<< Назад в библиотеку

Разработка однолучевого флуориметра для измерения и анализа флуоресценции хлорофилла в листьях растений

Кузнецов Д.Н., доцент; Карповский А.С., аспирант; Прокофьев Д.А.

ГОУ ВПО Донецкий национальный технический университет, г.Донецк, ДНР

Аннотация

В докладе предложен способ измерений и анализа флуоресценции хлорофилла в листьях растений, который отличается от уже известных простотой схемных решений и более низкой стоимостью реализации, в сравнении с аналогами.

В настоящее время на территории Донецкой области активно развивается сельское хозяйство и выращиваются различные виды культур. Для выращивания качественной продукции зачастую недостаточно оценивать состояние растений органолептически. Отклик растения на влияние стресс‑факторов (таких как засуха, избыточная влага, неприемлемый уровень pH и др.) в виде, к примеру, пожелтевших листьев проявляется слишком поздно для принятия оперативных мер по корректировке стратегии выращивания. Наиболее оперативным из ныне известных методов согласно [1] является метод оценки прохождения фотосинтеза путем измерения флуоресценции хлорофилла. Данный метод предусматривает применение приборов‑флуориметров, которые облучают лист растения световым потоком, а затем фиксируют отклик растения с последующим анализом фиксируемых данных, позволяющим принять меры по оперативному устранению стресса. Исходя из вышесказанного, актуальным является исследование флуориметрического метода оценки состояния растений. В свою очередь для исследования данного метода существует необходимость в разработке флуориметра, способного фиксировать так называемую кривую Каутского, анализ которой даст возможность определения влияния стресс‑факторов на растение.

Разрабатываемое устройство для регистрации флуоресценции хлорофилла в листьях растений даст возможность определить, как растение чувствует себя в определенных условиях, что поможет выявить и устранить факторы пагубного влияния на растение, спрогнозировать тенденцию развития урожая, смоделировать максимально возможную продуктивность культуры в имеющихся условиях и т д.

Целью работы является разработка и исследование простого однолучевого флуориметра для измерения и анализа флуоресценции хлорофилла в листьях растений.

Индукция флуоресценции хлорофилла имеет место, когда после затемнения исследуемого фотосинтезирующего объекта в течение примерно 30 минут объект освещается. Наблюдается резкое увеличение флуоресценции хлорофилл а, а затем медленное снижение интенсивности индуцированной флуоресценции. Это явление впервые описал Каутский в 1931 году, поэтому оно называется эффектом Каутского.

Индукционная кривая флуоресценции (см.рис.1) представляет собой изменения эмиссии флуоресценции хлорофилла в фотосинтезирующем объекте. Ее можно разделить на быструю фазу (около 1 с), и медленную фазу (продолжающуюся несколько минут).

По индукционной кривой флуоресценции определяют следующие параметры [2]:

• F_O – начальная флуоресценция объектов, адаптированных к темноте;
• F_M – максимальный уровень флуоресценции;
• T_FM – время достижения максимального уровня флуоресценции;
• A_M – площадь над кривой индукции флуоресценции хлорофилла;
• F_V/F_M – максимальная (потенциальная) производительность фотосинтетического аппарата растений.

Каждый из перечисленных выше параметров имеет конкретное физиологическое значение. Например, параметр F_V/F_M, который представляет собой отношение (F_M-F_O)/F_M, измеренное в адаптированных к темноте растениях, отражает потенциальную квантовую эффективность фотосинтеза и может быть использован в качестве надежного индикатора фотохимической активности фотосинтетического аппарата. Для большинства растений при полном развитии в не стрессовых условиях максимальное значение этого параметра равно 0,83. Его понижение означает, что перед измерением растение было подвержено влиянию стресса.

Рассмотрим принцип регистрации флуоресценции. На рисунках 2 и 3 приведены соответственно спектры поглощения зеленого листа и флуоресценции хлорофилла‑а. Из рисунков следует, что для регистрации флуоресценции необходимо освещать лист растения синим светом с длинами волн порядка 400..450 нм и одновременно измерять интенсивность флуоресценции в области спектра с длинами волн от 680..780 нм.

Структурная схема разрабатываемого флуориметра представлена на рисунке 4. В качестве источника возбуждающего излучения используется синий фито светодиод мощностью 3 Вт с максимумом излучения на длине волны 450 нм. При расстоянии до объекта облучения 2 см и потребляемом токе 700 мА данный источник создает необходимую для измерений освещенность поверхности не менее 3000 мкмоль/(с*м²).

Для подавления отраженного светового потока возбуждающего синего излучения от информационного красного светового потока флуоресценции используется красный светофильтр с длиной волны среза 700 нм.

Для регистрации интенсивности флуоресценции в схеме использовано фотоприемное устройство TSL257. TSL257 – это высокочувствительный малошумящий оптический преобразователь света в напряжение, который сочетает в себе фотодиод и трансимпедансный усилитель на одной монолитной интегральной схеме CMOS. Выходное напряжение прямо пропорционально интенсивности света (освещенности) на фотодиоде. Основные технические характеристики TSL257:

• номинальное напряжение питания, В – 5;
• темновое выходное напряжение, мВ – не более 15;
• чувствительность при λ=470 нм, В/(мкВт/см²) – 1,3.

Выходной потенциальный сигнал фотоприемного устройства, пропорциональный интенсивности флуоресценции, с помощью встроенного в микроконтроллер аналого‑цифрового преобразователя АЦП преобразуется в цифровой код и запоминается во внутренней оперативной памяти микроконтроллера с последующей передачей накопленного массива измерительных данных в ноутбук.

Выбранный микроконтроллер teensy 3.1 имеет 64 кБ оперативной памяти данных и 12‑разрядный АЦП с периодом преобразования 10 мкс.

Предложенная структурная схема флуориметра была реализована в виде макетного образца. На рисунке приведен результат регистрации кривой Каутского для листа комнатного растения с помощью макетного образца флуориметра. Полученный результат хорошо согласуется с известными теоретическими и практическими данными.

Выводы

Предложенная структурная схема однолучевого флуориметра для измерения и анализа флуоресценции хлорофилла в листьях растений позволяет регистрировать кривую индукции флуоресценции и определять параметры, имеющие конкретное физиологическое значение, что поможет оперативно выявить и устранить факторы пагубного влияния на растение, спрогнозировать тенденцию развития урожая, смоделировать максимально возможную продуктивность культуры в имеющихся условиях.

Список использованной литературы

1. Гольцев В. Н., Каладжи М. Х., Кузманова М. А., Аллахвердиев С. И. Переменная и замедленная флуоресценция хлорофилла a – теоретические основы и практическое приложение в исследовании растений. – М.–Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2014. – 220 с.
2. Карповский А. Ю., Кузнецов Д. Н. Анализ современных методов качественной оценки состояния растений. Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых: сборник научных трудов ХVIII научно‑технической конференции аспирантов и студентов в г. Донецке 22–24 мая 2018 г. – Донецк : ДОННТУ, 2018. – 422–425с.