоначальную форму и растягивались; при этом происходило их обесцвечивание (в результате гемолиза). При дальнейшем облучении они окончательно разрывались и распадались на множество отдельных маленьких шариков.
Уже в 1928 году было установлено, что светящиеся бактерии разрушаются под действием ультразвука. В последующие годы было опубликовано большое число работ о влиянии ультразвуковых волн на бактерии и вирусы. При этом выяснилось, что результаты могут быть очень разнообразными: с одной стороны , наблюдались повышенная агглютинация, потеря вирулентности или полная гибель бактерий, с другой стороны, отмечался и обратный эффект-увеличение числа жизнеспособных особей. Последнее особенно часто имеет место после кратковременного облучения и может объясняться тем, что при кратковременном облучении прежде всего происходит механическое разделение скоплений бактериальных клеток, благодаря чему каждая отдельная клетка дает начало новой колонии.
В Московском центральном научно-исследовательском институте травматологии и ортопедии им. Н. Н. Приорова проводились исследования [24] о влиянии низкочастотной ультразвуковой кавитации на жизнедеятельность различных штаммов стафилококка. В опытах in vitro были получены следующие результаты. Обработку ультразвуком проводили при температуре 32°С с помощью ультразвукового дезинтегратора фирмы MSE (Великобритания), имеющего следующие технические параметры: мощность 150 Вт, частота колебаний 20 кГц, амплитуда 55 мкм. Время воздействия составляло 1, 2, 5" 7, 10 минут. Для каждой экспозиции использовались отдельные флаконы с 5 мл взвеси микроорганизмов, содержащей в 1 мл жидкости 2500 микробных тел. Результаты исследований показали, что способность микроорганизмов к размножению при посеве их на твердые питательные среды сразу после ультразвуковой обработки не только не ослабляется, но при некоторых экспозициях озвучивания (1-3 мин) даже несколько усиливается. В то же время при озвучивании стафилококка в течение 5, 7 и 10 минут изменения количества выросших колоний на поверхности агара в чашках Петри были несущественными и почти не отличались от контроля. Влияние ультразвука на микроорганизмы может проявляться^ не сразу, а через некоторое время, необходимое для развития в клетках метаболических нарушений, поэтому изучалась высеваемость стафилококка на твердые питательные среды через 24, 36, и 48 часов после ультразвуковой обработки. До высева на чашки Петри озвученные штаммы стафилококка культивировали в пробирках с бульоном в термостате при 37°С. Было установлено, что через 24 и 36 часов после ультразвуковой обработки количество выросших колоний стафилококков по сравнению с контролем снижается, высеваемость стафилококка при этом обратно пропорциональна времени озвучивания микроорганизмов. После 7-10-минутного озвучивания высев или не давал никакого роста или же на чашках Петри вырастали единичные, не характерные для стафилококка колонии. Через 48 часов угнетающее действие ультразвука было более выраженным и проявлялось в дальнейшем уменьшении высева микроорганизмов при всех экспозициях.
Исследование чувствительности озвученных микроорганизмов к действию некоторых антибиотиков и антисептиков показало, что у 8 из 13 использованных препаратов минимальная подавляющая концентрация после ультразвуковой обработки стафилококка снизилась в 2-4 раза. Это свидетельствует о целесообразности совместного применения ультразвуковых колебаний низкой частоты и антибактериальных растворов для более эффективного воздействия на микробную клетку [7,10].
Разрушающее действие ультразвуковых волн зависит от концентрации бактериальной взвеси. В слишком густой и, следовательно, очень вязкой взвеси не наблюдается разрушения бактерий, а можно отметить только нагревание. Различные штаммы одного и того же вида бактерий могут совершенно по-разному относиться к облучению ультразвуком [11].
Таким образом, можно заключить, что эффект воздействия ультразвука на биоматерию вообще и микроорганизмы, в частности, зависит от многих факторов среды и от состояния живой материи и в реальной действительности достаточно трудно прогнозируем.
На кафедре СГТУ были проведены эксперименты по ультразвуковой очистке титановых внутрикостных стоматологических имплантатов в различных рабочих растворах.
Очистка изделий происходит тем эффективнее, чем ближе они находятся к излучающей поверхности излучателя. С удалением от излучателя интенсивность ультразвуковых колебаний изменяется по идеализированной кривой. Наилучший результат был получен при интенсивности 16 Вт/см2 в водопроводной и технической воде при 50+5°С с концентрацией сульфанола 0,25% при времени озвучивания 5-10 минут (рис. 2.1). Озвучиваемые изделия находились на расстоянии не более 10 мм от излучающей поверхности.
Рис. 2.1. График зависимости загрязненности изделий от времени озвучивания при интенсивности колебаний 16 Вт/см2
Таким образом, согласно проведенным опытам, повышение интенсивности с 0,4 "до 16 Вт/см2 дает улучшение качества очистки (рис. 2.2), но 100% стерилизация изделий не достигается ни при одном режиме.
Рис. 2.2. График зависимости стерилизующего воздействия ультразвука от интенсивности ультразвука.
Исследователи записали ультразвук на расстоянии 10 сантиметров от испытывающих стресс растений, находящихся в акустических камерах или теплицах. В случае недостатка влаги звуковое давление составило около 61-65 децибелов, а пиковая частота звуковых колебаний — 49 килогерц (томат) и 54 килогерц (табак). При подрезании стебля показатели оказались схожими: 63-65 децибелов и 57 килогерц (томат) и 57 килогерц (табак).
Ученые полагают, что ультразвук генерируется при кавитации — образовании пузырьков в ксилеме, водопроводящей ткани. Таким образом растения способны сигнализировать о своем состоянии другим живым организмам. Например, некоторые виды мотыльков, откладывающие яйца на листья и побеги томатов и табака, могут избегать те растения, что испытывают стресс. Кроме того, если растения издают звуки в ответ на нашествие гусениц, то насекомоядные животные, улавливающие ультразвуковые сигналы, смогут сориентироваться и найти источник пищи.
Читайте также: