Влияние видимого лазерного излучения на рост овса посевного (Avena sativa)

Влияние видимого лазерного излучения на рост овса посевного (Avena sativa)

Л.З. Вадретдинова магистрант, Е.Н. Кокорина, магистрант

Ижевский  Государственный Технический Университет

 

Для Удмуртской Республики проблема распространения  и влияния на окружающую среду тяжелых металлов и их соединений является весьма актуальной в связи с размещением на ее территории объектов по уничтожению и хранению химического оружия, промышленных объектов и объектов, предназначенных для утилизации бытовых отходов.

Актуальность  исследований

Устойчивость  растений к тяжелым металлам (ТМ) определяется комплексом факторов, одним  из которых является содержание ТМ в почвенном растворе. Существует целый ряд растений, способных  накапливать отдельные ТМ без  видимых признаков угнетения.

Для фиторемедиации загрязненных почв необходимо использовать растения-гипераккумуляторы ТМ, а также культурные растения, отличающиеся высокой аккумуляцией тяжелых металлов в наземных органах. Широко известны хорошие результаты применения для фитомеллиорации почв овса посевного, выбранного для проведения эксперимента.[1]

В настоящее время наблюдается  интенсивное внедрение низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ) в биологических исследованиях. Замечено, что НИЛИ оказывает эффективное воздействие на биообъекты и может вызывать структурные изменения биологических сред.

В литературе предложены многочисленные гипотезы для объяснения эффекта  НИЛИ. Выделены два основных подхода  к описанию механизмов влияния НИЛИ на биообъекты на основе различия в  выборе структурной единицы. Первый подход квантово-механический основывается на избирательности поглощения оптического излучения по длине волны различными атомами или молекулами. Второй – соответствует выбору клетки в качестве структурной единицы (рис. 1). [2]

Фотозависимые химические реакции инициируют фазовый переход клеточной мембраны. На молекулярном уровне это выражается в виде фотоионизации, его восстановлении или фотоокислении. Саморепродукция биологических структур происходит за счет взаимодействия структурированной воды и белковых макромолекул, вследствие чего происходит перестройка и самой макромолекулы.

Стимулирующее действие лазерного  излучения определяется светокислородным эффектом: при участии молекулярного  кислорода (квантово-механический подход) или кислорода, входящего в состав молекул воды (энерго-информационный подход). [1-4]

Рис. 1. Схематическое изображение двух основных подходов к описанию механизмов влияния НИЛИ на биообъекты

Когерентное излучение, попадая в  биовещество, изменяет свое пространственное распределение интенсивности за счет оптической анизотропии живой ткани. Результирующий биологический эффект обусловлен воздействием излучения с комбинационной частотой, которая, в свою очередь, определяется нелинейными характеристиками биоткани, при этом нет критической зависимости от частоты падающего излучения. Процесс взаимодействия лазерного излучения с живой тканью является самоорганизующимся: сама ткань меняет пространственные и частотные характеристики первоначального излучения, которое, в свою очередь, меняет оптические характеристики ткани за счет возбуждаемых биологических процессов.

Воздействие лазерного излучения  на живые биологические объекты  зависит от интенсивности излучения  и времени экспозиции. Абсолютное значение длины волны лазерного изучения не оказывает влияния на эффективность биостимуляции, однако из результатов спектроскопических исследований известно, что каждый атом имеет свой спектр поглощения излучения. Поэтому при исследовании влияния НИЛИ на живые ткани необходимо учитывать оба механизма воздействия. [2, 5]

Выявленный дуализм подхода  к рассмотрению механизмов взаимодействия НИЛИ с биообъектом делает необходимым  проведение дальнейших исследований в  этой области.

В работах [6,7] нашло подтверждение положительное влияние гелий-неонового лазера на растения при мышьяковистом загрязнении почвы, но в них не проводились исследования по влиянию лазерного излучения на всхожесть, прорастание и интенсивность роста растений, применяемых для фитомелиорации.

Целью данного эксперимента стало исследование влияния лазерного излучения видимой области спектра на биологические системы из семейства злаков на примере овса посевного (Avena sativa).

Методика проведения опытов и полученные результаты

Эксперимент проводился с условием изменения времени экспозиции и среды выращивания подопытных растений при неизменных внешних условиях. При проведении первой части опыта образцы выращиваемых зерен овса освещались лазером в течение 2 часов и в течение 4 часов. Результаты указанных опытов размещены в таблице 1 и 2 соответственно. Схема экспериментальной установки изображена на рис.2.

Опыт проводился в соответствии с общепринятыми методиками проведения экологических экспериментов. Овес полевой (15г) помещался в садовую землю. Площадь посадки (S) составила 13200мм² или 132см². Емкость тары, в которой выращивались исследуемые образцы злаков, составлял 808см³ (808000мм³). Полив образцов производился объемом воды 120мл ежедневно через 2 часа после облучения. Для исследований использовался полупроводниковый лазер – набор белых светодиодов с доминантной длиной волны от 460 до 480 нм. Общее количество светодиодов составляет 27, мощность каждого из которых 15мВт с приблизительной силой света 1,2 мКд.

Рис.2. Схема экспериментальной установки

Следует отметить, что при проведении данного исследования расстояние между основанием облучаемого объекта и лазерной системой оставалась неизменным, а именно L = 370мм. Измерение высоты ростков проводилось с помощью линейки с миллиметровым делением от поверхности почвы. Определение высоты ростка проводилось на пяти образцах и среднее отклонение от представленных в таблицах 1 и 2 результатов не превышает 10-12%.

Таблица  1
День опыта	Высота ростков (опытных), мм	Высота ростков (контрольных), мм
1	(посадка)	(посадка)
3	22	15
5	72	65
7	102	94
Таблица 2
День опыта	Высота ростков (опытных), мм	Высота ростков (контрольных), мм
1	(посадка)	(посадка)
3	29	14
5	78	65
7	111	96

По полученным результатам можно построить график зависимости темпа роста образцов (как облучаемых, так и нет) от времени выращивания.

Рис.3. График зависимости темпа роста образцов от времени выращивания (время экспозиции t = 2 часа)

 

Рис.4. График зависимости темпа роста образцов от времени выращивания (время экспозиции t = 4 часа)

Из полученных результатов следует:

• рост растений под влиянием лазерного излучения увеличивается в среднем на 22,5%, в отличие от роста необлучаемых образцов;  
• на первом этапе проращивания овса влияние излучения лазером больше (на 35%) чем на заключительном этапе проводимого эксперимента;
• при большем по продолжительности влиянии  лазерного излучения рост растений  значительно увеличивается. Это следует из того, что разница скорости роста овса отличается на 16% при продолжительности их освещения 2 часа и 4 часа ежедневно.

Полученные  при проведении первого опыта результаты не позволяют сделать однозначных и достоверных выводов о существенном влиянии лазерного излучения на биосистемы. Поэтому появилась необходимость проведения второго этапа эксперимента.

При проведении второго этапа исследования нами была изменена среда, в которой выращивались образцы овса. При этом внешние условия остались неизменными. Образцы располагались в водной среде так, чтобы распространение света было по нормали к поверхности. Таким образом, 10г овса полевого размещалось по окружности радиуса R=60мм, а 2г – в центре этой окружности. Выбранные размеры соответствуют расположению светодиодов в используемом лазере. Влажность среды поддерживалась постоянной. Темп роста образцов, помещенных в водную среду, показан в таблице 3, а зависимость роста овса полевого в водной среде от времени прорастания графически отображена на рис. 5.

Следует отметить, что измерения проводились дважды в сутки через каждые 12 часов, а время экспозиции составляло 15 минут (один раз в сутки), расстояние от поверхности до источника лазерного излучения L=10мм.

Измерения высоты ростка проводились от основания  зерна с использованием линейки с миллиметровым делением. Определение высоты ростка проводилось пятикратно и среднее отклонение от представленных в таблицах 1 и 2 результатов не превышает 10-12%.

Таблица 3
Время роста, ч	Высота ростков (опытных), мм	Высота ростков (контрольных), мм
0	0	0
12	0	0
24	2	0
36	5	1
48	8	3
60	15	7

 

Рис. 5. График зависимости  роста овса полевого в водной среде  от времени прорастания.

По результатам  двух проведенных этапов можно сделать  вывод о том, что среда, в которой выращиваются образцы, влияет на интенсивность роста последних. Так же на темп роста оказывает воздействие длительность времени экспозиции и расстояние от источника лазерного излучения до поверхности емкости, в которую были помещены семена овса посевного.

Выводы

В данной работе были выполнены все поставленные задачи, а именно разработаны методики измерений, создана лабораторная установка, проведены опыты с различным временем экспозиции и средами выращивания, определен механизм взаимосвязи излучений с объектом исследований.

Таким образом, положительное влияние лазерного излучения на  развитие биологических систем было подтверждено.

Наиболее важным выводом проведенных исследований является то, что лазерное излучение оказывает положительное влияние на начальном этапе развития злаков независимо от времени экспозиции и среды выращивания. С увеличением продолжительности роста влияние лазерного излучения существенно снижается.

Литература

1. Захаров С.Д., Иванов А.В. Светокислородный эффект в клетках и перспективы его применения в экологии. // Квантовая электроника, 1999. Т. 29. №3. С. 192 – 214.
2. Москвин С.В., Буйлин В.А. Возможные пути повышения эффективности лазерной биостимуляции // Экология, 1999. Т. 3. Вып. 2. С. 32 – 43.
3. Владимиров Ю.А., Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов. // М.: «Высшая школа», 1989. 200 с.
4. Черницкий Е.А., Воробей А.В. Фотосенсибилизированные повреждения биологических мембран // Молекулярные механизмы биологического действия оптического излучения // под ред. Рубина. // М: Наука, 1988. С. 102 – 111.
5. Малов А.Н., Выговский Ю.Н. Физика лазерной биостимуляции // М., МИЛТА - ПКП ГИТ, 2002. 77 с
6. Емельянова М.С. Влияние лазерного излучения на растения при мышьяковистом загрязнении почвы на примере лука – Allium cepa L // Живые системы // ИжГТУ, 2009. Вып. 1.
7. Емельянова М.С. Оценка эффективности гелий-неонового лазера как компонента экобиозащитных систем // Живые системы // ИжГТУ, 2009. Вып.