Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор методов и средств контроля всхожести семян пшеницы 9
1.1 Методы определение всхожести по ГОСТ 12038-84 9
1.2 Методы определение жизнеспособности по ГОСТ 12038-82 12
1.3 Анализ возможности применения потенциала действия в качестве параметра контроля всхожести семян пшеницы и задачи диссертационных исследований 14
Выводы 27
Глава 2 Разработка модели контроля всхожести семян пшеницы 28
Выводы 34
Глава 3 Экспериментальные исследования изменения потенциала действия от всхожести семян пшеницы 35
3.1 Описание экспериментальной установки 35
3.2 Подготовка семян к проведению экспериментов 41
3.3 Статистический анализ полученных экспериментальных данных 45
3.4 Отличительные признаки ПД, характеризующие всхожесть семян пшеницы в марте 51
Выводы 57
Глава 4 Метод и средство контроля всхожести семян пшеницы по изменению потенциала действия 58
4.1 Подготовка семян пшеницы к проведению исследований на всхожесть 58
4.2 Измерение потенциала действия семян пшеницы 60
4.3 Статистическая обработка полученных экспериментальных данных 65
4.4 Определение всхожести семян пшеницы по характерным отличительным признакам изменения ПД 68
Заключение 71
Список использованных источников 73
Приложение А. Условия проращивания семян сельскохозяйственных культур 80
Приложение Б. Исходный код скрипта, выполняющего объединение 100 .csv файлов с экспериментальными данными в один общий xsv файл 81
Приложение В. Акт о внедрении результатов диссертационной работы в ФГУ «Россельхозцентр» 92
- Анализ возможности применения потенциала действия в качестве параметра контроля всхожести семян пшеницы и задачи диссертационных исследований
- Отличительные признаки ПД, характеризующие всхожесть семян пшеницы в марте
- Измерение потенциала действия семян пшеницы
- Определение всхожести семян пшеницы по характерным отличительным признакам изменения ПД
Введение к работе
Актуальность исследования. Успешное развитие аграрного сектора российской экономики возможно лишь при поставке на рынок сельскохозяйственной продукции, отвечающей жестким мировым стандартам качества. Особенно актуальна задача повышения качества, например, выращенной пшеницы, стоит в тех регионах страны, где сельское хозяйство является одним из основных источников пополнения бюджета.
Работа над улучшением посевных качеств сельскохозяйственных культур ведется селекционерами. Но использование селекционных семян не дает гарантии хорошего урожая, так как в процессе сбора, хранения и транспортировки семена могут прийти в негодность. Для контроля посевных качеств семян лабораториями «Россельхозцентра» применяется метод, описанный в ГОСТ 12038-84. Этот метод, введенный в действие в 1986 году, обладает рядом существенных недостатков: трудоемкость, длительность проведения исследования, отсутствие автоматизации процесса. Существующий метод не может обеспечить требуемой скорости проведения анализа.
В настоящее время не существует альтернативных методов определения посевных качеств семян. Разработка методов и средств контроля, позволяющих с минимальными временными и материальными затратами проводить экспресс-анализ посевных качеств семян, является актуальной и практически значимой проблемой сельскохозяйственного производства.
Основываясь на результатах научных исследований и работ в области электротехнологии и учитывая хемоэлектромагнитные процессы, происходящие на уровне биологических клеток, предлагается решение проблемы, связанной с контролем посевных качеств семян пшеницы, а именно всхожести, при минимальных временных и материальных затратах за счет разработки электрофизического метода и средства контроля всхожести, основанном на контроле потенциала действия зерна пшеницы.
Цель работы. Разработать метод и средство контроля всхожести семян пшеницы по изменению потенциала действия, которые позволяют повысить производительность лабораторного анализа.
Для достижения цели выделены задачи:
- провести аналитический обзор существующих методов и средств
контроля всхожести семян пшеницы и выполнить анализ возможности
применения потенциала действия в качестве параметра контроля;
- выделить отличительные признаки потенциала действия и на их основе
разработать модель контроля всхожести семян пшеницы;
создать экспериментальную установку и исследовать изменение потенциала действия от известной всхожести семян пшеницы. Установить значения отличительных признаков потенциала действия в зависимости от известной всхожести;
разработать метод контроля всхожести семян пшеницы и дать техническое описание программно-аппаратному комплексу как средству контроля.
Объектом исследования является процесс изменения потенциала действия, характеризующий всхожесть семян пшеницы различных сортов.
Предметом исследования является разработка метода и средства контроля всхожести семян пшеницы по изменению потенциала действия.
Методы исследования. Для решения поставленных задач при выполнении работы использовались как теоретические, так и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования проводились путем математического моделирования и статистических методов обработки экспериментальных данных в программе MS Excel. Для экспериментальных исследований использовали метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.
Научная новизна. В результате проведенных исследований разработан новый метод контроля всхожести семян пшеницы. Отличительной особенностью разработанного метода является использование в качестве
параметра контроля изменение потенциала действия в заданном временном интервале, который характеризует биологические свойства семян пшеницы. Экспериментально определено минимальное время подготовки семян к анализу на всхожесть. Выделены отличительные признаки изменения потенциала действия, характеризующие всхожесть семян пшеницы. На защиту выносятся:
Модель контроля всхожести семян пшеницы.
Результаты экспериментальных исследований всхожести семян пшеницы.
Метод и средство контроля всхожести семян пшеницы по потенциалу действия.
Практическая значимость. Предложенный метод сокращает время контроля всхожести семян пшеницы на 7 - 10 суток, по сравнению с методом, используемым в настоящее время. Этот факт является особенно актуальным для контроля всхожести семян яровой пшеницы.
Аппаратно-программное средство контроля всхожести семян пшеницы легко может быть реализовано в любой лаборатории и имеет низкую себестоимость.
Исследованы семена пшеницы различных сортов на всхожесть и установлены отличительные признаки изменения потенциала действия.
Достоверность результатов обеспечена использованием зерен с известной всхожестью, теоретическими представлениями об изменении потенциала действия в биологических объектах, статистической обработкой и характера вытекающих из них зависимостей.
Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях: науч.-практич. конф. «ИКИ», г. Барнаул, 2007 и 2008; науч.-практич. конф. «Виртуальные и интеллектуальные системы», г. Барнаул, 2007, 2008, 2009гг.; VII Всерос. науч.-практич. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Молодежь и современные информационные технологии», г. Томск, 2009; Междунар. науч.
конф. молодых ученых «Актуальные задачи современной науки», г. Красноярск, 2008; Всерос. науч.-практич. конф. С международным участием «Информационные технологии в профессиональной деятельности и научной работе», г. Йошкар-Ола, 2009; VII региональная науч.-практич. конф. молодых ученых и специалистов СФО «Инновационный потенциал молодых ученых в развитии агропромышленного комплекса Сибири», г. Новосибирск, 2009; X Международная науч.-практич. конф. «Информационно-вычислительные технологии и их приложения», г. Пенза, 2009.
Публикации. По материалам исследований опубликованы 11 печатных работ. Из них 1 статья в журнале, входящем в Перечень ВАК, 3 статьи и 7 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 87 наименований и 3 приложений на 20 листах. Основной текст работы изложен на 91 странице машинописного текста и содержит 26 рисунков и 7 таблиц.
Анализ возможности применения потенциала действия в качестве параметра контроля всхожести семян пшеницы и задачи диссертационных исследований
Рассмотренные методы определения всхожести не в состоянии обеспечить высокопроизводительный анализ всхожести семян пшеницы. В настоящее время не существует альтернативных методов, способных сократить время подготовки и проведения анализа на всхожесть.
Для реализации нового метода контроля всхожести семян пшеницы можно использовать способность растений генерировать биоэлектрические потенциалы. Процесс генерации биопотенциалов, как у животных, так и у растений не только сопровождает те или иные жизненно важные процессы, но играет ключевую роль в их протекании [3,4]. Несмотря на то, что в настоящее время накоплен достаточно большой фактический материал, свидетельствующий о том, что ПД у высших растений широко распространенная и важная функция, механизмы его генерации остаются слабо изученными. Данные о природе трансмембранных ионных токов или нетто-потоков, сопровождающих ПД, получены преимущественно на гигантских клетках харовых водорослей и в гораздо меньшей степени - на клетках высших растений. Последние имеют сложную структуру проводящих возбуждение тканей и мелкие клетки, поэтому для них пока не осуществлены исследования ионных токов при возбуждении общепринятым в электрофизиологии методом фиксации напряжения. Основным приемом при изучении этого вопроса у высших растений является анализ ионных сдвигов, возникающих во время генерации и распространения ПД.
Живые организмы создали самоуправляемый и самоприспосабливающийся механизм, имеющий информационно-управляющую систему регуляции процессов жизнедеятельности (на генетическом, клеточном уровнях и уровне организма) и позволяющий контролировать всё многообразие параметров жизнеобеспечения, обеспечивая рост и развитие биологического объекта в изменяющихся условиях окружающей среды [6,7,10]. Жизнь растений связана с влагой, поэтому электрические процессы в них наиболее полно проявляются при нормальном режиме увлажнения и затухают при увядании. Это связано с обменом зарядами между жидкостью и стенками капиллярных сосудов при протекании питательных растворов по капиллярам растений, а также с процессами обмена ионами между клетками и окружающей средой. Важнейшие для жизнедеятельности электрические поля возбуждаются в клетках [25,27].
В клетке растения, так же как в нервной или мышечной клетке животного, между внутренней и наружной поверхностями мембраны имеется разность потенциалов, обусловленная различным ионным составом внутриклеточной и внеклеточной сред. Выход ионов через клеточную мембрану сообщает клетке отрицательный заряд. По достижении равновесия в распределении ионов калия мембранный потенциал приобретает предельное значение потенциала покоя.
Потенциал покоя (ПП) — разность потенциалов между содержимым клетки (волокна) и внеклеточной жидкостью [5,8,9]. Скачок потенциала локализуется на поверхностной мембране, при этом её внутренняя сторона заряжена электроотрицательно по отношению к наружной. Потенциал покоя обусловлен неравенством концентраций, ионов Na+, К+ и СГ по обе стороны клеточной мембраны и неодинаковой её проницаемостью для этих ионов. В нервных и мышечных клетках потенциал покоя участвует в поддержании состояния готовности молекулярной структуры мембраны к возбуждению в ответ на действие раздражителя. Все воздействия на клетку, вызывающие длительное стойкое снижение потенциала покоя (например, нарушение обмена веществ, повышение внеклеточного содержания ионов К+, действие сильного электрического тока и так далее), ведут к снижению возбудимости клетки или к полной утрате ею способности к генерации потенциалов действия. У живых клеток в покое между внутренним содержимым клетки и наружным раствором существует разность потенциалов (ПП) порядка 60 — 90 мВ, которая локализована на поверхностной мембране. Внутренняя сторона мембраны заряжена электроотрицательно по отношению к наружной [11—13].
Концентрация К+ в протоплазме примерно в 50 раз выше, чем во внеклеточной жидкости, поэтому, диффундируя из клетки, ионы выносят на наружную сторону мембраны положительные заряды, при этом внутренняя сторона мембраны, практически непроницаемой для крупных органических анионов, приобретает отрицательный потенциал. Поскольку проницаемость мембраны в покое для Na+ примерно в 100 раз ниже, чем для К+, диффузия натрия из внеклеточной жидкости, где он является основным катионом, в протоплазму мала и лишь незначительно снижает ПП, обусловленный ионами К+. В возникновении потенциала покоя важную роль играют также ионы СГ, диффундирующие внутрь клетки. Мембраны клеток животных и растений способны изменять ионную проницаемость в ответ на сдвиги мембранного потенциала. При увеличении ПП (гиперполяризация мембраны) проницаемость поверхностных клеточных мембран для Na+n К+ падает, а при уменьшении ПП (деполяризация) она возрастает, причём скорость изменений проницаемости для Na значительно превышает скорость увеличения проницаемости мембраны для К . Неравенство концентраций ионов К+ и Na+ (или Са+) внутри и снаружи клетки поддерживается специальным механизмом, выталкивающим ионы Na+ из клетки и нагнетающим ионы К+ в протоплазму, требующим затраты энергии, которая черпается клеткой в процессах обмена веществ [30-32]. Работа таких механизмов обеспечивается, как правило, энергией, выделяемой при расщеплении аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) [42,43]. Таким образом, ионные насосы одновременно выполняют функцию ферментов, расщепляющих АТФ и называемых АТФ-азами. Активный перенос Na+ из клетки сопряжён с транспортом К+ в обратном направлении и осуществляется особой ферментной системой -транспортной Na, К, -стимулируемой аденозинтрифосфатазой, -локализованной в клеточной мембране [52]. Последняя, гидролизуя аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ), высвобождает энергию, которая и затрачивается на активный перенос катионов. Работа насоса в целом зависит от уровня метаболизма клетки [36-38].
При раздражении растения изменяется проницаемость клеточных мембран для ионов Са и Na. За счет нарушения равновесия в распределении зарядов возникает пик мембранного потенциала, который в виде электрического импульса распространяется вдоль поверхности клеток. Последующий выход из клеток ионов калия возвращает мембранный потенциал к равновесию. Под потенциалом действия (ПД) обычно понимают изменение мембранного потенциала специфической формы, возникающее при возбуждении клеток. Поврежденное место в тканях растений всегда заряжается отрицательно относительно неповрежденных участков, а отмирающие участки растений приобретают отрицательный заряд по отношению к участкам, растущим в нормальных условиях. Заряженные семена культурных растений имеют сравнительно высокую электропроводность и поэтому быстро теряют заряд [44,45].
Длительность потенциала действия может достигать нескольких десятков секунд, и он может распространяться от одной клетки к другой так же, как это происходит с нервным импульсом, но с гораздо меньшей скоростью. Скорость распространения импульсов раздражения по клеткам растений составляет несколько сантиметров в секунду (по нервам животных раздражение распространяется в сотни раз быстрее). Малая скорость распространения раздражений по организму растений связана с их общей неподвижностью.
Отличительные признаки ПД, характеризующие всхожесть семян пшеницы в марте
Отличительные признаки изменения ПД зерен пшеницы, характеризующие всхожесть, получили, исследовав семена мягких сортов пшеницы с различными значениями всхожести. Сорта пшеницы, использовавшиеся в экспериментальных исследованиях и соответствующие им значения всхожести, приведены в таблице 3.3.
Исследования изменения ПД от всхожести проводили весной (март). Результаты измерений представлены на рисунках 3.9-3.12.
На экспериментальных графиках выделяются две характерные фазы изменения ПД: фаза деполяризации и неяркая фаза реполяризации. Первым и вторым отличительными признаками изменения ПД у зерен с всхожестью 97% и 94% являлись изменение подпорогового потенциала на 13мВ и длительность фазы реполяризации подпорогового потенциала 1 — 1,5 сек. У зерен с всхожестью 87% и 93% этих признаков не было. Фазой деполяризации считается время, за которое ПД достигает максимального значения, после чего начинается уменьшение значения ПД (реполяризация). У зерен с всхожестью 97% фазы деполяризации и реполяризации ярко выражены и имеют классический вид. Длительность фазы деполяризации составляет 2,5 секунды. У зерен пшеницы с всхожестью 94% и 93% фаза деполяризации не носит явного характера, но при этом через 7 секунд наблюдается максимальное значение ПД. Так как эти значения всхожести близки к границе в 91%, перейдя которую семена считаются некондиционными, поэтому в исследуемых партиях присутствуют некондиционные зерна, у которых нарушен или отсутствует механизм саморегуляции мембранного ионного баланса. У некондиционных зерен пшеницы с всхожестью 87% пик роста напряжения приходился на 10 сек. измерения. Тенденции к снижению ПД за время 30 сек. у зерен с всхожестью 87%о, 93%) и 94%) не наблюдалось. Зафиксированный рост напряжения объясняется тем, что наряду с ПД в поврежденных клетках возникает вариабельный потенциал (ВП) обладающий, в сравнении с ПД, большей силой и длительностью:
Исходя из полученных данных третьим отличительным признаком ПД,, характеризующим всхожесть зерна пшеницы, является наличие явной или неярко выраженной фазы деполяризации.
Четвертым отличительным признаком ПД у зерен с различной всхожестью является начальное измеренное значение ПД. У зерен с высокой всхожестью, то значение не ниже -30 мВ. У зерен пшеницы с всхожестью 97%) - -28 мВ, у зерен с всхожестью 94% - -24 мВ и у зерен с всхожестью 93% - -15 мВ. У зерен пшеницы с всхожестью 87% начальное измеренное значение ПД равно -110 мВ.
Пятым отличительным признаком является максимальное значение ПД, полученное за время измерения равное 30 сек. Зерна пшеницы с высокой всхожестью (97%), 94% и 93%) имели максимальное значение ПД равным 15 - 25 мВ. Зерна пшеницы с низкой всхожестью имели максимальное значение ПД равное 125 мВ.
Величина АЕ между начальным и максимальными значениями ПД у зерен пшеницы с высоким значением всхожести равна 25 — 45 мВ, у зерен с низкой всхожестью 235 мВ.
Шестым отличительным признаком у партии зерен с 97% всхожести является падение значения ПД на временном отрезке от нуля до двух секунд на величину 13 мВ. В партии зерен с всхожестью 87% такого падения ПД не наблюдается.
Названные признаки контроля всхожести семян пшеницы сгруппированы и отражены в таблице 3.4.
Таким образом, в результате экспериментов выделены 6 признаков ПД, по которым можно охарактеризовать всхожесть зерна. К ним относятся: продолжительность фазы нарастания, начальное и максимальное значения ПД, наличие фазы реполяризации подпорогового потенциала в первые две секунды измерений.
Измерение потенциала действия семян пшеницы
Перед началом измерений необходимо подготовить к работе разработанное средство измерения (рис. 4.2).
Установка средства измерения делится на две части:
1) Установка аппаратных средств;
2) Установка программного обеспечения для платы сбора данных JIA-50USB.
Вначале производится установка всех блоков средства измерения на рабочее место, где оно будет эксплуатироваться. К разъему на плате сбора данных подключается USB кабель. Второй конец кабеля подключается к ПК.
К разъему аналогового входа платы сбора данных подключается блок предварительного усиления и фильтрации входного сигнала с измерительными электродами. Так как источник сигнала удален на расстояние менее 1,5 м, то применяется однополюсное подключение к разъемам аналогового входа. Сигнальный провод подключается к любому из первых шестнадцати контактов (AIN 1 - AIN 16). Аналоговая земля соответствует контактам 17-20 (рис. 4.3)
Все неиспользуемые аналоговые входы заземляются. Это устранит наводку помех со стороны свободных каналов. Если их оставить незаземленными, то из-за проникания сигнала через мультиплексор на входе АЦП будет возникать дополнительный шум, ухудшающий соотношение сигнал-шум и, как следствие, приводящий к уменьшению числа эффективных разрядов для сигналов в используемых каналах.
Для обеспечения совместной работы платы сбора данных и ПК необходимо установить драйвера устройства и специальное ПО, позволяющее осуществлять сбор (программа Saver) и последующую обработку (программа Converter) полученных данных. Программное обеспечение и документация к нему содержится на входящем в состав прибора CD диске.
При помощи программы Saver осуществляется конфигурирование параметров платы сбора данных JIA-50USB и сбор входных сигналов в режиме реального времени с одновременной их записью на жесткий диск ПК.
Во вкладке «Параметры платы» выбирается драйвер для платы ЛА— 50USB и базовый адрес канала, к которому подсоединен сигнальный провод. Задание параметров платы изображены на рисунке 4.4
Во вкладке «Параметры измерений» устанавливается значение частоты дискретизации равное 300 Гц и снимаются все галочки с полей, как показано на рисунке 4.5
Последним шагом в настройке режима работы платы сбора данных является указание папки, в которую будут записываться получаемые данные, а также вариант остановки процесса измерения. В нашем случае остановка процесса сбора данных с входа платы осуществляется через 30 секунд после старта. На рисунке 4.6 показаны настройки последней вкладки.
Программа Saver каждый раз при выходе (если она была нормально закончена) сохраняет свою конфигурацию в файл Saver2.cfg. В следующий раз, при загрузке программы, она проверит наличие этого файла, и если он есть попробует считать настройки из него. В противном случае будут использованы настройки по умолчанию.
Процедура измерения ПД предварительно подготовленного зерна происходит следующим образом:
1. Предварительно подготовленное зерно устанавливается вертикально в электрод-держатель.
2. Программой Saver запускается сбор данных с аналогового входа платы сбора данных.
3. Электродом-иглой прокалывается сверху вниз одна из семядолей зерна. Электрод вводится полностью, на глубину 4 мм.
4. Сбор данных, поступающих на аналоговый вход платы, продолжается 30 сек, после чего автоматически прекращается.
5. Зерно удаляется из электрода-зажима. Электрод-игла и электрод-зажим протираются чистой бумажной салфеткой, удаляются остатки проростков, если таковые имеются.
Аналогично проводится измерение ПД у оставшихся 99 зерен контролируемой партии.
Определение всхожести семян пшеницы по характерным отличительным признакам изменения ПД
На основе полученных в результате расчетов данных строится график изменения усредненного значения ПД зерна пшеницы после низкочастотной фильтрации с доверительными интервалами в контрольных точках.
При анализе графиков изменения ПД зерен пшеницы, основываясь на выделенных в ходе экспериментальных исследований отличительных свойствах ПД зерен с различной всхожестью, делается заключение о всхожести исследуемой партии зерна пшеницы. При проведении исследования на всхожесть в весенний период (март) выделены 6 отличительных признаков, характеризующих всхожесть зерна пшеницы. Эти признаки позволяют определить семенное зерно (всхожесть 91%) и некондиционное зерно (всхожесть 91%).
Отличительными признаками изменения ПД весной являются:
1. Время фазы нарастания потенциала действия - Atl3, At23
2. Начальное значение потенциала действия - EMl min, ЕМ2 min
3. Максимальное значение потенциала действия - EMlmax,EM2maK
4. Изменение подпорогового потенциала - ЕМ1под
5. Время фазы реполяризации подпорогового потенциала— дґ12
6. Диапазон нарастания потенциала действия - АЕ1,АЕ2
На рисунке 4.8 приведены графики изменения потенциала действия для семенного (всхожесть 91%) и некондиционного (всхожесть 91%) зерна пшеницы. Отмечены отличительные признаки изменения ПД, характеризующие всхожесть.
Алгоритм контроля всхожести семян пшеницы по изменению ПД приведен на рисунке 4.9.
