Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Международный научно-исследовательский журнал публикации ВАК
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №45 (май) 2017
Разделы: Биология
Размещена 29.05.2017. Последняя правка: 28.05.2017.

Разработка методики оценки поглощения ультрафиолетового излучения посевами ячменя

Манин Константин Владимирович

к.б.н.

ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии ФАНО

н.с.

Цыгвинцев П.Н., к.б.н., зав. лаб. №4, ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии ФАНО


Аннотация:
Предложен экспериментальный метод оценки поглощенной и отраженной доли УФ-излучения посевами растений. Показан одинаковый характер поглощения и отражения ультрафиолета разных диапазонов (УФ-А, УФ-В, УФ-С) растениями ячменя. Доля отраженного ультрафиолета незначительна и составляет 1-2%. Зависимость поглощенной доли ультрафиолета от общей площади листьев носит линейный характер и обусловлена увеличением проективного покрытия по мере роста растений и увеличения количества листьев. Предложен коэффициент перехода от экспозиционной к поглощенной дозе в посевах ячменя, который снижается по мере развития растений и увеличения плотности их надземной биомассы.


Abstract:
An experimental method for estimating the absorption and reflection of UV radiation by plant crops is proposed. The same character of absorption and reflection of ultraviolet of different ranges (UV-A, UV-B, UV-C) by barley plants is shown. The fraction of reflected ultraviolet is 1-2%. The dependence of the absorbed fraction of the ultraviolet on the total leaf area is linear and is due to the increase in the projective coverage as the plants grow and the number of leaves increases. The coefficient of transition from exposure to absorbed dose in barley crops is proposed, which decreases as the plants develop and the density of their above-ground biomass increases.


Ключевые слова:
УФ-радиация; поглощенная радиация; ячмень.

Keywords:
UV-radiation; absorbed radiation; barley.


УДК 633.16:613.648

Введение

В настоящее время при изучении эффектов ультрафиолетового излучения на биологические объекты используется концепция биологически эффективного УФ-излучения. Данная концепция заключается в оценке относительного вклада в наблюдаемый биологический эффект ультрафиолета произвольной длины волны по отношению к квантам УФИ с определенной длиной волны, вызывающим биологический эффект по величине, принятой за единицу. Спектры биологического действия УФ-В-излучения на морфологические и ростовые характеристики высших растений были разработаны [1] и впоследствии дополнены для УФ-А-излучения [2].
Биологически эффективные дозы, полученные для заданного биологического эффекта, позволяют сравнивать степень радиационного воздействия по величине именно этого биологического эффекта, то есть определять зависимости «доза-эффект» как от искусственных источников ультрафиолетового излучения, так и от солнечного излучения. Но в то же время концепция биологически эффективной дозы имеет ряд ограничений, обусловленных различными механизмами действия ультрафиолета с разной частотой. Поэтому авторы статьи считают необходимым развивать в дополнение к концепции биологически эффективной дозы также и концепцию поглощенной дозы в отношении неионизирующего излучения.
По мнению одних авторов [3], поглощение лучистой энергии листьями растений происходит в соответствии с законом поглощения Ламберта-Бэра, тогда как другие авторы [4-5] полагают, что этот закон не приложим к рассеивающим биологическим объектам, особенно таким, как листья растений.
В связи с высокой степенью гетерогенности листьев растений оптические и фотометрические закономерности, характеризующие их, безусловно, отличаются от закономерностей, принятых в оптике и спектроскопии прозрачных сред [5]. Поэтому представляет интерес проследить, существует ли закономерная зависимость между биологическим эффектом и величиной коэффициента поглощения лучистой энергии[5].
Однако геометрическая сложность растений, как объекта изучения, не позволяет определить конкретную величин поглощенной энергии, тем более, что коэффициент поглощения сильно зависит от спектра излучения.
Цель нашей работы состоит в оценке доли поглощенного ультрафиолетового излучения посевами ячменя на разной стадии онтогенеза
Материалы и методика
Сущность метода состоит в измерении потока излучения через замкнутую поверхность (в нашем случае – параллелепипед) внутри которой помещен объект изучения и сравнение с тем же потоком, но без объекта. Объектом изучения были посевы ячменя сорта Зазерский в вегетационном сосуде (диаметром 20 см на уровне почвы) на разной стадии вегетации, плотность посевов составляла 14-20 растений на сосуд, или 450-600 растений на метр квадратный. Для фиксации радиометра в постоянных точках измерения использовали параллелепипед, изготовленный из металлической сетки размером ячейки 45х45 мм, что обусловлено конструктивными особенностями радиометра. Вегетационный сосуд с посевами ячменя размещали таким образом, чтобы измерения на нижней грани параллелепипеда приходились на уровне почвы. Для фоновых измерений таким же образом размещали вегетационный сосуд с почвой без растений. Источником УФ-излучения являлась лампа ДРТ-240, размещенная в 30 см над верхней поверхностью параллелепипеда по центру, измерения проводили в темной комнате при стабильном режиме работы лампы (Рисунок 1; 
Измерение потока излучения проводили УФ-радиометром ТКА-АВС, предназначенном для измерения энергетической УФ-облученности в трех диапазонах:
-УФ-А (315…400 нм) источниками УФ-излучения за исключением газоразрядных ртутных ламп без люминофоров;
-УФ-В (280…315 нм) источниками УФ-излучения за исключением газоразрядных ртутных ламп с люминофорами типа "А", а также естественных источников излучения;
-УФ-С (200…280 нм) газоразрядными ртутными лампами высокого и низкого давления без люминофоров.
Поскольку в нашем эксперименте источником излучения являлась ртутная лампа высокого давления без люминофора, показания прибора в области УФ-А имели систематическую погрешность. Однако, так как нас интересует только относительная доля поглощенного УФ-излучения, данное обстоятельство не имеет значения.
Угол измерения данным прибором составляет 20-30°, в зависимости от диапазона, поэтому в некотором приближении можно считать показания измерения равными потоку излучения, перпендикулярному плоскости измерения.
Измерения проводили по всем ячейкам параллелепипеда 7х7х11. Для дальнейших расчетов использовали только те ячейки, разница в которых при измерении с объектом составляла более 5 % от фоновых измерений.
Долю поглощенного излучения определяли из соотношения:

В свою очередь, поглощенный поток рассчитывался как разница между не прошедшим через посевы и отраженным потоками:
UVd - не прошедший через посевы поток УФ- излучения, интегрированный по разнице с фоновым в измерениях тех ячеек с объектом , где поток уменьшался; UVr - отраженный посевами поток УФ- излучения, интегрированный по разнице с фоновым в измерениях тех ячеек с объектом, где поток увеличивался.
Долю отраженного излучения рассчитывали по формуле:
(3)

Результаты и обсуждение

На рисунке 2 представлен пример фактических измерений потока УФ-излучения через поверхность параллелепипеда при фоновом измерении и с объектом. Как и следовало ожидать, максимальная часть потока проходит через нижнюю грань, на боковых гранях наблюдается сверху вниз снижение тангенциальной доли излучения от источника, а на верхней грани регистрируется незначительный поток отраженного излучения от внутренних элементов установки.
Регистрация изменения потока при измерении с объектом (посевы ячменя), хорошо видимая на рисунке 2, позволила рассчитать долю поглощенного (D) и отраженного (R) УФ-излучения по формулам 1-3.

Полученные данные, а также морфологические показатели посевов ячменя, представлены в таблице 1.

Таблица 1. Показатели посевов ячменя и доля поглощенного и отраженного УФ  излучения


Следует отметить, что при вегетационных экспериментах в условиях теплицы развитие растений проходит заметно медленнее, чем должно быть в полевых условиях, к тому же образование боковых стеблей и их рост сильно замедленны, поэтому при закладке эксперимента была несколько увеличена плотность посевов, чтобы имитировать посевы в полевых условиях. На рисунке 3  показана зависимость поглощенной доли УФ А, УФ В и УФ С радиации в зависимости от площади листовой поверхности посевов.
Как видно из представленных данных, различные диапазоны УФ-излучения практически одинаково поглощаются и отражаются растениями, Хотя можно отметить, что в 4 случаях из пяти измерений отмечается одна и та же закономерность – в пределах 5-10% длинноволновая часть УФ спектра лучше поглощается растениями. Доля отраженного излучения незначительна и составляет 1-2% с учетом погрешности метода. Разброс полученных значений поглощенной доли УФ-излучения разных спектров для молодых (20 суток) растений обусловлен различным геометрическим положением датчиков радиометра и малым количеством фитомассы в посевах. Вероятно нижним пределом чувствительности данного метода будет являться плотность фитомассы 0,5 кг/м2.
Анализ зависимости поглощенной доли ультрафиолета от общей площади листьев позволяет предположить, что растениями поглощается все излучение, попадающее на него, а наблюдаемая зависимость обусловлена увеличением проективного покрытия по мере роста растений и увеличения количества листьев.
Подтверждением этого предположения является наличие большого количества защитных пигментов в клетках листьев ячменя. Подобного мнения придерживаются и другие авторы [5]. Ряд авторов сообщали, что растения поглощают УФ радиацию очень эффективно (свыше 90%), и что в сущности ее не пропускают [6]. Следовательно, обычно отражается менее чем 10% УФ радиации. Интересно заметить, что в случае пустынных сочных растений, таких как Agave americana и Opuntia leavis, отражение может достигать 10-20%, в то время как у хвойных растений отражение может быть только 2-3% [6].
В настоящее время в радиобиологии неионизирующих излучений основным дозовым критерием является экспозиционная доза (Дж/м2), однако радиобиологические эффекты обусловлены не экспозиционной, а поглощенной дозой излучения (Дж/кг). Учитывая, что поглощение излучения у растений происходит в основном листовой поверхностью, можно рассчитать коэффициент перехода от экспозиционной к поглощенной дозе, используя надземную биомассу растений (фитомассу). Как видно из данных, представленных на рисунке 4, коэффициент поглощенной дозы снижается по мере увеличения плотности фитомассы и хорошо описывается уравнением вида:
                              (4)

фактическое и прогнозное

Выводы

1. Различные диапазоны УФ-излучения практически одинаково поглощаются и отражаются растениями. При этом доля отраженного ультрафиолета для ячменя составляет 1-2%
2. Зависимость поглощенной доли ультрафиолета от общей площади листьев носит линейный характер и обусловлена увеличением проективного покрытия по мере роста растений и увеличения количества листьев.
3. Коэффициент поглощенной дозы в посевах ячменя снижается по мере развития растений и увеличения плотности их надземной биомассы.

Библиографический список:

1. Caldwell M.M. Photophysiology. Academic press. New York, 1971, Vol. 6, pp. 131-177.
2. Flint S.D., Caldwell M.M. Field testing of UV biological spectral weighting functions for higher plants // Physiologia Plantarum. 2003. Vol. 117. P. 145-153. (ISSN:0031-9317).
3. Seybold A. Űber die optischen Eigenschaften der Laubblätter. IV // Zeitschrift für Wissenschaftliche Biologie. Abteilung E. Planta. 1934. Vol. 21. № 2. P. 251-265.
4. French C.S., Young V.K. The absorption action and fluorescence spectra of photosynthetic pigments in living cells and in solutions // Radiation Biology.-1956. Vol. 3. - P. 343-391.
5. Брандт А.Б., Тагеева С.В. Оптические параметры растительных организмов. - М.: Наука, 1967. - 281 с.
6. Gates D.M., Keegan H.J., Schleter J.C., Wiedner V.R. Spectral properties of plants // Appl. Opt. 1965. Vol. 4. №1. P. 11-20.




Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх