Влияние воды, активированной в плазменно-растворных системах, на объекты растительного происхождения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние воды, активированной в плазменно-растворных системах, на объекты растительного происхождения

Наумова Ирина Константиновна, Субботкина Ирина Николаевна, Силкин Сергей Владимирович и Шаповалова¹ Татьяна Александровна

Кафедра химии. Ивановская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д. К. Беляева. Ул. Советская, 45. г. Иваново, 153012. Россия.

Кафедра агрохимия и земледелие. Ивановская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д. К. Беляева. Ул. Советская, 45. г. Иваново, 153012. Россия.

Аннотация

В ходе проведенных исследований обнаружено, что газоразрядная обработка воды, приводящая к ее обеззараживанию, удалению из нее органических примесей и ионов тяжелых металлов, интенсифицирует начальные этапы развития растений (всхожесть, развитие корневой системы). В случае использования обработанной плазмой воды при подготовке корнеплодов наблюдается повышение общей урожайности и качества обрабатываемых культур.

Ключевые слова: плазменно-растворная обработка, торцевой разряд, ГРА, посевной картофель, проращивание семян.

На сегодняшний день для увеличения всхожести и урожайности различных с/х культур используются в основном химические удобрения, а для их устойчивости к болезням, применяют дорогостоящие биопрепараты. Это приводит к экологическим проблемам, связанным с их использованием, ухудшению качества получаемой продукции и ее удорожанию.

Плазменно-растворные системы, используемые для модифицирования синтетических и природных полимерных материалов [1, 2], для стерилизации жидкостей и помещенных в них объектов [3, 4], удаления из нее органических примесей [5-7] могут стать решением проблемы повышения урожайности без использования экологически небезопасных и дорогостоящих реагентов. Активные частицы, инициируемые в зоне плазмы при горении разряда в растворе [8-11], активируют в нем различные химические превращения, порой радикально изменяя его исходное состояние.

Экспериментальная часть

Зажигание электрического разряда над поверхностью раствора электролита или в его объеме приводит к протеканию окислительно-восстановительных реакций в растворе. Под действием электрических разрядов в растворе происходит образование химически активных частиц. Окислительные свойства проявляют радикал OH и H₂O₂, восстановительные свойства проявляют радикал H и сольватированные электроны.

Именно наличие таких активных частиц и приводит к активированию раствора, модифицированию поверхностей, стерилизующему действию, расщеплению и окислению примесей, и изменению структуры растворов. Именно их накопление, а также действие ударной волны (в случае подводных разрядов) обуславливают уникальные свойства систем плазма-раствор.

В данной работе исследовалось действие водопроводной водой, обработанной торцевым разря-дом [12], схема ячейки представлена на рис. 1.

В настоящей работе применялся подводный торцевой разряд для воздействия на семена ржи и посевной картофель. В экспериментах использовалась непроточная плазмохимическая ячейка объемом 1 л, при этом конструкция установки предусматривала термостатирование системы. Время обработки составило 10 минут, температура обрабатываемой воды не превышала 22 ^оС. Сила тока при зажигании разряда достигает 100 мА, напряжение порядка 500 В. Величину тока напряжения можно варьировать, изменяя диаметр торца (среза трубки).

вода органический плазма корнеплод

Изучалась экспозиция всхожести семян ржи, а также анализировалась корневая система растений, пророщенных в активированной воде, по сравнению с контрольными образцами. В ходе эксперимента опытные семена помещали в чашки Петри с водопроводной водой, подвергнутой газоразрядной обработке, и проращивали при температуре 22 ^оС. Количество семян в каждой чашке составляло 50 шт., кратность повторов эксперимента составляла не менее четырех. Замена дистиллированной воды водопроводной была обусловлена ее недостаточной электрической проводимостью для зажигания торцевого разряда. В процессе проращивания семян контролировались их степень набухания, всхожесть, размер проростков и длина корней.

Полевой опыт с картофелем проводили на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве со следующими агрохимиическими показателями: гумус ? 2%, pH солевой вытяжки ? 5.5-5.8, подвижные формы фосфора (P₂O₅) ? 150-170мг/кг, обменный калий (K₂O) 50-55 мг/кг. Площадь опытной делянки составляла 5 м², общее число делянок ? 24 при шестикратном повторении опыта. Использовалось систематическое размещение делянок, при расположении вариантов последовательно в один ярус. Картофель по вариантам высеивали и собирали вручную. Урожайность определяли прямым весовым методом.

Результаты и их обсуждение

В ходе проведенных исследований было обнаружено, что предварительная 5-минутная газоразрядная активация воды, используемой для последующего проращивания семян ржи, приводит к увеличению их степени набухания и всхожести (эффект достигает 30%). Представленные результаты демонстрируют образцы после 4-х суточного замачивания.

На диаграммах 1, 2 представлены данные по всхожести и массе семян ржи, замоченных в водопроводной воде (контроль) и воде, прошедшей газоразрядную активацию (вода ГРА).

Также установлено, что такая активация воды приводит к интенсивному развитию корневой системы растений (диаграммы 3 и 4).

Полученные эффекты можно объяснить действием газоразрядной плазмы в растворе. Газовый разряд инициирует в растворе различные химические процессы. При пробое газового пузыря в районе торца образуется зона плазмы, которая порождает возникновение химически активных частиц, обладающих избыточной реакционной способностью. Рекомбинируя, эти частицы образуют достаточно долгоживущие вторичные продукты [10]. По нашим предположениям, они легко проникают сквозь клеточную мембрану и активизируют клеточные процессы, влияя тем самым на начальные этапы развития растений. Кроме того, в плазменно-растворных системах возможным действующим фактором является изменение структурных характеристик самой воды, что также может влиять на проницаемость клеточной стенки. Это приводит к более интенсивному поглощению семенами плазменно-активированной воды и интенсификации процессов гидролиза в клетке. Известно, что водопроводная вода, подвергшаяся плазменной обработке, обладает обеззараживающим и стерилизующим действием [3, 4]. Это имеет немаловажное значение в процессе проращивания семян, поскольку активированная в плазменно-растворных системах вода способствует уничтожению патогенной микрофлоры, которая может находиться на семенах.

Поскольку предварительное замачивание семян в воде, прошедшей газоразрядную обработку, существенным образом повлияло прежде всего на развитие корневой системы растений была проведена серия экспериментов по предварительному замачиванию в такой воде посевного картофеля.

Визуальные наблюдения за опытом показали, что непосредственная обработка посевного картофеля подводным торцевым разрядом приводит к вегетационному угнетению всходов. Такой результат подтвердил предварительные предположения о том, что непосредственная обработка растительного сырья разрядом губительна для мембран клеток вследствие действия ударной волны разряда.

В тоже время отмечалось бурное вегетационное развитие картофеля, замоченного в обработанной торцевым разрядом воде.

Учет урожая показал, что обработка семенного картофеля активированной водой приводит к увеличению урожая по сравнению с контролем на 26 ц/га. Общая прибавка урожайности за счет плазменной обработки составила 29%. По данным об урожае по вариантам был выполнен дисперсионный анализ, который обосновывает доказуемость роста урожая при обработке картофеля активированной водой.

Характерно, что обработка картофеля обычной водопроводной водой той же температуры, что и при действии подводного разряда, не влияет на урожай. Такие результаты доказывают, что повышение урожайности не связано с контактом картофеля перед посадкой с водной средой, а обусловлено именно действием плазменно-активированной воды. Результаты полевого опыта представлены в таблице.

Таблица 1. Урожайность и качество картофеля

Анализ корнеплодов по вариантам показал, что обработка семенного картофеля влияет не только на его урожайность, но и на качество корнеплодов. Так обработка картофеля активированной водой приводит к небольшому увеличению содержания витамина С и сахаров по сравнению с контрольным образцом. При этом содержание ионов калия и нитрат-ионов практически не меняется (таблица). Анализ проводился по стандартным методикам.

В тоже время содержание крахмала в картофеле, выращенном с использованием активированной воды, уменьшилось по сравнению с контрольными образцами. Однако такой результат можно считать положительным в случае необходимости выращивания картофеля для определенных целей (в частности, для изготовления продуктов с пониженным содержанием крахмала). Предварительная обработка посевного картофеля водопроводной водой не приводит к изменению показателей его качества в сравнении с контролем, что свидетельствует об эффективности именно газоразрядного воздействия.

Таким образом, можно констатировать, что обработка посевного картофеля водой, активированной подводным разрядом, приводит к положительному эффекту, как по урожайности, так и по качеству корнеплодов.

Было изучено влияние плазменно-активированной воды на прорастание семян ржи, а так же на урожайность и качественные показатели картофеля. Установлено, что использование активированной воды приводит к более интенсивному развитию корневой системы растений на примере проращивания семян ржи (в среднем на 40%), а так же к повышению урожайности картофеля на 29%, к увеличению содержания общих сахаров и массы сухого остатка корнеплодов, а также к уменьшению содержания крахмала.

Результаты проведенных экспериментов позволяют предположить, что использование плазменно-активированной воды способствует интенсификации биохимических процессов в клетках растений. Оптимизируя параметры разряда, можно увеличить эффективность его воздействия. Возможно плазменная обработка позволит заменить традиционную предпосевную обработку химикатами и протравителями более экологически и экономически выгодной безреагентной активацией.

Вода, обработанная подводным газовым разрядом атмосферного давления, вызывает интенсификацию процессов в растительной клетке и приводит в увеличению всхожести семян и клубней, способствует развитию корневой системы и росту урожайности сельскохозяйственных культур.

Литература

1. Максимов А.И., Никифоров А.Ю. Сопоставление возможностей плазменного и плазменно-растворного модифицирования полимерных материалов в жидкой фазе. Химия Высоких Энергий. 2007. Т.41. №6. C.513.

2. Кутепов А.М., Захаров А.Г., Максимов А.И. Вакуумно-плазменное и плазменно-растворное модифицирование полимерных материалов. М.: Наука. 2004. 496с.

3. А.И, Максимов, И.К. Наумова, А.В. Хлюстова. Стерилизация растворов подводными электрическими разрядами. Химия высоких энергий. 2012. Т.46. №3. С.259-262.

4. Бубнов А.Г., Гриневич В.И., Маслова О.Н. Очистка поверхностных сточных вод от органических соединений в плазме барьерного разряда. Журнал прикладной химии. 2006. №1. C.944.

5. Субботкина И.Н. Деструкция органических красителей различных классов в водных растворах под действием диафрагменного, торцевого разрядов и озона Автореферат дисс. к.х.н. 02.00.04 г. Иваново. 2013 (совет по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 002.106.01).

6. M. Magureanu, N.V. Mandache, V.I. Parvulescu. Degradation of organic dyes in water by electrical discharges. Plasma Chem. Plasma Process. 2007. Vol.27. P.589.

7. Luis O. De B. Benetoli, Bruno M. Cadorin, Cicero da S. Postiglione, Ivan G. de Souza, Nito A. Debacher. Effect of Temperature on Methylene Blue Decolorization in Aqueous Medium in Electrical Discharge Plasma Reactor. J. Braz. Chem. Soc. 2011. Vol. 22. No.9. P.1669.

8. T. Cserfalvi, P. Mezei. Operating mechanism of the electrolyte cathode atmospheric glow discharge. J. Anal. Bioanal. Chem. 1996. Vol.355. No.7-8. P.813.

9. Пикаев А.К., Кабакчи С.А., Макаров И.Е. Высокотемпературный радиолиз воды и водных растворов. М.: Энергоатомиздат. 1988. 133с.

10. Кузьмичева Л.А., Титова Ю.В., Максимов А.И. Генерация химически активных частиц в растворах электролитов под действием тлеющего и диафрагменного разрядов. Химия Высоких Энергий. 2007. Т.43. №2. C.20.

11. I.M. Piskarev, I.P. Ivanova, S.V. Trofimova, N.A. Aristova. Formation of active species in spark discharge and their possible use. High Energy Chemistry. 2012. Vol.46. No.5. P.343

12. A.I. Maximov. Physics, Chemistry and Applications of AC Diaphragm Discharge and Related Discharges in Electrolyte Solutions. Contrib. Plasma Phys. 2007. Vol.47. P.111.

Размещено на Allbest.ru