Комбинированная технология и результаты озонообработки семян

К эффективным способам улучшения качества посевного материала относится воздействие на семена физическими факторами, обеспечивающими экологическую чистоту производства продукции растениеводства. К числу таких факторов относится предпосевная обработка семян озоном [1,2].

Основной механизм получения озона связан с синтезом его из кислорода или воздуха в неравновесном газовом разряде атмосферного давления [3]. Создаваемые генераторы озона – озонаторы должны отличаться простотой эксплуатации, надежностью работы, низким энергопотреблением.

I

Оптимизация озонообработки семян требует расширения номенклатуры создаваемых озонаторов и совершенствования технологии их применения. На рис. 1 и 2 приведены примеры ранее разработанных в СГАУ электроразрядных устройств для обработки семян [4,5].

Рис. 1. Устройство для предпосевной обработки семян: 1-источник высокого напряжения; 2-рама; 3-бункер; 4-плита – изолятор; 5-высоковольтный электрод; 6-защитный кожух; 7-лента; 8-металлизация; 9,10-барабанные шкивы; 11-опора; 12-валки; 13-заземленный электрод; sос - плотность зарядов на семенах; sком - плотность поляризационных зарядов; Eпол - напряженность поля в диэлектрике

 

Введение в конструкцию данных устройств подвижных электродов – роторов с диэлектрическим покрытием приводит к возможности применения для обработки семян барьерной короны постоянного тока [6] и однородного поверхностного разряда[7], характеризующихся широким  регулированием производительности озона в зависимости от уровня напряжения на электродах и скорости вращения ротора. Для стационарных электродов возможно применение незавершенного поверхностного разряда, возбуждаемого от высоковольтного источника знакопеременного напряжения с частотой 1-10кГц [8].

Рис. 2. Лабораторная модель установки для обработки семян в газовом разряде:              1-электроразрядный генератор с двумя парами движущихся электродов; 2-дисковый подвижный электрод-платформа для семян

Новый ряд созданных в СГАУ типов озонаторов определил задачу их апробационных испытаний. В данной работе приведены результаты применения нескольких типов созданных озонаторов для развития технологии обработки семян. Исследования были выполнены весной 2009 г. совместно с кафедрой экологии и растениеводства Самарского государственного университета (науч. сотр. Ю.В. Макарова).

 

Лабораторные опыты по обработке семян озоном

 

1. Предварительная подготовка семян к обработке

В качестве объектов модельного исследования были использованы семена растения огурца обыкновенного (сорт «Изящный») и овса посевного (сорт неизвестен). Семена огурца и овса были собраны в 2008 году. Определялось влияние озонообработки семян на их посевные показатели.

Подготовка семян к обработке состояла в ранжировании их по величине, что уже на предварительном этапе позволяло получить относительно однородный по морфологии и содержанию запасаемых питательных веществ материал, а значит, впоследствии значительно точнее оценить степень влияния озонирования на растения. В частности, в ходе первичного осмотра пакетированных семян огурца была выявлена их размерная и качественная неоднородность. Предлагаемый производителем материал был поделен на 4 категории:

1.      крупные семена (размер семени 0,90-0,95см, доля от общего количества семян 32,77%);

2.      средние семена (размер семени 0,70-0,80см, доля от общего количества семян 47,91%);

3.      мелкие семена (размер семени 0,50-0,65см, доля от общего количества семян 7,56%);

4.      брак (раздавленные и битые семена, доля от общего количества семян 11,76%).

Сходный разбор семян по фракциям был произведен в отношении овса:

1.      крупные семена (размер семени 1,50-1,70см, доля от общего количества семян 11,22%);

2.      средние семена (размер семени 1,30-1,40см, доля от общего количества семян 51,21%);

3.      мелкие семена (размер семени 0,60-1,20см, доля от общего количества семян 33,48%);

4.      брак и сор (битые и пораженные грибными инфекциями семена овса, семена других растений, сор, доля от общего количества семян 4,09%).

Для эксперимента нами были взяты семена огурца и овса средней величины (0,70-0,80см и 1,30-1,40см соответственно), как наиболее многочисленные среди представленных размерных фракций.

 

2. Комбинированная технология обработки семян озоном

 

В первой серии опытов для озонообработки применялся специально разработанный и изготовленный озоногенератор на основе незавершенного поверхностного разряда с рабочей камерой кольцевого типа. Одним из достоинств данного вида разряда является возможность формирования потока озоновоздушной смеси, что в ряде случаев исключает необходимость применения вентилятора. Кроме этого для измерения концентрации озона на выходе из рабочей камеры генераторов был разработан и создан спектрофотометрический стенд [9].

В результате проведенных измерений было показано, что озоногенератор с рабочей камеры кольцевого типа обеспечивал на выходе концентрацию озона »16,1 мг/м³ . При площади выходного сечения рабочей камеры S=6 х 10^{-3 м2} и характерной скорости генерируемого потока V~0,1 м/с производительность установки по озону составляла G=S×V×=34,8 мг/ч .

Согласно [1,2] величина отклика семян на озонообработку зависит от концентрации озона, времени обработки и сорта зерновой культуры. Для применявшегося там метода обработки бурта яровой пшеницы продувкой оптимальная концентрация озона находилась в диапазоне от 50 мг/м³ до 500 мг/м³. При этом было показано, что при концентрации озона 5 мг/м³ эффект воздействия на семена пшеницы практически отсутствовал.

Так как в нашем случае концентрация озона лишь незначительно превышала минимально допустимый уровень для озонообработки, то в данной работе ставилась задача поиска комбинированной технологии обработки, состоящей по крайней мере из двух способов воздействия озона на семена.

На первом этапе отобранные семена были подвергнуты воздействию озоно-воздушным потоком. Время воздействия составило 2, 4, 6, и 8 минут. В контрольном варианте семена не обрабатывались озоном.

Обработка семян производилась в созданной на основе озонатора кольцевого типа 1 экспериментальной установке (рис. 3).

Семена помещались в один слой на поверхности плоской металлической сетки, лежащей на краях полиэтиленовой тарелки 2, которая, в свою очередь, устанавливалась на подвижном диске 3 устройства 4. В процессе обработки скорость вращения диска составляла 33 об/мин. Металлическая сетка с семенами находилась на малом расстоянии (15 – 20 мм) от нижнего края корпуса кольцевой рабочей камеры озонатора для реализации процесса продувания семян генерируемым озоно-воздушным потоком. За счет вращения сетки с семенами создавались условия для однородности обработки семян в потоке с озоном.

3

21

1

41

Рис. 3. Общий вид экспериментальной установки:1-рабочая камера озоногенератора; 2-полиэтиленовая тарелка; 3-подвижный диск; 4-электропривод

За этапом сухого протравливания семян проводилась их обработка в озонированной дистиллированной воде. Время обработки воды было сходно со временем обработки семян в воздухе. Для обработки дистиллированной воды был применен озонатор роторного типа с барьерной короной постоянного тока (рис.4).

В рабочей камере озонатора высоковольтные электроды ножевого типа устанавливались на поверхности диэлектрического ротора и имели рабочий зазор с внутренней образующей цилиндрического корпуса. Разряд возбуждался от источника постоянного напряжения отрицательной полярности. Прокачка воздуха через рабочую камеру осуществлялась за счет совмещения ротора с крыльчаткой вентилятора.

Рис. 4. Схема установки для обработки дистиллированной воды озоном методом барботирования:1-вентиль; 2-ротаметр; 3-электродвигатель; 4-рабочая камера озонатора; 5-шланг полимерный; 6-стеклянная трубка; 7-крышка с центральным и боковыми отверстиями; 8-сосуд с обрабатываемой жидкостью; 9-источник высокого напряжения;               Р-разрядник с наконечником

К числу основных, непосредственно доступных для анализа на ранних стадиях развития растительных организмов показателей относятся энергия прорастания семян и их всхожесть [10]. Энергия прорастания показывает быстроту и дружность появления нормальных проростков (развивающих здоровые корни длиной не менее длины семени), а всхожесть – число нормально проросших и наклюнувшихся семян (корни имеют меньшую длину, чем длина самого семени) за срок, установленный для каждой конкретной культуры согласно ГОСТ.

Для определения энергии прорастания и всхожести на каждый вариант опыта от каждой экспериментальной культуры отбирали по 50 семян. Проращивание проводили на увлажненной фильтровальной бумаге, уложенной на дно чашек Петри. Чашки Петри устанавливали в термостат с постоянно поддерживаемой в течение всего срока эксперимента температурой 22^оС. По истечении указанного срока осуществляли подсчет проросших и проросших/наклюнувшихся семян. Отметим, что согласно ГОСТ 12038-84 [11] контрольными для определения энергии прорастания у огурца являются 3-и, а всхожести –         7-е сутки. Те же показатели для овса – 4-е и 7-е сутки соответственно. Освещение для прорастающих семян не требуется. Принципиальным моментом эксперимента было проращивание семян на фильтровальной бумаге, смоченной в обработанной озоном (барботированием) дистиллированной воде. Время обработки воды было сходно со временем обработки семян и составляло 2, 4, 6, и 8 минут. Для обработки дистиллированной воды был применен озонатор роторного типа с униполярным барьерным разрядом [12].

В итоге нами была произведена оценка влияния озонирования на посевные качества семян в следующих вариантах обработки:

1.                 Контроль (семена и вода не обработаны);

2.                 2 мин. (семена и вода обработаны по 2 минуты);

3.                 4 мин. (семена и вода обработаны по 4 минуты);

4.                 6 мин. (семена и вода обработаны по 6 минуты);

5.                 8 мин. (семена и вода обработаны по 8 минуты).

 

3. Анализ результатов первой серии опытов

по обработки семян озоном

 

Полученные результаты обработки семян озоном в рассмотренной серии опытов представлены в виде диаграмм (рис.5а,б). Из рис.5а видно, что предложенный режим обработки озоном зерновок и воды для их замачивания отодвигают временные сроки прорастания  овса. Однако, сила угнетающего воздействия озона существенно снижается от наименьшего времени воздействия (2 мин.) к наибольшему (8 мин.).

                                                  а)                                                                            б)

Рис.5а,б. Влияние продолжительности озонирования на энергию прорастания и всхожесть: а – овса; б -  огурца (вариант с обработкой воды и посевного материала).

Диаграмма на рис.5б. показывает, что в отличие от овса, озонирование положительно влияет на большинство ростовых параметров огурца.

Прежде всего до 22,2% увеличивается энергия прорастания семян, и до 15,8% растет их всхожесть.

Как и для овса, 8-ми минутное воздействие фактора, как правило, благоприятнее для роста и развития растения, чем меньшая его продолжительность.

Столь кардинально выраженные различия в характере и степени воздействия озонирования на овес и огурец могут быть объяснены индивидуальными особенностями развития этих культур, а также принадлежностью к разным систематическим классам – однодольным и двудольным соответственно.

Тем не менее, выполненный этап исследований показывает перспективность разработки комбинированных технологий озонообработки семян, открывающих путь для применения озонаторов с малой концентрацией озона на выходе. При этом существенно снижается роль опасных факторов, сопутствующих мощным озоногенераторам. Также повышается доступность применения озонообработки в условиях малых частных хозяйств.

Главная положительная сторона озонообработки – снижение роли ставших традиционными химических протравителей и стимуляторов роста растений.

 

Литература:

1.       Шестерин И.В. Влияние озона и протравителей на посевные качества и оздоровление яровой пшеницы: Автореф. дисс. … к-та сельхоз. наук. Саратов: НИИСХ Юго-Востока, 2004. – 24с.

2.       Белоусов В.И. Повышение посевных, урожайных свойств семян и снижение токсичности зерна гречихи: Автореф. дисс. … к-та сельхоз. наук. Ставрополь: СтГАУ, 2005. – 22с.

3.       Филиппов Ю.В., Вобликова В.А. Пантелеев В.И. Электросинтез озона.-М.: МГУ, 1987. – 237с.

4.       А.с. № 1727603 СССР, МКИ А01С1/00. Устройство для предпосевной обработки семян / О.А. Журавлев, В.П. Шимаров. Опубл. 23.04.92., Бюл. № 15.

5.       Патент № 2034778 RU, МКИ С01 В13/11. Плазмохимический генератор роторного типа/ О.А. Журавлев.Опубл. 10.05.95., Бюл. №13.

6.       Патент № 2030046. Н01S3/0977 Устройство возбуждения объемного разряда в плотных газах / О.А. Журавлев. Опубл 28.02.95. Бюл. № 6.

7.       Патент № 2106049 Устройство возбуждения однородного поверхностного разряда в плотных газах/ О.А. Журавлев. Опубл 27.02.98. Бюл.№6.

8.       Шорин В.П., Журавлев О.А., Федосов А.И., Марков В.П. Процессы формирования скользящего разряда на диэлектрических подложках с потенциальным барьером.- М.: Изд. «Логос», 2000. – 152 с.

9.       Установка для измерения концентрации озона / О.А. Журавлев, Л.П. Муркин, А.В. Ивченко и др. // Тез. докладов междун. н. – т. конференции, посвященной памяти академика Н.Д. Кузнецова, Самара: СГАУ, 2001, Ч.1.-С.58-59

10.   Кавеленова, Л.М. Лабораторный практикум по курсу «Почвоведение с основами растениеводства»: Учебное пособие / Л.М. Кавеленова, О.В. Бадонова. Самара: Издательство «Самарский университет», 2000. 60с.

11.   ГОСТ 12038-84. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. http://gostbd.ru/c_002.015.000.009-GOST-12038-84.html.

12.   Патент № 2105438 МКИ С01 В13/11. Плазмохимический генератор с самопрокачкой газа/ О.А.Журавлев, В.П. Марков. Опубл. 20.02.98. Бюл. №5.