Статья опубликована в №45 (май) 2017
Разделы: Биология
Размещена 29.05.2017. Последняя правка: 28.05.2017.
Просмотров - 2191

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

УДК 633.16:613.648

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 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:

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)

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.

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