Controllo e smaltimento del poligono giapponese invasivo Reynoutria japonica Houtt. Utilizzo del trattamento a microonde

Riepilogo

Questo protocollo fornisce un metodo per il controllo a microonde del poligono giapponese sul campo e lo smaltimento dei rizomi scavati in condizioni di laboratorio. Vengono discussi i vantaggi e gli svantaggi di entrambi i metodi. Vengono inoltre suggerite direzioni di ricerca future per ottimizzare l'uso delle microonde per il controllo del poligono giapponese.

Abstract

Lo studio mira a valutare l'efficacia del trattamento a microonde (MWT) a una frequenza di 2,45 GHz e una potenza di 800 W per controllare il poligono giapponese (Reynoutria japonica Houtt.) utilizzando un dispositivo semovente costruito nella struttura interna. L'MWT è stato applicato nella popolazione di campo di poligono nel luglio 2022. In primo luogo, le piante sono state spostate meccanicamente dall'area di 1 m^{2 e,} successivamente, i germogli tagliati alti circa 4 cm sono stati trattati a microonde per 25 minuti, 20 minuti e 15 minuti. I trattamenti di controllo sono stati: 1) solo piante recise e 2) rizomi scavati fino a 30 cm di profondità. L'efficacia dei trattamenti a microonde è stata osservata per i successivi 11 mesi contando il numero di germogli appena cresciuti. I risultati hanno mostrato che un MWT di 25 minuti era efficace al 100% nella perdita di vitalità del poligono giapponese, mentre un trattamento a microonde MWT di 15 minuti ha stimolato la crescita delle piante di circa il 50%, rispetto ai controlli. I rizomi sono stati scavati in un esperimento in vitro separato per i test di laboratorio. I rizomi sono stati classificati in base allo spessore e sottoposti a un MWT di 60 s utilizzando un forno a microonde commerciale, dopodiché sono state valutate la loro temperatura e vitalità. La temperatura dei rizomi dopo MWT dipendeva dal loro spessore. Quei rizomi che si riscaldavano a temperature superiori a 42 °C venivano effettivamente distrutti. Riassumendo, il tempo in cui le piante sono esposte alle microonde gioca un ruolo importante nell'efficacia di questo metodo. Più lunga è l'esposizione all'MWT, migliore è il controllo. Più sottili sono i rizomi, più efficace è lo smaltimento dei rizomi MWT in vitro .

Introduzione

Il poligono giapponese (Reynoutria japonica Houtt.) è una delle sette specie di piante invasive che minacciano l'ambiente naturale in Polonia¹. Questa pianta, al di fuori del suo areale originario, presenta un ampio spettro di habitat, da habitat antropogenici, tra cui argini ferroviari, bordi stradali, parchi, cimiteri, giardini domestici, vari tipi di terreni incolti urbani e post-industriali a quelli naturali, ad esempio margini di foreste, rive di fiumi, boschetti. A volte si può trovare anche nelle zone agricole. Si adatta bene a vari tipi di terreno con vari pH, da acido a leggermente alcalino ^2,3. Presenta un'elevata tolleranza alle alte temperature, alla salinità, alle inondazioni periodiche e alla siccità². È anche molto resistente alla contaminazione del suolo, compresi i composti solforati⁴. Il poligono minaccia seriamente la natura e contribuisce al declino della ricchezza delle specie vegetali. Competono efficacemente con le specie autoctone, impedendone la rigenerazione attraverso una rapida crescita e limitando l'accesso alla luce⁵. Influenzano alleopaticamente altre piante e causano cambiamenti nelle proprietà fisiche e chimiche del suolo. Inoltre, influiscono negativamente sull'economia umana limitando la visibilità lungo le strade, distruggendo la protezione dalle inondazioni, riducendo l'attrattiva degli investimenti e delle aree turistiche e causando perdite economiche associate al loro controllo ^6,7.

Sono stati fatti molti tentativi per controllare il poligono giapponese, principalmente utilizzando erbicidi sintetici come il glifosato o il 2,4-D⁸. Tuttavia, a causa degli effetti ambientali sfavorevoli, questo metodo non è raccomandato per la maggior parte dei siti occupati da poligono. D'altra parte, i metodi meccanici prevedono lo sfalcio regolare delle piante, che sono inefficaci a causa del profondo sistema di rizomi da cui emergono nuovi germogli⁹. Una soluzione interessante è quella di utilizzare reti fitte che limitino la crescita del poligono, ma questo metodo ha anche delle limitazioni dovute a possibili danni alla rete o ai germogli che crescono al di fuori della sua area. Pertanto, si cercano metodi laterali per controllare questa specie. Uno di questi metodi potrebbe essere l'utilizzo di microonde¹⁰.

Le microonde sono onde elettromagnetiche con frequenze da 0,3 GHz a 300 GHz e lunghezze d'onda da 1 m a 0,001 m. Le radiazioni a microonde sono invisibili all'occhio umano. Lo spettro elettromagnetico di un forno a microonde rientra nell'intervallo della radiazione infrarossa e delle radiofrequenze¹¹. Dell'ampia gamma di frequenze delle microonde, solo alcune sono destinate ad applicazioni mediche o industriali. I regolamenti della Federal Communications Commission specificano l'uso di specifiche frequenze a microonde. Le microonde vengono trasmesse attraverso materiali elettricamente neutri come carta, vetro, ceramica e la maggior parte delle materie plastiche e vengono riflesse dai metalli. Nel materiale assorbente, provocano la generazione di calore¹². Il campo elettromagnetico alle frequenze delle microonde fornisce principalmente energia agli organismi viventi all'interno del suo raggio d'azione. L'effetto termico consiste nell'aumentare la temperatura corporea a causa dell'assorbimento da parte del corpo di una parte dell'energia. La frequenza appropriata, l'intensità del campo e la capacità dell'organismo di termoregolarsi sono necessarie per aumentare la temperatura del tessuto. Dipende anche dal tempo di esposizione e dal tipo di tessuto. Quando viene superato un livello critico di calore tissutale, si verifica la denaturazione delle proteine¹³.

La radiazione a microonde è stata utilizzata nelle scienze naturali per molti anni. Viene utilizzato, ad esempio, per il riscaldamento dell'aria nelle serre¹⁴, la disinfezione del terreno 15,16,17 e l'essiccazione di frutta e verdura 18,19,20. Le microonde possono anche distruggere gli insetti nocivi delle piante coltivate 21,22,23 o le erbacce allo stadio di piantina²⁴. Studi recenti indicano anche l'elevata efficacia del metodo a microonde nella lotta contro l'invasivo panace di Sosnowsky ^10,25.

Il dispositivo HOGWEED è stato costruito nella Facoltà di Scienze Forestali dell'Università di Agraria a Cracovia²⁶. Ha la sua trazione e si muove su un telaio a cingoli, che può essere utilizzato in aree di difficile accesso. Un tale sistema di azionamento non danneggia il terreno perché i cingoli in gomma esercitano basse pressioni unitarie sul terreno. Un radiocomando controlla a distanza il veicolo. Il dispositivo è stato costruito per studiare l'effetto delle microonde sulle erbacce invasive negli ecosistemi naturali.

Lo studio mira a determinare l'efficacia della radiazione a microonde con un'onda di 2,45 GHz, una potenza di 800 W e un tempo di funzionamento presunto (da 15-25 minuti) per il controllo della crescita delle piante di poligono giapponese (Reynoutria japonica Houtt.) sul campo utilizzando il dispositivo HOGWEED. Lo studio mira anche a determinare lo smaltimento dei rizomi in condizioni di laboratorio utilizzando un dispositivo a microonde commerciale. Lo smaltimento è importante nella gestione sicura dei rifiuti vegetali invasivi in modo che non minaccino la sicurezza ambientale.

Protocollo

Abbiamo condotto l'esperimento sul campo utilizzando una popolazione di campo di poligono giapponese invasivo (Reynoutria japonica Houtt.) localizzata a Cracovia (50.04 N, 19.63 E) sotto l'accordo scritto e la supervisione del Kraków Municipal Greenery Board, che gestisce quest'area.

1. Controllo sul campo del poligono giapponese utilizzando un dispositivo specializzato che emette microonde

1. Costruire l'emettitore di microonde utilizzando un magnetron, che genera onde a una frequenza di 2,45 GHz e una potenza di 800 W. Mantenere l'area di apertura dell'antenna a tromba a 0,024254 m² (134 mm x 181 mm) e la densità di potenza delle microonde a 32,8 kW/m². Realizzare la guida d'onda e l'antenna di quattro fogli di ottone spessi 1 mm e unirli con saldatura dolce. Assicurarsi che il lato interno della lastra sia rivestito d'argento per aumentare la conduttività della superficie metallica²⁶.
2. Condurre il controllo a microonde del poligono giapponese durante il suo periodo di crescita intensiva, quando le piante sono alte circa 0,5-1,0 m.
3. Conta il numero di germogli di poligono fuori terra per 1 m². Tagliare tutte le parti fuori terra delle piante utilizzando un tosaerba manuale a circa 4 cm dalla superficie del terreno.
4. Rimuovere meccanicamente le foglie secche dalla superficie utilizzando un soffiatore per foglie per evitare che si brucino durante il trattamento a microonde.
5. Registrare la temperatura della superficie preparata prima del trattamento con la termocamera.
6. Posizionare l'emettitore di microonde sulla superficie preparata sui germogli al centro e spingerlo leggermente per farlo aderire saldamente al suolo. Emettere microonde premendo un pulsante sulla macchina ed eseguire il trattamento per 25 min, 20 min e 15 min per una superficie di dimensioni 268 mm x 362 mm.
7. Registrare la temperatura della superficie trattata con la termocamera.
8. Per i comandi, utilizzare superfici su cui le parti fuori terra vengono tagliate meccanicamente solo con un tosaerba manuale a circa 4 cm dal suolo (comando 1 - falciato) e i rizomi vengono scavati a una profondità di circa 30 cm (comando 2 - scavo). Per aiutare a scavare i rizomi, utilizzare prima un compressore mobile con un ugello a flusso stretto e poi estrarre i rizomi visibili con l'aiuto di una taglierina metallica.
9. Controlla mensilmente la crescita delle piante nell'area di ricerca e confrontala con entrambe le aree di controllo durante i prossimi mesi fino al mese di crescita intensiva delle piante, ad esempio da luglio a maggio. Conta manualmente e documenta fotograficamente il numero di nuovi germogli di poligono.

2. Smaltimento in vitro dei rizomi del poligono giapponese mediante microonde

1. Come sorgente di microonde, utilizzare un dispositivo a camera commerciale con una frequenza di 2,45 GHz e una potenza di 800 W, con una capacità controllata elettricamente di 28 L.
2. Scava i rizomi del poligono giapponese da una profondità massima di 30 cm e tagliali in sezioni di 28 cm usando le cesoie.
3. Dividere il rizoma in tre classi di spessore, utilizzando un calibro per misurare il diametro maggiore del rizoma. Fornire il risultato della misurazione in centimetri a due cifre decimali. Usa un righello da disegno per calcolare il risultato in centimetri con una cifra decimale. Classe I fino a 1,00 cm; Classe II 1,01-2,00 cm; Classe III sopra i 2,01 cm.
4. Scegli dieci rizomi rappresentativi per classe di spessore. Pesare la massa fresca dei rizomi con una bilancia. Esprimi i risultati in g con due cifre decimali.
5. Mettere i rizomi in un forno a microonde e cuocerli nel microonde per 60 s. Immediatamente dopo il trattamento a microonde, eseguire un termogramma con la termocamera per determinare la temperatura alla quale un determinato rizoma si era riscaldato.
6. Pesare nuovamente i rizomi al microonde dopo il trattamento a microonde quando si raffreddano a temperatura ambiente.
7. Prendi altri otto rizomi per determinare la loro umidità e massa secca. Pesare i rizomi prima di metterli nell'essiccatore da laboratorio a 105 °C per 2 giorni. Trascorso questo tempo, pesateli di nuovo.
8. Determinare la temperatura dei rizomi in base ai termogrammi della termocamera. Determinare la temperatura media, massima e minima di un'area o sezione contrassegnata. In questo esperimento, ogni rizoma è stato diviso in 5 punti-ellissi equidistanti di un'area di circa 2 cm che non si estendeva oltre il contorno del rizoma. Quindi, calcola la temperatura media, massima e minima di ciascun rizoma dai 5 punti.
9. Posizionare i rizomi cotti al microonde singolarmente su vassoi foderati con cotone idrofilo sterile. Assicurarsi che un vassoio contenga rizomi della stessa classe di spessore. Utilizzare vassoi separati per i rizomi di controllo.
10. Innaffia le vaschette con acqua del rubinetto. Coprire con carta stagnola incolore per ridurre la perdita d'acqua. Posiziona i vassoi in un'area ombreggiata, monitorali e coprili con acqua quando necessario. Eseguire il monitoraggio fino a quando non si osservano nuovi germogli o si verifica un decadimento visibile dei tessuti, ad esempio per 14 giorni.
11. Per i rizomi che sopravvivono e sviluppano nuovi germogli, eseguire un'analisi aggiuntiva della loro temperatura lungo l'intera lunghezza del rizoma.

Risultati

Controllo sul campo del poligono giapponese utilizzando un dispositivo specializzato che emette microonde
Il numero medio di germogli per 1 m² dell'area trattata a microonde è stato di 27. La Figura 1 mostra il numero medio di germogli per 1 m² che sono cresciuti dopo il trattamento a microonde per 11 mesi dopo l'esposizione a microonde. Non sono comparsi nuovi germogli di poligono nelle aree trattate con microonde ...

Discussione

È stata dimostrata l'efficacia del controllo del poligono giapponese (Reynoutria japonica Houtt.) utilizzando il dispositivo costruito e lo smaltimento dei rizomi del poligono utilizzando un forno a microonde commerciale. Entrambi i dispositivi emettevano microonde a una frequenza di 2,45 GHz e una potenza di 800 W.

È stato osservato che più lunga è l'esposizione delle piante di poligono alle radiazioni a microonde, minore e successiva è la loro ...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
AXIS BTA2100d	AXIS Sp. z o.o.		balance
CompAir C50	LECTURA GmbH Verlag		mobile 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 program	PC Software by W1GHZ		software
Heraus UT 6120	Heraeus		laboratory drier