Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитический обзор и задачи исследования 9
1.1. Основные вредители хранящегося черна 9
1.2. Место шона R системе защиты черна от вредителей хлебных запасов 10
1.3. Свойства озона 11
1.4. Способы получения озона и озонаторы 12
1.5. Методы анализа озона и гигиенические нормативы 14
1.6. Воздействие озона на насекомых 15
1.7. Воздействие озона на микрофлору зерна 18
1.8. Воздействие озона на зерно, крупу, муку 19
1.9. Проникновение озона в зерновую массу... 19
1.10. Цель и задачи исследований 20
Глава 2. Материалы и методики исследований 22
2.1. Выбор биотестов и мегодика разведения насекомых и клещей 22
2.2. Описание экспериментального стенда 23
2.3. Методика исследования выживаемости и смертности имаго насекомых и подвижных стадий клешей под воздействием озона 25
2.4. Методика исследования смертельного действия озона на насекомых в преимагинальных стадиях развития 2S
2.5. Методика исследований действия озона на плодовитость жуков 30
2.6. Методика исследования влияния температуры и влажности зерна на биологическую активность озона в отношении насекомых 31
2.7. Методика исследования распределения озона в зерне и муке 33
2.8. Методика анализа озона в воздухе и в зерне 38
2.9. Методика исследования влияния озона на микрофлору зерна 40
2.10. Методики исследований влияния озона на качество зерна, муки и семян 42
2.11. Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований 43
Глава 3. Особенности биологической активности озона в отношении имаго насекомых и подвижных стадий клещей 45
3.1. Рисовый долгоносик Sitophilus oryzae L 45
3.2. Амбарный долгоносик Sitophilus granarius L 46
3.3. Зерновой точильщик Rhizopertha dominica F. 49
3.4. Малый мучной хрущак Tribolium confusion Duv 51
3.5. Суринамский мукоед Oryzaephilus surinamensis L 51
3.6. Мучной клещ Acarus siro L 51
3.7. Сравнительное смертельное действие озона в отношении имаго насекомых разных видов и клещей 52
Глава 4. Смертельное действие озона в отношении преимагинальных стадий насекомых 64
4.1. Скрытая форма зараженности зерна (рисовый и амбарный долгоносики) 64
4.2. Явная форма зараженности зерна (малый мучной хрущак) 68
Глава 5. Плодовитость жуков рисового и амбарного долгоносиков, подвергнутых обработке озоном 71
Глава 6. Влияние абиотических факторов на биологическую активность озона в отношении насекомых 15
6.1. Влияние температуры 75
6.2, Влияние влажности зерна 81
Глава 7. Распределение озона в зерновой насыпи и в муке 85
7.1. Пассивное распределение озона в зерновой насыпи 85
7.2. Активное распределение озона в зерновой насыпи 87
7.3. Проникновение озона в муку 90
Глава 8. Влияние озона на качество зерна, семян и муки 92
8.1. Остатки озона в зерне 92
8.2. Количество и качество клейковины в зерне пшеницы, подвергнутой обработке озоном 95
8.3. Влияние озона на микрофлору зерна 96
8.4. Энергия прорастания и всхожесть семян зерновых культур после обработки их озоном 101
8.5. Белизна муки после обработки ее озоном 113
Глава 9. Режимы обработки озоном зерна с целью его дезинсекции 116
Глава 10. Технико-экономическая оценка озонирования зерна 121
Заключение 123
Список использованной литературы 126
- Место шона R системе защиты черна от вредителей хлебных запасов
- Методика исследования выживаемости и смертности имаго насекомых и подвижных стадий клешей под воздействием озона
- Методика исследования влияния температуры и влажности зерна на биологическую активность озона в отношении насекомых
- Сравнительное смертельное действие озона в отношении имаго насекомых разных видов и клещей
Введение к работе
Насекомые и клещи наносят существенный вред хранящемуся зерну. Исследованиями показано, что если, например, в партии зерна пшеницы массой 1000 т исходная зараженность рисовым долгоносиком составляет 1 жук на 1 кг зерна, то через месяц хранения его численность может достичь 30 экз./кг. При этом будет уничтожено около Ют массы зерна, а недомол муки составит около 12т /27/.
Существующие истребительные меры борьбы с вредителями зерна основаны на применении газообразных (бромистый метил и фосфин) и жидких (фуфанон, простор, актеллик и др.) инсектицидов /15,40/.
Однако использование инсектицидов связано с рядом негативных последствий. Их надо производить на заводах, хранить, перевозить к месту обработки. Инсектициды загрязняют окружающую среду. Например, бромистый метил разрушает озоновый слой атмосферы земли /87, 88/. В продуктах питания сохраняются остатки инсектицидов.
Поэтому задача поиска альтернативы инсектицидам для исключения потерь зерна от вредителей является актуальной.
В ряде отечественных и зарубежных исследований /25, 77, 83/ показано, что в качестве альтернативы традиционным средствам дезинсекции -инсектицидам может явиться озон. Озон вырабатывается специальными генераторами из кислорода воздуха непосредственно в месте применения. Поэтому исключаются затраты на его приобретение у производителя, транспортировку и хранение. Озон самопроизвольно распадается на кислород и не загрязняет окружающую среду и продукты питания.
Вместе с тем, в известных публикациях недостаточно данных для того, чтобы использовать озон в качестве средства борьбы с вредителями хранящегося зерна. В частности, недостаточно проработаны вопросы отклика насекомых и клещей на воздействие озона, а также влияние озона на
технологические показатели и семенные свойства зерна. Имеющиеся публикации не позволяют разработать режимы дезинсекции зерна озоном.
Целью настоящей работы явилась разработка режимов дезинсекции хранящегося зерна озоном на основе исследования его биологической активности в отношении основных вредных видов насекомых и клещей и влияния на качество зерна.
Основные научные положения, которые автор выносит на защиту, состоят в следующем:
зависимость выживания, смертности и плодовитости основных вредных видов насекомых и клещей для хранящегося зерна на различных стадиях их развития от концентрации озона, времени его воздействия, температуры и влажности;
закономерности распределения озона в зерновой массе и в муке;
новые данные об остатках озона в зерне, влиянии его на микрофлору зерна, количество и качество клейковины зерна пшеницы, белизну муки, энергию прорастания и всхожесть семян зерновых культур;
режимы дезинсекции зерна озоном.
Практическая ценность работы заключается в разработке режимов дезинсекции хранящегося зерна с использованием озонаторных установок.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на научных семинарах лаборатории защиты от вредителей и санитарной охраны зерна и зернопродуктов ГНУ ВНИИЗ в 2003 г. и 2004 г., на Второй международной конференции «Хранение зерна-2003» (г. Москва) и на Научной конференции, посвященной 160-летию со дня рождения К.А. Тимирязева 3-5 июня 2003 г. (г. Москва, МСХ им. К.А. Тимирязева).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы две статьи, в которых изложены основные результаты исследований /35, 36/.
Работа выполнена в лаборатории защиты от вредителей и санитарной охраны зерна и зернопродуктов ГНУ ВНИИЗ.
Автор выражает благодарность сотрудникам этой лаборатории за содействие в организации и проведении исследований.
Выражаю благодарность сотрудникам лаборатории качества зерна и зернопродуктов ГНУ ВНИИЗ за помощь в проведении анализов количества и качества клейковины зерна пшеницы, а также сотрудникам лаборатории приборов и метрологии ГНУ ВНИИЗ за помощь в оценке белизны муки.
Место шона R системе защиты черна от вредителей хлебных запасов
Система защиты зерна от вредителей хлебных запасов (насекомых и клещей) включает профилактические и истребительные мероприятия /23, 40/. Профилактические мероприятия включают подготовку к хранению зернохранилищ и самого зерна. При подготовке зернохранилищ особое внимание должно быть уделено ремонту, очистке, дезинсекции. Подготовка зерна предполагает его очистку, сушку, охлаждение и консервирование инсектицидами контактного действия. В истребительные мероприятия включены: прогревание на зерносушилках, промораживание, отделение вредителей от зерна на сепараторах, фумигация зерна и дезинсекция его жидкими инсектицидами. Среди газообразных веществ в России разрешены бромистый метил и фосфин, которые применяют по технологии фумигации /15, 40/. Жидкие инсектициды представлены широким набором препаратов из класса фосфорорганических соединений и пиретроидного ряда /15/. Анализируя существующую систему защиты зерна от вредителей, ГНУ ВНИИЗ РАСХН отмечает, что с точки зрения снижения опасности при обработках и решения проблемы остатков ядов в продуктах питания после применения инсектицидов требуется «развитие нехимических, безинсектицидных средств и способов борьбы (озон, контролируемая атмосфера, физические воздействия...)» /63/. Мы считаем, что в приведенной системе защиты зерна от вредных насекомых и клещей озон может быть использован в качестве средства дезинсекции незагруженных зерноскладов, а также для дезинсекции зерна, хранящегося в складах и в силосах элеваторов, и для обработки небольших партий зерна под пленками.
Использование озона позволит уменьшить объемы обработок зерна ядовитыми инсектицидами. Перейдем к аналитическому исследованию, связанному непосредственно с озоном. Озон (Оз) — аллотропная форма кислорода. Газ синего цвета, в жидком состоянии темно-синий, в твердом - сине-фиолетовый. При нормальных атмосферных условиях (температура 15 С, давление 760 мм рт. ст.) озон является газом. Это токсичный газ и мощный окислитель. В атмосфере озон существует в очень низких концентрациях. На уровне Земли он присутствует в концентрации от 0,025 до 0,045 мл/м3. Встречается в чистом воздухе (до 0,02 мг/м3), при образовании фотохимического смога в атмосфере городов — до 2 мг/м . При нормальных условиях масса 1 л озона равна 2,1445 г, плотность газообразного озона по кислороду 1,5, по воздуху 1,62. Температура плавления (-)192,7 С, температура кипения (-)112 С. Растворимость озона в воде 0,394 г/л (при 0 С). Другие растворители: этилхлорид, трихлорфторметан, четыреххлористый углерод, уксусная кислота, этилацетат. В кислой среде растворимость озона падает, в щелочной - возрастает. В реакциях с большинством веществ озон - сильный окислитель.
Присутствие озона в газовой смеси можно определить по реакции: Кислород О2 в реакцию с йодистым кали не вступает. Озон термически неустойчив в газе и растворах и самопроизвольно превращается вОгС выделением тепла. Озон можно хранить почти неограниченно при температуре ниже (-)50 С. При комнатной температуре 50 % озона распадается в течение нескольких дней. Поэтому транспортировка обычно осуществляется при температуре (-)15 С при помощи сухого льда. При (-)25 С он хранится от 15 дней до одного месяца. С озоном меньше, чем с кислородом, реагируют щелочные, щелочноземельные металлы, серебро, ртуть. Действие озона на другие металлы сравнимо с действием кислорода. Влажным озоном окисляются все металлы, кроме золота и платины. Тем не менее, при работе с озоном можно использовать алюминий и нержавеющую сталь. Оборудование, используемое при работе с озоном, необходимо одновременно подвергать подогреву с отсосом или нагнетанием сухого газа /74/. Пластики реагируют на озон по-разному. При температуре 20 С удовлетворительно устойчивы к озону фурафенол, полихлорпрен, четырехсерный полиэтилен, поливинилхлорид, полиизобутилен, полистирол; при 60 С - хлорированная резина; при 80 С - хлоросерный полиэтилен; при 180 С политрифторхлорэтилен; при 250 С - тефлон. В присутствии озона разлагаются: нитрат целлюлозы, диацетат целлюлозы, полибутадиен-стирол, полиэтилен, акрилонитрил. Не устойчива естественная резина. Удовлетворительно устойчив неопрен. Хорошо устойчива бутиловая резина /76/.
Методика исследования выживаемости и смертности имаго насекомых и подвижных стадий клешей под воздействием озона
Жуков каждого из пяти видов насекомых в количестве по 100 экземпляров с 0,5 Кг корма влажностью 15% помещали в садки из капроновой сетки, которые подвешивали внутри камеры стенда. Затем включали генератор озона и регистрировали время нахождения насекомых в потоке озоновоздушной смеси. Спустя заданное время садки удаляли из камеры и проветривали. Насекомых с кормом переносили в стеклянные стаканчики размером 4x4 см, содержали в эксикаторах при относительной влажности воздуха 75 % и термостатах при температуре 25 ±1 С. Сразу после обработки и затем ежедневно определяли количество живых, парализованных и мертвых жуков до стабилизации состояния насекомых. Опыты проводили не менее, чем в 3-5 повторностях и сопровождали контрольными (не подвергавшимися воздействию озона) насекомыми. С мучным клешем работали следующим образом. В чашки петри помещали около 0,5 г субстрата из разводок клещей. В субстрате присутствовали все стадии развития клеща (яйца, личинки, нимфы, имаго). Чашки петри в открытом виде устанавливали в камеру и проводили обработку озоном. Сразу после обработки определяли состояние клещей, подсчитывая количество живых, парализованных и мертвых особей. Затем устанавливали в эксикаторы с влажностью воздуха в них 75 % и содержали в термостатах при температуре 25 ±1 С. Ежедневно наблюдали за состоянием подвижных стадий клещей (личинки, нимфы, имаго) в опытных и контрольных стаканчиках. Биологическую активность озона определяли по количеству мертвых и по сумме мертвых и парализованных особей, как среднее из всех повторностей, выраженное в процентах к количеству их в контроле. Методика исследования смертельного действия озона на насекомых в преимагинальных стадиях развития Объектами исследований были рисовый и амбарный долгоносики, чье развитие протекает внутри отдельных зерен, и малый мучной хрущак, развивающийся в межзерновом пространстве.
С долгоносиками работали следующим образом. Готовили необходимое количество зерна мягкой пшеницы влажностью (15±0,5) %, очищенное от посторонних примесей. Зерно помещали в стеклянные трехлитровые банки, куда подсаживали заданное количество жуков-родителей. Через двое суток родителей удаляли, а зерно инкубировали в эксикаторах с относительной влажностью воздуха 75 % и в термостатах при температуре 25 ±1 С. Спустя определенное время, необходимое для развития до нужной стадии (яйца - 0-2 суток, личинки - 22-24 суток, куколки - 31-33 суток) /24/ зерно высыпали из банок, тщательно перемешивали и разделяли на пробы массой по 30 г. Пробы помещали в сетчатые мешочки и обрабатывали озоном в разных концентрациях при различном времени экспозиции. После обработки зерно переносили в стеклянные стаканчики, закрывали бязью, помещали в эксикаторы и хранили при температуре 25 ±1 С. Регулярно, через каждые 1-3 суток, подсчитывали количество отродившихся жуков-потомков, которых удаляли при каждом анализе. Учеты заканчивали, когда при очередных двух-трех проверках не отмечали появления потомства. Биологическое действие озона оценивали путем сравнения количества отродившихся жуков в опытных и контрольных вариантах. С малым мучным хрущаком работали следующим образом. Для получения яиц пшеничную муку напыляли тонким слоем на дно чашки Петри через сило с размером ячеек 0,125 х 0,125 мм. После этого в чашки Петри подсаживали по 20 жуков малого мучного хрущака. Чашки Петри содержали в эксикаторах и термостатах при вышеописанных условиях. Через двое суток жуков-родителей удаляли. Муку из чашек вновь просеивали через сито, на котором оставались яйца (их размер примерно 0,5 х 0,8 мм). Количество яиц подсчитывали, вновь помещали их в чашки Петри, которые устанавливали в камеры с озоновоздушной смесью. После обработки озоном в чашки Петри добавляли немного муки и хранили в эксикаторах и термостатах. В дальнейшем наблюдали за количеством отродившихся из яиц личинок в опытных и контрольных вариантах. Биологическое воздействие озона определяли путем сравнения количества вылупившихся из яиц личинок в опытных и контрольных вариантах. Личинок и куколок для опытов получали путем прямого их выбора из разводок лабораторных культур малого мучного хрущака без разделения по возрастам. После обработки озоном смертность личинок и куколок определяли по количеству отродившихся из них жуков в опытных и контрольных вариантах.
Методика исследования влияния температуры и влажности зерна на биологическую активность озона в отношении насекомых
В качестве биотестов использовали жуков рисового и амбарного долгоносиков. За неделю до обработки и после обработки жуков содержали на зерне пшеницы влажностью 15 % в термостатах с разной температурой: 10, 20, 25, 30 и 35 С. Концентрацию озона и время экспозиции подбирали таким образом, чтобы при температуре 25 ±1 С смертность жуков была около 50 %. Величина концентрации составила 0,07 г/м3, экспозицию варьировали в течение 15, 30, 45 и 60 минут. После обработки ежедневно в течение 5 суток регистрировали количество живых, парализованных и мертвых жуков. Для опытов по установлению влияния влажности зерна на биологическую активность озона брали зерно трех состояний влажности /72/: сухое (влажность 12 % ), средней сухости (влажность 15 %) и сырое (влажность 18 %). До необходимой влажности зерно увлажняли дистиллированной водой. Для поддержания необходимой влажности зерна на протяжении всего опыта за неделю до обработки и после обработки озоном зерно с насекомыми содержали в эксикаторах, где создавали относительную влажность воздуха, соответствующую равновесной влажности зерна /72/ с помощью различных растворов /43/ (рис. 4). Концентрация озона была 0,07 г/м3, время экспозиции 1ч. После обработки ежедневно в течение 6 суток подсчитывали количество живых, парализованных и мертвых жуков. Аналогичные операции выполняли с контрольными жуками за исключением обработки их озоном.
Общий вид стенда для исследования пассивного распределения озона в зерновой насыпи показан на рис. 5. Емкость для зерна представляла собой колонку из оргалита высотой 3 м и площадью сечения 30 х 30 см с дном и открытым верхом. Стыки дна и стенок герметизировали клеем и липкой лентой. Внутрь колонки засыпали 0,2 т зерна пшеницы до верхнего ее края. В зерно на глубину 0,1 , 0,5 м и далее через каждые 0,5 м вводили полиуретановые трубки-зонды для отбора газовоздушных проб. На этих же глубинах располагали мешочки из капроновой сетки размером 10 х 5 см, заполненные зерном и содержащие по 25 жуков рисового долгоносика и малого мучного хрущака. Оргалитовую колонку помещали внутрь рукава из полиэтиленовой пленки. К верхней части рукава негерметично подсоединяли выход генератора озона. Нижнюю часть рукава герметизировали. Таким образом, контакт с озоновоздушной средой, создаваемой генератором, имела лишь поверхность зерновой насыпи. Распределение озона вглубь происходило пассивно под действием диффузии, гравитации и, возможно, конвекции. Генератор включали ежедневно. Он работал 0,5 ч, затем его отключали, вход полиэтиленового рукава герметизировали и в таком состоянии оставляли в течение 23,5 ч. Операцию повторяли ежедневно в течение 7 суток. Концентрацию озона определяли в надзерновом пространстве и на глубине 0,1, 1, 2 и 3 м в межзерновом пространстве. Пробы воздуха объемом 0,5 л отбирали и концентрацию озона анализировали до включения озонатора во всех точках, а после его отключения - в надзерновом воздухе. Спустя 6 суток извлекали биопробы с глубины 0,1, 0,5, 1,5 и 2,5 м, а через 8 суток - с глубины 1, 2 и 3 м и анализировали состояние в них насекомых, подсчитывая количество живых, парализованных и мертвых жуков. Опыты проводили при комнатных условиях.
Общий вид стенда для исследования активного распределения озона в зерновой массе показан на рис. 6. В данном случае выход генератора герметично подсоединяли к полиэтиленовому рукаву. В рукав помещали 0,3 т зерна пшеницы, В результате получалась зерновая насыпь длиной 2 м, шириной 1 м и высотой 0,3 м, обтянутая полиэтиленовой пленкой- Второй конец рукава выводили в вытяжной шкаф. На расстоянии 1,8 м от озонатора внутри зерновой массы устанавливали трубку-зонд для отбора газовоздушных проб» а также садки из капроновой сетки, в которых находилось зерно, зараженное рисовым и амбарным долгоносиками в различных стадиях развития и по 100 жуков рисового и амбарного долгоносиков, зернового точильщика, малого мучного хрущака и суринамского мукоеда. Ежедневно включали генератор озона, который продувал зерновую массу в течение 5 ч. Затем генератор выключали, герметизировали его вход, а также дальний от генератора конец рукава и оставляли на 19 ч экспозиции. Эту операцию повторяли в течение 10 суток.
Сравнительное смертельное действие озона в отношении имаго насекомых разных видов и клещей
При указанном режиме все жуки в конечном итоге погибают. Однако явно заметны различия в сроках гибели между разными видами. Жуки рисового долгоносика и суринамского мукоеда оказываются мертвыми сразу после обработки. Большая часть жуков амбарного долгоносика и малого мучного хрущака сразу после обработки погибают, а остальные находятся в глубокой парализации. Они вымирают лишь к пятому дню после обработки- Большую устойчивость проявляют жуки зернового точильщика. Сразу после обработки и в течение суток после нее мы почти не отмечаем мертвых жуков зернового точильщика, однако, около половины их находятся в парализованном состоянии. Полное вымирание жуков зернового точильщика происходит через 10 суток после обработки. Таким образом, режим, включающий концентрацию озона около 1,5 г/м3 и время экспозиции 1 ч можно признать эффективным для уничтожения имаго основных вредных видов насекомых - вредителей хранящегося зерна. Рассмотрим теперь возможность уничтожения вредителей при низкой постоянной концентрации озона 0,07 г/м (см. рис, 14). Жуки рисового и амбарного долгоносиков, а также подвижные стадии мучного клеща полностью смертность, когда время экспозиции составляет 4-5 ч.
Для того, чтобы уничтожить жуков зернового точильщика, их необходимо выдержать в озоне при этой концентрации не менее 15 ч. Тогда они вымрут спустя 7-9 суток после обработки. Жуки малого мучного хрущака и суринамского мукоеда оказались чрезвычайно устойчивы к озону в концентрации 0,07 г/м . Даже после 20-часовой экспозиции погибало только около половины популяции жуков. Чтобы установить возможность полного уничтожения малого мучного хрущака и суринамского мукоеда при низкой концентрации озона, потребовалось провести эксперименты с более длительной экспозицией, С этой целью жуков обрабатывали озоном в концентрации 0,06 г/м3 в течение 10 ч с 15-минутными перерывами после каждых 4 ч работы генератора. Затем генератор отключали. Насекомые оставались в камере. Спустя 14 ч снова возобновляли обработку. Такие циклы повторяли в течение 5 суток. Через 15 минут после включения генератора, за 15 минут до его отключения и за 15 минут до нового включения из камеры отбирали пробы воздуха и анализировали в них концентрацию озона.
После каждых 24 ч из камеры извлекали биопробы с жуками малого мучного хрущака и суринамского мукоеда и определяли количество живых, парализованных и мертвых особей в сравнении с контрольными насекомыми. На рис. 15 представлена динамика концентрации озона внутри камеры обработки. Видно, что она циклично изменяется от 0,06 до 0,02 г/м . Цикл включает 24 ч. Первые 10 ч цикла концентрация равна 0,06 г/м . В следующие 14 ч цикла она постепенно снижается до 0,02 г/м3. Снижение концентрации озона обусловлено частично утечками его из камеры, частично - самопроизвольным распадом. Рассмотрим как вели себя жуки малого мучного хрущака и суринамского мукоеда в этих условиях (см, рис. 16). В первые двое суток жуки малого мучного хрущака визуально никак не откликаются на обработку. На третьи сутки почти половина их выглядят парализованными, но мертвых еще нет. Начиная с четвертого дня происходит массовое отмирание жуков и через 5 суток популяция их погибает полностью. Схожий характер поражения мы отмечаем и в отношении жуков суринамского мукоеда, только в этом случае все происходит на двое суток быстрее. Парализованные жуки суринамского мукоеда появляются уже через 2 дня, а через 3 дня все жуки вымирают. Последние результаты очень важны с практических позиций. С одной стороны, они показывают, что озон в сравнительно низких концентрациях способен поражать наиболее устойчивых к нему видов вредителей. С другой стороны, озон эффективен в отношении насекомых при циклично меняющейся концентрации от 0,02 до 0,06 г/м3. Это обстоятельство позволит в практической дезинсекции проводить обработку не круглосуточно, а циклично в течение рабочего дня с возможностью длительного перерыва до следующего рабочего дня.
