Исследование процесса обеззараживания семян подсолнечника сорта Флагман от плесневых грибов Phomopsis helianthi Munt. Cvet. et al. в электромагнитном поле сверхвысокой частоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование процесса обеззараживания семян подсолнечника сорта Флагман от плесневых грибов Phomopsis helianthi Munt. Cvet. et al. в электромагнитном поле сверхвысокой частоты

Одной из наиболее остро стоящих перед современным российским АПК проблем, связанных с производством подсолнечника, является высокая поражаемость его семян и растений разнообразными возбудителями микозов, которые вызывают существенное снижение урожайности культуры, интенсивное разрастание инфицированности посевов плесневыми грибами в полевых условиях и через зараженный семенной материал, уменьшение масличности семян при выращивании, ухудшение их посевных свойств, увеличение количественных и качественных потерь урожая при хранении [1-5]. грибковый обеззараживание электромагнитный семя

Из всего комплекса болезней, поражающих подсолнечник, наиболее распространенными и вредоносными являются: ложная мучнистая роса, белая, серая, сухая и пепельная гниль, альтернариоз, вертициллез, фомоз, фомопсис, фузариоз, макрофомина и некоторые другие [1, 3, 5, 6]. Наносимый этими микробиологическими инфекциями урон производству подсолнечника в стране и высокая стоимость мероприятий по обеззараживанию его в сельском хозяйстве уже снизили удельный вес этой культуры в структуре посевов в большинстве традиционных регионов ее возделывания с 25-30% до 10-15%, особенно в Ростовской области, что не может не беспокоить семеноводческие хозяйства из-за уменьшения объемов продаж их продукции, у переработчиков маслосемян из-за количественного сокращения доступной для них сырьевой базы, а у населения из-за резкого повышения цен на продукты питания и др. потребительские товары, получаемые из подсолнечника.

Существенно осложняет борьбу с плесневыми грибками и способствует их быстрому распространению на посевах подсолнечника в условиях сельскохозяйственных предприятий то, что большинство производителей маслосемян по разным хозяйственно-экономическим причинам систематически нарушают рекомендованные технологии выращивания (увеличивают удельный вес подсолнечника в севооборотах, не соблюдают сроки сева и уборки, используют непротравленный семенной материал или применяют семена, пораженные вредной микрофлорой, а в период вегетации практически не обрабатывают системными фунгицидами) и технологии послеуборочной обработки и хранения зерна (не проводят очистку и санитарную обработку складского инвентаря, средств механизации и хранилищ перед закладкой в них семян, не ведут на постоянной основе контроля за зараженностью, используют неприспособленные для хранения зерна помещения, допускают неизолированное размещение друг от друга чистых и пораженных микробиотой партий подсолнечника в процессе хранения, не проводят своевременную очистку и сушку свежеубранного сельхозсырья, а также не протравливают его перед размещением на хранение в случае повышенной зараженности), а это вызывает резкое ухудшение фитосанитарного обстановки в растениеводстве страны и увеличивает микробиологическую зараженность производимой в нем продукции.

Заболевания семян и сельскохозяйственных растений, вызываемые плесневыми грибами, наиболее трудно уничтожаются еще и потому, что их возбудители имеют высокую устойчивость и быстро адаптируются к разным химическим, биологическим и физическим ингибирующим воздействиям (операциям обработки), применяемым в сельском хозяйстве.

Существующее разнообразие микрооганизмов, вызывающих микозы, их биологические и физиологические особенности, в том числе связанные с гидротермическим условиям окружающей среды, оптимальными для развития каждой из инфекций, формируют у грибков, поражающих подсолнечник, способность к взаимозамещению друг друга в агроценозах, которая выражается в том, что в годы неблагоприятные по погодно-климатическим условиям для развития одних видов паразитической микрофлоры, на посевах начинают доминировать другие, не менее вредоносные для подсолнечника, разновидности и штаммы плесеней, для жизнедеятельности которых текущие климатические условия являются наиболее комфортными [1, 5]. Названные свойства грибковых заболеваний относятся к числу наиболее неблагоприятных для практики сельскохозяйственного производства.

Отсутствие у большинства из фитопатогенных инфекций четко выраженной органотропной специализации поражающего воздействия [7], характерная для многих из них универсальность по отношению к поражаемым видам растений и способность грибков развиваться не только на культурных, но и на сорных дикорастущих растениях (резерваторах инфекции) [4, 6], все это также не позволяет добиться полного уничтожения существующего комплекса возбудителей микозов на посевах подсолнечника, применяемыми в АПК методами обеззараживания.

Наименее изученным из перечисленных заболеваний подсолнечника является фомопсис, возбудители которого - плесневые грибы Phomopsis helianthi Munt. и др. Актуальность исследования и разработки новых технологий и технических средств, предназначенных для борьбы именно с фомопсисом, связана с тем, что несмотря на применяемые в сельском хозяйстве меры химической защиты растений и семян в Ростовской области в течение последних 3-5 лет ежегодно по результатам контрольных проверок, проводимых Россельхознадзором, фиксируются массовые вспышки этого вредоносного карантинного заболевания на посевах подсолнечника, а также в партиях семян каждого нового урожая и отправляемых на экспорт [3, 8, 9].

В первую очередь опасность заражения подсолнечника грибком Phomopsis helianthi Munt. Cvet. et al. заключается в том, что инфекция вызывает потерю урожая от 46-50% и более. Одним из основных способов распространения фомопсиса, наравне с ветровым переносом его сумкоспор, является передача возбудителя инфекции посредством семян [4-6, 10, 11]. Большинство мер борьбы с патогеном носят профилактический характер, но как показывает практика из-за нерегулярности и несистемности применения санитарных обработок и нарушения технологий возделывания применяемые способы оказываются малоэффективными. В современных условиях российского сельского хозяйства, несмотря на рекомендации микологов, производители подсолнечника часто используют для посева уже зараженные фомопсисом семена, против которых химические способы в ряде случаев не работают. К тому же дальнейшее увеличение химической нагрузки на природу может быть чревато сильным ухудшением экологической обстановки в АПК, что окажет негативное влияние на здоровье населения, поэтому необходим поиск альтернативных химическим методам обеззараживания средств борьбы с фомопсисом, как в прочем и с другими грибковыми инфекциями.

Нами предлагается использовать для уничтожения грибка Phomopsis helianthi Munt. Cvet. et al. в семенном материале электромагнитное поле сверхвысокой частоты. В рамках исследования необходимо опытным путем проверить обеспечивает ли предлагаемый экологически чистый способ обработки семян подсолнечника, имеющих кондиционную влажность и пораженных плесневым грибом Phomopsis helianthi Munt. Cvet. et al., полное обезвреживание от указанного вида возбудителя инфекций.

Гипотеза об эффективности использования предлагаемого способа СВЧ-обеззараживания сухих семян подсолнечника от фомопсиса строится на том, что в организме рассматриваемого патогена при его низкой начальной влажности сохраняется определенное количество подвижной воды, которая изолирована в клеточных структурах грибковой инфекции с высоким содержанием липидов и недоступна для влияния большинства внешних технологических воздействий [12], за исключением электромагнитных полей сверхвысокой частоты. Поскольку наличие этой воды является одним из необходимых условий сохранения жизнеспособности вредной микрофлоры [12], то применение СВЧ-обработки, тепловые и нетепловые эффекты которой проявляются прежде всего во влажных зонах облучаемых объектов, вызывает в организмах плесневых грибов Phomopsis helianthi Munt. Cvet. et al. нарушение или прекращение процессов метаболизма разной природы, достаточные, чтобы ингибировать их развитие и привести к гибели.

Условия, материалы и методы. Эксперименты по обеззараживанию семян подсолнечника от фомопсиса проводились в апреле 2010 года в отделе электроэнергетики ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии.

Объектом исследования являлся процесс теплового обеззараживания семян подсолнечника с низкой начальной влажностью от возбудителей фомопсиса в электромагнитном поле сверхвысокой частоты.

В опытах использовались семена подсолнечника первой репродукции среднеспелого высокомасличного сорта Флагман, селекции ВНИИ масличных культур им. В.С. Пустовойта Россельхозакадемии, урожая 2009 года, выращенные на полях компании ООО «АгроСоюз», расположенной в Кагальницком районе Ростовской области, с содержанием жира в отобранных для опытов партиях семян = 45,7%, начальной влажностью = 7,4% и искусственно обсемененных плесневыми грибами рода Phomopsis helianthi Munt. Cvet. et al. (возбудителями фомопсиса) до уровня начальной зараженности = 22%.

Поточную и в стационарном слое обработку семян подсолнечника электромагнитным полем (ЭМП) сверхвысокой частоты (СВЧ) проводили на базе лабораторного модуля (рис. 1а), представляющего собой составной элемент конструкции промышленной установки непрерывного действия и позволяющего выполнять исследование процесса обеззараживания в условиях идентичных производственным, но при гораздо меньших объемах сельскохозяйственного материала, используемого в опытах.

Экспериментальный модуль (рис. 1а) состоит из проточной рабочей камеры 1, являющейся в разработанной конструкции СВЧ-системы основным волноводом и имеющей поперечное сечение размерами hЧl = 45Ч90 мм (рис. 1б); дополнительного прямоугольного волновода 2 с короткозамкнутой стенкой, соединяющегося с основным волноводом по его широкой стенке l по типу Е-тройника (в плоскости силовых линий электрического поля) [13, 14] и располагающегося к этой стенке под углом б = 30⁰ , по этому волноводу СВЧ-энергия передается электромагнитной волной типа H₁₀ от генератора СВЧ к материалу, перемещающемуся в рабочей камере; магнетрона OM75S фирмы Samsung (N_ном. = 1 кВт, f_{эмп свч} = 2450 МГц) 3, согласованного посредством волновода 2 с камерой 1 [15]; перфорированной стенки 4 рабочей камеры, через которую удаляются пары воды, выделяющиеся из материала при СВЧ-обработке; диэлектрической (фторопластовой) прокладки 5, прикрепленной к широкой стенке рабочей камеры и закрывающей доступ обрабатываемого материала в волновод 2 не вызывая при этом на себе потерь СВЧ-энергии; центробежного вентилятора 6 среднего давления RFE 120 MKU (Q_ном. = 250-300 м³/ч), обеспечивающего эффективное охлаждение магнетрона [16]; гибкого рукава 7 для направленной подачи охлаждающего воздуха от вентилятора к тепловыделяющим поверхностям магнетрона; выпускной лепестковой заслонки 8 (рис. 1б-1д), предназначенной для регулирования расхода материала через рабочую камеру; загрузочного бункера материала 9; оптического датчика наличия материала в установке на входе 10 и на выходе 11 из рабочей камеры; термопары 12, контролирующей температуру нагрева колбы магнетрона; упруго-гибкого подвижного «лепестка» 13, с помощью изменения положения которого, вместе с др. лепестками, в дозирующей заслонке 8 регулируется размер выпускного отверстия (рис. 1г, 1д).

Особенностью описанной лабораторной СВЧ-установки является то, что технологическая камера и согласующий ее с источником СВЧ-энергии волновод при совместном рассмотрении представляют собой Е-тройник с внесенными в его устройство небольшими конструктивными изменениями, которые повышают эффективность выполнения процесса поточной тепловой обработки сельскохозяйственных материалов, увеличивают срок службы и надежность работы оборудования СВЧ-блока и обеспечивают безопасность экспериментального модуля по нормам охраны труда и экологическим требованиям.

Обычно Е-тройники применяются для распределения сверхвысокочастотной энергии между различными потребителями или для подключения нескольких источников к одной нагрузке, при этом внутреннее пространство прямоугольных полых волноводов, образующих тройник, остается незаполненным, а дополнительный волновод располагается по отношению к основному под углом б = 90⁰ [13, 14]. Графически механизм передачи электромагнитной волны в Е-тройнике из дополнительного волновода в основной волновод показан в [13], при этом, согласно известным расчетам [14], фазы волн, возбуждаемых в плечах основного волновода (по обе стороны от дополнительного волновода), сдвинуты на 180⁰, а СВЧ-энергия, поступающая от магнетрона через дополнительный волновод, делится пополам между плечами основного волновода. Однако, при использовании Е-тройников в технологических установках для тепловой обработки сыпучих сельскохозяйственных материалов, как, например, в лабораторном модуле, применяемом нами в опытах (рис. 1а), в условиях, когда основной волновод 1 является технологической камерой, в которой обрабатываемое зерно непрерывно перемещается в плотном слое, расположение дополнительного волновода 2 под углом б = 90⁰ к основному волноводу нежелательно. Причина этого в том, что при передаче СВЧ-энергии из волновода 2 в заполненную рабочую камеру 1 происходит отражение довольно большой части электромагнитной волны от слоя материала обратно в волновод 2 и из него в магнетрон, а для последнего это означает резкое ухудшение условий эксплуатации и ускоренный выход его из строя.

Рисунок 1 - Схема лабораторной установки (а) для исследования процесса поточного обеззараживания семян подсолнечника от фомопсиса ЭМП СВЧ и устройство выпускной лепестковой заслонки, регулирующей расход семян через установку (б-д): б - вид заслонки спереди со стороны широкой стенки l , в - сечение Б-Б заслонки (фторопластовой пластины нет) в зоне ее стыковки с рабочей камерой, г - сечение В-В заслонки в зоне выпускного отверстия, образованного дозирующими лепестками, д - вид поперечного сечения выпускного отверстия заслонки, уменьшенного по сравнению с «г» за счет изменения расположения (сжатия) лепестков (пример способа регулирования расхода материала в опытах) [наименование остальных позиций - в тексте].

Наклон дополнительного волновода 2 под острым углом к рабочей камере 1, который в нашей лабораторной установке составляет б = 30⁰, а вообще его величина может колебаться в диапазоне от 10-11⁰ [17] до 30-35⁰, обеспечивает неоднократное переотражение волны, отраженной от зернового материала, происходящее от участка поверхности внутренней широкой стенки волновода 2, находящейся напротив входного отверстия в камеру 1. То есть, благодаря угловому расположению волновода 2, происходит многоразовый возврат и при каждом из них повторный ввод непоглощенной части электромагнитной СВЧ-энергии в слой материала, обеспечивающий практически полную ее передачу в рабочую зону установки, в которой выполняется обработка зернового сырья. Кроме того, расположение волновода 2 под острым углом к основному волноводу 1 обеспечивает направленную подачу СВЧ-энергии вертикально вверх, в слой материала, находящийся в зоне СВЧ-обработки, что увеличивает технологический участок микроволнового воздействия на зерновое сырье за счет многократных отражений электромагнитной волны от стенок рабочей камеры и предотвращает утечки электромагнитного поля через выпускное отверстие установки в зону, где находится обслуживающий персонал, а также позволяет добиться приемлемого согласования волноводов по коэффициенту стоячей волны напряжения (КСВН).

Как показывают известные исследования [18-22], эффективность процесса обеззараживания зерновых материалов от грибковых и бактериальных инфекций, зависит в первую очередь от температуры нагрева зерна в ЭМП СВЧ, по величине которой можно судить об уровне теплового воздействия на возбудителей микозов и бактериозов зернового сырья, обеспечивающем их уничтожение.

Поскольку в проводимых нами опытах начальная влажность семян подсолнечника оставалась постоянной (на уровне кондиционной), не регулировалась также и мощность, излучаемая магнетроном, поэтому изменение температуры нагрева материала в эксперименте производилось за счет варьирования продолжительности периода его обработки в СВЧ-поле.

В опытах, в которых исследование процесса обеззараживания семян подсолнечника от фомопсиса в электромагнитном поле СВЧ проводили в плотном вертикально перемещающемся в рабочей камере слое материала, регулирование продолжительности обработки происходило за счет изменения размера выпускного отверстия (пример на рис. 1г, 1д) в специально разработанной дозирующей лепестковой заслонке (рис. 1б). Дополнительно также проводились опыты, в которых семена подсолнечника в процессе СВЧ-воздействия находились в рабочей камере в плотном стационарном слое, при этом продолжительность обеззараживания задавалась периодом включения в работу магнетрона, а неподвижность материала обеспечивалась полным закрытием выпускного отверстия лепестковой заслонки.

Первоначально на описанной конструкции лабораторной установки (рис. 1а) провели предварительные опыты, на основе которых определили наибольший размер выпускного отверстия лепестковой заслонки 8 (рис. 1б-1д), при котором достигается минимальная технологически необходимая для проявления начальных признаков обеззараживания температура нагрева материала (? 5 ⁰C). В рамках этих же опытов определяли также наименьший размер выпускного отверстия заслонки, при котором обеспечивалось равномерное истечение семян подсолнечника из рабочей камеры без риска возникновения зависания материала на выходе из ее узкой конусной части.

Исследование процесса обеззараживания семян подсолнечника в поточном режиме СВЧ-обработки происходило следующим образом. На лепестковой дозирующей заслонке устанавливали размер выпускного отверстия, соответствующий исследуемому уровню варьируемого в опытах фактора (ф_i , табл. 1), после чего заслонку закрепляли на установку (рис. 1а), а ее выпускное отверстие закрывали колпачком-заглушкой (на рис. 1 не показан). Затем из большой партии семян подсолнечника с исходной зараженностью фомопсисом = 22% отбирали пробу материала массой = 4,5 кг, которая засыпалась в рабочую камеру 1 установки и загрузочный бункер 9 над ней. Запас семян в бункере обеспечивал постоянную заполненность проточной технологической камеры микроволновой обработки в опыте, что является обязательным для выполнения требованием к СВЧ-оборудованию, позволяющим сохранять работоспособность и эксплуатационную надежность генератора ЭМП СВЧ, входящего в состав установки. Непосредственно эксперимент начинали с подачи высоковольтного напряжения питания на магнетрон 3, и с выдержки промежутка времени равного = 8с, который необходим для прогрева рабочих элементов устройства и запуска в нем процесса генерации СВЧ-энергии, после чего открывалось выпускное отверстие лепестковой заслонки, и поток семян начинал высыпаться с определенной скоростью из установки, задавая непрерывное перемещение материала в рабочей камере. С этого момента начинался отсчет продолжительности опыта на исследуемом режиме обработки. Измерение и контроль времени в экспериментах выполняли с помощью секундомера марки «Слава».

Практически одновременно с генератором ЭМП СВЧ (с небольшим лишь опережением) в работу включался обеспечивающий его охлаждение вентилятор 6, который снижал температуру тепловыделяющих поверхностей магнетрона на протяжении не только всего опыта, но и в течение = 5-10 мин. после его завершения, последнее необходимо было для ускорения подготовки установки к следующему этапу исследования.

Обрабатываемые в ходе эксперимента семена подсолнечника, в процессе высыпания их непрерывным потоком из рабочей камеры установки собирали в специальную емкость, после заполнения которой выпускное отверстие лепестковой заслонки закрывали и отключали питающее напряжение, подаваемое на магнетрон. Сразу после завершения опыта в течения первых 20-30с проводили измерение температуры материала в нескольких точках, равномерно распределенных по площади и глубине слоя семян, находящегося в мерной емкости, по которым рассчитывали среднюю температуру нагрева материала за опыт , после этого измеряли установившуюся температуру нагрева семян и массу обработанной пробы (табл. 1). В каждом опыте из общего количества материала, прошедшего обеззараживание, отбирали навеску семян массой = 2,0 кг для проведения микологической экспертизы на зараженность фомопсисиом (плесневым грибом рода Phomopsis helianthi Munt. Cvet. et al.).

Таблица 1 - Значения уровней варьируемого в опытах фактора при обеззараживании подсолнечника от фомопсиса в ЭМП СВЧ для разных состояний слоя обрабатываемого материала

Эффективность режимов обеззараживания оценивали не по наибольшей зафиксированной или средней температуре нагрева материала в опытах, а по его установившейся величине нагрева , которую определяли следующим образом. Массу обработанных в ЭМП СВЧ семян подсолнечника, предварительно выполнив в ней замеры температур для определения , перемешивали, после чего выдерживали в течение 50-60с при постоянном наблюдении за температурой материала до достижения ее ближайшего стабилизировавшегося во времени значения. Необходимость использования величины для оценки результативности опытов связана с особенностями нагрева семян подсолнечника (избирательностью, саморегулируемостью и др. [23]) в электромагнитном поле СВЧ, из-за которых выделение тепловой энергии в объеме сухого семени происходит неравномерно, и в основном локализуется в зонах, где сосредоточена влага, необходимая для процессов жизнедеятельности организма семени. Поэтому после обработки проб подсолнечника с целью выравнивания в них температуры по объему отдельных семян, и получения ее (температуры) установившегося значения необходимо выполнять в течение некоторого времени выдержку материала, зависящую от особенностей строения семени подсолнечника, и в частности, от наличия в нем воздухоносной полости и плодовой оболочки, обуславливающих ухудшение теплопроводности при перераспределении тепловой энергии, выделившейся от ЭМП СВЧ, и возникновение в связи с этим более высокой инерционности (продолжительности) выхода температуры материала на установившийся уровень.

Опыты, в которых обработку семян подсолнечника электромагнитным полем СВЧ выполняли в плотном стационарном слое, по порядку проведения незначительно отличались от тех, где исследование процесса обеззараживания происходило в плотном непрерывно перемещающемся слое материала. Разница между ними состояла в том, что для СВЧ-обработки семян в неподвижном слое, достаточно, чтобы массы пробы хватало для заполнения рабочей камеры установки, вместимость которой в разработанной нами конструкции лабораторного модуля (рис. 1а) составляет = 0,5-0,6 кг. Отсчет продолжительности опыта осуществлялся по секундомеру и начинался также как и при поточной обработке проб подсолнечника в ранее проведенных экспериментах после включения в работу магнетрона и его системы охлаждения и выдержки промежутка времени до начала устойчивой генерации СВЧ-энергии (), только при этом колпачек-заглушка, устанавливающийся на выходе из лепестковой заслонки, в процессе обработки не снимался, что как раз и обеспечивало неподвижность слоя семян в рабочей камере. Для выгрузки обработанных семян подсолнечника заглушенную лепестковую заслонку снимали с установки, освобождая выход из рабочей камеры, из которой вся масса пробы высыпалась в специальную емкость для зерна. После этого выполняли измерения температуры семян, которые проводились также как и в опытах по исследованию поточного процесса СВЧ обеззараживания. Масса навесок подсолнечника, которые обрабатывали в электромагнитном поле СВЧ в стационарном слое и направляли на карантинную экспертизу, принималась равной = .

Эксперименты на каждом уровне варьируемого фактора (ф_i , см. табл. 1) проводились в однократной повторности.

Измерения температуры нагрева семян подсолнечника в контроле и в опытах выполняли хромель-копелевой термопарой (L-термопарой) в составе мультиметра токовые клещи M266C фирмы MASTECH.

Оценку зараженности семян подсолнечника плесневыми грибами Phomopsis helianthi Munt. Cvet. et al. в контрольных и опытных пробах проводили на базе лаборатории Ростовского филиала ФГБУ «Всероссийского центра защиты растений Россельхознадзора».

Результаты и обсуждение. По данным проведенного однофакторного эксперимента определена продолжительность опытов и соответствующие им расходы семян через рабочую камеру лабораторной установки в процессе СВЧ-обработки (на режимах поточного обеззараживания), а также выбрана продолжительность опытов для микроволновой обработки проб подсолнечника в стационарном слое, и эти полученные сведения обобщенны и представлены в таблице 1. Результаты измерений температуры обеззараживаемого материала, полученные на разных режимах обработки ЭМП СВЧ и зависящие от варьируемой в эксперименте продолжительности опыта и состояния слоя, объединены и показаны в таблице 2.

Экспериментальные данные об эффективности СВЧ обеззараживания семян подсолнечника от фомопсиса в зависимости от продолжительности обработки и обусловленных ей температурных режимов воздействия на материал для опытов, в которых материал находится в плотном перемещающемся и стационарном слое, показаны на рисунках 2 и 3 соответственно.

Анализ результатов эксперимента при поточной СВЧ-обработке проб подсолнечника (рис. 2) показал, что последовательное увеличение установившейся температуры нагрева сухих семян в опытах с 11 до 21 ⁰С обеспечивает снижение зараженности грибами Phomopsis helianthi Munt. Cvet. et al. с 22% в контроле до нуля. Резкое уменьшение содержания возбудителей фомопсиса в материале наблюдается уже при минимальном в опыте приросте температуры семян от теплового СВЧ-воздействия равном = 7 ⁰C, однако полное уничтожение вредоносного плесневого грибка в пробе наблюдается на режиме 3, при котором время обработки составляет = 75с, а прирост температуры от ее начального значения - = 10 ⁰C, что соответствует = 21⁰C.

Таблица 2 - Температурные режимы опытов по обеззараживанию семян подсолнечника от фомопсиса в ЭМП СВЧ в зависимости от продолжительности обработки и состояния слоя обрабатываемого материала

Полное обеззараживание проб подсолнечника от фомопсиса достигается также и при подводе к ним СВЧ-энергии в плотном стационарном слое на режиме 5 (рис. 3), при котором продолжительность обработки имеет значение = 30с, прирост температуры материала - = 12,5⁰C, а установившаяся температура его нагрева - = 24,5⁰C.

Противоречием в ряду полученных экспериментальных данных на первый взгляд является режим 4 (рис. 2) и режим 6 (рис. 3), в которых более жесткие по сравнению с предыдущими опытами тепловые воздействия на материал ( = 34⁰C и = 33⁰C соответственно) вызывают меньшее снижение зараженности фомопсиом, чем более мягкие по величине нагрева режим 3 (рис. 2) и режим 5 (рис. 3).

По данным существующих исследований известно, что среди режимов обеззараживания зерновых материалов от плесневых грибов электромагнитным полем СВЧ имеются промежуточные значения температур нагрева материала, охватывающие диапазон приблизительно от 30 ⁰С до 45-60 ⁰С, при которых происходит либо стимулирование развития возбудителей инфекций, приводящее к увеличению зараженности зерна, превышающей начальную [24], либо эффект уничтожения грибков (микозов) все-таки наблюдается, но он по величине получается значительно ниже, чем в соседних, как в сторону большего так и меньшего нагрева материала, режимных областях обработки [19, 20]. Как видно из опытов (рис.2 и 3), полученные технологические параметры и результаты процесса СВЧ- обеззараживания семян подсолнечника от плесневых грибов рода Phomopsis helianthi Munt. Cvet. et al., хоть и являются новыми, но подтверждают ранее выявленную на зерне злаковых [19, 24] и крупяных культур [20] сложную закономерность влияния разных режимов микроволновой обработки на количественное содержание фитопатогенной микрофлоры в зерновом сельскохозяйственном сырье.

Рисунок 2 - Результаты и температурные режимы опытов по обеззараживанию семян подсолнечника от фомопсиса в условиях поточной СВЧ-обработки: режим 1 - = 30с; режим 2 - = 45с; режим 3 - = 75с; режим 4 - = 105с; - начальная температура семян ; - зараженность семян подсолнечника фомопсисом ; - установившая температура семян в опыте ; - прирост температуры семян от СВЧ-обработки .

Рисисунок 3 - Результаты и температурные режимы обеззараживания семян подсолнечника от фомопсиса в плотном стационарном слое ЭМП СВЧ: режим 5 - = 30с; режим 6 - = 60с (остальные обозначения см. на рис. 2)

Остается открытым вопрос о физических причинах ингибирующего воздействия ЭМП СВЧ на возбудителей фомопсиса в пробах подсолнечника при невысоких установившихся температурах их нагрева ().

Согласно известным исследованиям [23], при СВЧ-обработке угнетение паразитирующих на зерне биообъектов (плесневых грибов, бактерий, дрожжей, насекомых-вредителей и др.) может происходить в результате денатурации в них белков при сравнительно невысоких скоростях нагрева материала - 0,5-0,8 ⁰С/с и удельной мощности энергоподвода 0,09-0,3 кВт/кг зерна, а при увеличении интенсивности нагрева до 1,2-1,6 ⁰С/с, за счет диэлектрического разрушения клеток живой ткани. Перечисленные технологические факторы, и обусловленные ими причины, обеспечивающие уничтожение вредной микрофлоры в сельскохозяйственном сырье в процессе микроволнового обеззараживания, в производственных условиях искусственно усиливают, за счет применения увлажнения зерна и семян водой, водными растворами химических протравителей, минеральных солей, стимуляторов или др. веществ и проведения после него отлежки, что обеспечивает насыщение организмов возбудителей фитопатогенных инфекций зерна влагой и концентрирует в них тем самым активное выделение тепловой энергии от действия СВЧ-поля [18-20]. Более редко описанные режимы борьбы с микробиотой зерна и зернопродуктов используются для обработки сухих сельскохозяйственных материалов, однако это нежелательно из-за того, что при низкой влажности требуется повышение уровня температур нагрева обеззараживаемых продуктов для обеспечения летального эффекта у содержащихся в них возбудителей болезней, а это увеличивает риск снижения качества обрабатываемого зернового сырья [19, 21, 22].

К тому же весь ряд полученных экспериментальных данных, показывающий снижение в разной степени зараженности проб подсолнечника от возбудителей фомопсиса, объяснить механизмом диэлектрического разрушения клеток инфекции или денатурацией в ее организме белков в полной мере нельзя, так как эти ингибирующие эффекты достигаются при более высоких, чем в проведенных нами опытах (рис. 2 и 3) температурах нагрева обеззараживаемых семян. Особенно сложно на основе этих механизмов объяснить ухудшение в опытах результатов конечной зараженности семян контролируемым патогеном после более жестких режимах тепловой СВЧ-обработки в сравнении с более мягкими режимами.

Известно также, что подавление грибковой инфекции Phomopsis helianthi Munt. Cvet. et al. на семенах подсолнечника при обработке их СВЧ-энергией может обуславливаться не только температурным фактором. Ряд режимов ингибирования возникает в связи с нетепловыми эффектами воздействия электромагнитного поля СВЧ на вредную микрофлору, проявляющимися на клеточном и молекулярном уровнях [25, 26].

Активные действующие (движущие) силы процесса, обеспечивающие обеззараживание зерна и семян сельскохозяйственных культур в области технологических параметров, не зависящих от температуры нагрева материала, по своему составу на разных этапах этого режимного диапазона неодинаковы. Часть из них возникает в рамках механизма ингибирования, инициированного микроволновым излучением, незадолго до начала денатурации белков в патогенных микроорганизмах и действует в этот период некоторое время независимо от других факторов (режим 4 - рис. 2 и режим 6 - рис. 3), хотя в дальнейшем, с увеличением температур нагрева материала эта часть нетепловых эффектов подавления инфекций работает на качественное выполнение процесса параллельно с денатурационными явлениями. Сущность механизма в этой части режимного диапазона, не связанного с температурным уничтожением микробиоты зерна, состоит в том, что при обработке клеток вредной микрофлоры электромагнитным полем СВЧ на их цитоплазматической мембране появляется электрическая напряженность, значительно превышающая величину напряженности на клетке. Она увеличивает электропроводность натриевых и калиевых каналов мембраны и при определенных ее значениях приводит к биоэлектрическому пробою мембраны без образования сквозного электроискрового канала, который вызывает угнетение и гибель биологической клетки и биоорганизма в целом [26].

Другая часть нетепловых эффектов обеззараживания семян от возбудителей инфекций связана с нарушением или прекращением в клетках микрофлоры ионного обмена, составляющего основу процессов метаболизма, протекающих внутри каждой клетки и между клеткой и окружающей средой и обеспечивающих их жизнедеятельность [25]. Сбой или, тем более, остановка этих процессов, провоцируемых СВЧ-обработкой, вызывает угнетение и гибель организма патогена [25] в разных фазах его жизненного цикла (-, - и аскоспоры, мицелий, пикниды [4, 6]). В большинстве проведенных опытов (режимы 1-3 на рис. 2, режим 5 на рис. 3) ингибирование возбудителей фомопсиса в пробах подсолнечника происходит за счет последнего описанного механизма обеззараживания, а разная величина снижения содержания грибковой инфекции в материале связана со степенью необратимости повреждений процессов ионного обмена в клетках организма вредной микрофлоры после проведения микроволновой обработки, и чем она больше, тем эффективнее уничтожение рассматриваемого фитопатогена.

Ухудшение результатов обезвреживания семян от грибка Phomopsis helianthi Munt. Cvet. et al. в опытах (режимы 4 на рис. 2, режим 6 на рис. 3) можно объяснить наличием одновременно действующих: эффекта стимулирования развития возбудителей фомопсиса, вызванного механизмом, связанным с ионным обменом, и эффекта ингибирования, возникающего за счет электрического пробоя мембран в клетках микрофлоры. Согласно известным исследованиям [20, 24], диапазоны режимов СВЧ-обработки семян, вызывающие активный рост в них микроорганизмов, а также подавляющие жизнеспособность инфекций, обычно чередуются друг с другом, однако при обеззараживании семян подсолнечника нами выявлено совмещения этих противоположных биологических процессов, связанных с влиянием ЭМП СВЧ на развитие плесневых грибов с доминированием среди них ингибирующей составляющей механизма воздействия.

Полное уничтожение возбудителей фомопсиса на режиме 4 (рис. 2) и режиме 6 (рис. 3) не происходит из-за того, что толщина мембран у клеток фитопатогена на разных фазах его развития отличается по величине, в связи с чем режимы технологического воздействия, при которых на каждом линейном размере мембран возникнет электрический пробой, вызывающий гибель клеток и организма плесени, колеблются в широком диапазоне значений, на большинстве из которых (режимов) небольшая часть возбудителей инфекций остается на семенах и сохраняет свои репродуктивные функции. Поэтому снижение зараженности в пробах подсолнечника до нулевого уровня обеспечивается при гораздо более высоких напряженностях поля на мембране клеток плесневых грибов и при сопутствующих им более жестких по температуре нагрева тепловых воздействиях, чем те которые используются в наших опытах (рис. 2 и 3). Как раз за счет сохранивших жизнеспособность форм возбудителя фомопсиса, простимулированных СВЧ-полем, происходит довольно существенное увеличение содержания этого гриба в семенах подсолнечника, обработанных на режиме 4 (рис. 2), по сравнению с семенами, облученными на режимах 1-2 (рис. 2).

Среди полученных результатов опытов в объяснении нуждается также то, почему у режима 4 (рис. 2) и режима 6 (рис. 3), обеспечивающих практически одинаковую установившуюся температуру нагрева проб материала при СВЧ-обеззараживании, имеет место большая разница в значениях конечной зараженности семян фомопсисом, которые составляют = 8 % и = 1 %.

Очевидным ответом на это является то, что при обработке в ЭМП СВЧ температура нагрева семян подсолнечника, находящихся в рабочей камере установки во время опытов в стационарном слое, колеблется в широком диапазоне: = 26… 73 ⁰С, который охватывает тепловые режимы всех ранее перечисленных механизмов ингибирования грибковой инфекции, связанные и с диэлектрическим разрушением организма фитопатогена, и с денатурацией в нем белков и с нарушением ионного обмена в клетках плесени, благодаря чему в пробе выживает и стимулируется меньше возбудителей фомопсиса. В отличие от эксперимента, в котором обеззараживание происходит при поточном перемещении материала (режим 4 на рис. 2) и разброс температур нагрева получается значительно меньше ( = 29… 42 ⁰С).

Проведенные опыты показали, что исследуемый процесс борьбы с гибком Phomopsis helianthi Munt. Cvet. et al. на семенах подсолнечника с использованием электромагнитного поля СВЧ может эффективно осуществляться (режим 3 на рис. 2) в разработанном нами элементе конструкции установки (рис. 1а) при непрерывной подаче обрабатываемого материала через его рабочую камеру. Это позволит предлагаемый поточный способ обеззараживания семян сельскохозяйственных культур СВЧ-энергией использовать в производственных условиях, легко включая его в существующие технологические линии послеуборочной и предпосевной обработки зерна. При этом недостаток, связанный с малой пропускной способностью (табл. 1) единичного лабораторного модуля, используемого в опытах (рис. 1а), устраняется путем организации параллельной работы нескольких его рабочих камер в составе конструкции промышленной СВЧ-установки. Наращиванием количества этих элементарных технологических модулей (рис. 1а) обеспечивается получение необходимой для практического использования максимальной производительности оборудования для обеззараживания, а изменением в процессе работы установки количества одновременно функционирующих камер СВЧ-обработки выполняется регулирование ее производительности. Следует также отметить, что предлагаемая многоканальная конструкция промышленного СВЧ-модуля для снижения микробиологической зараженности зерна и семян с индивидуальным для каждой рабочей камеры СВЧ-энергоподводом и потоком, пропускаемого материала, обеспечивает повышение эксплуатационной надежности магнетронов, работающих в составе установки [27], чем способствует более широкому практическому использованию исследованного способа СВЧ-обеззараживания сельскохозяйственных культур и разрабатываемых технических средств для его осуществления. Кроме того, реализация процесса сверхвысокочастотной дезинфекции семян в плотном перемещающемся слое (режим 3 на рис. 2) предпочтительнее для производства, чем в плотном стационарном (режим 5 на рис. 3), потому что последний вариант обработки показал значительную неравномерность нагрева материала, о которой свидетельствует большая разница между средней () и установившейся () температурой нагрева семян в опыте (табл. 2). Еще одним недостатком является то, что локальные участки в неподвижном слое материала нагреваются на режиме 5 до очень высокой температуры, максимумы которой достигают 64-85⁰С, то есть все они превышают предельно-допустимую температуру нагрева семян подсолнечника, установленную для тепловых процессов послеуборочной и предпосевной обработки - = 55 ⁰С [28], а это вызывает существенное ухудшение технологических и посевных свойств обеззараживаемого материала, что недопустимо.

Выводы

Таким образом, способ СВЧ-обработки, предложенный для обеззараживания семян подсолнечника с низкой начальной влажностью (близкой к кондиционной) от возбудителей фомопсиса, показал свою высокую эффективность, снизив содержание фитопатогена в материале от начального значения = 22% до нуля. Найденные в эксперименте технологические режимы, обеспечивающие полное обезвреживание проб подсолнечника от грибка Phomopsis helianthi Munt. Cvet. et al., при поточной обработке семян в рабочей камере лабораторной установки включают установившуюся температуру нагрева = 21 ⁰С, расход материала = 153,6 кг/ч и продолжительность обработки пробы = 75с, а при проведении опытов в стационарном слое - = 24,5⁰С и = 30с.

Физический механизм, способствующий гибели рассматриваемого вида вредной микрофлоры, паразитирующей на семенах, состоит в необратимом нарушении процессов ионного обмена, являющихся основой процессов метаболизма, протекающих в клетках организма возбудителей фомопсиса на разных фазах их развития. Причем, в полученных нами рациональных режимах обработки действующий механизм обеззараживания связан с нетепловыми эффектами ингибирования жизнеспособности инфекции, которые инициируются микроволновым воздействием.

Для выполнения облучения семян подсолнечника ЭМП СВЧ в опытах применяется специально разработанная конструкция лабораторной установки с проточной рабочей камерой волноводного типа (Е-волновод), в которой при непрерывном перемещении материала в плотном слое обеспечивается высокая равномерность его нагрева, в то время как при проведении процесса обеззараживания семян в плотном стационарном слое равномерность нагрева семян существенно ухудшается.

Использование нескольких таких параллельно функционирующих рабочих камер с индивидуальными источниками СВЧ-энергоподвода позволяет создавать промышленные СВЧ-установки непрерывного действия любой производительности, в которых обеспечивается повышение эксплуатационной надежности генераторов электромагнитного поля сверхвысокой частоты, что будет способствовать более широкому практическому использованию исследованного способа обеззараживания и технологического оборудования для его реализации.

Литература

1. Сибикеева, Ю.Е. Особенности распространения и развития микозов подсолнечника/ Ю.Е. Сибикеева // Защита и карантин растений. - 2013. - №1. - С.19-21

2. Трисвятский, Л.А. Хранение зерна/ Л.А. Трисвятский. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1985. - 351с.

3. Грибные болезни подсолнечника (по материалам журнала «Защита и карантин растений») от 22.02.2012г. // Агро Корзина. Материалы аграрной тематики [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. [М]: runet, cop. 2011-2013. - Режим доступа: http://agrocart.com/853/gribnye-bolezni-podsolnechnika (дата обращения 13.02.2013г.)

4. Долженко, Е.Г. Биология гриба Phomopsis Helianthi и меры борьбы с ним в условиях Краснодарского края: автореф. дис. ... канд. биол. наук: 06.01.11. - Краснодар: ВНИИМК им. В.С. Пустовойта, 2000. - 25с.

5. Шипиевская, Е.Ю. Разработка биологического метода защиты подсолнечника от фомопсиса: автореф. дис. ... канд. биол. наук: 06.01.11. - Краснодар: ВНИИМК им. В.С. Пустовойта, 2006. - 26с.

6. Фомопсис подсолнечника - Phomopsis helianthi Munt./ Ростовский референтный центр Россельхознадзора [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. [Ростов-на-Дону]: runet, cop. 2001-2012. - Режим доступа: http://referent61.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=552&Itemid=43 (дата обращения 24.01.2013г.)

7. Антонова, Т.С. Методика оценки устойчивости подсолнечника к фомопсису/ Т.С. Антонова, Н.М. Арасланова, С.Н. Орлова, Н.И. Бочкарев// Современная микология в России: 1-й съезд микологов России: тез. докладов. - М.: Нац. акад. микологии, 2002. - С.172

8. Заражение подсолнечника фомопсисом - Россия (Роcтовская область)/ Сводки с эпидемического фронта Medical News. Выпуск №1099/572 от 25.03.2010 [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. [UA]: runet, cop. 1999-2010. - Режим доступа: http://www.medicalnews.in.dn.ua/issues/sef/2010/issue_1100.htm (дата обращения 13.02.2013г.)

9. Носулина, Ю. Опасное заболевание подсолнечника выявлено в ростовском хозяйстве/ Ю. Носулина// РИА Новости [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. [М.].: runet, cop. 2012. - Режим доступа: http://ria.ru/eco/20130213/922675664.html#ixzz2KmJ2nR8l (дата обращения 13.02.2013г.)

10. Пути распространения фомопсиса подсолнечника/ В. Коцур// Чувашская республика. Официальный портал органов власти [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. [Чебоксары]: runet, cop. 2012. - Режим доступа: http://gov.cap.ru/hierarhy.asp?page=./83405/119188/119192/120882 (дата обращения 13.02.2013г.)

11. Болезни сельскохозяйственных культур: Diaporthe helianthi Munt. - Cvetk., Mihaljc. & M. Petrov. - Серая пятнистость стеблей подсолнечника (рак стеблей, фомопсис)/ В.И. Якуткин// Агроэкологический атлас России и сопредельных стран: экономически значимые растения, их болезни, вредители и сорные растения [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. [М.]: runet, cop. 2003-2009. - Режим доступа: http://www.agroatlas.ru/ru/content/diseases/Olee/Olee_Phomopsis_helianthi/ (дата обращения 13.02.2013г.)

12. Горячев, С.Н. Изучение состояния воды у микроорганизмов с малой влажностью: автореф. дис. … канд. биол. наук: 03.00.02. - М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 1979. - 21с.

13. Фогельсон, Б.А. Волноводы/ Б.А. Фогельсон. - М.: Военное изд-во министерства обороны Союза ССР, 1958. - 126с.

14. Григорьев, А.Д. Электродинамика и техника СВЧ/ А.Д. Григорьев. - М.: Высшая школа, 1990. - 335с.

15. Пахомов, А.И. Исследование температурных режимов магнетрона OM75S при использовании его в блоке генерации СВЧ энергии установки обработки зерновых материалов/ А.И. Пахомов, В.А. Максименко, А.А. Парапонов// Ресурсосберегающие технологии: возделывание и переработка сельскохозяйственных культур: Сб. науч. тр. Междунар. науч.-техн. конференции: «Ресурсосберегающие технологии и инновационные проекты в АПК» (г.Зерноград Ростовской обл., ВНИПТИМЭСХ, 14-15 апреля 2009г.). - Зерноград, 2009. - С.249-256

16. Пахомов, В.И. Система воздушного охлаждения магнетрона сельскохозяйственной СВЧ-установки/ В.И. Пахомов, А.И. Пахомов, А.А. Парапонов// Сельскохозяйственные машины и технологии. - 2012. - №4. - С.26-29

17. Филиппов, Р.Л. Интенсификация технологических процессов переработки продуктов пчеловодства электромагнитной энергией: автореф. дисс. … докт. техн. наук: 05.20.02/ Гриф: «Для служебного пользования». - Челябинск: Челябинский агроинж. ун-т, 1991. - 41с.

18. Интенсификация тепловых процессов подготовки семян к посеву энергией ВЧ и СВЧ (рекомендации)/ Н.В. Цугленок, Г.И. Цугленок, С.Н. Шахматов и др.; Утв. ВО «Союзсортсемовощ» 11.04.1989г. - М.: ВО Агропромиздат, 1989. - 40с.

19. Юсупова, Г.Г. Обеспечение микробиологической безопасности зерновых культур в технологиях производства муки и хлебобулочных изделий: дис. … д-ра с.-х. наук: 05.18.01. - Красноярск: КрасГАУ, 2010. - 331с.

20. Заплетина, А.В. Исследование влияния режимных параметров СВЧ-поля на качественные показатели семян гречихи: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.20.02. - Красноярск: КрасГАУ, 2012. - 16с.

21. Головина, Т.А. Влияние энергии СВЧ-поля на фитопатогенный комплекс и качественные показатели зерна пшеницы: автореф. дис. … канд. биол. наук: 03.00.16. - Красноярск: КрасГАУ, 2004. - 18с.

22. Касьяненко, В.П. Обеззараживание зерна и комбикормов в поле СВЧ: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.18.12. - М.: Московская гос. технол. акад., 2002. - 23с.

23. Бородин, И.Ф. Применение СВЧ-энергии в сельском хозяйстве/ И.Ф. Бородин, Г.А. Шарков, А.Д. Горин// Серия: «Механизация и электрификация сельского хозяйства». - М.: ВНИИТЭИ агропром, 1987. - 56с.

24. Юсупова, Г.Г. Обеспечение микробиологической безопасности зернового продовольственного сырья/ Г.Г. Юсупова, Ю.И. Кретова, Э.И. Черкасова, М.О. Черкасова // Хлебопродукты. - 2013. - №4. - С.60-63

25. Исмаилов, Э.Ш. Биофизическое действие СВЧ-излучений/ Э.Ш. Исмаилов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 144с.

26. Бородин, И.Ф. СВЧ-технологии в агропромышленном комплексе/ И.Ф. Бородин, В.И. Пахомов// Перспективное машинно-технологическое обеспечение агроинженерной системы: юбилейный сб. науч. трудов/ ВНИПТИМЭСХ. - Ростов-на-Дону - Зерноград: ООО «Терра», 2004 - С.65-75

27. Пахомов, А.И. Повышение надежности СВЧ-источника/ А.И. Пахомов, А.А. Парапонов// Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2011. - №8. - С.29