Disinfection of substrates for growing containerized tree seedlings

Full Text

Введение

В настоящее время в лесном хозяйстве Российской Федерации значительно возрос интерес к выращиванию сеянцев с закрытой корневой системой. Важным фактором, определяющим биометрические параметры растений в условиях ограниченного объёма корнезакрывающего субстрата, является его качество [1]. Традиционно основой субстратов для выращивания растений в контейнерах является торф, модифицированный комплексом минеральных добавок, смачивателей и разрыхлителей. Субстраты, предназначенные для выращивания растений в условиях закрытого грунта, должны обладать определёнными агрофизическими, агрохимическими и биологическими показателями. К биологическим свойствам корнезакрывающих субстратов относят отсутствие патогенных микроорганизмов [2] и семян сорной растительности [3]. В условиях контролируемого микроклимата необходимо уделять особое внимание биологическим свойствам субстратов, это поможет снизить экономические затраты на уходы и предотвратить потери сеянцев от инфекционных заболеваний. В настоящее время распространёнными способами дезинфекции корнезакрывающих субстратов является обработка водяным паром и высокими температурами [4]. Энергетически и технически данные способы обеззараживания затратные, в связи с чем в качестве альтернативы предлагается использовать потоки электромагнитной энергии сверхвысокой частоты (СВЧ). Отмечено, что дезинфицирующий эффект СВЧ-излучения связан с тепловыми [5] и электрическими явлениями [6–9]. Согласно литературным данным, СВЧ-излучения эффективны при инактивации патогенных микроорганизмов в пищевых продуктах [10], медицинских отходах [11–13], отходах животноводства [14], почве [15]. Учёные отмечают зависимость летального воздействия СВЧ-излучения на микроорганизмы от влажности, теплопроводности, диэлектрической проводимости субстрата, в котором они находятся. Исследование влияния микроволновых полей на семена сорной растительности выявили два механизма воздействия: стимулирующее [3, 16] и подавляющее [3, 17, 18]. Известно, что эффективная критическая температура для жизни патогенных организмов находится в диапазоне 40–120 ºС. В зависимости от таксономического положения и физиологического состояния летальными температурами для микроорганизмов являются 100–120 ºС [19]. В диапазоне температур 40–70 ºС погибают нематоды и яйца гельминтов [14, 20–22], семена сорных растений теряют всхожесть при температурах близких к 100 ºС [3].

Приоритетным направлением в изучении действия СВЧ-излучения при обеззараживании корнезакрывающих субстратов является определение оптимальной временной экспозиции, мощности излучения и частоты волны.

Цель работы – определить эффективный режим обеззараживания корнезакрывающего субстрата в электромагнитном поле сверхвысокой частоты.

Задачи:

• изучить зависимость изменения температуры нагрева торфа и его массы от мощности и временной экспозиции СВЧ-излучения;
• проанализировать воздействие электромагнитного поля СВЧ на жизнеспособность микроорганизмов и всхожесть семян сорной растительности в изучаемом субстрате;
• изучить влияние обеззараженного СВЧ-излучением субстрата на рост и развитие тест-объектов.

Материалы и методы исследования

Работа проходила в два этапа. Первый этап проводился в лабораториях Поволжского государственного технологического университета (ПГТУ) «Экология, биотехнологии и процессы получения экологически чистых энергоносителей» Центра коллективного пользования («ЭБЭЭ» ЦКП) и «Микробиологии». Второй этап проходил в малом тепличном комплексе на территории Ботанического сада-института ПГТУ. В работе использовался низинный торф «Альцевского торфопредприятия» с массовой долей воды 18 %, кислотностью (рНKCl) 5,3 и общей плотностью 0,324 г/см³.

На лабораторном этапе эксперимента в образцы торфа массой 190 г вносили семена сорной растительности в количестве 100 штук каждого вида. Данная навеска для дальнейшего облучения помещалась в пластиковый контейнер, толщина слоя, обрабатываемого СВЧ-излучением, составляла 3 см. В исследовании использовали семена травянистых и древесных сорных растений:

Echinochloa crus-galli (L.) Beauv. (ежовник обыкновенный) – однолетнее травянистое растение семейства Poaceae, класса Liliopsida;

Chenopodium album L. (марь белая) – однолетнее травянистое растение семейства Chenopodiaceae, класса Magnoliopsida;

Betula pendula Roth (берёза повислая) – древесное растение семейства Betulaceae, класса Magnoliopsida.

В качестве источника электромагнитного поля СВЧ использовался бытовой магнетрон с регулируемым уровнем выходной мощности и частотой излучения 2 450 МГц. В работе было проанализировано воздействие СВЧ-излучения при мощностях 100; 200; 300; 450; 600; 700; 800 Вт. Каждый режим мощности испытывался в следующих временных экспозициях: 0,5; 1; 2; 4; 6; 8; 10 мин. Контролем был торф без обработки СВЧ-излучением.

Изучение динамики температуры торфа при облучении проводили с использованием цифрового термометра REXANT RX-512. Для оценки изменения массы торфа производили взвешивание образцов до и после воздействия СВЧ-облучения.

Влияние ЭМП СВЧ на численность микроорганизмов в торфе оценивали методом подсчёта колониеобразующих единиц (КОЕ) [23].

Действие СВЧ-излучения на семена сорной растительности в составе воздушно-сухой навески торфа проводили с помощью учёта всхожести семян согласно ГОСТ 13056.6-97 «Межгосударственный стандарт. Семена деревьев и кустарников. Метод определения всхожести» и ГОСТ 12038-84 «Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести».

На втором этапе исследований оценивалось влияние торфа, прошедшего обеззараживание СВЧ-излучением, на рост и развитие сеянцев ели европейской (Picea abies (L.) H.Karst.) и сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.). Семена сосны обыкновенной и ели европейской перед экспериментом прошли стратификацию и предпосевную обработку фунгицидами и были посеяны 27.05.2022 года в контейнеры «Plantek 81F» с объёмом ячейки 85 см³. В конце вегетационного периода фиксировали биометрические и весовые показатели сеянцев, а также рассчитывали сохранность сеянцев относительно количества всходов. В условиях закрытого грунта в исследуемом торфе изучался видовой состав сорной растительности и динамика всхожести семян сорных растений. В качестве контроля на втором этапе исследований использовали торф без воздействия СВЧ-излучения и торф после обеззараживания паром под давлением в автоклаве.

Материалы исследования обработаны методами описательной статистики, регрессионного и дисперсионного анализа с использованием прикладной программы Statistika 6 и Microsoft Excel на уровне надёжности 95 %.

Результаты и обсуждение

Для изучения зависимости изменения температуры нагрева торфа от режима СВЧ-излучения был проведён регрессионный анализ. Анализ показал, что интенсивность нагрева торфа зависит от мощности излучения и временной экспозиции. Динамика зависимости описывается функцией $y=a\cdot (1-\exp (-c\cdot {\left(x\right)}^b)+m$. Эффективные температуры разогрева в 100–120 ºС отмечались при мощностях 600–800 Вт с длительностью обработки в диапазоне 8–10 минут, а также при 450 Вт с десятиминутным облучением (рис. 1). Температуры, близкие к эффективным (90–100 ºС), фиксировались во всех режимах мощности, при этом минимальному значению мощности соответствовала длительная временная экспозиция. Выявлено, что максимальная скорость разогрева торфа происходит в первые 30 секунд от начала облучения, независимо от режима мощности. Скорость разогрева торфа стабилизируется после 6 минуты нагрева.

 

Рис. 1. Зависимость температуры нагрева торфа от мощности СВЧ-излучения и продолжительности облучения (А – мощность 100 Вт, Б – мощность 200 Вт, В – мощность 300 Вт, Г – мощность 450 Вт, Д – мощность 600 Вт, Е – мощность 700 Вт, Ж – мощность 800 Вт)

Fig. 1. Dependence of the peat heating temperature on the power and duration of microwave irradiation (A – power of 100 W, B – power of 200 W, C – power of 300 W, D – power of 450 W, E – power of 600 W, F – power of 700 W, G – power of 800 W)

 

Разогрев торфа в ЭМП СВЧ связан с присутствием в его составе дипольных молекул воды. Под действием СВЧ-поля происходит переориентация дипольных молекул воды за счёт колебательных и вращательных движений. В переменном электрическом поле молекулы воды находятся в постоянном движении. Эти движения приводят к возникновению между дипольными молекулами силы трения, в результате чего выделяется тепло [5]. Чем больше молекул воды находится в торфе, тем больше выделяется тепловой энергии. В процессе образования тепловой энергии происходит испарение воды. Важным агрофизическим параметром корнезакрывающих субстратов является содержание доступной для растений воды. В связи с чем был проведён регрессионный анализ, который позволил выявить зависимость изменения массы торфа от мощности СВЧ-излучения и времени его воздействия. Установлено, что интенсивность снижения массы торфа в процессе СВЧ-обеззараживания описывается функцией

$y=a\cdot (1-\exp {(-c\cdot x)}^b)$,

где x – разница между первоначальной массой образца торфа и его массой после обработки СВЧ-излучением. Выявленные закономерности показывают, что минимальные потери массы наблюдаются при режимах мощности от 300–450 Вт при экспозиции 10 минут, при этом соблюдается необходимый для обеззараживания температурный режим (рис. 2). Проведённый анализ потребления электроэнергии в изучаемых режимах СВЧ-обеззараживания показал минимальные затраты энергии при обеззараживании в течение 10 минут при мощности СВЧ-излучения 300 Вт.

 

Рис. 2. Зависимость потери массы торфа от мощности излучения и продолжительности обработки (А – мощность 100 Вт, Б – мощность 200 Вт, В – мощность 300 Вт, Г – мощность 450 Вт, Д – мощность 600 Вт, Е – мощность 700 Вт, Ж – мощность 800 Вт)

Fig. 2. Dependence of the peat mass loss on the power and duration of the microwave radiation treatment (A – power of 100 W, B – power of 200 W, C – power of 300 W, D – power of 450 W, E – power of 600 W, F – power of 700 W, G – power of 800 W)

 

Результаты исследования зависимости температуры разогрева торфа от потери массы при СВЧ-излучении показали, что максимальное количество молекул воды подвергается воздействию СВЧ-энергии в первые минуты. Количество вовлечённых в движение молекул зависит от мощности излучения. Постепенно скорость повышения температуры торфа падает, при этом потери воды повышаются, следовательно, спад скорости нагрева связан со снижением в торфе количества основного поглотителя СВЧ-излучения (воды), в связи с чем целесообразно продолжить эксперименты по СВЧ-обеззараживанию торфа с разными долями воды в его составе.

Изучение воздействия СВЧ-полей на бактерии и микроскопические грибы (рис. 3) выявило подавляющее и стимулирующее действие излучения. Эффективное подавление микроорганизмов отмечалось при мощности излучения в диапазоне 300–450 Вт и временной экспозиции для грибов 6–10 минут, для бактерий – 8–10 минут.

Отсутствие жизнеспособных микроорганизмов в торфе отмечалось при режимах облучения мощностью 600 Вт (8–10 минут) и 700–800 Вт (4–10 минут). Среди эффективных режимов обработки наименьшие затраты электроэнергии отмечались при десятиминутном облучении мощностью 300 Вт. Для этого режима была характерна минимальная потеря воды (18,6 %). Излучение мощностью 300 Вт стимулировало размножение грибов, при временной экспозиции облучения 2–4 минуты, а бактерий при воздействии СВЧ-поля в течение 2–6 минут. Активация процесса размножения у грибов наблюдалась при одноминутном воздействии СВЧ-излучения мощностью 600 Вт и в течение двух минут при мощности 700 Вт. Увеличение численности КОЕ микроорганизмов в торфе, при воздействии СВЧ-излучений, может быть связано с активацией прорастания спор, находящихся в состоянии покоя.

Оценка взаимосвязи количества колониеобразующих единиц микроорганизмов при различных режимах стерилизации торфа СВЧ-излучением и потери массовой доли воды, связанной с воздействием СВЧ, показала наличие умеренных и сильных корреляционных связей (табл. 1). При повышении мощности СВЧ-излучения увеличивается потеря воды в торфе и снижается число КОЕ микроорганизмов. Наибольшее влияние на снижение численности микроорганизмов оказывали мощности излучения в диапазоне 400…800 Вт (-0,70…-0,82).

Анализ результатов эксперимента по влиянию режимов СВЧ-излучения на всхожесть семян сорных растений в лабораторных условиях показал низкий процент всхожести семян Betula pendula Roth (1,4 %) и Echinochloa crus-galli (L.) Beauv (8,5 %) (рис. 4).

 

Рис. 3. Количественный анализ микроскопических грибов (А) и бактерий (Б) в торфе после обработки СВЧ-излучением

Fig. 3. Quantitative analysis of microscopic fungi (A) and bacteria (B) in peat after microwave radiation treatment

 

Таблица 1. Коэффициенты корреляции при оценке взаимосвязи количества КОЕ микроорганизмов и массовой доли потери воды в торфе при СВЧ-облучении

Table 1. Correlation coefficients for estimating the relationship between the number of CFUs of microorganisms and the mass fraction of water loss in peat during microwave irradiation

Микроорганизмы	Мощность СВЧ-излучения
	100 Вт	200 Вт	300 Вт	450 Вт	600 Вт	700 Вт	800 Вт
Бактерии	0,57	0,07	-0,31	-0,73	-0,73	-0,75	-0,72
Грибы	0,62	0,31	-0,58	-0,82	-0,72	-0,76	-0,70

 

Рис. 4. Всхожесть семян сорных растений в зависимости от режимов облучения

Fig. 4. Germination capacity of weed seeds depending on irradiation modes

 

Всхожесть семян Chenopodium album L. составила 54 %. Ингибирующее действие исследуемых режимов ЭМИ СВЧ относительно контрольной группы наблюдалось у мари белой. Полное отсутствие всходов отмечалось при мощности излучения в диапазоне 200–450 Вт и продолжительности воздействия СВЧ от 4–8 минут, а также при 600 Вт (1–8 минут), 700 и 800 Вт. Для семян берёзы повислой были отмечены режимы, стимулирующие прорастание семян: при мощности 100 Вт и временно́й экспозиции 30 сек., 2 мин., 6 мин.; при 200 Вт – 1 мин.; при 700 Вт – 30 сек., 1 мин.; 800 Вт – 30 сек. Потеря всхожести семян берёзы наблюдалась при мощности СВЧ-излучения 300; 600; 700; 800 Вт, начиная с двух минут воздействия. Режимы обработки мощностью 100 Вт (30 сек., 4–6 мин.), 300 Вт (2 мин.), 450 Вт (30 сек.), 600 Вт (30–60 сек.) повышали естественную всхожесть семян ежовника обыкновенного. В остальных режимах прорастание семян не наблюдалось. Анализ стимулирующих режимов СВЧ-обработки для семян сорных растений выявил эффективные температуры для прорастания семян берёзы и ежовника, они находились в диапазоне 28–80 °С. Таким образом, минимальным эффективным режимом СВЧ-облучения также можно считать 300 Вт при десятиминутной экспозиции.

Второй этап исследований влияния СВЧ-излучения на всхожесть семян сорной растительности проходил в теплице арочного типа с поликарбонатным покрытием и автоматической системой полива. На этом этапе изучалась засорённость исследованного торфа семенами сорной растительности и динамика всхожести сорных семян. В эксперименте использовали торф, обработанный при мощности СВЧ-излучения 800 Вт продолжительностью 6 мин.; торф, обработанный в автоклаве при режиме +120 °С, давление 1,1 атмосфер, длительностью 60 мин., в качестве контроля использовали торф, не подвергшийся обеззараживанию. Видовой состав, количество проросших семян сорных растений и плотность засорённости торфа при разных способах обеззараживания представлен на рис. 5. Анализ видового состава сорных растений выявил пять видов: крестовник обыкновенный (Senecio vulgaris L.), берёза повислая (Betula pendula Roth), ежовник обыкновенный (Echinochloa crusgalli (L.) Beauv), марь белая (Chenopodium album L.), горец почечуйный (Persicaria maculosa S.F. Gray). Первые всходы сорной растительности в контейнерах с посевами сосны обыкновенной и ели европейской появились на 15 день, наблюдения за всходами сорной растительности продолжались в течение 22 дней.

Плотность засорённости торфа жизнеспособными семенами сорных растений до обеззараживания составляла 0,68 шт/см³, после воздействия СВЧ-излучения показатели засорённости снизились до 0,46 шт/см³, обработка торфа автоклавом стимулировала прорастание сорных семян, количество жизнеспособных семян со всходами увеличилось до 1,14 шт/см³.

Видовой состав прорастающих семян сорной растительности после обеззараживания СВЧ-излучением сократился до S. vulgaris (85 %) и C. album (15 %). Автоклавирование стимулировало ростовые процессы семян B. pendula (19 %), ранее не прораставших в контрольных образцах. Семена S. vulgaris (72 %) и C. album (9 %) также давали жизнеспособные всходы. Таким образом, применение СВЧ-излучения эффективно снижает плотность жизнеспособных семян сорной растительности в торфе.

Пик гибели сеянцев сосны и ели от инфекционных болезней приходился на 35 день после посева. Количественная оценка погибших от инфекции сеянцев сосны и ели (рис. 6) показала, что обеззараживание ЭМП СВЧ снижает процент гибели от инфекционных заболеваний сеянцев сосны почти в 4 раза. В торфе, после автоклавирования, сократилось количество инфицированных сеянцев сосны в 9 раз. Существенных различий потери сеянцев ели от инфекционных заболеваний не установлено.

На втором этапе исследований проводилась оценка влияния торфа, обеззараженного СВЧ-излучением, на биометрические параметры сеянцев (табл. 2, 3).

 

Рис. 5. Видовой состав сорной растительности в торфе

Fig. 5. Species composition of the weed vegetation in peat

 

Рис. 6. Количество сеянцев, погибших от инфекционных заболеваний: А – P. sylvestri, Б – P. abies

Fig. 6. Number of seedlings that died from infectious diseases: A – P. sylvestris, B – P. abies

 

Таблица 2. Посевные качества семян, биометрические и весовые показатели сеянцев сосны обыкновенной, выращенной на торфе с разными вариантами обеззараживания

Table 2. The sowing qualities of seeds and the biometric and weight indicators of seedlings of Scots pine trees that were grown on peat subjected to different disinfection options

Вариант обеззараживания	Высота стволика, см	Длина корня, см	Диаметр корневой шейки, мм	Всхожесть, %	Энергия прорастания, %	Сохранность, %	Масса 100 растений, г
							надземной части	корней
Контроль	5,1±0,11	10,6±0,39	1,0±0,02	51,0	28,8	78,3	13,2±1,08	6,3±0,23
СВЧ	6,1±0,17	10,5±0,34	1,1±0,03	72,4	34,6	92,6	19,9±1,68	8,9±0,67
Автоклав	6,0±0,15	9,3±0,34	1,0±0,03	57,6	58,0	94,5	16,2±0,59	7,4±0,53
НСР05	*	*	*	*	*	*	3,1	1,8
Fрасч.	3,3	0,6	0,2	2,2	4,9	1,1	8,8	6,2
Fтабл.	5,1
Доля влияния фактора, %	52,3	16,8	5,2	41,8	62,2	26,1	75,0	67,3

Примечание: * – различие на 5 % уровне значимости не существенно (F_расч.<F_табл.).

 

Таблица 3. Биометрические показатели и посевные качества семян ели европейской, выращенной на торфе с разными вариантами обеззараживания

Table 3. The biometric indicators and the sowing qualities of seeds of Norway spruce trees grown on peat subjected to different disinfection options

Вариант обеззараживания	Высота стволика, см	Диаметр стволика у корневой шейки, мм	Кол-во боковых побегов, шт.	Всхожесть, %	Энергия прорастания, %	Сохранность, %
Контроль	2,1±0,09	0,7±0,03	1,2±0,03	42,8	18,1	87,7
СВЧ	3,2±0,87	1,1±0,02	1,2±0,09	31,3	5,3	88,2
Автоклав	3,8±0,10	0,9±0,09	1,2±0,02	60,9	30,9	92,6
НСР05	*	0,26	*	*	16,61	21,7
Fрасч.	1,54	5,99	0,51	2,26	7,08	0,19
Fтабл.	5,14
Доля влияния фактора, %	33,9	66,6	16,9	42,9	70,3	58,9

Примечание: * – различие на 5% уровне значимости не существенно (F_расч.<F_табл.).

 

Дисперсионный анализ не показал достоверных различий между линейными показателями сеянцев и посевными качествами семян, выращенных на субстратах с разными способами обеззараживания. Зато средние показатели массы надземной части и массы корневой системы сеянцев сосны, выращенных на торфе, обработанном ЭМП СВЧ, достоверно были выше, чем в контрольном варианте и при обеззараживании паром в автоклаве.

Дисперсионный анализ биометрических показателей сеянцев ели европейской (табл. 3), выращенных на торфе с разными вариантами обеззараживания, выявил достоверно высокие показатели диаметра стволиков у корневой шейки в варианте обеззараживания СВЧ-излучением (F_расч.=5,99 ˃ F_табл.=5,14). Энергия прорастания семян в варианте с СВЧ-обработкой торфа была достоверно ниже по сравнению с контролем и обработкой в автоклаве.

Выводы

1. Эффективные режимы обеззараживания торфа в электромагнитном поле сверхвысокой частоты, при которых температура разогрева торфа приближалась к 100 °С, достигались при мощности излучения 700–800 Вт и продолжительности облучения 10 мин.
2. Оптимальным режимом стерилизации торфа СВЧ-излучением являлась мощность 300 Вт и временна́я экспозиция облучения 10 мин.
3. Определены режимы СВЧ-излучения, ингибирующие и стимулирующие прорастание часто встречаемых в торфе семян сорных растений. Полученные данные могут быть использованы при подборе стратегии борьбы с сорной растительностью.
4. Обеззараживание торфа СВЧ-излучением не влияло на линейные параметры сеянцев сосны обыкновенной и ели европейской. Положительное влияние обеззараживания торфа СВЧ-излучением отмечалось на биомассу сеянцев P. sylvestris и диаметр стволиков у корневой шейки сеянцев P. abies.

About the authors

Dmitry I. Mukhortov

Volga State University of Technology

Author for correspondence.
Email: MuhortovDI@volgatech.net
ORCID iD: 0000-0002-0859-4224
SPIN-code: 7646-2846

Doctor of Agricultural Sciences, Associate Professor and Head of the Chair of Forest Plantations, Selection, and Biotechnology

Russian Federation, 3, Lenin Sq., Yoshkar-Ola, 424000

Maria A. Okach

Volga State University of Technology

Email: MuhortovDI@volgatech.net
ORCID iD: 0000-0001-7147-1676
SPIN-code: 2097-0501

Postgraduate student at the Chair of Forest Plantations, Selection, and Biotechnology

Russian Federation, 3, Lenin Sq., Yoshkar-Ola, 424000

Nikita D. Mayorov

Volga State University of Technology

Email: MuhortovDI@volgatech.net
SPIN-code: 6668-0698

Postgraduate student at the Chair of Forest Plantations, Selection, and Biotechnology

Russian Federation, 3, Lenin Sq., Yoshkar-Ola, 424000

References

Supplementary files