Метод и средство контроля всхожести семян пшеницы по изменению потенциала действия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Матлаев, Александр Геннадьевич

• Матлаев, Александр Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Матлаев, Александр Геннадьевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ВСХОЖЕСТИ СЕМЯН ПШЕНИЦЫ.

1.1 Методы определение всхожести по ГОСТ 12038-84.

1.2 Методы определение жизнеспособности по ГОСТ 12038-82.

1.3 Анализ возможности применения потенциала действия в качестве параметра контроля всхожести семян пшеницы и задачи диссертационных исследований.

ВЫВОДЫ.:.

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ КОНТРОЛЯ ВСХОЖЕСТИ СЕМЯН ПШЕНИЦЫ.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ ОТ ВСХОЖЕСТИ СЕМЯН ПШЕНИЦЫ.

3.1 Описание экспериментальной установки.

3.2 Подготовка семян к проведению экспериментов.

3.3 Статистический анализ полученных экспериментальных данных.

3.4 Отличительные признаки ПД, характеризующие всхожесть семян пшеницы в марте.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4 МЕТОД И СРЕДСТВО КОНТРОЛЯ ВСХОЖЕСТИ СЕМЯН ПШЕНИЦЫ ПО ИЗМЕНЕНИЮ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ.

4.1 Подготовка семян пшеницы к проведению- исследований на всхожесть.

4.2 Измерение потенциала действия семян пшеницы.

4.3 Статистическая обработка полученных экспериментальных данных.

4.4 Определение всхожести семян пшеницы по характерным отличительным признакам изменения ПД.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод и средство контроля всхожести семян пшеницы по изменению потенциала действия»

Актуальность исследования Успешное развитие аграрного сектора российской экономики возможно лишь при поставке на рынок сельскохозяйственной продукции, отвечающей жестким мировым стандартам качества. Особенно актуальна задача повышения качества, например, выращенной пшеницы, стоит в тех регионах страны, где сельское хозяйство является одним из основных источников пополнения бюджета.

Работа над улучшением посевных качеств сельскохозяйственных культур ведется селекционерами. Но использование селекционных семян не дает гарантии хорошего урожая, так как в процессе сбора, хранения и транспортировки семена могут прийти в негодность. Для контроля посевных качеств семян лабораториями «Россельхозцентра» применяется метод, описанный в ГОСТ 12038-84. Этот метод, введенный в действие в 1986 году, обладает рядом существенных недостатков: трудоемкость, длительность проведения исследования, отсутствие автоматизации процесса.

Существующий метод не может обеспечить требуемой скорости проведения анализа.

В настоящее время не существует альтернативных методов определения посевных качеств семян. Разработка методов и средств контроля, позволяющих с минимальными временными и материальными затратами проводить экспресс-анализ посевных качеств семян, является актуальной и практически значимой проблемой сельскохозяйственного производства.

Основываясь на результатах научных исследований и работ в области электротехнологии и учитывая хемоэлектромагнитные процессы, происходящие на уровне биологических клеток, предлагается решение проблемы, связанной с контролем посевных качеств семян пшеницы, а именно всхожести, при минимальных временных и материальных затратах за счет разработки электрофизического метода и средства контроля всхожести, основанном на контроле потенциала действия зерна пшеницы.

Высшие растения — сложная, тонко дифференцированная система. Ее существование как целого при постоянно меняющихся внешних условиях возможно лишь благодаря строгой координации функций всех органов. На организменном уровне эта координация осуществляется с помощью дальних связей, основным каналом которых служит проводящая система.

Можно полагать, что свойство генерировать и проводить потенциалы действия претерпело в биосистемах определенные изменения в ходе эволюции не только в отношении механизмов, лежащих в его основе, но и в отношении его функциональной значимости. Высказываются предположения [21], что наиболее древней функцией потенциала действия в животном и растительном мире была его защитная роль при действии различных повреждающих факторов, состоящая в кратковременном сбросе мембранного потенциала. Это способствовало ускореншо репарации поврежденных мембранных структур. В дальнейшем возникла сигнальная роль потенциала действия, которая состояла в передаче сообщения о действии внешнего или, внутреннего фактора на биологическую систему от одной ее части к другой. Поскольку генерация потенциала действия происходит по принципу «все или ничего», то потенциалы действия с одинаковыми параметрами возникают в такой системе под влиянием самых разных факторов. Поэтому сигналы в виде потенциала действия не могли нести информации о качестве воздействия и вызывать специфический функциональный ответ. Однако они осуществляли экстренную сигнальную связь, которая имела большое значение в быстрых приспособительных реакциях биологической системы на действие внезапно изменяющихся условий. На более поздних этапах эволюции передача потенциала действия от одной части биологической системы к другой начинает нести определенный запас информации, которая у высших животных закодирована в частотных характеристиках потенциала действия, возникающих при участии специфических рецепторов.

Цель работы. Разработать метод и средство контроля всхожести семян пшеницы по изменению потенциала действия, которые позволяют повысить производительность лабораторного анализа.

Для достижения цели выделены задачи:

- провести аналитический обзор существующих методов и средств контроля всхожести семян пшеницы и выполнить анализ возможности применения потенциала действия в качестве параметра контроля;

- выделить отличительные признаки потенциала действия и на их основе разработать модель контроля всхожести семян пшеницы;

- создать экспериментальную установку и исследовать изменение потенциала действия от известной всхожести семян пшеницы. Установить значения отличительных признаков потенциала действия в зависимости от известной всхожести;

- разработать метод контроля всхожести семян пшеницы и дать техническое описание программно-аппаратному комплексу как средству контроля.

Объектом исследования является всхожесть семян пшеницы различных сортов.

Предметом исследования является разработка метода и средства контроля всхожести семян пшеницы по изменению потенциала действия.

Методы исследования Для решения поставленных задач при выполнении работы использовались как теоретические, так и экспериментальные методы исследования. Экспериментальные исследования проводились с помощью разработанного средства измерения ПД. Теоретические исследования проводились путем математического моделирования и статистических методов обработки экспериментальных данных в программе MS Excel.

Научная новизна. В результате проведенных исследований разработан новый метод контроля всхожести семян пшеницы. Отличительной особенностью разработанного метода является использование в качестве параметра контроля изменение потенциала действия, в заданном временном интервале, который характеризует биологические свойства зерна пшеницы. Экспериментально определено минимальное время подготовки зерна к анализу на всхожесть. Выделены отличительные признаки изменения ПД, характеризующие всхожесть семян пшеницы.

На защиту выносятся:

1. Модель контроля всхожести семян пшеницы.

2. Результаты экспериментальных исследований всхожести семян пшеницы.

3. Метод и средство контроля всхожести семян пшеницы по изменению потенциала действия.

Практическая значимость Предложенный метод сокращает время контроля всхожести семян пшеницы на 7 — 10 суток, по сравнению с методом, используемым в настоящее время.

Аппаратно-программное средство контроля всхожести семян пшеницы легко может быть реализовано в любой лаборатории и имеет низкую себестоимость.

Исследованы семена пшеницы различных сортов на всхожесть и установлены отличительные признаки изменения потенциала действия.

Достоверность результатов обеспечена использованием зерен с известной всхожестью, теоретическими представлениями об изменении потенциала действия в биологических объектах, статистической обработкой и характера вытекающих из них зависимостей.

Апробация, результатов исследования Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях: науч.-практич. конф. «ИКИ», г. Барнаул, 2007 и 2008; науч.-практич. конф. «Виртуальные и интеллектуальные системы», г. Барнаул, 2007, 2008, 2009гг.; VII Всерос. науч.-практич. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Молодежь и современные информационные технологии», г. Томск, 2009; Междунар. науч. конф. молодых ученых «Актуальные задачи современной науки», г. Красноярск, 2008; Всерос. науч.-практич. конф. С международным участием «Информационные технологии в профессиональной деятельности и научной работе», г. Йошкар-Ола, 2009; VII региональная науч.-практич. конф. молодых ученых и специалистов СФО «Инновационный потенциал молодых ученых в развитии агропромышленного комплекса Сибири», г. Новосибирск, 2009; X Международная науч.-практич. конф. «Информационно-вычислительные технологии и их приложения», г. Пенза, 2009.

Публикации По материалам исследований опубликованы 11 печатных работ. Из них 1 статья в журнале, входящем в Перечень ВАК, 3 статьи и 7 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 87 наименований и 3 приложений на 12 листах. Текст работы изложен на 92 страницах машинописного текста и содержит 26 рисунков и 6 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Матлаев, Александр Геннадьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе обзора литературы выявлено, что проращивание семян пшеницы является основным методом контроля всхожести. Из-за длительных сроков подготовки и проведения анализа на всхожесть существующий метод является низкопроизводительным. Для повышения производительности лабораторного анализа всхожести семян пшеницы предложен метод контроля по изменению потенциала действия.

2. Разработана графическая модель контроля, в которой выделены шесть основных признаков, характеризующих всхожесть семян пшеницы. К ним относятся время изменения подпорогового потенциала, минимальное и максимальное значения потенциала действия, время и диапазон нарастания потенциала действия.

3. Разработан программно-аппаратный комплекс для исследования изменения потенциала действия семян пшеницы в зависимости от их всхожести. Экспериментально установлены значения отличительных признаков потенциала действия при различной всхожести. При всхожести свыше 91% длительность подпорогового потенциала составляет д?0=2с при изменении подпорогового потенциала &ЕмПод ~13±5мВ. Длительность фазы нарастания А/, =2,5с с минимальным и максимальным значениями потенциала действия: д£л/т1.п=-(28±5)мВ и аЕм тах =(25± 15)мВ. Диапазон нарастания потенциала действия составляет дЕ=(53±10)мВ. При всхожести менее 91% подпороговый потенциал отсутствует. Длительность фазы нарастания д^=10с с минимальным и максимальным значениями потенциала действия: аЕм т|-п =-( 110±5)мВ и аЕм тах =( 125±7)мВ. Диапазон нарастания потенциала действия составляет д£'=(235±15 )мВ.

4. На основе полученных экспериментальных данных разработан новый метод и средство контроля всхожести семян пшеницы по изменению потенциала действия. Метод отличается высокой производительностью по сравнению с существующими и принят к внедрению в ФГУ «Россельхозцентр».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Матлаев, Александр Геннадьевич, 2009 год

1. ГОСТ 12038-84. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. М.: Изд-во стандартов, 1986.

2. ГОСТ 12039-82. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения жизнеспособности. — М.: Изд-во стандартов, 1983.

3. Арабаджи В.И. Загадки простой воды. М.: Знание, 1973. — 195 с.

4. Беркинблит М.Б., Глаголева Е.Г. Электричество в живых организмах: М.: Наука, 1988. 283 с.

5. Дудки И.А. Словарь ботанических терминов. — Киев: Наукова Думка, 1984.-254 с.

6. Максимов Н. А. Краткий курс физиологии растений. — М.: 9 изд., 1958.-215 с.

7. Галактионов С.Г., Юрин В.М. Ботаники с гальванометром. -М.: Знание, 1979.-144 с.

8. Нестеров Я. С. Период покоя плодовых культур. М., 1962.265 с.

9. Кефели В. И. Физиология состояния покоя у растений. М., < 1968.-305 с.

10. Гальвани Л., Вольта А. Избранные работы о животном электричестве. М., 1977. — 145с.

11. Ходжкин А. Нервный импульс (перевод с англ.). М., 1965. —327 с.

12. Экклс Дж. Физиология нервных клеток (перевод с англ.). — М., 1959.-235с.

13. Катц Б. Нерв, мышца и синапс (перевод с англ.). — М., 1968. —240 с.

14. Ходоров Б. И. Проблема возбудимости. Л., 1969. - 189с.

15. Оприотов В.А., Пятыгин С.С. Биоэлектрогенез у высших растений. М.: Наука, 1991. - 215с.

16. Кедров Б.М. Предмет и взаимосвязь естественных наук. М.: Наука. 1967.-436 с.

17. Куражсковский Ю.Н. Основные проблемы и методы природопользования / Природа и общество. — М.: Наука, 1968. — С.207—221.

18. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. М.: Агар, 1996. - 384 с.

19. Hodgkin AL., Huxley AF. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. — J. Physiol. (Lond.), 1952.-pp. 500-544.

20. Malmivuo J., Plonsey R. Bioelectromagnetism. Oxford University Press. New York, Oxford, 1995. - 220 p.

21. Медведев C.C. Электрофизиология растений. — СПб.: Издательство С-Пб. университета, 1998. — 184 с.

22. Сакман Б., Неер Э. Регистрация одиночных каналов М.: Мир, 1991.-165 с.

23. Эккерт Р., Рэнделл.Д, Огастин Дж. Физиология животных, механизмы и адаптация. -М.: Мир, 1991. 193 с.

24. Hedrich R., Schroeder.J.I., Fernandez J.M. Patch-clamp studies on higher plant cells: a perspective. // Trends biochemistry science. 1987. — v. 12. pp. 49-52

25. Абуталыбов M. Г., Мельников!!. В., АхундоваТ. С. //

26. Физиология растений —1979.

27. Александров В. Я. Реактивность клеток и белки. JL: Наука. -1985.-318 с.

28. Али-заде В. М., Ахундова Т. С., Алиева Ф. К. // Физиология растений. 1988. - Т. 35, №4.

29. Андреев И. М., Кореньков В. Д., Молотковский Ю. Г. //

30. Биологические мембраны Т. 6. - №2. - 1989. - С. 153—158.

31. Антоненко Ю. М. // Биологические мембраны — Т. 6. — №1. -1989.-С. 85-89.

32. Антонов В. Ф. Липтиды и ионная проницаемость мембран. — М.: Наука. 1982.- 151 с.

33. Берестовский Г. Н., Александров А. А. // Биофизика — Т. 28. — №5.- 1983.-С. 816-820.

34. Болдырев А. А. Биологические мембраны и транспорт ионов. — М.: Изд-во МГУ. 1985. - 208 с.

35. Вайнар Р. Движения у растений. М.: Знание. — 1987. - 174 с.

36. Владимиров Ю. А., Добрецов Г. Е. Флуоресцентные зонды в исследовании биологических мембран. М.: Наука. - 1980. — 320 с.

37. Воробьев Л. Н. // Приборы и методы для микроэлектродного исследования клеток. 1975. - С. 171-184.

38. Галактионов С. Г., Юрин В. М., Иванченко В. М. Регуляция функций мембран растительных клеток. — Минск: Наука и техника. 1979. — 199 с.

39. ГизеА. Физиология клетки. М.: Издательство иностранной литературы. - 1959. - 455 с.

40. Горчаков В. В. Физико-химические основы происхождения биопотенциалов. М.: Наука. - 1964. - С. 155-158. ^

41. Гастон А., Девис П., Сэттер Р. Жизнь зеленого растения. -М.: Мир.-1983.-552 с.

42. Духовный А. И. Электрофизиология опыления у высших растений (на примере кукурузы). Кишинев: Штиица. - 1973. - 100 с.

43. Жерелова О. М., Грищенко В. М. // Внутриклеточная сигнализация. М., 1988. С. 71-76.

44. Ивков В. Г., Берестовский Г. Н. Динамическая структура липидного бислоя. -М.: Наука, 1981. 293 с.

45. Ивков В. Г., Берестовский Г. Н. Липидный бислой биологических мембран. М.: Наука, 1982. - 224 с.

46. Конев С. В. Структурная лабильность биологических мембран и регуляторные процессы. Минск: Наука и техника, 1987. — 240 с.

47. Конев С. В., Волотковский И. Биомембраны: Структура, функции, методы исследования. Рига: Зинатие, 1977. — С. 42-76.

48. Конев С. В., Мажуль В. М. Межклеточные контакты. — Минск: Наука и техника, 1977. — 312 с.

49. Латманизова JI. В. Очерк физиологии возбуждения. -М.: Высшая Школа, 1972. 272 с.

50. Лев А. А. Ионная избирательность клеточных мембран. — Л.: Наука, 1975.-323 с.

51. Леваковский Н. Ф. О движении раздражимых растений. — Харьков, 1967. 286 с.

52. Левин С. В. Структурные изменения клеточных мембран. — Л.: Наука, 1976.-224 с.

53. Либерман Е. А. Живая клетка. — М.: Наука, 1982. 160 с.

54. Максимов А. П. АТФ зависимый мембранный транспорт катионов и роль цитокининов в его регуляции у растений: Диссертация доктора биол. наук в форме научного доклада. - Москва, 1989. — 47 с.

55. Полевой В. В. // Методы изучения мембран растительных клеток. Л.: Издательство ЛГУ, 1986. - С. 72—78.

56. Пятыгин С. С. Биоэлектрогенез клеток стебля тыквы при умеренном охлаждении: Автореферат диссертации кандидата биол. наук. — Минск, 1986.-23 с.

57. Саламатова Т. С. Физиология растительной клетки. Л.: Издательство ЛГУ, 1983. - 232 с.

58. Скулачев В. П. Энергетика биологических мембран. — М.: Наука, 1989. 564 с.

59. Тимирязев К. А. Жизнь растения: Десять общедоступных лекций. М.: Издательствово АН СССР, 1962. - 290 с.

60. Шеперд Г. Нейробиология. М.: Мир, 1987. - Т. 1. - 454 с.

61. Берк К., Кэйри П. Анализ данных с помощью MS Excel. — М.: Вильяме, 2005. — 560 с.

62. Васильев А.Н. Научные вычисления в Microsoft Excel. М.; СПб.; Киев: Диалектика, 2004. - 512 с.

63. By колов Э.А. Основы статистического анализа: Практикум по статистическим методам и исследованию операций с использованием пакетов STATISTICA и Excel. М.: Форум; Инфа-М, 2004. - 464 с.

64. Лапач С.Н., Чубенко A.B., Бабич П.Н. Статистические методы в медико-биологических исследованиях с помощью Excel. — Киев: Морион, 2001.-408 с.

65. Макарова Н.В., Трофимец В.Я. Статистика в Excel. М.: Финансы и статистика, 2002. — 368 с.

66. Минько A.A. Статистический анализ в среде Excel. — М.; СПб.; Киев: Диалектика, 2004. 448 с.

67. Тюрин Ю.Н., Макаров A.A. Статистический анализ данных на компьютере. -М.: Инфра-М, 1998. 528 с.

68. ГОСТ-11.004-74 (CT СЭВ 876-78). Прикладная статистика. Правила определения оценок и доверительных границ для параметров' нормального распределения. -М.: Изд-во стандартов, 1981.

69. Браунли К.А. Статистическая теория и методология в* науке и технике. М.: Наука, 1977. - 407 с.

70. Румшиский Д.З. Математическая обработка результатов эксперимента. Справочное руководство. М.: Наука, 1971. - 170 с.

71. Гайдышев И. Анализ и обработка данных. Спб.; М.: Питер, 2001.-752 с.

72. Ивченко Г.Н., Медведев Ю.И. Математическая статистика. — М.: Высшая школа, 1984. 318 с.

73. Поллард Дж. Справочник по вычислительным методам статистики. — М.: Финансы и статистика, 1982. 344 с.

74. Иванова В.М., Калинина В.Н., Нешумова Л.А., Решетников И.О. Математическая статистика. М.: Высшая школа, 1975. — 372 с.

75. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. — М.: Наука, 1968. 288 с.

76. Кассандрова О. Н., Лебедев В. В. Обработка результатов наблюдений. М.: Наука, 1970. - 104 с.

77. Гутер P.C., Овчинский Б.В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. — М.: Физматгиз, 1962. — 356с.

78. Рыжов Э.В., Горленко O.A. Математические методы в технологических исследованиях. — Киев: Наук, думка, 1990. 184 с.

79. Матлаев А.Г. Применение виртуальной системы для исследования изменения электропроводности зерна пшеницы / Пронин С.П., Хомутов О.И., Матлаев А.Г., Солодова И.А. // Ползуновский альманах.2007.-№3.-С. 80.

80. Матлаев А.Г. Амплитудно-частотная характеристика зерна пшеницы / Пронин СЛ., Матлаев А.Г., Солодова И.А., Сидорова Е.В. // Научно-практическая конференция «ИКИ», г. Барнаул, 2007. С. 65.

81. Матлаев А.Г. Исследование изменения сопротивления зерна' пшеницы при набухании в солевой и бессолевой водных средах / Пронин С.П., Матлаев А.Г. // Научно-практическая конференция «ИКИ», г. Барнаул,2008.-С. 159-162.

82. Матлаев А.Г. Контроль качества зерна пшеницы по потенциалу покоя / Матлаев А.Г., Пронин С.П. // Ползуновский альманах. — 2008. №2. -С. 110-111.

83. Матлаев А.Г. Зависимость изменения потенциала действия зерна пшеницы от всхожести / Матлаев А.Г., Пронин С.П. И Ползуновский альманах. 2009. - №2. - С. 138-140.

84. Матлаев А.Г. Метод контроля всхожести зерна пшеницы по нернстовскому потенциалу // Международная научная конференция молодых ученых «Актуальные задачи современной науки»: Тез. докл. Красноярск, 2009-С. 20-22.

85. Матлаев А.Г. Потенциал действия как параметр контроля всхожести зерна пшеницы / Матлаев А.Г., Пронин С.П. // X Международная научно-техническая конференция «Информационно-вычислительные технологии и их приложения»: Тез. докл. Пенза, 2009. — С. 179-181.

86. Матлаев А.Г. Метод и средство контроля всхожести семян пшеницы / Матлаев А.Г., Пронин С.П. // Естественные и технические науки (издание, входящее в перечень ВАК), Москва, 2009. С. 305—308.80