CC BY
27
ПРОЦЕССЫ И МАШИНЫ АГРОИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ PROCESSES AND MACHINERY OF AGRO-ENGINEERING SYSTEMS
УДК 577.35:633.11 DOI: 10.24411/1999-6837-2018-12041
ГРНТИ 34.17; 68.35.29
Барышева Н.Н., канд.техн.наук, доцент,
E-mail [email protected];
Пронин С.П., д-р техн.наук, профессор,
E-mail [email protected],
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова г. Барнаул, Алтайский край, Россия
РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ИЗМЕНЕНИЯ МЕМБРАННОГО ПОТЕНЦИАЛА ЗЕРЕН ПШЕНИЦЫ РАЗНОЙ ВСХОЖЕСТИ
© Барышева Н.Н., Пронин С.П., 2018
Семена пшеницы обладают уникальной способностью реагировать на внешнее воздействие быстрой деполяризацией мембраны, то есть генерацией мембранного потенциала. Значения мембранного потенциала по модулю для зерен с высокой всхожестью значительно ниже, чем для зерен с низкой всхожестью. При механическом воздействии значения мембранного потенциала у зерен пшеницы с высокой всхожестью значительно ниже, чем с низкой всхожестью. Для зерен пшеницы со всхожестью 97% мембранный потенциал составляет: -64 мВ, для зерен пшеницы со всхожестью 95%: -76 мВ, со всхожестью 92%: -105 мВ, со всхожестью 90%: -125 мВ, для зерен пшеницы со всхожестью 87%: -187 мВ. При одновременном механическом раздражении и воздействии постоянным током значения мембранного потенциала для зерен с низкой всхожестью 87% и высокой всхожестью 95% составило -30 мВ. Погрешность метода исследования - 2%. В результате сравнения теоретических расчетов и результатов экспериментального исследования значений мембранного потенциала зерен пшеницы разной всхожести было установлено, что сопротивление зерен пшеницы низкой и высокой всхожести значительно отличаются. У зерен пшеницы с низкой всхожестью сопротивление составляет 0,034 Ом, у зерен с высокой всхожестью — 0,01 Ом. Сопротивление зерна пшеницы зависит от проницаемости его оболочки. Чем выше проницаемость, тем выше электрическая проводимость, следовательно, и ниже сопротивление у зерен пшеницы. Полученные результаты подтверждают проведенные ранее исследования, которые показали, что коэффициенты проницаемости для зерен пшеницы со всхожестью 87% значительно ниже, чем для зерен с высокой (96%) всхожестью.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: МЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ, ЗЕРНА ПШЕНИЦЫ, ВСХОЖЕСТЬ, ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ, ПРОВОДИМОСТЬ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ.
UDC 577.35:633.11
DOI: 10.24411/1999-6837-2018-12041
Barysheva N.N., Cand. Tech. Sci., Associate Professor,
E-mail [email protected];
Pronin S.P., Dr Tech. Sci., Professor, Head of Department,
E-mail [email protected],
Altai State Technical University named after I.I. Polzunov Barnaul, Altai Region, Russia
THE RESULTS OF THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDIES ON THE CHANGE OF MEMBRANE POTENTIAL OF WHEAT SEEDS WITH DIFFERENT GERMINATION RATE
Wheat seeds have a unique ability to respond to external influences by rapid membrane depolarization, that is the generation of membrane potential. Absolute values of the membrane potential for seeds with a high germination rate is lower than for seeds with low germination. In case of mechanical effect, the values of membrane potential of wheat seeds with high germination are much lower than that of with low germination. The membrane potential of wheat seeds with a germination capacity of 97% is -64 mV, for wheat seeds with a germination of 95% is -76 mV, with germination of 92% is -105 mV, with germination of 90% is -125 mV, for wheat grains with germination 87% is -187 mV. In case of simultaneous mechanical stimulation and exposure to DC, the membrane potential of grains with low germination 87% and high germination 95% amounted to 30 mV. The error of the method of investigation is 2%. As the result of a comparison of the theoretical calculations and the findings of experimental study of the membrane potential of wheat seeds with different germinations it was found out that the resistance of wheat grains of low and high germination is significantly different. The resistance of wheat grains with low germination is 0.034 ohms, as to seeds with high germination, it is 0.01 ohms. The resistance of wheat seeds depends of the permeability of its shell. The higher the permeability, the higher the electrical conductivity, and consequently the lower resistance for wheat seeds. The results confirm earlier studies which showed that the permeability coefficients for wheat grains with an 87% germination are significantly lower than for grains with high (96%) germination.
KEYWORDS: MEMBRANE POTENTIAL, WHEAT SEEDS, GERMINATION, ELECTRICAL RESISTANCE, CONDUCTIVITY, EXPERIMENTAL STUDY.
Введение
Семена пшеницы обладают уникальной способностью реагировать на внешнее воздействие быстрой деполяризацией мембраны, то есть генерацией мембранного потенциала.
Мембранный потенциал представляет универсальный сигнал, который несет определенную информацию о внутреннем состоянии объекта исследования, поэтому значения мембранного потенциала могут быть использованы как отличительный параметр для осуществления контроля всхожести семян пшеницы [1,2,3,4].
Материалы и методы
Мембранный потенциал для семян высокой всхожести по модулю существенно ниже, чем для семян с низкой всхожестью,
что, в свою очередь, было подтверждено многочисленными экспериментальными исследованиями. В качестве внешних раздражителей было выбрано механическое воздействие (прокол оболочки зерна электродом-иглой) и постоянный ток совместно с механическим нарушением оболочки зерна
[3, 5].
Экспериментальное исследование мембранного потенциала семенного материала состояло из трех основных этапов. Первый этап заключался в подготовке семян к экспериментальным исследованиям путем замачивания семян в дистиллированной воде при температуре 20°С в термокамере в течение 12 часов, затем следовал этап измерения мембранного потенциала зерен пшеницы
при механическом воздействии и под действием электрического тока с помощью специальных электродов и последний этап включал в себя статистическую обработку результатов эксперимента [1,5]. Процесс измерения представляет собой следующую процедуру - каждое зерно помещается в электрод-держатель (хохолком вверх), прокалывается электродом-иглой на 1-2 мм в боковую поверхность, к игле подключен источник тока. Замачивание семян в течение 12 часов в дистиллированной воде перед измерением предотвращает их разрушение, появление трещин при проколе. Сигнал записывается в течение 10 секунд с помощью платы LA-50USB.
При механическом воздействии (прокол иглой) мембранный потенциал покоя, т.е. значение потенциала в начальный момент времени семян пшеницы с высокой всхожестью значительно ниже, чем с низкой всхожестью. Семена со всхожестью 97% отличаются значением мембранного потенциала в 64 мВ, зерна пшеницы со всхожестью 95% в -76 мВ, всхожесть 92% в -105 мВ, всхожесть 90% в -125 мВ, мембранный потенциал зерен пшеницы со всхожестью 87% равен 187 мВ [3].
При одновременном механическом воздействии и воздействии постоянным током значение мембранного потенциала для зерен с низкой всхожестью 87% и высокой всхожестью 95% составило -30 мВ. Погрешность метода исследования - 2% [3,5].
Целью данной работы является моделирование эквивалентной электрической схемы зерен пшеницы, проведение теоретических расчетов цепей методом узлового напряжения, сравнение результатов с экспериментальными значениями мембранного потенциала зерен пшеницы разной всхожести.
Результаты и их обсуждения
Для решения поставленной задачи были построены электрические схемы замещения, проведены расчеты цепей методом узлового напряжения.
Электрическая схема замещения измерения мембранного потенциала зерен пше-
ницы, возникающего при механическом воздействии на оболочку, представлена на рисунке 1.
Рис.1. Электрическая схема замещения измерения мембранного потенциала зерен пшеницы, возникающего при механическом воздействии на оболочку
Из теории расчета цепей методом узлового напряжения следует, что напряжение между узлами будет определяться формулой:
п _ ^зер^зер
^ такту
^зер+^пр
(1)
где ивых - напряжение между узлами; £'зер - источник ЭДС зерна, В; Сзер - электрическая проводимость зерна, 1/Омсм; Спр - электрическая проводимость прибора, 1/Омсм.
Проводимостью прибора можно пренебречь, так как = 100 МОм.
Из этого следует, что напряжение между узлами - это и есть источник ЭДС (Езер), и, следовательно, Увьк = ^зер.
Известно, чтодля зерен пшеницы со всхожестью 95% :Увых = -76 мВ, а для зерен со всхожестью 87%: Увых = -187 мВ.
Таким образом, получается, что для зерен с высокой всхожестью (95%) £"зер = -76 мВ, а для зерен с низкой всхожестью (87%) £зер = -187 мВ.
На рисунке 2 представлена электрическая цепь с дополнительным источником постоянного тока (Явн = 1,5 В) с ограничительным сопротивлением (йоГр = 0,33 Ом).
Рис. 2. Электрическая схема замещения измерения мембранного потенциала зерен пшеницы, возникающего при одновременном механическом и электрическом воздействии на оболочку
Из теории расчета цепей методом узлового напряжения следует, что напряжение между узлами будет определяться формулой:
_ ^вн^огр+^зер^зер
ВЫХ у-1 I у-1 I у-1 '
иогр+изер+ипр
(2)
где УВЫХ - напряжение между узлами; Язер - источник ЭДС зерна, В; Сзер - электрическая проводимость зерна, 1/Омсм; Спр - электрическая проводимость прибора, 1/Ом- см; £оГр- электрическая проводимость ветки, 1/Омсм.
Сопротивление зерен пшеницы установлено экспериментально и для высокой всхожести составило йзер = 0,01 Ом , что соответствует теоретическим сведениям [6, 7]. Для семян с низкой всхожестью - йзер = 0,03 Ом. Сопротивление зерен измерялось с помощью микроомметра марки Ф4104. Пределы допускаемой погрешности прибора -±2,5мОм. Проводимостью прибора можно пренебречь, так как = 100 МОм.
При одновременном механическом и электрическом воздействии для зерен пшеницы с высокой и низкой всхожестью УВЫХ = -30 мВ.
Подставив известные значения в теоретическую формулу (2)
1
1
-0,03 =
1,5 0,33+^зер0,01
+
+
и рассчитав уравне-
0,33 0,01 100 106
ние, получаем, что £'зер = -0,076 В, что соответствует полученным в результате экспериментального исследования значениям мембранного потенциала зерен пшеницы с высокой всхожестью при механическом воздействии.
Однако для зерен пшеницы с низкой всхожестью значение мембранного потенциала составило Язер = -187 мВ.
Подставив известные параметры в уравнение (2), получили йзер = 0,034 Ом, что соответствует измеренным с помощью микроомметра значениям сопротивления семян с низкой всхожестью.
Исследования подтверждают, что сопротивление зерен пшеницы низкой и высокой всхожести значительно отличаются. У зерен пшеницы с низкой всхожестью сопротивление составляет 0,03 Ом, у зерен с высокой всхожестью - 0,01 Ом.
Это объясняется разной проницаемостью мембран. Чем выше проницаемость мембраны, тем выше электрическая проводимость, а, следовательно, и ниже сопротивление.
Полученные результаты подтверждают проведенные ранее исследования, в результате которых была выявлена следующая закономерность - проницаемость оболочки у семян пшеницы с низкой всхожестью (87%) значительно ниже, чем со всхожестью 96%. Так, для семян со всхожестью 97% были получены коэффициенты проницаемости Рк = 0,510, РМа = 0,020, РС1 = 0,450 . Для зерен пшеницы со всхожестью 87% коэффициенты проницаемости равны: Рк = 0,02600, РЫа = 0,00010, РС1 = 0,10000 [8]. Практически в 20 раз проницаемость для ионов К+ выше у семян с высокой всхожестью, в 200 раз выше для ионов №+, в 4.5 раза выше проницаемость для ионов С1-.
Выводы
В результате сравнения теоретических расчетов и результатов экспериментального исследования значений мембранного потенциала зерен пшеницы разной всхожести было установлено, что сопротивление зерен пшеницы низкой и высокой всхожести значительно отличаются. У зерен пшеницы с низкой всхожестью сопротивление составляет 0,03 Ом, у зерен с высокой всхожестью - 0,01 Ом. Сопротивление зерна пшеницы зависит от проницаемости его оболочки. Чем выше проницаемость, тем выше электрическая проводимость, следовательно, и ниже сопротивление у зерен пшеницы.
Полученные результаты исследований подтверждают проведенные ранее исследования коэффициентов проницаемости и концентрации ионов зерен пшеницы разной всхожести.
1
1
1
Список литературы
1. Мерченко, Н.Н. Разработка метода контроля всхожести зерен пшеницы по мембранному потенциалу / Н.Н. Мерченко, С.П. Пронин, А.Г. Зрюмова // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 2013. - № 10 (108). - С. 103-106.
2. Матлаев, А.Г. Контроль всхожести семян пшеницы по параметрам потенциала действия / А.Г. Матлаев, С.П. Пронин // Естественные и технические науки. - 2009. -№ 3 (41). - С. 308-311.
3. Барышева, Н.Н. Метод контроля мембранного потенциала семян пшеницы и его применение для оценки всхожести / Н.Н. Барышева, С.П. Пронин // Ползуновский вестник. - 2015. - №2. - С.70-74.
4. Матлаев, А.Г. Зависимость изменения потенциала действия зерна пшеницы от всхожести / А.Г. Матлаев, С.П. Пронин // Ползуновский альманах. - 2009. - №2. - С. 138-140.
5. Пронин, С.П. Изменение мембранного потенциала зерен пшеницы под действием электрического тока / С.П. Пронин [и др.] // Ползуновский вестник. - 2016. - №2. - С.139-141.
6. Листов, П.Н. Применение электрической энергии в сельскохозяйственном производстве: справ. / Под редакцией акад. ВАСХНИЛ П.Н. Листова. - Москва : Колос, 1974. - 623 с.
7. Белов. А.А. Совершенствование технологии и сверхвысокочастотных установок для повышения кормовой ценности фуражного зерна: дис. док. техн. наук: 05.20.02 / А.А. Белов. - Москва, 2016. -416 с.
8. Мерченко, Н.Н. Зависимость мембранного потенциала зерен пшеницы от концентрации ионов на внутренней стороне оболочки и ее проницаемости / Н.Н. Мерченко, С.П. Пронин // Фундаментальные исследования. - 2014. - № 8. - С. 1539-1544.
Reference
1. Merchenko, N.N., Pronin, S.P., Zryumova, A.G. Razrabotka metoda kontrolya vskhozhesti zeren pshenicy po membrannomu potencialu (Working out the Method of Wheat Seeds Germination Control in accordance with Membrane Potential), Vestnik Altajskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, 2013, No 10 (108), PP. 103-106.
2. Matlaev, A.G., Pronin, S.P. Kontrol' vskhozhesti semyan pshenicy po parametram potenciala dejst-viya (Wheat Seeds Germination Control in accordance with Parameters of Action Potential), Estestvennye i tekhnicheskie nauki, 2009, No 3 (41), PP. 308-311.
3. Barysheva, N.N., Pronin, S.P. Metod kontrolya membrannogo potenciala semyan pshenicy i ego primenenie dlya ocenki vskhozhesti (Method of Wheat Seeds Germination Control and Its Application for Assessment of Germination), Polzunovskij vestnik, 2015, No 2, PP.70-74.
4. Matlaev, A.G., Pronin, S.P. Zavisimost' izmeneniya potenciala dejstviya zerna pshenicy ot vskhozhesti Dependence of Change of Wheat Grain Action Potential on Germination), Polzunovskij al'manah, 2009, No 2, PP. 138-140.
5. Pronin, S.P. Izmenenie membrannogo potenciala zeren pshenicy pod dejstviem elektricheskogo toka (Change of Wheat Seeds Membrane Potential under Influence of Electric Current), S.P. Pronin [i dr.], Polzunovskij vestnik, 2016, No 2, PP.139-141.
6. Listov, P.N. Primenenie ehlektricheskoj ehnergii v sel'skohozyajstvennom proizvodstve: sprav. (Use of Electric Power in Agriculture. Reference Book), pod redakciej akad. VASKHNIL P.N. Listova, Moskva, Kolos, 1974, 623 p.
7. Belov. A.A. Sovershenstvovanie tekhnologii i sverhvysokochastotnyh ustanovok dlya povysheniya kormovoj cennosti furazhnogo zerna: dis. dok. tekhn. nauk: 05.20.02 (Improvement of Technology and Su-perhigh-Frequency Units for Enhancement of Feed Value of Forage Grain: Thesis. Doctor of Technical Science: 05/20/02), A.A. Belov, Moskva, 2016, 416 p.
8. Merchenko, N.N., Pronin, S.P. Zavisimost' membrannogo potenciala zeren pshenicy ot koncentracii ionov na vnutrennej storone obolochki i ee pronicaemosti (Dependence of Wheat Grain Membrane Potential on Ion Concentration on the inner Side of Shell and Its Permeability), N.N. Merchenko, S.P. Pronin, Funda-mental'nye issledovaniya, 2014, No 8, PP. 1539-1544.
