БИОФИЗИКА, 2020, том 65, № 2, с. 326-330

БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

УДК 631.81.036

СТИМУЛЯЦИЯ РОСТА РАСТЕНИЙ ВОДНЫМ РАСТВОРОМ,

АКТИВИРОВАННЫМ ПЛАЗМОЙ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА

В.И. Луканин*, Е.Н. Овчаренко*, В.В. Савранский*, Л.Г. Шилин*

*Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, 119991, Москва, ул. Вавилова, 38

**Институт химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН, 119334, Москва, ул. Косыгина, 4

E-mail: ser79841825@yandex

Поступила в редакцию 21.11.2019 г.

После доработки 10.12.2019 г.

Принята к публикации 25.12.2019 г.

Представлены результаты применения водных, слабо концентрированных растворов сильных

электролитов, активированных плазмой тлеющего разряда, для стимуляции роста растений.

Получено экспериментальное подтверждение возможности использования подобных растворов в

качестве эффективного регулятора роста растений.

Ключевые слова: плазма, активация, растения, регулятора роста, пероксид водорода, водный раствор.

DOI: 10.31857/S0006302920020155

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Земли России, пригодные для возделывания

сельскохозяйственных культур, в большей части

Получение эффективных регуляторов роста,

относятся к зонам рискованного земледелия.

содержащих пероксид водорода, возможно с по-

Остается актуальным поиск и создание анти-

мощью воздействия на слабоконцентрированные

стрессовых регуляторов роста с определенными

водные растворы сильных электролитов низко-

свойствами, нужными для использования их в

температурной плазмой тлеющего разряда в водя-

практике сельского хозяйства, а именно: эколо-

ных парах при атмосферном давлении [8, 9]. В на-

гическая безопасность, растворимость в воде, ма-

шем случае в качестве электролита использовали

лые количества для достижения нужного эффек-

водный раствор K₂SO₄в концентрации 5.7 ⋅ 10^-2 М

та, невысокая стоимость, возможность получе-

ния препарата на месте его применения [1-3].

либо водный раствор NaCl в концентрации

0.17 М. Горение плазмы в объеме водного раство-

Такими свойствами обладают водные раство-

ра (электролита) осуществляли при помощи пла-

ры пероксида водорода. Об уникальной роли пе-

тинового активного электрода толщиной 0.3 мм и

роксида водорода в процессе фотосинтеза, синте-

длиной 15 мм, погруженного в раствор. В каче-

за крахмала и хлорофилла, о его свойстве регули-

стве второго (нейтрального) электрода использо-

ровать рост и развитие растений сообщалось в

работах [1, 4, 5]. Было показано и защищено ря-

вали графитовую пластину размером 20 × 60 мм²,

дом патентов, что допосевная обработка семян и

также погруженную в емкость с раствором. Ак-

внекорневая обработка зеленых растений раство-

тивный и нейтральный электроды подключали к

рами пероксида водорода в определенных кон-

высокочастотному генератору, работающему на

центрациях, повышают устойчивость и сохран-

частоте 110 кГц при амплитудном значении на-

ность сельскохозяйственных растений в жестких

пряжения до 300 В [10]. Уровень мощности, под-

условиях дефицита влаги, заморозков, засоления

водимой к активному электроду, выбирали из

грунтов [4-7].

условия образования на его поверхности парога-

зового слоя, полностью покрывающего электрод.

Целью данной работы является эксперимен-

В результате возникновения высокоомного паро-

тальная оценка влияния водных растворов, акти-

газового слоя падение напряжения происходит на

вированных высокочастотной плазмой тлеющего

этом слое, что приводит к возникновению в его

разряда, на скорость прорастания семян сельско-

объеме высокочастотного плазменного разряда

хозяйственных растений.

тлеющего типа [8, 10]. Плазмообразующим газом

Сокращениe: АПВ - активированный плазмой водный

в данном случае является водяной пар. Для вы-

раствор.

бранной концентрации электролита и размеров

326

СТИМУЛЯЦИЯ РОСТА РАСТЕНИЙ ВОДНЫМ РАСТВОРОМ

327

Таблица 1. Зависимость концентрации пероксида водорода от времени хранения АПВ

Число суток

Концентрация пероксида водорода, М

6 · 10^-5

4 · 10^-5

3 · 10^-5

активного электрода мощность, обеспечивающая

тивные составляющие, чем и обусловлена высо-

поджиг и горение плазмы, составляла около

кая химическая активность плазмы.

150 Вт. В результате горения плазмы в водяном

Известно, что активированный плазмой вод-

паре протекают плазмохимические реакции, сре-

ный раствор (далее АПВ), содержащий пероксид

ди которых основными являются реакции разло-

водорода, влияет на метаболизм растительных

жения воды по механизму диссоциативного при-

систем, ускоряя фотосинтез и регулируя процес-

липания [11]:

сы роста и развития растений [12]. Избыток H₂O₂

Н₂О + e^- + 4.25 эВ → Н^- + ОН^•,

может вызвать окислительный стресс, поврежда-

ющий растительную клетку и тем самым ингиби-

Н^- + Н^• → Н₂ + e^- + 3.8 эВ,

рующий процессы роста. В данной работе кон-

центрацию пероксида водорода в растворе АПВ

НО^• + ОН^• + M → Н₂О₂ + M,

измеряли йодометрическим способом [13, 14],

где М - молекула (ион) в газовой подсистеме

она составляла порядка 5 ⋅ 10^-4 М. Кислотность

плазмы. Как видно из приведенных выше реак-

получаемой АПВ составляла 5.8-6.6 и оценива-

ций, пероксид водорода образуется в результате

лась с помощью портативного pH-метра Testo 205

гетерогенной рекомбинации радикалов ОН^• с

(Testo SE & Co. KGaA, Германия). Заметим, что

участием молекулы (иона) M [10]. При этом на

пероксид водорода является основным претен-

одну молекулу выделившегося водорода синтези-

дентом на объяснение эффекта стимуляции роста

руется одна молекула пероксида водорода. Общее

растений [12], вследствие чего наличие других

уравнение выглядит следующим образом:

компонентов, появляющихся в результате плаз-

2Н₂О → Н₂ + Н₂О₂.

менной активации воды, в данной работе не ана-

лизировалось. Исходя из этого, концентрацию

Здесь пероксид водорода H₂O₂ является ос-

пероксида водорода рассматривали как маркер

новным устойчивым окислителем, генерируе-

степени разведения исходной АПВ при оценке

мым в водном электролите под действием плазмы

стимуляции роста растений. Оценка стабильно-

тлеющего разряда в парах воды и находящейся в

сти раствора АПВ по концентрации пероксида

контакте с раствором. Заметим, что использова-

водорода при его хранении в темном помещении

ние проводящего ток электролита обусловлено

и температуре 20°С показывает, что АПВ остается

необходимостью замыкания электрической це-

достаточно стабильным в течение девяти суток.

пи, состоящей из генератора высокочастотного

Зависимость концентрации пероксида водорода

тока, активного металлического электрода, плаз-

от времени хранения АПВ представлена в табл. 1.

мы тлеющего разряда, жидкостного электролит-

Изучение действия АПВ на рост растений для

ного электрода и нейтрального электрода. Кроме

подтверждения возможности его универсального

пероксида водорода в водном растворе под дей-

использования в практике сельского хозяйства

ствием высокочастотной плазмы могут образовы-

проводили на значимых сельскохозяйственных

ваться и другие активные компоненты, такие как

культурах, принадлежащих к разным семействам.

водород и активный кислород [12], появляющие-

ся вследствие полного разложения молекул воды,

Тест-объектами были выбраны следующие

а также ионы металлов, образующиеся в процессе

растения: сорго Черное (семейство злаковых), ре-

электрохимической эрозии электродов.

дис сорта «18 дней» (семейство крестоцветных),

сафлор сорта «Заволжский» (семейство астро-

Эмиссионный спектр излучения плазмы ис-

вых), клубневые черенки картофеля (семейство

следовался с помощью спектрофотометра

пасленовых), огурцы сортов

«Конкурент» и

FSD-10 (ООО «Научно технический центр воло-

«Дальневосточный» с пониженной всхожестью

конно-оптических устройств», Москва, Россия) с

(семейство тыквенных).

волоконнооптическим вводом излучения и регу-

лируемым временем накопления спектра. При

Эффективность воздействия растворов АПВ

этом наблюдение велось на сильных линиях излу-

на рост растений оценивали на ранних стадиях их

чения водорода (656 нм), натрия (589 нм), калия

роста при помощи ряда морфологических тестов.

(768 нм), а также полосы гидроксила (306 нм).

При этом учитывали:

Наличие линий атома водорода и радикала ОН^•

1. Количество проросших семян (проросшими

указывает на молекулярный распад воды на ак-

считали семена с длиной корня 1-2 мм).

БИОФИЗИКА том 65

№ 2

2020

328

БЕЛОВ и др.

1.00

Стимуляция

0.75

Контроль

0.50

0.25

0.00

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

Время прорастания, мин

Динамика увеличения суммарной площади корневой системы в контроле и в опыте с использованием АПВ.

2. Срок перехода и количество растений к оче-

бранные семена раскладывали в квадратную чаш-

редной фазе развития - первый сформирован-

ку Петри, состоящую из 100 ячеек (одно семя на

ный лист.

ячейку). Грунт для посадки состоял из слоя про-

мытого песка толщиной порядка 5 мм. Грунт в

3. Развитие корневой системы.

двух контейнерах смачивали обычным и активи-

4. Количество жизнеспособных растений.

рованным раствором соответственно. Для огра-

В качестве контрольных брали растения, обра-

ничения роста корешка в вертикальной плоско-

ботанные водой или растворами коммерческой

сти семена дополнительно прижимали покров-

перекиси водорода. Опытными образцами слу-

ным стеклом толщиной

3 мм. С помощью

жили растения, обработанные растворами АПВ.

цифровой камеры, расположенной перпендику-

Сравнение эффективности действия растворов

лярно плоскости чашки с семенами, каждые

коммерческой перекиси водорода и АПВ прово-

20 мин делали снимок. Дальнейшая обработка

дили на растворах с одинаковой концентрацией

фотографий в среде MathCad позволяла опреде-

пероксида водорода. Семена замачивали в чаш-

лить эффективную суммарную длину корешков.

ках Петри, помещали в термостат при 20°С и каж-

Динамика увеличения суммарной длины корне-

дые 12 ч отмечали количество проросших семян.

вой системы для контрольного посева и посева с

Проросшие семена высеивали в культуральные

использованием АПВ, усредненная по количе-

сосуды с песком, увлажненным опытным или

ству проросших семян, приведена на рисунке.

контрольным растворами. Сосуды помещали в

Расчет скорости нарастания корневой массы

люминостат с ритмом освещения свет/темнота

на начальной стадии показывает, что для семян,

12/12 ч. На седьмые сутки опыта измеряли высоту

прошедших активацию, скорость прорастания на

растений, развитие корневой системы, количе-

30% выше, чем для контроля.

ство сформировавшихся растений.

Пример 2. Специально отобранные семена

огурца (сорт «Дальневосточный» с пониженной

РЕЗУЛЬТАТЫ

всхожестью) проращивали в растворах АПВ, ком-

мерческой перекиси водорода и в воде. На третьи

Пример 1. С целью установления влияния ак-

сутки (оптимальный срок для культуры огурца)

тивации водного раствора АПВ на основе K₂SO₄

проводили учет количества проросших семян.

на ростовые процессы растений были проведены

Наибольший эффект (95% проросших семян) на-

эксперименты по проращиванию семян сорго.

блюдали при стимуляции семян раствором АПВ с

Для измерения скорости прорастания исходные

концентрацией пероксида водорода 1 ⋅ 10^-6 М.

семена делили на две группы и замачивали в тече-

При использовании коммерческой перекиси во-

ние двух часов в водном растворе K₂SO₄ с кон-

дорода в тех же условиях (при аналогичных кон-

центрацией 5.7 ⋅ 10^-2 М. В одной группе раствор

центрациях) эффект стимуляции был существен-

K₂SO₄ не подвергался воздействию плазмы, а в

но слабее, что скорее всего связано с наличием в

другой - проходил плазменную активацию с об-

растворе стабилизаторов пероксида водорода.

разованием пероксида водорода с концентрацией

Раствор АПВ с концентрацией пероксида водо-

1 ⋅ 10^-6 М. Из каждой группы семян случайным

рода 1 ⋅ 10^-4 М, наоборот, тормозил прорастание

образом делали выборку объемом 100 семян. Ото-

семян. Сравнение эффективности стимуляции

БИОФИЗИКА том 65

№ 2

2020

СТИМУЛЯЦИЯ РОСТА РАСТЕНИЙ ВОДНЫМ РАСТВОРОМ

329

Таблица 2. Эффективность стимуляции растворов АПВ, коммерческой перекиси водорода и воды

Количество проросших семян, %

Концентрация пероксида водорода, М

АПВ

Пероксид водорода

Контроль (вода)

1 · 10^-4

32 ± 3

38 ± 3

40 ± 2

1 · 10^-5

70 ± 2

60 ± 2

1 · 10^-6

90 ± 2

68 ± 2

1 · 10^-6

95 ± 2

68 ± 2

1 · 10^-7

90 ± 3

55 ± 3

растворов АПВ, коммерческой перекиси водоро-

Пример 6. Из пророщенных клубней картофе-

да и воды приведено в табл. 2.

ля вырезали клубневые черенки и после подсу-

шивания в течение четырех часов высаживали в

Пример 3. Опытные и контрольные семена

сосуды с песком, которые увлажняли водой (кон-

сафлора после замачивания в течение четырех ча-

троль) и растворами АПВ (опыт) с концентраци-

сов в соответствующих растворах (контроль - во-

ей пероксида водорода 5 ⋅ 10^-5 М и 1 ⋅ 10^-6 М, и

да, опыт - раствор АПВ с концентрацией перок-

помещали в люминостат. Через восемь суток оце-

сида водорода 610^-7 М) высаживали в культураль-

нивали количество жизнеспособных черенков и

ные сосуды с песком, увлажненным теми же

степень развития корневой системы. В контроле

растворами. На седьмые сутки после появления

выжило 50% растений, в опыте - 100%. Хорошо

всходов в люминостате проведен учет количества

развитая корневая система наблюдалась в опыте у

растений с первым раскрытым листом. В опыте с

30% черенков, а в контроле - не более чем у 10%

раствором АПВ количество растений с раскры-

черенков.

тым листом составляло 40%, в контроле - около

16%; средняя высота растений: в опыте АПВ -

6.5 см, в контроле - 4.5 см.

ВЫВОДЫ

1. Вода, активированная плазмой высокоча-

Пример 4. Семена редиса после замачивания в

стотного тлеющего разряда, является регулято-

растворе с АПВ и в воде высеивали в сосуды с пес-

ром роста растений.

ком, который увлажняли раствором АПВ c кон-

2. Состав и способ получения активированной

центрацией пероксида 6 ⋅ 10^-5 М и 6 ⋅ 10^-7 М. Со-

плазмой воды позволяет считать ее экологически

суды помещали в люмистат. На седьмые сутки

чистой и безопасной.

был проведен учет количества растений в стадии

полностью раскрытых семядольных листьев.

3. Выбор оптимальной концентрации активи-

Стимуляцию роста растений наблюдали вплоть

рованной плазмой воды при обработке объектов

растительного происхождения (в том числе сель-

до концентрации пероксида водорода 6 ⋅ 10^-7 М.

скохозяйственных растений) позволит повысить

Количество сформировавшихся растений соста-

их урожайность.

вило 65%. Раствор АПВ с концентрацией перок-

4. Активированная плазмой вода сохраняет

сида водорода 6 ⋅ 10^-3М угнетал ростовые про-

свои свойства в течение времени, которое позво-

цессы (количество сформировавшихся растений

ляет использовать ее в качестве готового препара-

составило не более 20%). Доля сформировавших-

та, как в защищенном, так и в открытом грунте.

ся растений в контрольной группе не превышала

40%.

5. Исходя из оценки биологической активно-

сти раствора по наличию в нем пероксида водо-

Пример 5. Семена огурца (сорт «Конкурент»)

рода и возможности сохранения его в течение до-

замачивали в чашках Петри. Использовали рас-

статочно длительного времени, раствор АПВ мо-

творы коммерческой перекиси водорода (кон-

жет быть отнесен к эффективным регуляторам

троль) с концентрацией пероксида водорода

роста растений.

5 ⋅ 10^-7М и АПВ (опыт) с той же концентрацией

пероксида водорода. Через 72 ч в опыте количе-

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

ство проросших семян составило 92% (с длиной

корня 8-9 мм - более 80%). В контроле проросло

Работа выполнена в Институте общей физики

65% семян, а количество семян с длиной корня

им. М.В. Прохорова РАН при частичной финан-

8-9 мм составило 50%.

совой поддержке Научно-исследовательского

БИОФИЗИКА том 65

№ 2

2020

330

БЕЛОВ и др.

проекта «Физические методы в сельском хозяй-

4. Л. М. Апашева и Г. Г. Комиссаров, Изв. РАН,

стве и экологии» (№ 0024-2019-0004).

сер. биол. 5, 621 (1996).

5. G. A. Velikanov, T. A. Sibgatullin, L. P. Belova, and

I. F. Ionenko, Protoplasma 2 (52), 1263 (2015).

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

6. А. В. Лобанов, Н. А. Рубцова и Г. Г. Комиссаров.

Докл. РАН. Химия 421 (6), 773 (2008).

Авторы заявляют об отсутствии конфликтов

7. K. Takaki, J. Takahata, S. Watanabe, et al., J. Phys.

интересов.

Conf. Ser. 418, 012140 (2013).

8. Н. В. Бабурин, С. В. Белов, Ю. К. Данилейко и др.,

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

Докл. РАН. Физика 426 (4), 468 (2009).

9. С. В. Белов, Ю. К. Данилейко и др. Мед. техника 2,

Настоящая работа не содержит описания ка-

26 (2011).

ких-либо исследований с использованием людей

10. M. Ashurov, S. Belov, Yu. Danyleiko, et al., IOP Conf.

и животных в качестве объектов.

Series: Earth Environm. Sci. 390, 012028 (2019).

11. В. Д. Русанов, А. Л. Фридман и Г. В. Шолин, Успе-

хи физ. наук 134 (2), 185 (1981).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

12. Т. М. Васильева, Тонкие химические технологии

1. Г. Г. Комиссаров, Фотосинтез: физико-химический

10 (2), 5 (2015).

подход (УРСС, М., 2003).

13. Патент РФ: RU 2142707/ A01N 59/00, 20.12.1999

2. М. М. Наумов, Т. В. Зимина, Е. И. Хрюкина и

(1999).

Т. А. Рябчинская, Агрохимия 5, 21 (2019).

14. Патент РФ: 2172099, A01G, 1/00, А01N. 59/00,

3. Ю. С. Корзинников, Вестн. РАСХН 2, 44 (1997).

А01С, 1/00, 20.08.2001 (2001).

Stimulation of Plant Growth with Aqueous Solution

Activated by Glow Discharge Plasma

S.V. Belov*, L.M. Apasheva**, Yu.K. Danileiko*, A.B. Egorov*, А.V. Lobanov**, V.I. Lukanin*,

E.N. Ovcharenko*, V.V. Savransky*, and L.G. Shilin*

*Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences, ul. Vavilova 38, Moscow, 119991 Russia

**Semenov Institute of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, ul. Kosygina 4, Moscow, 119334 Russia

This paper presents the results of application of weakly concentrated aqueous solutions of strong electrolytes

activated by glow discharge plasma for plant growth stimulation. We provide experimental evidence that these

solutions can be used as an effective regulator of plant growth.

Keywords: plasma, activation, plants, growth regulator, hydrogen peroxide, aqueous solution

БИОФИЗИКА том 65

№ 2

2020