Анализ методов и технических средств контроля жизнеспособности семян зерновых культур

Введение. Жизнеспособность семян зерновых сельскохозяйственных культур является одним из важнейших показателей их продуктивности. На сегодняшний день контроль качества семян зерновых культур осуществляется методом, представленным в ГОСТ 12039-82. В настоящее время для определения жизнеспособности семян применяются следующие методы: обработка семян тетразолом, индигокармином, кислым фуксином, люминесцентный метод [1] и т.д. Все эти методы являются трудоёмкими, отличаются длительным процессом подготовки к исследованию и отсутствием автоматизации процесса. Поэтому разработка методов контроля жизнеспособности семян с минимальными временными и материальными затратами является актуальной проблемой сельскохозяйственного производства.

Анализ методов и технических средств. Методы, обусловленные использованием химикалиев, предназначены для получения информации о качестве семян, когда семена находятся в состоянии покоя или требуют длительного срока проращивания. К недостаткам этих методов можно отнести их трудоёмкость. Во всех случаях требуется замачивание семян в воде, удаление покровов, извлечение зародышей, выдерживание в растворах красителей. Но главное - эти методы обладают некоторой долей субъективности и дают во многих случаях показатели, значительно отличающиеся от данных при проращивании.

Люминесцентный метод довольно широко используется в сельскохозяйственном производстве для определения жизнеспособности семян. Этот метод основан на том, что под действием ультрафиолетового излучения семена разных культур светятся по-разному. Связь цвета люминесценции с жизнеспособностью семян устанавливается для каждого вида семян сравнением с результатами определения жизнеспособности другими методами. Для увеличения контрастности свечения используют прокрашивание срезов зародышей флуорохрома-ми. Так, для окраски ячменя применяется содовый раствор красителя акридин оранжевый, а для окраски пшеницы - водноспиртовой раствор розалина. Использовались также и другие люминесцирующие красители - йодэозин, флуоресцеин, индиго-кармин и т.д. Семена перед анализом замачиваются в течение 1-2 часов в тёплой воде, освобождаются от покровов и обрабатываются в течение 20 минут в растворах люминесцирующих красителей, а затем просматриваются в ультрафиолетовом свете. Этот метод даёт удовлетворительные результаты, но имеет и ряд недостатков. Семена, сходные по морфологическим признакам, могут давать различное свече- ние. Кроме того, как и при биохимических методах, требуется удаление покровов семян и т.д., что ведёт к уничтожению исследуемых семян.

Для неразрушающего определения жизнеспособности семян предлагается применять рентгенографический метод [24]. При этом определяется жизнеспособность индивидуально каждого семени, не вызывая каких-либо нарушений исследуемого объекта. Однако визуальная оценка является в какой-то мере субъективной, а также требует применения дорогостоящего и небезопасного оборудования.

Использование коэффициента поляризации клеток (КП) для определения жизнеспособности основано на отношении сопротивления клеток, измеренного на низкой частоте, к сопротивлению, измеренному на высокой частоте [5].

Этот коэффициент использовался для определения жизнеспособности древесных растений. Полученные результаты свидетельствуют, что КП можно использовать как показатель жизнеспособности тканей. Использование коэффициента поляризации для оценки жизнеспособности семян зерновых культур в публикациях нами не обнаружено.

Разность электрических потенциалов (РП) как показателя жизнеспособности семян исследовалась в работах [6, 7]. В работе [6] отмечается, что живые и убитые семена кукурузы в течение длительного времени набухания не только имели сходные по величине РП, но и поглощали приблизительно одинаковое количество воды. Наиболее существенная разница значений РП у живых и мёртвых семян обнаружена в период, предшествующий прорастанию. В результате этих исследований сделан вывод, что с помощью прижизненного определения РП набухающих семян можно составить представление о жизнеспособности семян, не проращивая их.

К недостатку этого вида исследования можно отнести то, что измерения РП проводятся при набухании семян, а не на сухих без процесса набухания.

В работе [7] отмечается, что высокий уровень поверхностных потенциалов корешков кукурузы коррелирует с наличием большого количества делящихся клеток, в случае же отсутствия митозов уровень потенциала приблизительно в два раза ниже.

Исследованиями [8] установлено, что у воздушно-сухих жизнеспособных семян подсолнечника, пшеницы, кукурузы и др. биоэлектрический потенциал не обнаруживается. Также не обнаруживается потенциал и у семян, убитых нагреванием.

В работе [9] проанализированы концепции предпосевной обработки семян, предложенные разными авторами. В результате этого анализа автор статьи приходит к выводу, что электрические потенциалы на поверхности семян являются объединяющим фактором, т.е. могут быть определяющими в жизнеспособности семян.

Известно устройство для определения жизнеспособности семян (А.с. № 1395166. БИ № 18-1988), которое позволяет определить жизнеспособность семян яровой пшеницы по электрическому сопротивлению прорастающих семян. Но электрическое сопротивление при таком способе зависит от влажности зерновки, что затрудняет получение объективной информации о жизнеспособности семени.

Устройство для отбора биологически ценных семян (патент РФ № 2257039 АО 1С1/00. 27.07.2005) позволяет по изменению сопротивления и ёмкости измерительных датчиков разделить семена на множество фракций. Это даёт возможность собирать статистический материал, по которому можно будет находить оптимальные значения установок контролируемых величин (сопротивления и ёмкости). Недостаток устройства - предназначено для научных исследований.

В журнале «Зерновое хозяйство России» (2010 г., № 3) опубликована статья С. А. Леоновой «Применение интроскопи-ческой оценки зерна пшеницы в целях стабилизации качества формируемых партий», в которой предлагается определять качество семян по регрессионным моделям. В выводах отмечено, что метод позволяет сразу после завершения уборки дифференцировать партии зерна по содержанию клейковины, белка и числу падения, используя экспресс-метод и переносную аппаратуру. Этот метод опробован в условиях Башкирии, а для других регионов необходимо получать свои модели.

В настоящее время [10-12] предлагается определять всхожесть (один из основных показателей жизнеспособности) семян по величине потенциала действия. В этих работах отмечается, что проведённые эксперименты научно обосновывают регламентируемый ГОСТом диапазон температур проращивания зерен пшеницы от 20 до 22 °C. В этом диапазоне температур наблюдается существенная разница значений мембранного потенциала в зависимости от всхожести пшеницы. К недостаткам этого метода можно отнести то, что необходимо измерять потенциал каждого семени.

В работе [13] семя представляют как систему, состояние которой характеризует некая обобщённая координата. В термодинамике в роли обобщенных координат выступают масса, объём, энтропия, электрический заряд. Все обменные процессы внутри семени можно представить как совершающиеся под воздействием обобщённых потенциалов (движущей силы). Причиной появления движущей силы являются градиенты температуры, давления, химического и электрического потенциалов.

Обсуждение результатов анализа. Существующие методы и технические средства позволяют определять жизнеспособность семян по электрическому сопротивлению, по диэлектрической проницаемости, по изменению силы тока и потенциала действия. Однако во всех работах не показана связь электрических параметров с жизнеспособностью семян. Как эти параметры изменяются с потерей жизнеспособности семян? Каковы причины, вызывающие снижение жизнеспособности семян?

В связи с этим при выборе информативных параметров необходимо исходить из того, что измерение состояния семени характеризуется изменением некоторого множества параметров.

Для анализа изменения состояния семени представим его модель, состоящую из основных элементов зерновки (рисунок 1).

Через щиток, богатый ферментами, питательные вещества при прорастании из эндосперма поступают в зародыш, в котором корешок, стебелёк и почечка дают жизнь новому растению. Но этот процесс будет протекать в зерновке только лишь при наличии воды.

Рисунок 1 - Модель семени

Корешок Стебелёк Почечка

Семена поглощают воду в течение двух последовательных и различных процессов. На первом этапе основную роль играет диффузия воды и всасывание набухающими коллоидами семени - процессы физико-химические, независимые от жизнеспособности семян (процессы, свойственные живым и мёртвым семенам). Когда сила всасывания ослабевает, дальнейшее поглощение воды будет происходить путём осмоса и благодаря энергии метаболического происхождения. Поглощение воды осмотическим и метаболическим путём свойственно только живым семенам.

Заключение. Исходя из того, что семя представляет собой многослойное образо вание [14], его жизнеспособность зависит от некоторого множества параметров. В связи с этим изменение степени жизнеспособности семени целесообразно определять совокупностью параметров.

Выбор этой совокупности параметров представляется весьма трудной задачей. В каждом конкретном случае необходимо определять степень информативности параметра.

Из проведённого анализа можно сделать вывод: к настоящему времени отсутствует метод, позволяющий быстро и качественно определить жизнеспособность семян зерновых культур.