Исследование экологического статуса систем "почва-растение" степной зоны при антропогенном воздействии (22.11.2010)

Автор: Ефремов Игорь Владимирович

Интегрируя (1) с учетом начальных условий, получим

Населенность i-го уровня экспоненциально убывает со временем и при t?? стремиться к нулю. Скорость убывания характеризуется длительностью возбужденного состояния - ?. Включение неоптических переходов, т.е. тушения люминесценции, приводит к сокращению длительности. Изменение населенности уровней в рамках вероятностного метода можно найти из системы уравнений

Здесь m – общее число уровней энергии частиц, строго говоря, равное бесконечности, а p-вероятности переходов электронов между уровнями. Значение ?ni для одних уровней положительны, для других отрицательны.

Решение (3) имеет вид

Здесь ?1, ?2, …, ?m-1 – постоянные, зависящие только от свойств системы частиц и температуры (от вероятностей pij, т.е. от Aij, dij и Т); Dki – постоянные, зависящие, кроме, того, и от начальных условий, т.е. от способа возбуждения. Общее число постоянных ?к равно (m-1). Они могут быть комплексными, причем их вещественная часть всегда положительна, так как при t?? ?ni ?0.

Из формулы (4) следует, что изменение населенности уровней при приближении к равновесию (после прекращения возбуждения) происходит по сложному, отнюдь не экспоненциальному закону. Для многих уровней значения ?ni могут не только уменьшаться, но и увеличиваться, много раз проходя через нуль при комплексных значениях ?.

В работе показано, что экспоненциальный закон изменения числа возбужденных частиц и, следовательно, экспоненциальный закон затухания люминесценции могут наблюдаться у таких систем, для которых характерно быстрое перераспределение частиц по различным подуровням возбужденного состояния.

ГЛАВА 4. Технические средства регистрации замедленной флуоресценции. В главе проведен анализ существующих аппаратных средств регистрации замедленной флуоресценции, приведена конструкция разработанной автором установки регистрации кинетики замедленной флуоресценции. Возможность определения тех или иных параметров фотосинтетического аппарата определяется особенностями используемого метода возбуждения и регистрации флуоресценции.

Для регистрации замедленной флуоресценции растений автором разработано высокочувствительное устройство на основе электронных блоков системы «Вектор» (патент 2220413 (13) С1 2003 г., авторы: Ефремов И.В., Межуева Л.В., Быкова Л.А., ОГУ), работающее в импульсном режиме.

На рисунке 1 (а) показана блок-схема устройства для регистрации замедленной флуоресценции. Устройство работает следующим образом: исследуемый объект (лист растения, почва) помещают в кювету, выполненную из светопроводящего материала и расположенную в емкости для исследуемого объекта 7, выдерживают в темноте необходимое время. Измерения начинают нажатием кнопки пуск блока управления 8. При этом, в течение заданного времени подается импульс напряжения на светодиоды и происходит засветка объекта. Одновременно с блока управления подается запирающее напряжение на первый динод фотоэлектронного умножителя 6. Установка работает в режиме счета импульсов.

а б

Рисунок 1. (а) блок-схема устройства для регистрации замедленной флуоресценции; (б) форма импульсов измерительного тракта.

1 – блок питания предварительного усилителя; 2 – высоковольтный блок питания 3 – усилитель импульсов БУС 2-95; 4 – пересчетное устройство ПСО; 5 –предварительный усилитель; 6 – фотоэлектронный умножитель с источником света; 7 – объект; 8 – блок управления установкой.

Форма импульсов приведена на рисунке 1 (б). После снижения напряжения на светодиодах до нуля, с блока управления подается импульс на запуск пересчетного устройства и одновременно снимается запирающее напряжение фотоэлектронного умножителя. Пересчетное устройство при этом начинает счет числа импульсов, поступающих с ФЭУ. Измерение происходит до снижения числа импульсов до фонового уровня.

Использование данного устройства позволяет совершенствовать флуоресцентные методы и аппаратуру для биомониторинга загрязнения объектов окружающей среды различными токсикантами.

ГЛАВА 5. Замедленная флюоресценция растений степной зоны при действии гербицидов и тяжелых металлов. В главе рассмотрены методики и результаты исследований кинетики замедленной флуоресценции растений при действии гербицида (раундап) и солей тяжелых металлов.

В качестве объектов исследований использовались следующие виды сорных растений: щирица запрокинутая (Amaranthus retroflexus L.), марь белая (Chenopordium album L.), латук дикий (Lactuca serriola L.), молочай Вальдштейна (Euphorbia Waldsteinii), а также культурные растения: кукуруза сорта Кичкасская местная, подсолнечник сорта Скороспелый, баклажан, перец, томат, капуста, входящие в состав агроценозов Оренбургской области.

Надземные органы вегетирующих растений обрабатывались растворами гербицида (раундап) разных концентраций ( 2 %, 4 %, 8%, 10%) с помощью пульверизатора из расчета 2 л/га. Объем раствора гербицида для всех вариантов опыта брался постоянный, обеспечивающий полное, равномерное смачивание всех растений. Контрольные растения аналогичным образом опрыскивали чистой водой. Затем отделенный от растения лист помещали в камеру экспериментальной установки, облучали его источником света и в течение 300 секунд регистрировали количество импульсов (площадь каждого листа была одинаковой). Замедленную флуоресценцию последовательно измеряли у обработанного гербицидом и контрольного растений. При этом учитывалась также продолжительность воздействия гербицида на растения (1, 2, 3, 4 суток).

Для исследования влияния физико-химических свойств почвы на замедленную флюоресценцию растений, растения выращивались на различных типах почв, характерных для Оренбургской области. При изучении влияния тяжелых металлов на замедленную флюоресценцию растения выращивались на черноземе обыкновенном. Растения, выращенные до состояния 4-5 листа, извлекались из земли и погружались корневой системой в растворы солей металлов концентраций 1,5,10,15,20 мг/л на время три часа для установления равновесных концентраций. Затем листья 3-4 ярусов удалялись для проведения измерений. После помещения листьев в измерительную камеру, листья адаптировались к темноте в течение пяти минут. Для этих экспериментов использовались культурные растения томат, баклажан, капуста, перец, подсолнечник, кукуруза.

В наших исследованиях строго учитывалось возрастное состояние исследуемых листьев. Для определения использовали листья одного яруса (3 - 4 лист). Все измерения выполняли в 10-кратной повторности.

Рисунок 2. Характерная кривая кинетики замедленной флюоресценции растений.

На рисунке 2 приведена характерная кривая замедленной флюоресценции (ЗФ) растений, регистрируемая при помощи описанного выше устройства. Собственный фон установки Nф вычитался из зарегистрированного числа импульсов флюоресценции. Кривая кинетики ЗФ (выделенная кривая рисунка 2) представлялась в виде суммы экспонент (по методу Левенберга –Макгравта), с целью выявления быстрых Nб и медленных Nм компонент флуоресценции (рисунок 2 пунктирные кривые). Быстрые и медленные компоненты отличаются амплитудами G и D, а также постоянными a и b, характеризующими интенсивность затухания ЗФ.

На рисунке 3 представлен результаты экспериментальных исследований влияния различных концентраций гербицида раундап на параметры замедленной флюоресценции (для примера приведены результаты влияния гербицида на ростки мари). Анализируя графические зависимости, представленные на рисунках, видно, что амплитуда быстрого компонента (G) у контрольных образцов растений понижается с течением времени. У контрольных образцов молочая и щирицы амплитуда быстрого компонента достигает максимума на третьи и вторые сутки после обработки гербицидом. Обработка растений гербицидом приводит к резкому снижению интенсивности быстрой компоненты у всех опытных образцов растений. При этом максимальное снижение интенсивности быстрой компоненты отмечено у латука на четвертые сутки после обработки 10%-ным раствором раундап. У латука, подсолнечника отмечается повышение быстрой компоненты при обработке гербицидом на третьи сутки с последующим снижением. Аналогичная зависимость отмечается у молочая, щирицы и кукурузы на вторые сутки после обработки гербицидом. Следует отметить нелинейную зависимость быстрой компоненты от концентрации гербицида.

а б

Рисунок 3. Зависимость быстрой компоненты G(имп/с) (а) и быстрой постоянной а(1/с) (б) от концентрации гербицида и времени после обработки .

По графическим зависимостям видно, что у контрольных образцов всех растений отмечается тенденция к снижению амплитуды медленного компонента (D) как с течением времени после обработки гербицидом, так и при увеличении концентрации гербицида. Анализ графических и табличных данных показывает, что быстрая постоянная (а) снижается как с течением времени после обработки, так и с увеличением концентрации гербицида. У молочая, например, при концентрации гербицида 10% происходит увеличение быстрой постоянной с течением времени после обработки гербицидом.

Из анализа корреляции видно, что наиболее сильная отрицательная корреляционная связь параметров ЗФ и концентрации гербицида (раундап) отмечается у баклажана, капусты, кукурузы, мари, перца, подсолнечника, томата. Рассмотрим действие на параметры ЗФ солей тяжелых металлов.

Марганец. Анализируя графические зависимости (рисунок 4), можно сделать вывод, что с увеличением концентрации марганца, у баклажана отмечается тенденция понижения быстрого компонента, вместе с тем, максимальное его значение наблюдается при концентрации 1мг/л, минимальное - при концентрации 10мг/л.

Рисунок 4. Зависимость быстрой компоненты G(имп/с) (а) и быстрой постоянной а(1/с) (б) от концентрации марганца

С увеличением концентрации марганца у баклажана, томата, перца, капусты, кукурузы и подсолнечника отмечается тенденция понижения медленного компонента. По графическим зависимостям видно, что с увеличением концентрации металла у всех растений отмечается понижение быстрой и медленной постоянной, при этом у томата, капусты, баклажана, перца повышается быстрая постоянная при концентрациях марганца 5-15мг/л. Следует отметить, что максимальные значения параметров отмечено у контрольных образцов.

Кобальт. У баклажана наблюдается тенденция к снижению быстрого компонента с увеличением концентрации кобальта, при этом минимальное его

значение наблюдается при концентрации 20мг/л, а максимальное – при концентрации 15мг/л. У капусты происходит возрастание быстрого компонента при концентрациях металла от 0 до 15мг/л, а при концентрации 20мг/л значение быстрого компонента снижается (минимальное значение). Из всех растений подсолнечник характеризуется наименьшим значением быстрого компонента.

Медь. С увеличением концентрации меди у баклажана происходит понижение быстрого компонента, при этом максимальное его значение наблюдается у контрольного образца, минимальное - при концентрации 20мг/л. У капусты четкой зависимости не наблюдается: так при концентрации 1мг/л и 15мг/л отмечаются низкие значения быстрого компонента, при концентрации 5 и 10мг/л – высокие. У перца при концентрации 10-20 мг/л быстрый компонент достигает максимального значения. Медленная постоянная характеризуется повышением величины, начиная с концентрации 1мг/л до концентрации 15мг/л, с последующим снижением.

Свинец. С увеличением концентрации свинца у баклажана, капусты, подсолнечника и перца отмечается тенденция снижения быстрого компонента с

максимальными значениями для контрольных образцов и незначительным увеличением параметра при концентрациях 1мг/л (для баклажана), 10мг/л (для

капусты) и 5мг/л (для перца и подсолнечника). У томата и кукурузы также отмечается тенденция снижения быстрого компонента, вместе с тем максимальное его значение отмечается при концентрации 5мг/л (для томата) и 10мг/л (для кукурузы).

Хром. Анализируя графические зависимости можно сделать вывод, что у баклажана, подсолнечника и томата отмечается тенденция снижения быстрого компонента с увеличением концентрации хрома. У капусты, перца и кукурузы отмечается, при общем снижении, увеличение параметра при концентрациях 10мг/л (томат, перец), 5мг/л (капуста ), 1мг/л (кукуруза). Медленная постоянная снижается по сравнению с контрольным образцом при концентрации хрома 1мг/л.

Цинк. С увеличением концентрации цинка отмечается тенденция понижения быстрого компонента. При этом следует отметить резкое увеличение параметра у всех опытных растений при концентрациях 1-10мг/л. Динамика медленной компоненты характеризуется значительным увеличением

по сравнению с контрольными образцами. Быстрая и медленная постоянные снижаются с ростом концентрации металла.

Рисунок 5. Дендрограмма растений по действию тяжелых металлов (а) и гербицида (раундап) (б) на параметры кинетики замедленной флуоресценции G.


загрузка...