Широкодиапазонный оптико-акустический газоанализатор для контроля жизнедеятельности семян в условиях длительного хранения

1.

Актуальность темы

.

Во многих областях хозяйственной деятельности большое значение стали придавать системам долговременного хранения. Возрастает интерес к таким системам у селекционеров, и не только потому, что они дешевы и сберегают труд при сохранении генотипов, которые в данный момент не используются, но и потому, что часто бывает трудно сохранить генетическую чистоту культурного сорта путем непрерывного размножения. Такая система может быть продемонстрирована, на пример, в Японии, где в 1959 г. была предложена Генеральной ассамблее рисоводов всеобъемлющая система селекции риса, основанная на долговременном хранении семян. Главные черты этой системы положены в основу японской государственной системы селекции риса, которая была принята в 1965 г. [10].

Многие селекционеры озабочены тем, что ряд сортов, широко распространенных в начале текущего столетия, в настоящее время совершенно исчез, хотя они могли содержать гены или комбинации генов, представляющие ценность для некоторых современных или будущих селекционных программ. Исключительная важность этой проблемы привела к организации нескольких национальных лабораторий по хранению семян. Из них наиболее известны лаборатории, созданные в США и Японии. Во многих научных центрах, например в Великобритании на Уэльской селекционной станции в Аберистуите и на научно-исследовательской станции Комиссии по лесоводству в Фарнборо, хранятся богатые специализированные коллекции семян. Можно перечислить ряд других, уже организованных или только организуемых лабораторий [9], [10], но многие из них не имеют хранилищ и оборудования для долговременного хранения. Как подчеркивают биологи Френкель и.

Беннет [9], «следует напомнить, что первоклассных лабораторий по хранению семян мало, и они предназначены для выполнения государственных заданий или специальных работ. В результате некоторые наиболее ценные мировые коллекции содержатся в условиях, не отвечающих требованиям хранения, и поэтому их приходится через каждые несколько лет пересевать, в связи с чем они подвергаются процессу „генетической эрозии“.- потери, вызываемые несовершенным хранением, также могут вызывать серьезную тревогу». Кроме того, в настоящее время признано, что, помимо утраты недавно выведенных сортов, существует значительно более серьезная угроза потери генетического материала из природных центров генетического разнообразия. Она возникла вследствие распространения современных методов селекции, которые быстро приводят к сужению генетической основы культурных сортов, и усугубляется в результате усовершенствования технологии сельского хозяйства (внесение удобрений, мероприятия по защите растений, орошение и т. д.). В настоящее время стало возможно и даже желательно использовать один и тот же сорт на больших площадях. Подобные методы быстро распространяются теперь и в страны, расположенные в более низких широтах, где находятся многие генные центры.

В связи с возрастающим беспокойством, которое вызывают эти усовершенствования, в рамках Международной Биологической Программы (МБП) при ее создании в 1964 г. была организована подкомиссия по изучению способов и средств сбора и хранения растительных генетических ресурсов, которым во многих центрах разнообразия угрожало развитие сельского хозяйства. В 1961 г. Отделение растениеводства и защиты растений при Организации Объединенных Наций по вопросам продовольствия и сельского хозяйства (ФАО) организовало специальное совещание, на котором рассматривался тот же вопрос. Это привело к созыву в 1967 г. второй конференции, явившейся результатом сотрудничества ФАО, МБП и Международного совета научных обществ. Но правила хранения семян, являющиеся неотъемлемой частью сохранения генетических ресурсов, поняты и усвоены недостаточно хорошо и требуют уточнения и усовершенствования. Кроме того, существующие хранилища для семян не отвечают растущим потребностям сохранения генетических ресурсов.

Френкель и Беннет [9] утверждают, что «существует одна общая и безусловно первостепенная задача — создание международной организации по хранению семян. Международный генный банк (место хранения запасов семян), существующий хотя бы в форме „расчетной палаты“, доступной всем нациям и дополняемой соглашениями по „восстановлению“ или „омоложению“, сильно облегчил бы задачи долговременного хранения». В связи с признанием безотлагательности решения проблемы сохранения генетического фонда в 1968 г. в рамках ФАО был создан новый Отдел экологии культурных растений и генетических ресурсов, являющийся частью Отделения растениеводства и защиты растений. Задачи отдела в том виде, как их сформулировал его руководитель [26], включают «содействие международным усилиям по организации национальных и региональных генных банков с целью сохранения и использования ценных генетических ресурсов». В области сохранения генетического фонда и сегодня нужно еще очень многое сделать.

Помимо использования долговременного хранения семян в селекции растений и для сохранения генетических ресурсов, эти методы дали бы ряд преимуществ при подготовке материалов для списков семян, публикуемых ботаническими садами [9],[56]. Этот материал используют главным образом систематики и биосистематики. Английский ботаник Томпсон утверждает, что «жалобы на списки семян касаются чаще всего плохого качества (т. е. низкой жизнеспособности) семян, неточности наименований и отсутствия сведений о предлагаемом образце. Одним из путей исправления ситуации является хранение семян в условиях, продлевающих их жизнеспособность на возможно более долгий срок». Томпсон обращает внимание на то, что если с видами, имеющими значение для сельского хозяйства или плодоводства, проделана значительная работа, то в отношении многочисленных видов, интересующих ботанические сады, сделано значительно меньше.

Лесное хозяйство также остро нуждается в эффективных технологиях длительного хранения семян основных лесообразующих пород, что является одной из актуальных экологических задач: сохранения лесонасаждений. Долговременное хранение необходимо для рационального использования семян урожайных лет, так как в этот период максимально реализуется генофонд вида, и для хранения семян растений с периодическим плодоношением (например: дуба черешчатого). В настоящее время остается актуальным вопрос об обеспечении предприятий лесного хозяйства посадочным материалом пород деревьев с периодическим плодоношением. Длительные сроки, как уже говорилось, нужны для хранения коллекционных образцов семян в генных банках с целью предупреждения их потери в случае экологического бедствия. Долговременное хранение лесных семян, как основной метод сохранения растительных материалов для генетических ресурсов — неотъемлемая задача лесной генетики, экологии и физиологии.

Основной задачей долговременного хранения семян является сохранение их жизнеспособности в течении всего срока хранения. Семена должны быть живы и способны к дальнейшему развитию. При создании долговременных хранилищ семян необходимо определить режимы хранения, при которых семена сохраняли жизнеспособность как можно дольше, а следовательно срок хранения был бы максимальным.

Определение жизнеспособности семян является основной задачей при осуществлении их долговременного хранения. Общепринятым методом определения жизнеспособности семян, заложенных на хранение, является изучение интегральных показателей старения, для чего проводят биологическое тестирование выборки из хранящейся партии при проведении многофакторного эксперимента. Определяют показатели качества выборки семян (доброкачественность, энергия прорастания, всхожесть), на основании полученных результатов составляют заключение о жизнеспособности всей партии хранящихся семян и о потенциальном времени хранения. Основным недостатком данного метода является трудность поддержания на постоянном уровне параметров, влияющих на жизнеспособность семян, а также его трудоемкость.

Другой метод определения жизнеспособности семян — определение дифференциальных показателей старения. В данном методе нет необходимости поддерживать на постоянном уровне значения параметров, влияющих на жизнеспособность. Измеряя скорость деструктивных процессов в семени можно определить время его жизни. Критерием скорости старения семян является интенсивность их дыхания.

Дыханием сопровождается любая жизнедеятельность различных биологических объектов, оно является также критерием самой жизни организма. Не секрет, что после смерти ни один биологический организм не осуществляет газообмена. На протяжении всего своего существования биологические объекты осуществляют непрерывный газообмен с окружающей средой: выделяют углекислый газ и поглощают кислород.

Интенсивность дыхания контролируют по изменению концентрации углекислого газа в камере хранения, которая, как правило, меняется в пределах от 0 до 10% об. в зависимости от вида семян, условий хранения, частоты и интенсивности смены атмосферы хранения. Для успешного осуществления данного контроля требуется автоматический газоанализатор.

Относительная длина участка диапазона измерений газоанализатора, на котором погрешность не превышает установленной величины, — динамический диапазон Современные промышленные газоанализаторы на С02 в диапазоне до 10% об. имеют значение допускаемой приведенной погрешности на уровне 2.5 — 4%. При этом их динамический диапазон, определяемый по уровню относительной погрешности измерения концентрации С02 не выше 5%, составляет у разных модификаций всего 1.25−3 единицы, что явно недостаточно для контроля газообмена биологических объектов.

В связи с этим представляется актуальным создание автоматического газоанализатора с широким динамическим диапазоном на С02 для контроля жизнедеятельности семян в условиях длительного хранения. Широкодиапазонный газоанализатор на С02 позволяет также реализовать многоканальный режим измерений без потери точности, что необходимо для контроля отходящих газов в теплоэнергетических установках, для контроля выбросов автотранспорта.

Выводы и основные результаты работы.

1. Для определения жизнеспособности и оптимальных режимов хранения семян вместо трудоемкого многофакторного эксперимента с использованием биологического тестирования выборки семян предложен метод контроля интенсивности газообмена семян с окружающей средой. Предложена методика расчета среднего периода жизнеспособности семян в зависимости от интенсивности дыхания. Построена математическая модель интенсивности дыхания желудей дуба черешчатого в зависимости от параметров атмосферы хранения, достоверность которой доказана экспериментально.

2. На основе функций интегрального поглощения различных газов построены математические модели нелинейных статических характеристик двухлучевой и двухканальной схем ОА газоанализаторов в широком диапазоне оптической плотности определяемого компонента. Исследована нелинейность статических характеристик, предложены критерии нелинейности и установлена связь между ними. Проведен сравнительный анализ двухлучевой и двухканальной схемы ОА газоанализатора по критерию наименьшей нелинейности статической характеристики. Разработана методика определения параметров нелинейной статической характеристики по экспериментальным данным. Одним из таких параметров является эквивалентный коэффициент поглощения газа.

3. Проведена аппроксимация статической характеристики двухлучевой оптической схемы газоанализатора в широком диапазоне оптических плотностей. Погрешность наилучшей аппроксимации статической характеристики анализатора на С02 по 10 экспериментальным точкам не превысила 1,5%. На основе этой функции синтезирована функция линеаризации статической характеристики, применение которой позволило уменьшить систематическую составляющую погрешности прибора в 2.5−5 раз в широком диапазоне измерений. Для расширения динамического диапазона вместо стандартного применения набора рабочих кювет различной длины использовано линеаризующее устройство и одна рабочая кювета. Показано, что в этом случае динамический диапазон анализатора увеличивается в 8−12 раз без снижения точности.

4. Предложен комплексный критерий информативности О, А газоанализатора, совокупно учитывающий величину диапазона измерений и величину текущей относительной погрешности. Установлено, что значение критерия определяется величиной сравнительного сигнала и соотношением составляющих погрешности.

5. На базе промышленного ОА газоанализатора «Кедр-12» на С02 со шкалой 0−10%, имеющего основную приведенную погрешность +4%, разработан широко диапазонный газоанализатор. Длина кюветы с анализируемым газом увеличена в 10 раз до 10 мм, проведена линеаризация статической характеристики в диапазоне измерений, динамический диапазон увеличен в 8 раз и составил 10, относительна погрешность в пределах от 1 до 10% об. не превысила 4%. Рассмотрены особенности метрологического обеспечения газоанализатора с нелинейной шкалой. Экспериментально подтверждено, что корректировку чувствительности достаточно проводить 1 раз в месяц, а корректировку нелинейности 1 раз в год.

6. Оптико-акустический газоанализатор с широким динамическим диапазоном прошел испытания и внедрен в НПО «Фундук» в составе экспериментальной установки по определению жизнеспособности и оптимальных условий хранения семян основных лесообразующих пород деревьев. Это позволило установить связь между интенсивностью дыхания и временем хранения семян, исследовать интенсивность и характер дыхания желудей дуба черешчатого, увеличить срок их хранения в условиях гипоксии до 30 месяцев при контроле интенсивности газообмена.