Содержание к диссертации
1. АНАЛИЗ ЛАЗЕРНЫХ АГРОТЕХНОЛОГИЙ. ОБОСНОВАНИЕЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ 14 30
1.3. Конструктивные особенности лазерных 33
1.4. Технологические приёмы лазерного облучения растений 44 53
2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ АППАРАТ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОРГАНА ОБОРУДОВАНИЯ ЛАЗЕРНЫХ АГРОТЕХНОЛОГИЙ 54
2.1. Аналитический аппарат расчёта параметров рабочего органа 55
2.1.1. Расчет энергетических параметров лазерного излучения 55 74
2.1.4. Количественный анализ статистических параметров квазимо- 78
2.2. Обоснование диапазона параметров рабочего органа оборудо- 86
2.2.1. Спектры действия фоторегуляторных систем растений 86
2.2.2. Выбор плотности мощности и длительности облучения 90
2.3.1. Экспериментальное моделирование биорегуляторных эффек- 100 106
3. РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ЛАЗЕРНОГО ОБЛУЧЕНИЯ РАСТЕНИЙ И ПЛОДОВ 107
3.1. Разработка технологии лазерного облучения черенков 108
3.1.1. Расчёт производительности лазерного облучения черенков и 126
3.2. Разработка технологии лазерного облучения плодов и ягод в 129 131
3.2.2. Экспериментальное обоснование режимов лазерного облучен 158 167
4. ПРИМЕНЕНИЕ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СО СТОЯНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОРГАНИЗМОВ
4.1. Взаимодействие когерентного поля с биологическими структу-рами и системами 168
4.2. Практическое применение лазерного анализа микроструктуры тканей растений 180
4.2.1. Диагностика функционального состояния плодовых растений при изменении минерального питания 181
4.2.2. Количественная оценка поражения сельскохозяйственных растений биотическими и абиотическими факторами 189
4.2.3. Оценка генетической специфичности плодовых растений методом лазерного анализа микроструктуры тканей 197 202
4.3. Выводы.
5. КОНСТРУИРОВАНИЕ ЛАЗЕРНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ НА УЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА 203
5.1. Теоретические вопросы конструирования лазерных облуча-тельных установок 203
5.2. Разработка семейства лазерных установок для научных исследований
5.2.3. Лазерный измерительный комплекс ЛИК-МЭК825
5.2.1. Расчет надежности функционирования электронных схем управления
5.2.2. Расчёт параметров оптической системы формирователя плот-ности мощности излучения 219
5.3. Лазерные сельскохозяйственные установки серии ЛОС 225
5.4. Лазерная многофункциональная установка «Универсал» 227
5.5. Лазерные анализаторы микроструктуры растительных тканей... 234
5.6. Выводы
237
6. Экологические и экономические вопросы внедрения лазерных агротехнологии
251
6.1. Экологическая безопасность лазерных агротехнологии. 253
253
6.2. Применение установок серии ЛОС для сокращения затрат на предпосевную обработку зерна 255
259
264
6.3. Оценка экономической эффективности вегетативного размножения растений с применением лазерного излучения 265
6.4. Выводы
Введение к работе
Общее направление исследований, их цель и задачи. Продовольственная безопасность государства зависит от конкурентоспособности сельскохозяйственного производства, что делает проблему повышения продуктивности агроценозов стратегически важной. Для её решения необходимо создание высокоэффективных и экологически чистых методов и технических средств управления функциональной активностью сельскохозяйственных растений. В связи с этим наибольшую актуальность приобретают прецизионные агротехнологии, основанные на строго дозированном использовании различных регуляторных факторов.
Физические факторы выгодно отличаются от химических низкой энергоёмкостью, большей экологической безопасностью, высокой технологичностью. Исследования И.Ф.Бородина, Н.Д. Девяткова, В.М. Инюшина, A.M. Кузина, Л.Г. Прищепа, А.А. Шахова и их научных школ показали пер-спективность применения электромагнитных полей от ионизирующего до СВЧ диапазонов в биорегуляторных целях. Особое место среди факторов воздействия занимает излучение видимой области спектра. Свет играет чрезвычайно важную роль в жизни растений, управляя различными механизмами, вплоть до экспрессии генов. Фотобиологические процессы хорошо изучены, однако среди них наблюдают феномен, имеющий важное практическое зна Щ чение, но так и не получивший должного теоретического обоснования. Он
заключается в значительном повышении функциональной активности живых организмов под воздействием света с высокой статистической упорядоченностью (когерентностью). Эффект получил название «лазерной стимуляции», так как наиболее распространёнными и технологичными источниками высококогерентного излучения являются именно лазеры и многие их модели генерируют в спектральных диапазонах фотоактивации различных клеточных ж механизмов.
Для растениеводства такой неэнергоемкий и экологически чистый регу-ляторный фактор представляет особый интерес. На базе лазерного излучения созданы способы и технологические приемы, позволившие сократить применение гормональных препаратов и пестицидов, повысить продуктивность и экологическую устойчивость многих сельскохозяйственных культур, улучшить качество посадочного материала и семенного фонда (обзоры и монографии: [17, 65,130, 133, 134,171, 259, 269, 284]). Рентабельность подобных агротехнологий экономически обоснована и подтверждена результатами многолетнего применения в сельскохозяйственном производстве различных, стран [265, 335,344, 355]. В целом, лазерная стимуляция весьма перспектив на для отрасли, так как обеспечивает более полную реализацию генетического потенциала возделываемых растений. Однако проблему повышения продуктивности агроценозов посредством лазерного облучения нельзя считать решённой. Недостаточно исследован механизм биорегуляторного действия когерентного излучения, отсутствуют корректные методические подходы к его изучению. Режимы обработки далеки от оптимальных и требуют более глубокого обоснования. Лазерные облучательные установки (ЛОУ) низко технологичны и не позволяют перестраивать параметры рабочего органа в достаточно широких пределах.
Цель и задачи исследований. Целью исследований являлось повышение объёма и качества продукции растениеводства посредством лазерной обработки. В рамках сформулированной цели объектом изучения служили процессы взаимодействия когерентного излучения оптической области спектра с биологическими системами и структурами, а предметом исследований - параметры рабочего органа оборудования лазерных агротехнологий. Реализация поставленной цели потребовала решения следующих научно-методических, технологических и инженерно-технических задач:
1. Провести анализ лазерных агротехнологий и определить пути повышения их эффективности.
2. Адаптировать для электротехнологических расчётов аналитический аппарат описания когерентных электромагнитных полей оптической области спектра. 3. Обосновать параметры рабочего органа оборудования лазерных агротех нологий.
4. Разработать высокоэффективные способы и технологические приёмы лазерной обработки плодов и растений.
5. Создать комплекс универсальных лазерных установок для облучения и функциональной диагностики растительных организмов; осуществить выпуск и внедрение опытных образцов.
Организация исследований, методы и технические средства их проведения. Представленная работа выполнялась во ВНИИ генетики и селекции плодовых растений им И.В.Мичурина в рамках отраслевых программ ОСХ.04 «Разработать и внедрить методы, технологические процессы с использованием радионуклидов, источников ионизирующих излучений и других физических факторов (сельскохозяйственная радиология)»; «Плоды и ягоды» задание № 08.04.И1-М5 «Рабочие органы оборудования экологически чистых технологий обработки плодов, семян и посадочного материала перед посадкой и хранением»; федеральной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК, задание 19 «Разработать и освоить экологически безопасные ресурсосберегающие системы производства, переработки, хранения и доведения до потребителя высококачественной продукции садоводства...», госрегистрация № 01.200.204901; а также согла-шения о научной кооперации с институтом садоводства и овощеводства Рейнского университета по проекту «Исследовать влияние когерентного электромагнитного излучения на развитие адаптивных процессов живых организмов».
Общая методология теоретических и прикладных исследований опиралась на труды С.А. Ахманова, И.Ф. Бородина, Н.Д. Девяткова, В.Н. Максимова, Ф.-А. Попа (F.-A. Рорр), И.И. Свентицкого, М.Ф. Трифоно v вой. При решении конкретных задач использовали аппарат теории конструи рования оптических систем, математического анализа и математического мо делирования биологических процессов, а также средства и методы когерент ной оптики, электроники, радиобиологии, физиологии растений. В качестве биологического материала использовали плодовые и ягодные культуры, возделываемые в центральной полосе России. Часть экспериментов проводили на субтропических породах. Обработке подвергали участки агроценозов, отдельные растения, их генеративные и вегетативные органы. Облучение проходило, как в полевых, так и лабораторных условиях с применением камер искусственного климата. О результатах воздействия судили по морфофизио-логическим показателям облучённых организмов. Оценка их функционального состояния проходила также с помощью созданного лазерного анализатора микроструктуры (ЛАМ) тканей.
Источниками когерентного излучения служили газовые и полупроводниковые лазеры и лампы накаливания с монохроматором и коллимирующеи оптикой. Характеристики излучения измеряли в соответствии с требования , ми Российских и международных стандартов (лазеры и физическая оптика):
ГОСТ 7601-78; ГОСТ 25811-83; ГОСТ 26086-84; ГОСТ Р 51106-97; МЭК 60825 -1. Параллельно с экспериментальными исследованиями проходила разработка специальных методов и технических средств облучения. Их использовали для лазерной обработки и функциональной диагностики растительных организмов.
Научная новизна. Новизна исследований заключается в разработке и теоретическом обосновании высокоэффективных способов, технологических приёмов и технических средств лазерной обработки продукции растениеводства. В процессе исследований получены следующие приоритетные результаты:
1. Установлены основные пути повышения эффективности лазерных агро-технологий.
2. Обобщён и адаптирован применительно к электротехнологическим расчё-там аналитический аппарат описания совокупности параметров рабочего органа оборудования лазерных агротехнологий.
3. Доказана способность живых организмов различать степень статистической упорядоченности света и показано значение этого явления в разработке лазерных агротехнологий.
4. Выявлена связь между функциональным состоянием растительного организма и статистическими характеристиками рассеянного им когерентного излучения. На этом принципе разработан метод функциональной диагностики растений не имеющий аналогов в отечественной и зарубежной практике.
5. Разработаны новые способы, технологические приемы и технические средства регуляции и контроля жизнедеятельности сельскохозяйственных растений посредством когерентного света. Проведено теоретическое и экспериментальное обоснование параметров рабочего органа оборудования высокоэффективных лазерных агротехнологий и диагностических приборов.
6. Предложен блочно-модульный принцип конструирования облучательных установок на основе созданных унифицированных модулей. Методами инженерного моделирования и расчётов обоснованы технические решения, обеспечивающие надёжность и эффективность функционирования разработанных устройств.
Данные приоритеты защищены авторскими свидетельствами и патентами, актами внедрения, научными публикациями в отечественных и зарубежных изданиях.
Практическая ценность и реализация работы. Созданные способы, технологические приёмы и технические средства обеспечили снижение объёма применения фунгицидов при предпосевной обработке зерна, увеличили выход кондиционной продукции при хранении плодов и вегетативном размножении растений, позволили осуществить экспресс-диагностику их функционального состояния. Практическая реализация результатов исследований включает следующие внедрения в научную и производственную практику:
1. Способ вегетативного размножения растений (А.С. № 1157717).
2. Способ повышения устойчивости плодов при хранении (Патент РФ № 1750487). 3. Способы и устройства экспресс-диагностики функционального состояния растительных организмов (Патенты РФ № 2016671, № 2222177, № 2225691).
4. Технические требования, производство экспериментальных образцов, выпуск опытных партий лазерных установок для облучения и функциональной диагностики растений.
Проектно-конструкторская документация передана в Инженерный Центр «Садпитомникмаш». Практическое применение выполненных научно-технических разработок подтверждается актами внедрения (приложение 1) от таких научно-исследовательских организаций и центров, как ЦГЛ, ВНИИС (Мичуринск); ВНИИСПК (Орёл); ВНИИЦиСК (Сочи); МНТК «Микрохирургия глаза» (Тамбов); НПО «Биотехника», Аэрокос-мосэкология МЦОС (Москва); Рейнский университет (Бонн, Германия), а также медицинских учреждений, совхозов, колхозов и фермерских хозяйств Тамбовской, Липецкой, Саратовской, Московской, Ленинградской областей и Краснодарского края. Результаты исследований вошли в научно-тематические планы ВНИИ генетики и селекции плодовых растений, ВНИИ садоводства (Мичуринск), ВНИИ селекции плодовых культур (Орёл), ВНИИ цветоводства и субтропических культур (Сочи), Института садоводства и овощеводства Рейнского университета (Бонн, Германия).
Апробация результатов исследований. Основные результаты исследований доложены лично автором и обсуждены на заседаниях ученых советов и теоретических семинарах Московского государственного университета (факультеты биологии и физики 1983, 1993, 2001), Московского института инженеров сельскохозяйственного производства (1985), НИИ биотехнологии (1990), ВНИИ молочной промышленности (1994), ВНИИ цветоводства и субтропических культур (1994, 1999, 2000), ВНИИ селекции плодовых культур (1993,1994), ВНИИ садоводства (1982,1993, 2001), МичГАУ (1992, 2005), Центра подготовки космонавтов (1994), Института химической физики РАН (1995), Управления приоритетных направлений фундаментальных исследований Министерства науки и технической поли тики РФ (1995), Института садоводства и овощеводства Рейнского университета (Бонн, Германия, 1995, 1997, 1999), Института прикладной физики этого же университета (1995, 1997), Исследовательского центра технологических лазеров (Ахен, Германия, 1997), Международного института биофизики (Ноис, Германия, 1999), а также на Всесоюзной конференции «Проблемы повышения эффективности современного садоводства» (Ми л чуринск, 1982), Всесоюзной конференции «Проблемы фотоэнергетики рас тений и повышение урожайности» (Львов, 1984), Всесоюзной школе «Применение лазеров в биологии» (Кишинев, 1986), Всесоюзной конференции «Проблемы прикладной радиобиологии растений» (Чернигов, 1990), Третьей Всесоюзной конференции по сельскохозяйственной радиологии (Обнинск, 1990), Всероссийской конференции «Прикладные аспекты радиобиологии» (Москва, 1994), International A.G. Gurwitsch Conference «Non-equilibrium and coherent systems in biophysics, biology and biotechnol ogy» (Moscow, 1994, Russia), Международном симпозиуме «Механизм действия сверхмалых доз» (Москва, 1995), Tenth International Congress of Radiation Research (Wurzburg, 1995, Germany), International Ecological Congress (Voronezh, 1996, Russia), Седьмой международной конференции «Биология клеток растений in vitro, биотехнология и сохранение генофон-да» (Москва, 1997), 2 International AG Gurwitsch Conference «Biophotonics and Coherent Systems» (Moscow, 1999, Russia), Втором съезде биофизиков России (Москва, 1999), Четвёртом съезде общества физиологов растений России (Москва, 1999), Международной конференции «Электромагнитные излучения в биологии» (Калуга, 2000), Вторых Кузинских чтениях (Пушино, 2001), Третьем съезде фотобиологов России (Воронеж, 2001), Четвёртом съезде по радиационным исследованиям (Москва, 2001), Международной специализированной выставке «Лазеры, Оптика, Электроника» (Моск " ва, 2005), Международном семинаре «Лазеры в растениеводстве и ветери нарии» (Минск, 2005) и др.
