УДК 533.9.08 : 631.53.02

ФУНГИЦИДНАЯ АКТИВНОСТЬ ПРОДУКТОВ РАСПАДА ПЛАЗМЫ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО РАЗРЯДА В ВОЗДУХЕ, ПРОЯВЛЯЮЩАЯСЯ В ОТНОШЕНИИ ГРИБОВ, КОНТАМИНИРУЮЩИХ СЕМЕНА ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР

Жданова Оксана Сергеевна1, Гольцова Полина Андреевна2, Диденко Мария Валерьевна3, Соснин Эдуард Анатольевич4, Панарин Виктор Александрович5, Cкакун Виктор Семенович6, Викторова Ирина Александровна7
1Сибирский государственный медицинский университет, кандидат медицинских наук, доцент кафедры микробиологии и вирусологии
2Национальный исследовательский Томский государственный университет, магистрант факультета инновационных технологий, Институт сильноточной электроники СО РАН, техник лаборатории оптических излучений
3Национальный исследовательский Томский государственный университет, магистрант радиофизического факультета
4Институт сильноточной электроники СО РАН, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории оптических излучений, Национальный исследовательский Томский государственный университет, профессор кафедры управления инновациями
5Институт сильноточной электроники СО РАН, инженер лаборатории оптических излучений
6Институт сильноточной электроники СО РАН, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории оптических излучений
7Томский сельскохозяйственный институт – филиал ФГБОУ ВО Новосибирского ГАУ, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент каф. агрономии и технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции

Аннотация
В работе представлены результаты исследований по обработке семян пшеницы и ржи продуктами распада плазмы атмосферного давления. При времени активной обработки 2 мин и пассивной обработки 1 мин показано, что продукты плазмы обеспечивают фунгицидное действие, обработка снижает концентрацию грибов на поверхности семян более чем в два раза. Главным действующим веществом, обеспечивающим найденный эффект, является диоксид азота.

Ключевые слова: грибы, низкотемпературная плазма, предпосевная обработка, семена сельскохозяйственных культур


FUNGICIDAL ACTIVITY OF THE DECAY PRODUCTS OF THE PLASMA OF PULSE-PERIODIC DISCHARGE IN AIR, MANIFESTED AGAINST FUNGI, CONTAMINATING OF CEREAL CROPS SEEDS

Zhdanova Oksana Sergeevna1, Goltsova Polina Andreevna2, Didenko Mariya Valer'evna3, Sosnin Edward Anatolevich4, Panarin Victor Aleksandrovich5, Skakun Victor Semenovich6, Viktorova Irina Aleksandrovna7
1Siberian state medical University, Candidate of Medicine Science, Associate Professor of the Department of Microbiology and Virology
2National Research Tomsk State University, Master student of the faculty of innovative technologies, Institute of High Current Electronics SB RAS, Technician of the laboratory of optical radiation
3National Research Tomsk State University, Master student of the faculty of Radiophysics
4Institute of High current electronics SB RAS, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, senior researcher of Optical Radiation Laboratory, National Research Tomsk State University, Professor of the Department of Innovation Management
5Institute of high current electronics SB RAS, Engineer of Optical Radiation Laboratory
6Institute of high current electronics SB RAS, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, senior researcher of Optical Radiation
7Tomsk Agricultural Institute, Candidate of Agricultural Science, assistant professor

Abstract
Decay products of atmospheric pressure plasma in air were applied to treating of wheat and rye seeds. In case of treatment period of time of 2 min and passive treatment of 1 min by plasma decay products the fungicidal activity has been revealed. It has been shown that the same treatment decrease fungi concentration on seeds surface at least two times. The main active substance of revealed effect is nitrogen dioxide.

Keywords: blighting fungi, crop seeds, low-temperature plasma, pre-seeding treatment


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Жданова О.С., Гольцова П.А., Диденко М.В., Соснин Э.А., Панарин В.А., Cкакун В.С., Викторова И.А. Фунгицидная активность продуктов распада плазмы импульсно-периодического разряда в воздухе, проявляющаяся в отношении грибов, контаминирующих семена зерновых культур // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 11 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/11/74282 (дата обращения: 30.11.2016).

Известно, что обработка низкотемпературной плазмой (НТП) может использоваться в совершенно различных областях – это и биомедицина, и пищевая промышленность, и обработка высокочувствительных к температурам материалов [1-3]. Одно из молодых направлений – применение НТП для обработки семян сельскохозяйственных культур на предпосевной стадии. Нетермическая плазма оказывает положительное влияние не только на прорастание, всхожесть и урожайность семян [4-10], но и способствует повышению устойчивости сельскохозяйственных культур к грибковым и бактериальным заболеваниям [11, 12].

В качестве источника НТП использовался апокампический разряд. Ранее в наших работах было выявлено, что продукты распада плазмы, генерируемой апокампом, оказывают инактивирующее действие на штаммы таких бактерий, как Staphylococcus aureus (209P) и Escherichia coli (501) [13, 14].

Цель настоящего исследования заключалась в определении фунгицидной активности продуктов распада плазмы импульсно-периодического разряда. Эффективность действия оценивали по степени инактивации плесневых грибов, контаминирующих семена растений.

В настоящей работе в качестве объектов исследования использовали семена зерновых культур: яровая пшеница (сорт «Иргина») и смесь сортов ржи. Материал предоставлен Томским сельскохозяйственным институтом (филиал Новосибирского государственного аграрного университета).

Экспериментальная установка для обработки семян показана на рис. 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема установки: 1 – генератор высоковольтных импульсов; 2 – емкостная развязка; 3 – регулятор частоты; 4 – чашка Петри; 5 – диэлектрическая прокладка; 6 и 7 – электроды; 8 – канал импульсно-периодического разряда 9 – плазменная струя; 10 – стеклянная камера

Стеклянная камера 10 устанавливалась на экспериментальный блок. Объем камеры составлял = 9 л.

Разряд зажигался при подаче на электроды 6 и 7 импульсного напряжения с генератора высоковольтных импульсов 1. В межэлектродном промежутке (= 9 мм) после включения зажигается коронный разряд, который далее переходит в форму канала с ответвлением в форме плазменной струи 9 (т.н. апокамп [15]) на месте изгиба канала разряда. Форма разряда регулировалась с помощью регулятора частоты 3. Разряд осуществляли в воздухе при нормальных условиях. Параметры установки сведены в таблицу 1.

Электроды 6 и 7 изготовлены из нержавеющей стали и расположены в одной плоскости под углом α = 135°. Электрод 7 имел емкостную связь 2 с заземлением через конденсатор С = 10 пФ. Он был необходим для поддержания высокого напряжения на межэлектродном промежутке. Рассеиваемая разрядом мощность составляла в условиях опытов ~ 5 Вт.

Чашки Петри с семенами пшеницы и ржи 4 устанавливались в стеклянной камере на диэлектрической прокладке 5. Время плазменной обработки варьировалось 1 < t< 3 мин. Время пассивной обработки, т.е. время нахождения в камере при выключении установки, при наличии продуктов распада плазмы t= 1 мин.

Рисунок 2. Фото разряда в камере

Таблица 1 – Параметры установки

Рабочее напряжение, В

175

Рабочая частота, кГц

53

Длина электродов, мм

35 и 30

Длительность импульса напряжения, мкс

1,5

Для объяснения результатов эксперимента необходимо понять, какие продукты распада плазмы образуются в камере. Для этого были использованы методы абсорбционной спектроскопии:

В ходе экспериментов чувствовался кислый запах, а в камере 10 наблюдалось образование газа коричневого цвета. Были проведены измерения спектра поглощения полученного газа (как результата плазмохимических и фотохимических реакций в разрядной зоне). Для этого была собрана установка, показанная на рис. 3.

Газовая кювета имела П-образную форму и состояла из трех цилиндров (А, В, С). Колба выполнена из пластика. К цилиндру А прикреплен кварцевый конус, собирающий продукты распада плазмы в цилиндр B и далее перемещались в часть C с помощью мембранного насоса. В межэлектродном промежутке (= 14 мм) зажигали разряд с апокампом.

Рисунок 3. Установка по оптическому измерению продуктов распада плазмы: 1 – источник излучения; 2 – спектрофотометр; 3 – газовая кювета; 4 – прокачка газа; 5 – межэлектродный промежуток, размещенный осесимметрично в воронке

Спектр поглощения газа I(l) получали, используя спектрофотометр 2 (спектрофотометр StellarNet EPP2000-C25 на основе многоканальной п.з.с.-линейки ‒ рабочий диапазон 200¸850 нм) и опорный источник излучения 1 (SL5 UV-VIS на основе дейтериевой и накальной ламп). Полученные спектры поглощения показаны на рис. 4. Эти спектры соответствуют спектрам поглощения газов NO2 и N2O4 [16]. По [17] известно, что

NO2 – коричневый, чрезвычайно ядовитый и вызывающий коррозию газ. Газообразный NO2 при 100°С и 760 мм рт. ст. содержит 90 % NO2 и 10 % N2O4. Таким образом можно было ожидать, что использованный нами источник плазмы будет осуществлять функцию травления микроорганизмов и грибов на поверхности семян.

Для исследования были взяты 50 семян каждой из культур для обработки и 50 контрольных семян. В таблице 2 представлены результаты по колониям грибов, обработанных продуктами плазмы и контрольных образцов семян на 7 сутки после получения микробных смывов.

Для определения фунгицидной активности продуктов распада плазмы импульсно-периодического разряда каждую культуру подвергали обработке в экспериментальной установке. Для этого в стерильные чашки Петри раскладывали по 50 семян и помещали в стеклянную камеру. В качестве контроля использовали интактные семена каждой из культур. Контаминацию семян плесневыми грибами оценивали в опытной и контрольной группах следующим образом. Образцы массой 1 гр вносили в стерильные пробирки и заливали 10 мл стерильного физиологического раствора и готовили ряд последовательных 10-кратных разведений. Из каждого разведения на две чашки Петри со средой Сабуро вносили по 0,5 мл и делали посев газоном. Чашки оставляли при комнатной температуре и через 4-5 дней учитывали рост грибов. Результаты представлены в таблице 2.

Рисунок 4. Спектр поглощения продуктов распада плазмы: 1 – t= 1 мин.; 2 – t= 5 мин

Таблица 2 – Результаты посева грибов, КОЕ/г

Зерновая культура

Контроль

Обработка

Рожь

0,43×104

0,3×103

Пшеница

0,3×104

0,15×103

Из табл. 2 видно, что продукты распада плазмы оказывают фунгицидное действие.

Таким образом, проведенные исследования выявили наличие фунгицидного эффекта продуктов распада плазмы импульсно-периодического разряда с апокампом по отношению к плесневым грибам, контаминирующим семена зерновых культур яровая пшеница (сорт «Иргина») и смесь сортов ржи. Планируется разработка методики и установки для массовой обработки зерновых культур, в т.ч. для повышения устойчивости культур к грибковым и бактериальным заболеваниям.

Работа выполнена в рамках государственного задания Института сильноточной электроники СО РАН по теме №13.1.3, а также внутреннего гранта института, а также при частичной поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 14-29-00052). Авторы благодарят Д.С. Печеницина за отладку плазменной установки.


Библиографический список
  1. Корнев И. И. Низкотемпературные методы стерилизации в профилактике хирургической инфекции / И.И. Корнев, Г. А. Баранов, В. И. Ульянов // Хирургия. – 2011. – № 6. – С. 43-47.
  2. 1st International Workshop on Plasma Agriculture, IWOPA – 1, May 15th–20th 2016, A. J. Drexel Plasma Institute in Camden, USA. [Электронный ресурс]. – URL: http://www.iwopa.org/program/IWOPA-1%20Abstracts.pdf. (дата обращения: 4.10.2016).
  3. Исследование влияния неравновесной низкотемпературной плазмы на структуру дермы полуфабриката из шкур речных рыб: сазана и судака / И. Ш. Абдуллин [и др.]. // Вестник Казанского технологического университета. – 2014. – Т. 17. – № 1. – С. 75-77.
  4. Исследование энергии прорастания и всхожести семян горчицы при сушке импульсным ИК-способом / H.A. Зуев [и др.] // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. – 2011. – № 2(47). – С. 7–10.
  5. Fungicidal Effects of Plasma and Radio-wave Pre-treatments on Seeds of Grain Crops and Legumes / I. I. Filatova [et.al.] // Plasma for Bio-Decontamination, Medicine and Food Security, NATO Science for Peace and Security Series A: Chemistry and Biology. – 2012. – P. 469–480.
  6. Influence of cold radiofrequency air and nitrogen plasmas treatment on wetting of polypropylene by the liquid epoxy resin / E. Bormashenko [et.al.] // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects – 2016. – No. 506 – P. 445-449.
  7. Гордеев Ю.А. Биоактивация семян культурных растений ультрафиолетовыми и плазменными излучениями [текст] / Ю.А. Гордеев, Р.З. Юлдашев // Известия С.-Петербургского государственного аграрного университета (СПбГАУ). – С.-Петербург: 2011. – № 24. – С. 343–348.
  8. Гордеев Ю. А. Методологические и агробиологические основы предпосевной биоактивации семян сельскохозяйственных культур потоком низкотемпературной плазмы :  автореф. дис. … д-ра биолог. наук / Ю. А. Гордеев. – Смоленск, 2012. – 46 с.
  9. Influence of plasma treatment on wheat and oat germination and early growth. / Sera B. [et. al]. // IEEE Trans Plasma. – 2010. – No 38. – P. 2963–2968.
  10. The effect of non-thermal plasma treatment on wheat germination and early growth / Dobrin D. [et. al]. // Innovative Food Science & Emerging Technologies. – 2015. – No. 29. – P. 255-260.
  11. Effect of Seed Treatment by Cold Plasma on the Resistance of Tomato to Ralstonia solanacearum (Bacterial Wilt) / J. Jiang [et.al.] // PLOS ONE. – 2014. – Vol. 9, No. 5. – P. 1-6.
  12. Reactive nitrogen species produced in water by non-equilibrium plasma increase plant growth rate and nutritional yield / D. P. Park [et.al.] // Current Applied Physics. – 2013. – № 13. – С. 19-29.
  13. Источник планарной плазменной струи атмосферного давления / Жданова О.С., Кузнецов В.С., Панарин В.А., Скакун В.С., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф. // Прикладная физика. – 2016. – № 2. – С. 36-40.
  14. Соснин Э.А., Скакун В.С., Панарин В.А., Тарасенко В.Ф., Жданова О.С., Гольцова П.А. Первый опыт применения апокампического разряда для инактивации микроорганизмов // Современные научные исследования и инновации. – 2016. – № 4 [Электронный ресурс]. – URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/04/67337 (дата обращения: 14.11.2016).
  15. Источник плазменной струи атмосферного давления, формируемой в воздухе или азоте при возбуждении барьерным разрядом / Э.А. Соснин [и др.] // Журнал технической физики. – 2016. – Т. 86, вып. 5. – С. 151–154.
  16. Hall Jr. T. C. Separation of the Absorption Spectra of NO2 and N2O4 in Range of 2400-5000 A / T. C. Hall Jr., F. E. Blacet // The journal of Chemical Physics. – 1952. – No. 20. – P. 1745.
  17. Руководство по неорганическому синтезу: в 6-ти томах. Т. 2 Пер с нем. / Под ред. Г. Брауэра. – М. : Мир, 1985. – 512 с.


Все статьи автора «Гольцова Полина Андреевна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация