Введение к работе
В начале XXI века основные тенденции мирового развития будут определяться ростом населения и поиском принципиально новых подходов при решении продовольственной проблемы, так как дальнейшая интенсификация возделывания сельскохозяйственных культур в традиционном понимании обеспечивает все меньшие прибавки урожая на единицу дополнительно затраченной антропогенной энергии и часто приводит к загрязнению окружающей природной среды. Это позволяет предположить, что только традиционные технологии будут не в состоянии обеспечить рост урожайности, необходимый для обеспечения продовольствием и сырьем всего населения планеты.
Процесс дальнейшей интенсификации технологических приемов выращивания сельскохозяйственных культур становится все более затратным и менее эффективным. Поэтому в последние десятилетия все более активно ведется поиск физиологических, биохимических и биофизических приемов и технологий, направленных на реализацию генетического потенциала, повышения неспецифической устойчивости к различного рода абиотическим и биотическим стрессам, усиления адаптивного потенциала растений с целью роста и стабилизации урожая.
В наступившем новом тысячелетии придется в большей мере учитывать действие изменений климата, его глобальное потепление и другие проблемы, приводящие к новым стрессовым воздействиям на живые организмы. В таких условиях обеспечить высокие темпы роста сельскохозяйственной продукции позволит перевод технологий возделывания сельскохозяйственных культур на качественно новый уровень.
Актуальность работы. По оценкам экспертов в перспективе рост производства продуктов питания и другой сельскохозяйственной продукции в мире будет определяться уровнем применения наукоемких технологий. В настоящее время необходим переход к технологиям, предусматривающим их максимальное согласование с биологическими особенностями культур и экологическими требованиями агроэкосистем.
Проблема предпосевных обработок посадочного материала факторами электромагнитной природы с целью активации ростовых процессов и урожайности имеет свою историю. Достижения ядерной физики открыли широкие возможности для исследования и практического использования действия ионизирующих излучений на живые организмы, в том числе и на растения.
К настоящему времени накоплен многочисленный материал по эффективности физических способов стимулирования роста и развития растений, а целесообразность их применения не вызывает сомнения. Хорошо известны приемы предпосевной обработки семян, с помощью которых можно увеличить всхожесть семян. Ионизирующая радиация в малых дозах, звуковая, ударно-волновая и кратковременная тепловая обработки, экспонирование в электрическом и магнитных полях, лазерное облучение, облучение ультрафиолетовыми и инфракрасными лучами и другие внешние физические воздействия могут увеличить всхожесть семян и урожайность сельскохозяйственных культур на 15-25%.
Особый вклад в этот вопрос внес советский биохимик и радиобиолог, член-корреспондент АН СССР А.М. Кузин, много лет занимавшийся изучением молекулярных основ действия ионизирующих излучений на живые организмы. Много лет посвятил изучению генетических и физиологических эффектов действия УФ-радиации на высшие растения А.П. Дубров.
По мнению ведущих ученых Агрофизического научно-исследовательского института (С.-Петербург) Н.Ф. Батыгина, В.Н. Савина и др. разнообразные физические факторы, используемые в стимулирующих дозах действуют сходно, а М.В. Архипов приводит данные о том, что обработка электромагнитными полями семян зерновых культур различной репродукции положительно влияет на рост, развитие и созревание растений, повышает урожай и улучшает его качество.
Особое внимание заслуживают работы авторов фоторезонансной гипотезы А.А. Шахова и В.М. Инюшина которые доказали, что семена после обработки имеют больший энергетический потенциал, в них происходят структурно-функциональные перестройки мембранных образований и макромолекул, в результате чего в растениях возникает широкий спектр физиологических изменений, вызванных фотоактивацией.
Следует отметить, что воздействие на семена плазмой близко по своей природе к импульсному концентрированному солнечному свету, а в качестве объекта для плазменной биоактивации могут быть использованы семена, т.е. биологические структуры из которых формируется новый организм.
Именно поэтому в ближайшие годы одним из перспективных способов воздействия на растительный организм будут являться излучения плазмы. Новые плазменные технологии наряду с использованием традиционных способов в дальнейшем станут важнейшим направлением в современном агропромышленном комплексе, так как позволят разработать способы управления активными системами и организмами с применением активаторов метаболизма, таких как физиологически активные вещества, слабые и сверхслабые физические поля и излучения.
Цель работы. Разработка методологических и агробиологических основ предпосевной биоактивации семян сельскохозяйственных культур потоком низкотемпературной плазмы.
Задачи исследований:
1. Обобщить агробиологические особенности действия (биоактивации) электромагнитных излучений различного спектрального диапазона, с точки зрения современной теории влияния внешних стрессоров (неблагоприятных факторов среды) на семена и растения;
2. Проанализировать и обосновать биофизические и физиологические механизмы биоактивации при действии плазменных излучений на семена сельскохозяйственных культур;
3. Создать плазмотроны специального назначения и оценить их конструктивные особенности для решения научных и практических задач агрофизики в современном сельскохозяйственном производстве;
4. Разработать научное обоснование технологий предпосевной биоактивации семян важнейших сельскохозяйственных культур потоком низкотемпературной плазмы;
5. Провести испытания плазменных технологий в лабораторных, полевых и производственных условиях на разных сельскохозяйственных культурах и в разных климатических условиях;
6. Дать агроэкономическую оценку эффективности новых плазменных технологий.
Научная новизна. Несомненной новизной является то, что в результате предпосевной биоактивации семян излучениями плазмы происходит ускорение начального этапа онтогенеза, что позволяет существенно поднять степень использования биофизического потенциала растений. Стимулирующий эффект проявляется в ускорении темпов роста колеоптилей и корешков зародышей, повышении лабораторной всхожести. В дальнейшем на первых этапах развития проростки и, особенно, их корневая система, активнее растут, что повышает их конкурентоспособность с сорняками и повышает устойчивость к поражению вредными организмами.
Семена различных культур и сортов по-разному реагируют на биоактивацию низкотемпературной плазмой и для них свойственны разные области спектра, так впервые было отмечено, что обработанные семена имеют характерные спектры люминисценции, которые затем можно измерить и по их параметрам определить стимулирующий эффект облучения.
Полученными результатами доказано, что одним из основных механизмов биологического эффекта низкотемпературной плазмы является генерация после биоактивации в семенах сельскохозяйственных растений индуцированных свободных радикалов (СР), молекулярная структура которых отличается от исходных (контрольных) семян без облучения.
Низкотемпературная плазма может воздействовать и на ферментативные системы семян, так экспериментами установлено, что значительно повышается активность ферментов: амилазы, каталазы и протолитических ферментов в семенах ячменя, яровой пшеницы, клевера лугового и других культур.
Впервые в обработанных плазмой растениях наблюдается увеличение содержания хлорофилла, при стимулирующих экспозициях обработки семян излучениями плазмы отмечено существенное увеличение интенсивности фотосинтеза и дыхания растений. Быстрый рост интенсивности дыхания, в свою очередь, свидетельствует о том, что увеличиваются затраты энергии растением на поддержание гомеостатических механизмов.
Опытным путем было подтверждено, что семена обработанные плазмой можно хранить в обычных условиях без изоляции от внешнего ЭМП, а эффективность обработки семян плазмой сохраняется в течение 2-3 дней и затем постепенно снижается.
Проведением многолетних лабораторных, полевых и производственных экспериментов доказано, что предпосевная биоактивация семян сельскохозяйственных культур плазмой благоприятно отражается на устойчивости растений к воздействию внешних стрессоров, повышению урожайности и экологической ценности продукции.
Связь работы с научными программами и темами. Эксперименты с низкотемпературной плазмой были начаты в 1994 году на кафедре Земледелия и земельных отношений Смоленского сельскохозяйственного института, где в 1998 году была создана лаборатория биофизики, которая функционировала под руководством автора диссертации до весны 2008 года.
Исследования выполнялись в рамках: Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»; Федеральной целевой программы «Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на 2006-2010 годы и на период до 2012 года» и Областной целевой программы «Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия в Смоленской области на 2008-2012 годы».
Исследования поддерживались: в 2000-2002 годах - договорами с Главным управлением сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Смоленской области; в 2006 году - грантом Роснауки № 01.168.24.016 «Разработка технологий использования низкотемпературной плазмы для повышения продуктивности сельскохозяйственных растений и животных» и грантом Минсельхоза № 1438/13 «Проведение научных исследований по разработке новых высокоэффективных агротехнологий, обеспечивающих максимальное снижение степени зависимости величины и качества урожая от неблагоприятных факторов, на основе исследований с помощью биофизических методов».
Положения, выносимые на защиту:
1. Методологические и агробиологические основы научного и практического применения плазменных технологий в агрофизике и агрономии.
2. Биофизические и физиологические механизмы биоактивации потоком низкотемпературной плазмы первичных процессов прорастания семян обеспечивающие повышение урожайности: ячменя, яровой пшеницы и озимой ржи – в 1,3-1,6; льна – в 1,5-1,7; других культур – в 1,2-1,8 раза.
3. Оценка эффективности рациональных технологических приемов воздействия излучениями низкотемпературной плазмы на посадочный материал в целях обеспечения эффекта стимуляции показателей продуктивности растений на различных этапах онтогенеза.
4. Новый прием улучшения и регулирования экологического качества растениеводческой продукции позволяющий существенно снижать дозы агрохимикатов и уменьшать антропогенную нагрузку на окружающую среду.
5. Разработка плазмотронов сельскохозяйственного назначения (изготовлены экспериментальные лабораторные установки СУПР-М и СУПР-К, создан мобильный комплекс АгроПлаза-М).
6. Агроэкономическая оценка разработанных приемов и технологий предпосевной биоактивации семян потоком низкотемпературной плазмы.
Практическая значимость работы:
-
Обоснованы оптимальные режимы плазменной биоактивации семян и посадочного материала для различных сельскохозяйственных культур при реализации разработанных технологий в прецизионных исследованиях и производственных масштабах.
-
Разработанные технологии предпосевной биоактивации семян и посадочного материала излучениями низкотемпературной плазмы позволяют повысить урожайность практически всех сельскохозяйственных культур и улучшить качество полученной продукции, технологии прошли производственную проверку на полях хозяйств Смоленской и Ростовской областей и Краснодарского края.
-
Созданы плазмотроны сельскохозяйственного назначения для предпосевного облучения семян потоком низкотемпературной плазмы с расходом рабочего газа гелия – 2-3 л/мин, силой тока – 80-120 А, временем импульсного облучения – 0,01-1,00 сек и постоянным 40-60 сек с расстояния 40-80 см.
-
Энергосберегающие и экологически безопасные технологии комплексного воздействия на семена плазменного излучения – важное звено в обосновании практического применения новых физических факторов электромагнитной природы (имеющих спектр излучения близкий к солнечному) на биологические объекты в агрономической практике.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на: Международной конференции, посвященной 150-летию со дня рождения В.В. Докучаева (Смоленск, 1995); Международной научно-практической конференции, посвященной 25-летию Смоленского сельскохозяйственного института (Смоленск, 1999); Международной научно-практической конференции, посвященной 30-летию со дня основания ФГОУ ВПО «Смоленский сельскохозяйственный институт» (Смоленск, 2004); Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения залуженного деятеля науки БССР, доктора с.-х. наук, профессора Р.Т. Вильдфлуша «Приемы повышения плодородия почв и эффективности удобрений в современных условиях» (Горки, 2007); Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию доктора с.-х. наук, профессора, заслуженного деятеля науки Российской Федерации А.М. Гордеева «Активизация роли молодых ученых – путь к формированию инновационного потенциала АПК» (Смоленск, 2009); ХI Международной научно-практической конференции «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве» (Углич, 2010); Ежегодной научно-технической конференции Нанотехнологического общества России (Москва, 2009, 2010, 2011); Международном конгрессе «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» (С.-Петербург, 2000, 2003, 2006, 2009, 2012).
Личный вклад соискателя. Диссертационная работа является обобщением научных исследований автора за последние двадцать лет, в исследованиях также принимали участие ведущие ученые, сотрудники, аспиранты, дипломники ФГБОУ ВПО «Смоленская государственная сельскохозяйственная академия» и других научных учреждений.
Личный вклад соискателя составляет 75 процентов от всего объема исследований выполненных по данной тематике.
Публикации. Всего автором издано 155 научных публикаций, из них 19 в российских и 11 в белорусских научных журналах рекомендованных ВАК, 40 статей в сборниках международных конференций, 4 коллективных и 1 единоличная монография, 13 учебных и учебно-методических пособий, 14 научных отчетов.
Основные положения диссертации опубликованы в 105 работах, включая 11 публикаций в изданиях рекомендованных ВАК России и 8 ВАК Белоруссии. По теме диссертации издана 1 монография, 3 учебно-методических пособия, 3 научных отчета.
Результаты исследований по теме диссертации были использованы при разработке рекомендаций курса для высших учебных заведений - «Агробиофизика».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и предложений производству. Список литературы включает 397 наименований, из них 31 на иностранных языках. Диссертация изложена на 289 страницах машинописного текста, включает 96 таблиц, 15 рисунков, 76 формул и 31 приложение.
