Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

В настоящее время при изучении эффектов ультрафиолетового излучения на биологические объекты используется концепция биологически эффективного УФ-излучения. Данная концепция заключается в оценке относительного вклада в наблюдаемый биологический эффект ультрафиолета произвольной длины волны по отношению к квантам УФИ с определенной длиной волны, вызывающим биологический эффект по величине, принятой за единицу. Спектры биологического действия УФ-В-излучения на морфологические и ростовые характеристики высших растений были разработаны [1] и впоследствии дополнены для УФ-А-излучения [2].

Биологически эффективные дозы, полученные для заданного биологического эффекта, позволяют сравнивать степень радиационного воздействия по величине именно этого биологического эффекта, то есть определять зависимости «доза – эффект» как от искусственных источников ультрафиолетового излучения, так и от солнечного излучения. Но в то же время концепция биологически эффективной дозы имеет ряд ограничений, обусловленных различными механизмами действия ультрафиолета с разной частотой. Поэтому необходимо развивать в дополнение к концепции биологически эффективной дозы также и концепцию поглощенной дозы в отношении неионизирующего излучения.

По мнению одних авторов [3], поглощение лучистой энергии листьями растений происходит в соответствии с законом поглощения Ламберта – Бэра, тогда как другие авторы [4–5] полагают, что этот закон не приложим к рассеивающим биологическим объектам, особенно таким, как листья растений.

В связи с высокой степенью гетерогенности листьев растений оптические и фотометрические закономерности, характеризующие их, безусловно, отличаются от закономерностей, принятых в оптике и спектроскопии прозрачных сред [5]. Поэтому представляет интерес проследить, существует ли закономерная зависимость между биологическим эффектом и величиной коэффициента поглощения лучистой энергии [5].

Однако геометрическая сложность растений, как объекта изучения, не позволяет определить конкретную величину поглощенной энергии, тем более что коэффициент поглощения сильно зависит от спектра излучения.

Цель работы состоит в оценке доли поглощенного ультрафиолетового излучения посевами ячменя на разной стадии онтогенеза.

Материалы и методы исследования

Сущность метода состоит в измерении потока излучения через замкнутую поверхность (в нашем случае – параллелепипед), внутри которой помещен объект изучения, и сравнение с тем же потоком, но без объекта. Объектом изучения были посевы ячменя сорта Зазерский в вегетационном сосуде (диаметром 20 см на уровне почвы) на разной стадии вегетации, плотность посевов составляла 14–20 растений на сосуд, или 350–480 растений на метр квадратный, в одном случае, для сравнения, использовали разреженный посев – 7 растений на сосуд, или 170 растений на метр квадратный. Для фиксации радиометра в постоянных точках измерения использовали параллелепипед, изготовленный из металлической сетки размером ячейки 45х45 мм, что обусловлено конструктивными особенностями радиометра. Вегетационный сосуд с посевами ячменя размещали таким образом, чтобы измерения на нижней грани параллелепипеда приходились на уровне почвы. Для фоновых измерений таким же образом размещали вегетационный сосуд с почвой без растений. Источником УФ-излучения являлась лампа ДРТ-240, размещенная в 30 см над верхней поверхностью параллелепипеда по центру, измерения проводили в темной комнате при стабильном режиме работы лампы.

Измерение потока излучения проводили УФ-радиометром ТКА-АВС, предназначенном для измерения энергетической УФ-облученности в трех диапазонах:

– УФ-А (315…400 нм) источниками УФ-излучения за исключением газоразрядных ртутных ламп без люминофоров;

– УФ-В (280…315 нм) источниками УФ-излучения за исключением газоразрядных ртутных ламп с люминофорами типа «А», а также естественных источников излучения;

– УФ-С (200…280 нм) газоразрядными ртутными лампами высокого и низкого давления без люминофоров.

Поскольку в нашем эксперименте источником излучения являлась ртутная лампа высокого давления без люминофора, показания прибора в области УФ-А имели систематическую погрешность. Однако, так как нас интересует только относительная доля поглощенного УФ-излучения, данное обстоятельство не имеет значения.

Угол измерения данным прибором составляет 20–30 °, в зависимости от диапазона, поэтому в некотором приближении можно считать показания измерения равными потоку излучения, перпендикулярному плоскости измерения.

Измерения проводили по всем ячейкам параллелепипеда 7х7х11. Для дальнейших расчетов использовали только те ячейки, разница в которых при измерении с объектом составляла более 5 % от фоновых измерений.

Поглощенную мощность излучения рассчитывали как разницу между не прошедшей через посевы и отраженной мощностью излучений:

(1)

где Ud – не прошедший через посевы поток УФ-излучения, интегрированный по площади тех ячеек с объектом, где поток уменьшался, разница с фоновыми измерениями, мВт;

Ur – отраженный посевами поток УФ-излучения, интегрированный по площади тех ячеек с объектом, где поток увеличивался, разница с фоновыми измерениями, мВт.

Поскольку источник освещения располагался на небольшом расстоянии от объекта, средний поток излучения на посевы рассчитывали по формуле

(2)

где S0 – поток излучения на уровне почвы, Вт/м2;

L – расстояние от почвы до источника излучения, м;

Н – средняя высота растений в посевах, м.

Для сравнения различных измерений и эффективности поглощения УФ разного диапазона полученные результаты нормировали на одно растение и на поток излучения 1 Вт/м2 на уровне почвы.

Достоверность различий средних значений проводили t-критерием, в тексте и таблице представлены средние значения с ошибкой.

Результаты исследования и их обсуждение

На рис. 1 представлен пример фактических измерений потока УФ-излучения через поверхность параллелепипеда при фоновом измерении и с объектом. Как и следовало ожидать, максимальная часть потока проходит через нижнюю грань, на боковых гранях наблюдается сверху вниз снижение тангенциальной доли излучения от источника, а на верхней грани регистрируется незначительный поток отраженного излучения от внутренних элементов установки.

Регистрация изменения потока при измерении с объектом (посевы ячменя), хорошо видимая на рис. 1, позволила рассчитать мощность поглощенного и отраженного УФ-излучения. Полученные данные, а также морфологические показатели посевов ячменя представлены в табл. 1–2. Следует отметить, что при вегетационных экспериментах в условиях теплицы развитие растений проходит заметно медленнее, чем должно быть в полевых условиях, к тому же образование боковых стеблей и их рост сильно замедлены.

Нормирование полученных данных на одно растение в посеве и на поток УФ-излучения в 1 Вт/м2 позволяет сравнить поглощение и отражение ультрафиолета различных диапазонов ячменем на разных этапах органогенеза (табл. 3). Ранговый дисперсионный анализ данных табл. 3 показывает отсутствие различий как в поглощении (p < 0,40), так и в отражении (p < 0,22) УФ разных диапазонов. В то же время различия между измерениями высоко достоверны (p < 0,01).

Таблица 3

Поглощенная и отраженная мощность УФ-излучения отдельным растением ячменя при потоке 1 Вт/м2

Рис. 2. Зависимость поглощенной и отраженной мощности УФ-излучения ячменем от площади листьев растения

Различия в величине поглощенного УФ на разных этапах органогенеза растений обусловлены в первую очередь изменениями в величине ассимилирующей поверхности, площади листьев и их расположением (рис. 2).

Если рассматривать поглощенный и отраженный поток ультрафиолета с учетом площади листовой поверхности, то можно убедиться, что на определенном этапе органогенеза растение поглощает практически все, падающее на него УФ-излучение (рис. 3).

Как видно из данных, представленных на рис. 3, на III–VI этапах органогенеза растение поглощает практически весь падающий на него поток (1 Вт/м2), отраженный поток не зависит достоверно от этапа органогенеза и составляет в среднем всего 2,4 ± 0,4 % от потока, падающего на растение. Низкая удельная доля поглощенного УФ-излучения на раннем этапе органогенеза обусловлена, по-видимому, вертикальным расположением листьев растения, что снижает их проективное покрытие по сравнению с площадью листьев. На поздних этапах органогенеза снижение удельной доли поглощенного ультрафиолета обусловлено частичным затенением листьев в посевах.

Подтверждением этого предположения является наличие большого количества защитных пигментов в клетках листьев ячменя. Подобного мнения придерживаются и другие авторы [5]. Ряд авторов сообщали, что растения поглощают УФ-радиацию очень эффективно (свыше 90 %), и что в сущности ее не пропускают [6]. Следовательно, обычно отражается менее чем 10 % УФ-радиации. Интересно заметить, что в случае пустынных сочных растений, таких как Agave americana и Opuntia leavis, отражение может достигать 10–20 %, в то время как у хвойных растений отражение может быть только 2–3 % [6].

В настоящее время в радиобиологии неионизирующих излучений основным дозовым критерием является экспозиционная доза (Дж/м2), однако радиобиологические эффекты обусловлены не экспозиционной, а поглощенной дозой излучения (Дж/кг). Учитывая, что поглощение излучения у растений ячменя происходит в основном листьями, как имеющими наибольшую ассимилирующую поверхность, можно рассчитать удельную поглощенную мощность при потоке 1 Вт/м2. При этом, если рассматривать поглощенную мощность УФ-излучения в листьями ячменя в зависимости от общей надземной биомассы растений (рис. 4), можно отметить быстрое снижение удельной поглощенной дозы по мере роста растения.

Таким образом, оценивая радиобиологические эффекты от действия УФ-радиации на ячмень, необходимо учитывать различия в поглощении ультрафиолета на разных этапах органогенеза растений.

Выводы

1. Различные диапазоны УФ-излучения практически одинаково поглощаются и отражаются растениями. При этом доля отраженного ультрафиолета для ячменя составляет 2,4 %.

2. Зависимость поглощенной доли ультрафиолета от общей площади листьев носит линейный характер и обусловлена увеличением проективного покрытия по мере роста растений и увеличения количества листьев. На ранних и поздних этапах органогенеза растений ячменя поглощение ультрафиолетового излучения значительно снижено, по сравнению с III–VI этапами органогенеза, что обусловлено различным пространственным расположением листьев в посевах.

3. Для сравнения радиобиологических эффектов действия острого УФ-облучения на растения, находящихся на разных этапах органогенеза, необходимо учитывать не только экспозиционную, но и поглощенную дозу.