REZUMAT

Studiul ducumentar privind tratarea semintelor in plasma au aratat ca s-a folosit plasma la presiune joasa, si anume descarcari in radiofrecventa si plasma de microunde. In lucrari de data mai recenta a inceput sa fie investigata in acest scop plasma netermica la presiune atmosferica. Avantajele de natura practica sunt importante in acest caz, in primul rand prin eliminarea echipamentelor de vid. Pe de alta parte, up-scalarea dispozitivelor in vederea tratarii unei cantitati mai mari de seminte ramane o problema.

In aceasta etapa au fost proiectate si realizate cateva reactoare de plasma bazate pe descarcari electrice la presiune atmosferica, si anume descarcari de suprafata (SD) si descarcari cu bariera dielectrica (DBD) atat in configuratie plan-paralela, cat si coaxiala. A fost prevazuta realizarea unei incinte inchise ermetic pentru generarea plasmei, prevazuta cu intrare si iesire de gaz, astfel incat sa se poata lucra in atmosfera controlata.

Dispozitivul experimental pentru generarea descarcarii DBD in geometrie plan-paralela in care semintele sunt plasate intr-un vas Petri cu diametrul de 10 cm, iar descarcarea are loc intre cei doi electrozi circulari, de diametru 8 cm. Dispozitivul este proiectat astfel incat distanta intre cei doi electrozi sa fie reglabila. Varierea distantei conduce la modificarea tensiunii de strapungere (tensiunea minima la care apare plasma), ceea ce poate pune problem in cazul tratarii semintelor de dimensiuni mari, care necesita operarea descarcarii la tensiune ridicata. In general, electrozii au fost plasati la o distanta de aproximativ 5 mm, care permite pe de o parte tratarea unei game destul de largi de seminte si pe de alta parte varierea tensiunii aplicate pe descarcare in domeniul 13-18 kV.

Dispozitivul pentru producerea descarcarii DBD in geometrie coaxiala Reactorul de plasma consta intr-un tub de sticla de diametru exterior 22 mm si interior 18 mm, care contine electrodul de tensiune inalta, cilindric, de diametru 10.5 mm, plasat pe axa tubului si electrodul de masa, plasat pe exteriorul tubului pe o lungime de 48 mm. Spatiul de descarcare este de aproximativ 4 mm si contine semintele de tratat.

Pentru a putea monitoriza creșterea plantentelor în faze precoce ale creșterii și dezvoltării, în timpul germinării și imediat după germinare, în literatura de specialitate se folosește un echipament numit rizotron. In principiu rizotronul în funcție de planta de cultură, stadiul de vegetație monitorizat și viziunea fiecărui cercetător, are forme și dimensiuni foarte diferite. Toate modelele experimtale de rizotron, descrise în literatură presupun posibilitatea vizualizării rădăcinilor prin utilizarea unui perete transparent al vasului de vegetație. Primul rhizotron, proiectat de Rogers, Anglia între anii 1960-1961 la Malling Research Station, care era specializată în dezvoltarea de portaltoi de pomi fructiferi. Cuvântul rhizotron provine din cuvintele grecești rhizos pentru rădăcină și tron pentru instrument și poate fi definită ca o instalație sau o clădire proiectată pentru vizualizarea și măsurarea rădăcinilor și a plantelor prin suprafețe transparente care pot fi în contact cu solul natural. Rizotronul este un instrument pentru efectuarea măsurătorilor nedistructive, repetate ale sistemelor radiculare la scară largă. Avantajele includ capacitatea de a efectua succesiv măsurători pe aceeași rădăcină individuală și pentru a determina rapid creșterea lungimii.

Pentru a răspunde cerințelor privind monitorizarea creșterii și dezvoltării plantelor ca rezultat al impactului tratamentului cu plasmă rece asupra semințelor au fost proiectate si realizate două standuri de testare: unul pentru monitorizarea semințelor în timpul germinării și a plantulelor în faze precoce și unul pentru monitorizarea plantelor în faze mai avansate de creștere și dezvoltare. Senzori și camerele pot fi instalate pentru a măsura condițiile solului și pentru a înregistra fotografii în timp real. Rădăcinile cresc de-a lungul peretelui transparent pentru a furniza informații despre viteza de creștere a rădăcinilor și densitatea rădăcinilor.

Dispozitivul experimental pentru generarea descarcarii DBD in geometrie plan-paralela in care semintele sunt plasate intr-un vas Petri cu diametrul de 10 cm, iar descarcarea are loc intre cei doi electrozi circulari, de diametru 8 cm. Dispozitivul este proiectat astfel incat distanta intre cei doi electrozi sa fie reglabila. Varierea distantei conduce la modificarea tensiunii de strapungere (tensiunea minima la care apare plasma), ceea ce poate pune problem in cazul tratarii semintelor de dimensiuni mari, care necesita operarea descarcarii la tensiune ridicata. In general, electrozii au fost plasati la o distanta de aproximativ 5 mm, care permite pe de o parte tratarea unei game destul de largi de seminte si pe de alta parte varierea tensiunii aplicate pe descarcare in domeniul 13-18 kV.

Dispozitivul pentru producerea descarcarii DBD in geometrie coaxiala este ilustrat. Reactorul de plasma consta intr-un tub de sticla de diametru exterior 22 mm si interior 18 mm, care contine electrodul de tensiune inalta, cilindric, de diametru 10.5 mm, plasat pe axa tubului si electrodul de masa, plasat pe exteriorul tubului pe o lungime de 48 mm. Spatiul de descarcare este de aproximativ 4 mm si contine semintele de tratat.

După proiectarea standului de creștere și monitorizare dinamică a indicatorilor biometrici s-a trecut la realizarea practică. Celulele de creștere și monitorizare (CCM) au fost realizate din plexiglass cu o freză CNC. Celulele de creștere sunt prevăzute cu două compartimente: unul inferior în care vor crește rădăcinile, în care se pun semințele la germinat și un compartiment superior în care va crește partea aeriană. După testarea și verificarea funcționalității au fost realizate 30 CCM. Pentru achiziția imaginilor au fost achiziționat 10 scanere Canon CanoScan Lide120 cu rezoluția de 1200x1200dpi. Pe platanul fiecărui scaner au fost montate câte 3 CCM împreună cu o baghetă LED de 50W/m(Fig 1.4.4). În timpul testărilor scanerele astfel pregătite se introduc in incubator, în poziție verticală, la temperatura de 20oC și umiditate 80% . Pentru monitorizarea continua a plantulelor am creat un sistem format din: calculator (sistem de operare: Ubuntu Linux); 10 scannere (maxim 30 de cutii cu plantule); huburi USB; benzi led și priză programabilă.

Tetarea efectului plasmei netermice in tratamentul semintelor de tomate a aratat ca rata de germinare creste usor ca rezultat al expunerii la plasma, de la 68% pentru semintele martor, la 77% pentru semintele tratate in plasma timp de 5 min. Pentru durate de tratare de 5 si 30 min, radacinile si tulpinile semintelor tratate sunt mai lungi decat ale celor martor. Fig. 9 arata clar deplasarea distributiei semintelor spre lungimi mai mari. Cea mai importanta crestere a lungimii a fost obtinuta pentru seminte expuse la plasma timp de 5 min, in timp ce un timp de tratare prea lung pare sa aiba un efect negativ asupra cresterii plantei. Acest fapt se vede clar in rezultatele obtinute pentru tratamentul de 45 min, care sunt similare celor pentru semintele martor. Comparand distributiile, se observa ca odata cu cresterea timpului de tratare pete 5 min, acestea se deplaseaza inapoi spre lungimi mai reduse. Totusi, plantele sunt inca semnificativ mai lungi decat cele martor chiar si pentru durate de tratare de 30 min. Rata de germinare si parametrii de crestere ai semintelor expuse la plasma (t = 5 min, t = 30 min, t = 45 min) si ai semintelor netratate (t = 0 min)

Experimentele efectuate in descarcarea DBD in geometrie plan-paralela operata cu tensiune sinusoidala de amplitudine 12 kV la frecventa de 10 kHz (putere medie 12 W) confirma efectul pozitiv al tratamentului cu plasma asupra ratei de germinare si parametrilor de crestere. In acest caz, datorita puterii ridicate, durata de expunere la plasma a fost mult mai scurta, 30 s si 180 s. Si in aceste experimente se constata influenta determinanta a timpului de tratare: o durata de 30 s conduce la imbunatatirea parametrilor de crestere fata de probele martor, insa pentru timpul de 180 s rezultatele arata un efect contrar.

Au fost de asemenea realizate experimente cu diferite amplitudini ale tensiunii (13, 15 si 17 kV), pastrand constant inputul energetic (puterea medie inmultita cu timpul de tratare). Astfel, semintele tratate la 13 kV (putere medie 0.55 W) au fost expuse la plasma timp de 13 min, eenrgia totala introdusa in descarcare fiind 429 J. Pentru 15 kV (putere 1.01 W), durata de tratare a fost de 7 min, iar pentru 17 kV (putere 1.43 W) timpul a fost 5 min. Experimentele au fost denumite V13t13, V15t7 si respectiv V17t5 si au fost efectuate tot cu seminte de tomate tratate in descarcarea DBD coaxiala la 50 Hz, cu debit de aer 1 L/min. Semintele martor si cele tratate au fost monitorizate zilnic timp de 17 zile, iar cateva dintre aceste fotografii sunt prezentate.

Pentru boabele de grau s-a constatat Viteza de germinare prezentă și variația între 69,6 la varianta de control și 78,6 la 30 min de tratament cu plasmă. A fost înregistrată raportul la control în toate variantele cu tratament cu plasmă și a crescut germinarea asigurată statistic, cu excepția variantei cu 45 minute de tratament.

Timpul de germinare mediu a înregistrat o variație de la 179,3 la varianta de control până la 186,8 la 30 min de tratament cu plasmă. Prin comparație cu controlul, 45 minute de tratament cu plasmă au prezentat o scădere mică a MGT, dar acestea nu sunt asigurate statistic. Toate tratamentele plasmatice aplicate determină creșterea MGT prin compararea cu varianta de control. Germinarea zilnică medie a prezentat creșteri de la 13,5 la control până la o valoare maximă de 14,3 la 15 min de tratament, creșterile fiind corelate cu timpul tratamentului cu plasmă, cu excepția variantei cu 45 min de tratament unde sa înregistrat un mic scăzută, dar nesatisfăcută statistică. Valoarea maximă a semințelor de grâu după tratamentul cu plasmă a înregistrat o creștere de la 5,8 la varianta de control și până la 9,8 la varianta cu 30 de minute de tratament. Aceste creșteri sunt corelate cu timpul de tratament până la 30 de minute, iar după acest timp, tratamentul cu plasmă a oprit ritmul de creștere.

Valoarea de germinare înregistrează o tendință de creștere din varianta de control cu 78,3 până la 137,2 la 30 de minute de tratament. Creșterea tensiunii se corelează cu timpul de tratament până la 45 de minute.

Datele înregistrate privind determinările biometrice ale semințelor de grâu care au apărut după tratamentul cu plasmă. Lungimea medie a rădăcinilor a fost prezentată cu o variație între 95,8 mm la varianta de control până la 100,5mm și 30min de tratament cu plasmă. Tot PT a stabilit o lungime în creștere a pielii, nu sunt asigurate statistic la 45 de minute de tratament.

Analizele de laborator au identificat intensificare tuturor proceselor fiziologice caracteristice germinatiei, astfel la 24h dupa tratament, procesul de imbibitie este activat. Grâu netratat: Majoritatea cariopselor (60%) se aflau în faze incipiente ale procesului de germinație. Grâu tratat: Toate cariopsele au inițiat procesul de imbibiție și germinare ceea ce înseamnă că tratamentul nu a afectat cariopsele. 70 % dintre cariopse se aflau în faze avansate ale germinării.

Morfologia internă a cariopselor germinate. Nu s-au găsit corelații între endospermul rămas neconsumat în momentul efectuării observațiilor și starea inițială a cariopsei (tratat/netratat) sau etapa din momentul germinării.

Analiza microscopica a cariopselor arata o denivelare a suprafetei in cazul semintelor tratate cu plasma comparativ cu semintele netratate.

Examinarea la microscopul electronic, 24h, a aratat ca la polul apical nu au existat diferente intre boabele de grau tratate si netratate, in timp ce la polul bazal, la varianta tratată există o ruptură a țesutului acoperitor în dreptul vârfului radiculei.

Examinarea microtomografica a aratat ca in cazul semintelor tratate cu plasma apar microfisuri la nivelul tegumentului, ceea ce explica cresterea permeabilitatii tegumentului seminteor tratate.

Concluzii

Toate cariopsele/semințele, în condițiile experimentului, au activat procesele de imbibiție și germinare.

Tratamentul aplicat cariopselor/semințelor nu afectează capacitatea acestora de germinare.

Atât cariopsele cât și semințele de tomate tratate au inițiat procesul de germinare și creștere a radiculei mai repede decât cele netratate.

Germinația este infuențată de capacitatea de absorbție a apei la nivelul învelișurilor seminței. Tratamentele au provocat mici fisuri ale straturilor subțiri ale cariopsei/seminței din dreptul radiculei facilitând absorbția apei și creșterea, în prime faze, a componentelor embrionului.

DISEMINARE

7. Diseminarea rezultatelor INCDFLPR USAMV

1. Mihai Gidea, Monica Magureanu, Razvan Ionut Teodorescu, Valerica Tudor, Laura Mihaela Iosub, The Impact of plasma treatment over wheat seeds, Proceeding,17th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2017, https://sgemworld.at/sgemlib/spip.php?article9615

2. M. Magureanu, D. Dobrin, M. Gidea , Stimulation of seed germination by non-thermal plasma, 17th international conference on plasma physics and applications (17th cppa) 2017 june 15-20 Magurele, Bucharest, Romania

3. M. Magureanu, D. Dobrin1, M. Gidea, effect of non thermal plasma on the germination and early growth of tomato seeds, XXXIII International Conference on Phenomena in Ionized Gases, ICPIG 2017, 9-14.07.2017, Lisabona, Portugalia

GALERIE