JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

يوفر هذا البروتوكول طريقة للتحكم بالميكروويف في عشب العقدة اليابانية في الحقل والتخلص من جذور الحفر في ظروف المختبر. تتم مناقشة مزايا وعيوب كلتا الطريقتين. يقترح أيضا توجيهات البحث المستقبلية لتحسين استخدام الموجات الدقيقة للتحكم في عشبة العقدة اليابانية.

Abstract

تهدف الدراسة إلى تقييم فعالية المعالجة بالميكروويف (MWT) بتردد 2.45 جيجاهرتز وقوة 800 واط للتحكم في عشبة العقدة اليابانية (Reynoutria japonica Houtt.) باستخدام جهاز ذاتي الدفع تم بناؤه في المنشأة الداخلية. تم تطبيق MWT في عدد الحقول من knotweed في يوليو 2022. أولا ، تم نقل النباتات ميكانيكيا من مساحة 1 م2 ، وبعد ذلك ، تمت معالجة البراعم المقطوعة التي يبلغ ارتفاعها حوالي 4 سم بالميكروويف لمدة 25 دقيقة و 20 دقيقة و 15 دقيقة. كانت علاجات التحكم: 1) قطع النباتات فقط و 2) جذور محفورة حتى عمق 30 سم. لوحظت فعالية علاجات الميكروويف خلال الأشهر ال 11 القادمة من خلال حساب عدد البراعم المزروعة حديثا. أظهرت النتائج أن 25 دقيقة MWT كانت فعالة بنسبة 100٪ في فقدان حيوية عشبة العقدة اليابانية ، في حين أن المعالجة بالميكروويف لمدة 15 دقيقة MWT حفزت نمو النبات بحوالي 50٪ ، مقارنة بالضوابط. تم حفر الجذور في تجربة منفصلة في المختبر لاختبارها في المختبر. تم تصنيف الجذور حسب السماكة وتعرضها لقدرة 60 ثانية على ميغاوات باستخدام ميكروويف تجاري ، وبعد ذلك تم تقييم درجة حرارتها وحيويتها. تعتمد درجة حرارة الجذور التالية على سمكها. تم تدمير تلك الجذور التي ارتفعت درجة حرارتها إلى درجات حرارة أعلى من 42 درجة مئوية بشكل فعال. بإيجاز ، يلعب الوقت الذي تتعرض فيه النباتات لأفران الميكروويف دورا رئيسيا في فعالية هذه الطريقة. كلما طالت مدة التعرض ل MWT ، كان التحكم أفضل. كلما كانت الجذور أرق ، زادت فعالية التخلص من جذور MWT في المختبر .

Introduction

عشبة العقدة اليابانية (Reynoutria japonica Houtt.) هي واحدة من سبعة أنواع نباتية غازية تهدد البيئة الطبيعية في بولندا1. يعرض هذا النبات ، خارج نطاقه الأصلي ، مجموعة واسعة من الموائل من الموائل البشرية ، بما في ذلك سدود السكك الحديدية ، وجوانب الطرق ، والمتنزهات ، والمقابر ، والحدائق المنزلية ، وأنواع مختلفة من الأراضي القاحلة الحضرية وما بعد الصناعية إلى الأراضي الطبيعية ، على سبيل المثال ، حواف الغابات وضفاف الأنهار والغابات. يمكن العثور عليها أيضا في بعض الأحيان في المناطق الزراعية. يتكيف بشكل جيد مع أنواع مختلفة من التربة ذات درجة الحموضة المختلفة ، من الحمضية إلى القلويةقليلا 2،3. يظهر تحملا عاليا لدرجات الحرارة المرتفعة والملوحة والفيضانات الدورية والجفاف2. كما أنها مقاومة جدا لتلوث التربة ، بما في ذلك مركبات الكبريت4. يهدد Knotweed الطبيعة بشكل خطير ويساهم في انخفاض ثراء الأنواع النباتية. إنها تتنافس بشكل فعال مع الأنواع المحلية ، مما يمنع تجديدها من خلال النمو السريع والحد من الوصول إلى الضوء5. إنها تؤثر على النباتات الأخرى بشكل alleopathly وتسبب تغيرات في الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة. بالإضافة إلى أنها تؤثر سلبا على الاقتصاد البشري من خلال الحد من الرؤية على طول الطرق، وتدمير الحماية من الفيضانات، والحد من جاذبية المناطق الاستثمارية والسياحية، والتسبب في خسائر اقتصادية مرتبطة بالسيطرةعليها 6،7.

تم إجراء العديد من المحاولات للسيطرة على عشبة العقدة اليابانية ، باستخدام مبيدات الأعشاب الاصطناعية بشكل أساسي مثل الغليفوسات أو 2،4-D8. ومع ذلك ، نظرا للتأثيرات البيئية غير المواتية ، لا ينصح بهذه الطريقة لمعظم المواقع التي تشغلها عشبة العقدة. من ناحية أخرى ، تتضمن الطرق الميكانيكية قصا منتظما للنباتات ، وهي غير فعالة بسبب النظام العميق للجذور التي تخرج منها براعم جديدة9. الحل المثير للاهتمام هو استخدام الشباك الكثيفة التي تحد من نمو عشبة العقدة ، ولكن هذه الطريقة لها أيضا قيود بسبب الأضرار المحتملة للشبكة أو البراعم التي تنمو خارج منطقتها. لذلك ، يتم البحث عن طرق جانبية للسيطرة على هذا النوع. قد تكون إحدى هذه الطرق هي استخدام أفران الميكروويف10.

الموجات الدقيقة هي موجات كهرومغناطيسية بترددات من 0.3 جيجاهرتز إلى 300 جيجاهرتز وأطوال موجية من 1 متر إلى 0.001 متر. إشعاع الميكروويف غير مرئي للعين البشرية. يقع الطيف الكهرومغناطيسي لفرن الميكروويف ضمن نطاق الأشعة تحت الحمراء وترددات الراديو11. من بين مجموعة واسعة من ترددات الميكروويف ، هناك عدد قليل فقط مخصص للتطبيقات الطبية أو الصناعية. تحدد لوائح لجنة الاتصالات الفيدرالية استخدام ترددات الميكروويف المحددة. تنتقل أفران الميكروويف من خلال مواد محايدة كهربائيا مثل الورق والزجاج والسيراميك ومعظم المواد البلاستيكية وتنعكس بواسطة المعادن. في مادة الامتصاص ، تتسبب في توليد الحرارة12. يوفر المجال الكهرومغناطيسي عند ترددات الميكروويف بشكل أساسي الطاقة للكائنات الحية ضمن نطاقه. يتكون التأثير الحراري من زيادة درجة حرارة الجسم بسبب امتصاص الجسم لبعض الطاقة. التردد المناسب ، شدة المجال ، وقدرة الكائن الحي على التنظيم الحراري مطلوبة لزيادة درجة حرارة الأنسجة. يعتمد أيضا على وقت التعرض ونوع الأنسجة. عندما يتم تجاوز مستوى حرارة الأنسجة الحرج ، يحدث تمسخ البروتين13.

تم استخدام إشعاع الميكروويف في العلوم الطبيعية لسنوات عديدة. يتم استخدامه ، على سبيل المثال ، لتسخين الهواء في البيوت البلاستيكية14 ، وتطهير التربة15،16،17 ، وتجفيف الفواكه والخضروات18،19،20. يمكن لأفران الميكروويف أيضا تدمير الآفات الحشرية لنباتات المحاصيل21،22،23 أو الأعشاب الضارة في مرحلة الشتلات24. تشير الدراسات الحديثة أيضا إلى الفعالية العالية لطريقة الميكروويف في مكافحة عشبة الخنزير الغازية سوسنوفسكي10،25.

تم بناء الجهاز HOGWEED في كلية الغابات بجامعة الزراعة في كراكوف26. لديها محركها وتتحرك على هيكل كاتربيلر ، والذي يمكن استخدامه في المناطق التي يصعب الوصول إليها. لا يضر نظام القيادة هذا بالأرض لأن المسارات المطاطية تمارس ضغوطا منخفضة للوحدة على التضاريس. يتحكم جهاز التحكم عن بعد اللاسلكي في السيارة عن بعد. تم إنشاء الجهاز لدراسة تأثير الموجات الدقيقة على الحشائش الغازية في النظم البيئية الطبيعية.

تهدف الدراسة إلى تحديد فعالية إشعاع الميكروويف بموجة 2.45 جيجاهرتز ، وقوة 800 واط ، ووقت تشغيل مفترض (من 15-25 دقيقة) للتحكم في نمو نباتات عشبة العقدة اليابانية (Reynoutria japonica Houtt.) في الحقل باستخدام جهاز HOGWEED. تهدف الدراسة أيضا إلى تحديد التخلص من الجذور في ظروف المختبر باستخدام جهاز ميكروويف تجاري. يعد التخلص منها مهما في الإدارة الآمنة لنفايات النباتات الغازية حتى لا تهدد السلامة البيئية.

Protocol

أجرينا التجربة الميدانية باستخدام مجموعة ميدانية من عشبة العقدة اليابانية الغازية (Reynoutria japonica Houtt.) الموضعية في كراكوف (50.04 شمالا ، 19.63 شرقا) بموجب اتفاقية مكتوبة مع مجلس المساحات الخضراء في بلدية كراكوف والإشراف عليه ، الذي يدير هذه المنطقة.

1. التحكم الميداني في knotweed اليابانية باستخدام جهاز متخصص ينبعث منه أفران الميكروويف

  1. قم ببناء باعث الميكروويف باستخدام المغنطرون، الذي يولد موجات بتردد 2.45 جيجاهرتز وقوة 800 واط. حافظ على مساحة فتحة هوائي البوق عند 0.024254 م2 (134 مم × 181 مم) وكثافة طاقة الميكروويف عند 32.8 كيلو واط/م2. اصنع الدليل الموجي والهوائي من أربع صفائح نحاسية بسمك 1 مم وانضم إليهما بلحام ناعم. تأكد من أن الجانب الداخلي للوحة الصفيحة مطلي بالفضة لزيادة موصلية السطحالمعدني 26.
  2. قم بإجراء التحكم في الميكروويف في عشبة العقدة اليابانية خلال فترة نموها المكثفة عندما يبلغ ارتفاع النباتات حوالي 0.5-1.0 متر.
  3. احسب عدد براعم عشبة العقدة فوق الأرض لكل 1 متر مربع. قم بقص جميع الأجزاء الموجودة فوق سطح الأرض من النباتات باستخدام جزازة يدوية على ارتفاع 4 سم تقريبا فوق سطح الأرض.
  4. قم بإزالة الأوراق الجافة ميكانيكيا من السطح باستخدام منفاخ الأوراق لمنع الاحتراق أثناء المعالجة بالميكروويف.
  5. سجل درجة حرارة السطح المحضر قبل المعالجة بالكاميرا الحرارية.
  6. ضع باعث الميكروويف على السطح المحضر على البراعم في وسطه وادفعه قليلا لتلتصق بإحكام بالأرض. تنبعث منها أفران الميكروويف بالضغط على زر على الجهاز وقم بإجراء المعالجة لمدة 25 دقيقة و 20 دقيقة و 15 دقيقة لسطح بأبعاد 268 مم × 362 مم.
  7. سجل درجة حرارة السطح المعالج بالكاميرا الحرارية.
  8. بالنسبة لعناصر التحكم ، استخدم الأسطح التي يتم فيها قطع الأجزاء الموجودة فوق سطح الأرض ميكانيكيا فقط باستخدام جزازة يدوية على ارتفاع حوالي 4 سم فوق سطح الأرض (التحكم 1 - القص) ، ويتم حفر الجذور على عمق تقريبي يبلغ 30 سم (التحكم 2 - الحفر). للمساعدة في استخراج الجذور ، استخدم ضاغطا متحركا بفوهة ضيقة التيار أولا ثم اسحب الجذور المرئية بمساعدة قاطع معدني.
  9. تحقق من نمو النباتات في منطقة البحث شهريا ومقارنها بمنطقتي التحكم خلال الأشهر العديدة القادمة حتى شهر النمو المكثف للنباتات ، على سبيل المثال ، من يوليو إلى مايو. عد وتوثيق عدد براعم عشبة العقدة الجديدة يدويا وقم بتوثيقها.

2. التخلص في المختبر من جذور عشبة العقدة اليابانية باستخدام أفران الميكروويف

  1. كمصدر للميكروويف ، استخدم جهاز غرفة تجارية بتردد 2.45 جيجاهرتز وقوة 800 واط ، بسعة يتم التحكم فيها كهربائيا تبلغ 28 لترا.
  2. احفر جذور عشبة العقدة اليابانية من عمق يصل إلى 30 سم وقطعها إلى أقسام 28 سم باستخدام المقصات.
  3. قسم الجذمور إلى ثلاث فئات سمك ، باستخدام الفرجار لقياس أكبر قطر للجذمور. اعطاء نتيجة القياس بالسنتيمتر إلى منزلتين عشريتين. استخدم مسطرة الرسم لحساب النتيجة بالسنتيمتر إلى منزلة عشرية واحدة. الفئة الأولى حتى 1.00 سم ؛ الفئة الثانية 1.01-2.00 سم ؛ الفئة الثالثة فوق 2.01 سم.
  4. اختر عشرة جذور تمثيلية لكل فئة سمك. قم بوزن كتلة الجذور الجديدة بتوازن. عبر عن النتائج ب g إلى منزلتين عشريتين.
  5. ضع الجذور في فرن الميكروويف وضعها في الميكروويف لمدة 60 ثانية. مباشرة بعد المعالجة بالميكروويف ، خذ مخططا حراريا باستخدام كاميرا التصوير الحراري لتحديد درجة الحرارة التي ارتفعت إليها جذمور معين.
  6. قم بوزن الجذور المطبوخة في الميكروويف مرة أخرى بعد المعالجة بالميكروويف عندما تبرد إلى درجة حرارة الغرفة.
  7. خذ ثمانية جذور إضافية لتحديد رطوبتها وكتلتها الجافة. قم بوزن الجذور قبل وضعها في مجفف المختبر عند 105 درجة مئوية لمدة يومين. بعد ذلك الوقت ، وزنهم مرة أخرى.
  8. تحديد درجة حرارة الجذور بناء على مخططات الحرارة لكاميرا التصوير الحراري. حدد متوسط درجة الحرارة والحد الأقصى والأدنى لمنطقة أو قسم محدد. في هذه التجربة ، تم تقسيم كل جذمور إلى 5 نقاط متباعدة بشكل متساو - أشكال بيضاوية بمساحة حوالي 2 سم لم تمتد إلى ما وراء الخطوط العريضة للجذمور. بعد ذلك ، احسب متوسط درجة الحرارة والحد الأقصى والأدنى لكل جذمور من 5 نقاط.
  9. ضع الجذور المطبوخة في الميكروويف بشكل فردي على صواني مبطنة بالصوف القطني المعقم. تأكد من أن صينية واحدة تحتوي على جذور من نفس فئة السماكة. استخدم صواني منفصلة لجذور التحكم.
  10. سقي الصواني بماء الصنبور. غطيها بورق طعام عديم اللون لتقليل فقد الماء. ضع الصواني في مكان مظلل ، وراقبها ، وقم بتغطيتها بالماء عند الحاجة. قم بإجراء المراقبة حتى يتم ملاحظة براعم جديدة أو حدوث تسوس مرئي للأنسجة ، على سبيل المثال ، لمدة 14 يوما.
  11. بالنسبة للجذور التي تبقى على قيد الحياة وتطور براعم جديدة ، قم بإجراء تحليل إضافي لدرجة حرارتها على طول الجذمور بالكامل.

النتائج

التحكم الميداني في عشبة العقدة اليابانية باستخدام جهاز متخصص ينبعث منها الموجات الدقيقة
كان متوسط عدد البراعم لكل 1 م2 من المنطقة المعالجة بالميكروويف 27. يوضح الشكل 1 متوسط عدد البراعم لكل 1 م2 التي نمت بعد المعالجة بالميكروويف لمدة ...

Discussion

تم إثبات فعالية التحكم في عشب العقدة الياباني (Reynoutria japonica Houtt.) باستخدام الجهاز المصمم والتخلص من جذور عشبة العقدة باستخدام فرن ميكروويف تجاري. ينبعث كلا الجهازين من أفران ميكروويف بتردد 2.45 جيجاهرتز وقوة 800 واط.

لوحظ أنه كلما طالت مدة تعرض نباتات عشبة ?...

Disclosures

يعلن جميع المؤلفين عدم وجود تضارب في المصالح.

Acknowledgements

تم تمويل هذا البحث من قبل وزارة العلوم والتعليم العالي في جمهورية بولندا.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
AXIS BTA2100dAXIS Sp. z o.o.balance
CompAir C50LECTURA GmbH Verlagmobile compressor 
FLIR E60 FLIR Systems, Inc.thermal imaging camera 
FLIR Tools FLIR Systems, Inc.software to analyse the temperature from the thermogram
HDL_ANT version 3b4 programPC Software by W1GHZsoftware
Heraus UT 6120 Heraeus laboratory drier

References

  1. Tokarska-Guzik, B., Bzdęga, K., Dajdok, Z., Mazurska, K., Solarz, W. Invasive alien plants in Poland-the state of research and the use of the results in practice. Environ Socio Econ Stud. 9 (4), 71-95 (2021).
  2. Shaw, R. H., Seiger, L. A. Japanese knotweed. Biological control of invasive plants in the eastern United States. USDA Forest Service Publ. , 159-166 (2002).
  3. Alberternst, B., Böhmer, H. J. Impacts of the invasive plant Fallopia japonica (Houtt.) on plant communities and ecosystem processes. Biol Inv. 12, 1243-1252 (2010).
  4. Böhmová, P., Šoltés, R. Accumulation of selected element deposition in the organs of Fallopia japonica during ontogeny. Oecol Mont. 26 (1), 35-46 (2017).
  5. Dommanget, F., Spiegelberger, T., Cavaillé, P., Evette, A. Light availability prevails over soil fertility and structure in the performance of Asian knotweeds on riverbanks: new management perspectives. Environ Manag. 52, 1453-1462 (2013).
  6. Child, L., Wade, M. . The Japanese Knotweed manual. The management and control of an invasive alien weed. , 123 (2000).
  7. Lavoie, C. The impact of invasive knotweed species (Reynoutria spp.) on the environment: review and research perspectives. Biol Inv. 19 (8), 2319-2337 (2017).
  8. Barták, R., Kalousová, &. #. 3. 5. 2. ;. K., Krupová, B. . Methods of elimination of invasive knotweed species (Reynuotria. spp.). , (2010).
  9. Wade, M., Child, L., Adachi, N. Japanese Knotweed - a cultivated coloniser. Biol Sci Rev. 8, 31-33 (1996).
  10. Słowiński, K., Grygierzec, B., Synowiec, A., Tabor, S., Araniti, F. Preliminary study of control and biochemical characteristics of giant hogweed (Heracleum sosnowskyi Manden.) treated with microwaves. Agron. 12 (6), 1-19 (2022).
  11. Thukral, R., Kumar, A., Arora, A. S. Effects of different radiations of electromagnetic spectrum on human health. 2020 IEEE Int Students' Conf Elect, Electron Comp Sci. , 1-6 (2020).
  12. Rajagopal, V. . Disinfestation of stored grain insects using microwave Energy. , (2009).
  13. Singh, A. P., Kaur, R. Electromagnetic fields: Biological implications on various life forms. Int J Bioas. 3, 2030-2040 (2014).
  14. Teitel, M., Shktyar, A., Elad, Y., Dikhtyar, V., Jerby, E. Development of a microwave system for greenhouse heating. Acta Horticult. 534, 189-195 (2000).
  15. Thuery, J. . Microwaves: Industrial, Scientific and Medical Applications. , (1992).
  16. Velázquez-Martí, B., Gracia-Lopez, C., Marzal-Domenech, A. Germination inhibition of undesirable seed in the soil using microwave radiation. Biosyst Engin. 93 (4), 365-373 (2006).
  17. Słowiński, K. . The effect of microwave radiation emitted into non-disinfected nursery substrate on the survival and selected quality features of Scots pine Pinus sylvestris L. Seedling. Zeszyty Naukowe Uniwersytetu Rolniczego im. , (2013).
  18. Maskan, M. Drying, shrinkage and rehydration characteristics of kiwi fruits during hot air and microwave drying. J Food Engin. 48 (2), 177-182 (2001).
  19. Khraisheh, M. A. M., McMinn, W. A. M., Magee, T. R. A. Quality and structural changes in starchy foods during microwave and convective drying. Food Res Int. 37 (5), 497-503 (2004).
  20. Pinkrova, J., Hubackova, B., Kadlec, P., Prihoda, J., Bubnik, Z. Changes of Starch during microwave treatment of rice. Czech J Food Sci. 21 (5), 176-184 (2003).
  21. Ikediala, J. N., Tang, J., Neven, L. G., Drake, S. R. Quarantine treatment of cherries using 0.915 GHz microwaves: Temperature mapping, codling moth mortality, and fruit quality. Postharv Biol Technics. 16 (2), 127-137 (1999).
  22. Kirkpatrick, R. L., Brower, J. H., Tilton, E. W. A comparison of microwave and infrared radiation to control rice weevils (Coleoptera: Curculionidae) in wheat. J Kansas Entomol Soc. 45, 434-438 (1972).
  23. Nelson, S. O., Stetson, L. E. Comparative effectiveness of 39 and 2450 MHz electric fields for control of rice weevils in wheat. J Entomol. 67 (5), 592-595 (1974).
  24. Kaçan, K., Çakır, E., Aygün, &. #. 3. 0. 4. ;. Determination of possibilities of microwave application for weed control. Int J Agri Biol. 20, 966-974 (2018).
  25. Słowiński, K., et al. Biochemistry of microwave controlled Heracleum sosnowskyi (Manden.) roots with an ecotoxicological aspect. Sci Rep. 14 (1), 14260 (2024).
  26. Słowiński, K. Microwave device for soil disinfection. Problem Papers of Prog Agri Sci. 543, 319-325 (2009).
  27. Conolly, A. P. The distribution and history in the British Isles of some alien species of Polygonum and Reynoutria. Watsonia. 11, 291-311 (1977).
  28. Zarzycki, K., et al. . Ecological indicator values of vascular plants of Poland. , (2002).
  29. Halmagyi, A., Surducan, E., Surducan, V. The effect of low-and high-power microwave irradiation on in vitro grown Sequoia plants and their recovery after cryostorage. J BiolPhys. 43, 367-379 (2017).
  30. Surducan, V., Surducan, E., Neamtu, C., Mot, A. C., Ciorîță, A. Effects of Long-Term Exposure to Low-Power 915 MHz Unmodulated Radiation on Phaseolus vulgaris. L. Bioelectromagnetics. 41, 200-212 (2020).
  31. Radzevičius, A., et al. Differential physiological response and antioxidant activity relative to high-power micro-waves irradiation and temperature of tomato sprouts. Agricult. 12, 422 (2022).
  32. Mavrogianopoulos, G. N., Frangoudakis, A., Pandelakis, J. Energy efficient soil disinfection by microwaves. J Food Engin. 48 (2), 177-182 (2000).
  33. Enemuoh, F. O., Ezennaya, S. O. A review of the effects of electromagnetic fields on the environment. Health Physics. 74, 494-522 (1998).
  34. Rasti, A., Pineda, M., Razavi, M. Assessment of soil moisture content measurement methods: Conventional laboratory oven versus halogen moisture analyzer. J Soil Water Sci. 4 (1), 151-160 (2020).
  35. Jones, A. C., O'Callahan, B. T., Yang, H. U., Raschke, M. B. The thermal near-field: Coherence, spectroscopy, heat-transfer, and optical forces. Prog Surface Sci. 88 (4), 349-392 (2013).
  36. Upadhyaya, C., Patel, I., Upadhyaya, T., Desai, A. Exposure effect of 900 MHz electromagnetic field radiation on antioxidant potential of medicinal plant Withania somnifera. Inventive Sys Cont. 204, 951-964 (2021).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

Knotweed Reynoutria japonica MWT

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved