Информационно-образовательный портал
e-mail: mail@infobraz.ru

Предпосевная обработка семян низкотемпературной плазмой: состояние вопроса и перспективы исследований

Реферат. В последние годы в сельском хозяйстве большое внимание уделяется способам предпосевной обработки семян. Рассмотрены исследования 2009–2016 гг. по влиянию низкотемпературной плазмы (НТП) на распространенные сельскохозяйственные культуры. Плазменная обработка на предпосевной стадии применяется с целью ускорения прорастания семенного материала, снижения заболеваемости семян и растений, увеличения урожайности. Обработка НТП имеет наибольший положительный эффект при малых временах облучения и в присутствии водяных паров и газовых частиц, выделяемых в процессе обработки. Длительное воздействие, отсутствие продуктов распада плазмы замедляют рост и снижают эффект от облучения. Плазменная обработка оказывает бактерицидное действие, приводит к инактивации патогенных микроорганизмов, контаминирующих семена сельскохозяйственных культур, поэтому НТП может быть использована для протравливания семян. Оказывая влияние на смачиваемость и увлажненность семян, обработка плазмой увеличивает устойчивость к засухе и морозам. Несмотря на активное проведение научно-исследовательских работ по плазменной обработке семян, до сих требуется изучение влияния нетермической плазмы и продуктов ее распада на морковь, огурец, перец, свеклу, капусту, лук и другие культуры. Предпосевная обработка НТП предполагает проведение длительных и многократных экспериментов для установления оптимальных параметров воздействия с целью получения максимально положительного эффекта. Открытой и практически неизученной областью является определение микроэлементного состава растений и семян, обработанных НТП. Изучение данного вопроса может стать объектом для будущих исследований и привнести значимые результаты в направлении предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур.

Ключевые слова: предпосевная обработка, плазменная обработка, низкотемпературная плазма, семена.

В настоящее время как в России, так и во всем мире активно изучаются различные способы обработки семян и растений, одним из которых является обработка плазмой. К настоящему времени известно, что обработка семенного материала низкотемпературной плазмой (НТП) позволяет сократить сроки прорастания семян, ускорить рост растений и снизить заболеваемость [1–9]. Отмечается, что технология плазменной обработки экологически безопасна [10, 11].

Положительное влияние малых доз излучения на всхожесть, прорастание и урожайность семян растений сельскохозяйственных культур известно давно [12–14]. Впервые использование плазменной обработки отмечается в 1990 г., она была создана в г. Санкт-Петербург. После чего была апробирована в Российской Федерации, Белоруссии, Казахстане, США, Корее и т. д. [15]. Обработка плазмой происходит в специальной газовой среде с пониженным давлением. «Плазменные семена» (так принято называть обработанные плазмой семена) уже не первый год активно продаются на рынке и хорошо себя зарекомендовали.

Первоначально обработка холодной плазмой в основном служила для стерилизации чувствительных к температуре материалов [16, 17], чуть позже был отмечен положительный эффект инактивации патогенных микроорганизмов в пищевой промышленности, биомедицине [18–20], и в последнее десятилетие плазменная нетермическая обработка стала активно применяться в сельском хозяйстве.

Влияние низкотемпературной плазмы на семена растений исследуется главным образом в рамках задач инактивации патогенных микроорганизмов (бактерий и грибов), вызываю­щих заболевания семян и влияющих на качество посадочного материала и задачи стимуляции прорастания, всхожести, роста и урожайности семян растений. Обе задачи связаны между собой.

Семенной материал для исследований не ограничивается какой-то определенной группой растений. Изучаются как зерновые (пшеница, овес), так и бобовые (фасоль, горох), кормовые культуры, декоративные растения и многолетние травы.

Одной из востребованных культур для изучения действия плазмы на предпосевную обработку является пшеница. В таблице 1 представлены наиболее значимые результаты исследований воздействия НТП на семена пшеницы.

Из таблицы 1 видно, что наибольший положительный эффект воздействия НТП на семена яровой пшеницы достигается при более низких дозах облучения до 180 с. При дальнейшем увеличении времени обработки эффект в сравнении с контрольными образцами нивелируется либо становится отрицательным. Плазменная обработка влияет как на сухую массу семян, так и на всхожесть, динамику прорастания и роста корней и побегов.

Для картофеля исследования по действию НТП можно разделить на 2 группы, исходя из способа воздействия: воздействие непосредственно на саженцы и воздействие на воду, в которой выдерживаются саженцы перед посадкой. Результаты таких исследований представлены в таблице 2.

По таблице 2 плазменная обработка саженцев картофеля, как и в случае обработки семян пшеницы (табл. 1), эффективна при сравнительно низких временах облучения. Увеличивая время, можно добиться обратного эффекта от обработки, то есть увеличения длительности роста и снижения длины стебля.

Кроме того, изучается воздействия нетермической плазмы на бобовые (фасоль, горох), редис, томаты (табл. 3).

Данные таблицы 3 (как и таблиц 1 и 2) демонстрируют, что эффективность плазменной обработки проявляется при малых временах облучения. Плазма оказывает бактерицидное действие, что ведет к снижению заболеваемости и увеличению всхожести, урожайности.

Таким образом, предпосевная плазменная обработка семян – это развивающееся направление в сельском хозяйстве. Обработка семян низкотемпературной плазмой применяется как для увеличения сроков хранения семенного материала, инактивации патогенных микроорганизмов – возбудителей заболеваний семян и растений, так и для стимуляции роста, всхожести, повышения урожайности семян. Важную роль в плазменной обработке играют водяные пары, газовые частицы и вещества, выделяемые вследствие обработки и проходящие в семена через пористый слой оболочек. В случае их отсутствия обработка НТП может стать неэффективной.

Проведенный обзор показал:

1. Плазменная обработка семян имеет свой оптимум по времени облучения: слишком долгая обработка (специфичная к типу культуры) замедляет рост семян и уменьшает их всхожесть.

2. Плазменная обработка оказывает бактерицидное действие на семена растений, иногда подавляя их жизнеспособность, но это же свойство плазмы можно использовать для протравливания зараженных семян.

3. Плазменная обработка оказывает влияние на смачиваемость и увлажненность семян.

В настоящее время требуется изучение влияния плазменной обработки на такие культуры, как морковь, огурец, перец, свекла, капуста, лук и т. д. Следует отметить, что установление точных научных фактов по плазменной обработке даже для самых распространенных культур (пшеница, бобовые, томаты) требует длительных и многократных экспериментов: для подбора наилучших параметров облучения, так как для каждой культуры и сорта определенные параметры и характеристики плазменных установок могут оказать различное влияние (как стимулирующее, так и подавляющее). Поэтому обработка семян низкотемпературной плазмой является областью, открытой для дальнейшего изучения. В частности, работ по определению микроэлементного состава растений, обработанных НТП, почти нет, что может стать одним из направлений дальнейших исследований.

Работа выполнена в рамках государственного задания Института сильноточной электроники СО РАН по теме № 13.1.3, а также внутреннего гранта института.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Fungicidal Effects of Plasma and Radio-wave Pre-treatments on Seeds of Grain Crops and Legumes / I. I. Filatova [et al.] // Plasma for Bio-Decontamination, Medicine and Food Security, NATO Science for Peace and Security Series A: Chemistry and Biology. – 2012. – Pp. 469–480.
  2. Zhou Z., Huang Y., Yang S., Chen W. Introduction of a new atmospheric pressure plasma device and application on tomato seeds // Agricultural Sciences. – 2011. – Vol. 2, No. 1. – Pp. 23–27.
  3. Стацюк Н. В. Повышение ресурсного потенциала картофеля путем обработки семенного материала импульсным низкочастотным электрическим полем : дис. … канд. биол. наук. – Владикавказ, 2016. – 135 с.
  4. Influence of cold radiofrequency air and nitrogen plasmas treatment on wetting of polypropylene by the liquid epoxy resin / E. Bormashenko [et al.] // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. – 2016. – No. 506. – Pp. 445–449.
  5. Модификация поверхности семян кукурузы и сои при их обработке низкотемпературной аргоновой плазмой атмосферного давления // Е. В Наумов [и др.] // ISTAPC – 2014 : сб. трудов VII Междунар. симпозиума по теор. и приклад. плазмохимии. – Иваново, 2014. – С. 292.
  6. Гордеев Ю. А., Юлдашев Р. З. Плазменные технологии в сельском хозяйстве – основа рационального природопользования // Вестник Таджикского техн. ун-та (ТТУ). – 2011. – № 6. – С. 56–61.
  7. Гордеев Ю. А., Юлдашев Р. З. Биоактивация семян ­культурных растений ­ультрафиолетовыми и плазменными // Известия СПбГАУ. – 2011. – № 24. – ­С. 343–348.
  8. Inactivation of surface borne micro­organisms and increased germination of seed specimen by Cold Atmospheric Plasma / A. Mitra [et al.] // Food Bioprocess Technol. – 2013.
  9. Изучение эффективности предпосевного облучения семян гелиевой плазмой на рост и развитие льна / А. Р. Цыганов [и др.] // Почвоведение и агрохимия. – 2009. – № 2(43). – С. 273–281.
  10. Панкратова А. Б. Семена. Выбор, подготовка к посеву, семеноводство. – Воронеж, 2012. – 50 с.
  11. Инновационная экологически безопасная (нано)технология возделывания амаранта / Н. Л. Воропаева [и др.] // Экологический вестник Северного Кавказа. – 2015. – Т. 11, № 1. – С. 26–30.
  12. Исследование энергии прорастания и всхожести семян горчицы при сушке импульсным ИК-способом / H. A. Зуев [и др.] // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. – 2011. – № 2(47). – С. 7–10.
  13. Кузин А. М. Стимулирующее действие ионизирующего излучения на биологические процессы. – М. : Атомиздат, 1977. – 275 с.
  14. Радиационные технологии в сельском хозяйстве и пищевой промышленности / Козьмин Г. В. [и др.]. – Обнинск, 2015. – 400 с.
  15. Плазменная технология обработки семян и плазменные семена [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.lana-pav.com/plazmennaya-texnologiya-obrabotki-semyan-i-plazmennye-semena.html.
  16. Корнев И. И., Баранов Г. А., Ульянов В. И. Низкотемпературные методы стерилизации в профилактике хирургической инфекции // Хирургия. – 2011. – № 6. – С. 43–47.
  17. Low-temperature sterilization using gas plasmas: a review of the experi­ments and an analysis of the inacti­vation mechanisms / M. Moisan [et al.] // Int. Journal Pharmaceut. – 2001. – No. 226(1). – Pp. 1–21.
  18. Drexel A. J. Plasma Institute in Camden [Электронный ресурс] : 1st International Workshop on Plasma Agriculture, IWOPA – 1 (May 15th – 20th 2016, USA). – Режим доступа: http://www.iwopa.org/program/IWOPA-1%20Abstracts.pdf.
  19. Thirumdas R., Sarangapani C., Annapure U. S. Cold Plasma: A novel Non-Thermal Technology for Food Processing // Food Biophysics. – 2015. – No. 10. – Pp. 1–11.
  20. Исследование влияния неравновесной низкотемпературной плазмы на структуру дермы полуфаб­риката из шкур речных рыб: сазана и судака / И. Ш. Абдуллин [и др.] // Вестник Казанского технологич. ун-та. – 2014. – Т. 17, № 1. – С. 75–77.
  21. Повышение устойчивости к отрицательным и низким положительным температурам и засухоустойчивости растений зерновых культур после обработки их семян низкотемпературной плазмой / М. М. Васильев [и др.] // Проблемы агрохимии и экологии. – 2016. – № 2. – С. 26–33.
  22. Гордеев Ю. А. Методологические и агробиологические основы предпосевной биоактивации семян сельскохозяйственных культур потоком низкотемпературной плазмы : автореф. дис. ... д-ра биол. наук. – Смоленск, 2012. – 46 с.
  23. Шмырева Н. Я., Гордеев Ю. А. Механизм действия предпосевного импульсного облучения семян ионизированным потоком плазмы // Плодородие. – 2009. – № 5. – С. 26–27.
  24. Silvica P. The influence of cold plasma produced by glidarc without water vapor, upon the cells division in Triticum Aestivum L. // Lucrări Ştiinţifice, seria Agronomie. – 2012. – Vol. 55(2). – Pp. 119–124.
  25. Influence of plasma treatment on wheat and oat germination and early growth / Sera B. [et al.] // IEEE Trans Plasma. – 2010. – No. 38. – Pp. 2963–2968.
  26. Dobrin D., Magureanu M., Mandache N. B. The influence of non-thermal plasma treatment on wheat germination // 31st ICPIG (July 14–19, 2013, Granada, Spain). – 2013. – P. 16.
  27. The effect of non-thermal plasma treatment on wheat germination and early growth / D. Dobrin [et al.] // Innovative Food Science & Emerging Technologies. – 2015. – No. 29. – Pp. 255–260.
  28. Тихонов Е. А., Кузнецова Л. А. Использование ­переохлажденной плазмы при выращивании саженцев картофеля // Ресурсы и Технологии. – 2013. – Т. 10, № 2. – С. 151–159.
  29. Гордеев Ю. А., Макаров Н. Б. Предпосадочное облучение клубней картофеля низкотемпературной плазмой гелия // Плодородие. – 2009. – № 6. – С. 18–19.
  30. Matra K. Non-thermal plasma for germination enhancement of radish seeds // IEECON – 2016 : International Electrical Engineering Congress (2–4 March 2016, Chiang Mai, Thailand). – 2016. – Рp. 132–135.
  31. Effect of Low-Temperature Plasma on the Structure of Seeds, Growth and Metabolism of Endogenous Phytohormones in Pea (Pisum sativum L.) / T. Stolarik [et al.] // Plasma Chem Plasma Process. – 2015. – No. 35. – Pp. 659–676.
  32. Interaction of cold radiofrequency plasma with seeds of beans (Phaseolus vulgaris) / E. Bormashenko [et al.] // Journal of Experimental Botany Advance. – 2016. – No. 6. – 9 p.
  33. Effect of Seed Treatment by Cold Plasma on the Resistance of Tomato to Ralstonia solanacearum (Bacterial Wilt) / J. Jiang [et al.] // PLOS ONE. – 2014. – Vol. 9, No. 5. – Pp. 1–6.
  34. Reactive nitrogen species produced in water by non-equilibrium plasma increase plant growth rate and nutritional yield / D. P. Park [et al.] // Current Applied Physics. – 2013. – No. 13. – Pp. 19–29.

Метки: Агрономия, лесное и водное хозяйство