Борьба и утилизация инвазивного японского спорыша Reynoutria japonica Houtt. Использование микроволновой терапии

Резюме

Этот протокол предусматривает метод микроволновой борьбы с японским спорышем в полевых условиях и утилизации выкопанных корневищ в лабораторных условиях. Обсуждаются преимущества и недостатки обоих методов. Также предлагаются будущие направления исследований по оптимизации использования микроволн для борьбы с японским спорышем.

Аннотация

Целью исследования является оценка эффективности микроволновой обработки (MWT) на частоте 2,45 ГГц и мощностью 800 Вт для борьбы с японским спорышем (Reynoutria japonica Houtt.) с помощью самоходного устройства, которое было построено на собственном предприятии. MWT был применен в полевой популяции спорыша в июле 2022 года. Сначала растения механически перемещали с площади 1 м² , а затем срезанные побеги высотой около 4 см обрабатывали микроволновой печью в течение 25 мин, 20 мин и 15 мин. Контрольные обработки были следующими: 1) только срезанные растения и 2) корневища выкопаны на глубину до 30 см. Эффективность микроволновой обработки наблюдалась в течение следующих 11 месяцев путем подсчета количества вновь выросших побегов. Результаты показали, что 25-минутная микроволновая терапия MWT была на 100% эффективна при потере жизнеспособности японским спорышем, в то время как 15-минутная микроволновая обработка MWT стимулировала рост растений примерно на 50% по сравнению с контрольной группой. Корневища были выкопаны в отдельном эксперименте in vitro для лабораторных испытаний. Корневища были классифицированы по толщине и подвергнуты воздействию 60 с MWT с использованием коммерческой микроволновой печи, после чего оценивали их температуру и жизнеспособность. Температура корневищ после MWT зависела от их толщины. Те корневища, которые нагревались до температуры выше 42 °C, были эффективно уничтожены. Подводя итоги, можно сказать, что большую роль в эффективности данного метода играет время, в течение которого растения подвергаются воздействию микроволн. Чем дольше воздействие MWT, тем лучше контроль. Чем тоньше корневища, тем эффективнее утилизация корневищ MWT in vitro .

Введение

Японский спорыш (Reynoutria japonica Houtt.) является одним из семи инвазивных видов растений, которые угрожают природной среде в Польше¹. Это растение за пределами своего первоначального ареала обладает широким спектром местообитаний от антропогенных местообитаний, включая железнодорожные насыпи, обочины дорог, парки, кладбища, приусадебные участки, различные виды городских и постиндустриальных пустырей до естественных, например, опушки лесов, берега рек, заросли. Также иногда его можно встретить в сельскохозяйственных районах. Хорошо справляется с различными типами почв с различным рН, от кислых до слабощелочных ^2,3. Он проявляет высокую устойчивость к высоким температурам, солености, периодическим наводнениям и засухе². Он также очень устойчив к загрязнению почвы, в том числе соединениями серы⁴. Спорыш серьезно угрожает природе и способствует снижению видового богатства растений. Они эффективно конкурируют с местными видами, препятствуя их регенерации за счет быстрого роста и ограничивая доступ света⁵. Они воздействуют на другие растения аллеопатически и вызывают изменения физических и химических свойств почвы. Кроме того, они негативно влияют на экономику человека, ограничивая видимость вдоль дорог, разрушая защиту от наводнений, снижая привлекательность инвестиционных и туристических районов, вызывая экономические потери, связанные с их контролем ^6,7.

Было предпринято много попыток борьбы с японским спорышем, в основном с использованием синтетических гербицидов, таких как глифосат или 2,4-D⁸. Однако из-за неблагоприятного воздействия окружающей среды этот метод не рекомендуется применять для большинства участков, занятых спорышем. С другой стороны, механические методы предполагают регулярное скашивание растений, которое малоэффективно из-за глубокой системы корневищ, из которых выходят новые^{побеги9}. Интересным решением является использование плотных сеток, ограничивающих рост спорыша, но и этот способ имеет ограничения из-за возможного повреждения сетки или побегов, растущих за пределами ее участка. Поэтому ищутся боковые методы борьбы с этим видом. Одним из таких способов может быть использование микроволн¹⁰.

Микроволны — это электромагнитные волны с частотой от 0,3 ГГц до 300 ГГц и длиной волны от 1 м до 0,001 м. Микроволновое излучение невидимо для человеческого глаза. Электромагнитный спектр микроволновой печи попадает в диапазон инфракрасного излучения и радиочастот¹¹. Из широкого диапазона микроволновых частот лишь немногие предназначены для медицинского или промышленного применения. Правила Федеральной комиссии по связи определяют использование определенных микроволновых частот. Микроволны передаются через электрически нейтральные материалы, такие как бумага, стекло, керамика и большинство пластмасс, и отражаются металлами. В поглощающем материале они вызывают выделение тепла¹². Электромагнитное поле на микроволновых частотах в основном обеспечивает энергией живые организмы в пределах его действия. Тепловой эффект заключается в повышении температуры тела за счет поглощения организмом некоторого количества энергии. Для повышения температуры ткани требуется соответствующая частота, интенсивность поля и способность организма к терморегуляции. Это также зависит от времени воздействия и типа ткани. При превышении критического уровня нагрева тканей происходит денатурация белка¹³.

Микроволновое излучение уже много лет используется в естественных науках. Он используется, например, для нагрева воздуха в теплицах¹⁴, обеззараживания почвы 15,16,17, сушки фруктов и овощей 18,19,20. Микроволны также могут уничтожать насекомых-вредителей сельскохозяйственных культур ^21,22,23 или сорняки на стадии рассады²⁴. Последние исследования также свидетельствуют о высокой эффективности микроволнового метода в борьбе с инвазионным борщевиком Сосновского^10,25.

Устройство HOGWEED было построено на факультете лесного хозяйства Сельскохозяйственного университета в Кракове²⁶. Он имеет свой привод и передвигается на гусеничном шасси, которое может использоваться на участках с труднодоступным доступом. Такая система привода не повреждает землю, потому что резиновые гусеницы оказывают низкое давление на местность. Радиопульт дистанционного управления дистанционно управляет автомобилем. Устройство было сконструировано для изучения влияния микроволн на инвазивные сорняки в природных экосистемах.

Целью исследования является определение эффективности микроволнового излучения с волной 2,45 ГГц, мощностью 800 Вт и предполагаемым временем работы (от 15-25 мин) для контроля роста растений спорыша японского (Reynoutria japonica Houtt.) в полевых условиях с помощью прибора HOGWEED. Исследование также направлено на определение утилизации корневищ в лабораторных условиях с помощью коммерческого микроволнового устройства. Утилизация важна для безопасного обращения с инвазивными растительными отходами, чтобы они не угрожали экологической безопасности.

протокол

Полевой эксперимент был проведен с использованием полевой популяции инвазивного японского спорыша (Reynoutria japonica Houtt.), локализованной в Кракове (50.04 с.ш., 19.63 в.д.) по письменному соглашению и под надзором Краковского муниципального совета по озеленению, который управляет этой территорией.

1. Полевая борьба с японским спорышем с помощью специализированного прибора, излучающего микроволны

1. Постройте микроволновый излучатель с помощью магнетрона, который генерирует волны на частоте 2,45 ГГц и мощностью 800 Вт. Сохраняйте площадь апертуры рупорной антенны на уровне 0,024254^м2 (134 мм x 181 мм) и плотность мощности микроволновой печи на уровне 32,8 кВт/^м2. Сделайте волновод и антенну из четырех латунных листов толщиной 1 мм и соедините их мягким припоем. Убедитесь, что внутренняя сторона листовой пластины покрыта серебром для увеличения проводимости металлической поверхности²⁶.
2. Проводите микроволновую борьбу с японским спорышем в период его интенсивного роста, когда растения находятся на высоте около 0,5-1,0 м.
3. Посчитайте количество побегов надземного спорыша на 1 м². Срежьте все надземные части растений с помощью ручной газонокосилки примерно на 4 см выше поверхности земли.
4. Механически удалите сухие листья с поверхности с помощью воздуходувки для листьев, чтобы предотвратить ожоги во время обработки в микроволновой печи.
5. Запишите температуру подготовленной поверхности перед обработкой с помощью тепловизионной камеры.
6. Поместите микроволновый излучатель на подготовленную поверхность на побеги в его центре и слегка надавите на него, чтобы он плотно прилегал к земле. Излучайте микроволны, нажимая кнопку на аппарате, и проводите обработку в течение 25 минут, 20 минут и 15 минут для поверхности размером 268 мм x 362 мм.
7. Запишите температуру обрабатываемой поверхности с помощью тепловизионной камеры.
8. Для контроля используйте поверхности, на которых надземные части только механически срезаются с помощью ручной косилки на отметке 4 см от поверхности земли (контроль 1 – скошен), а корневища выкапываются на глубину примерно 30 см (контроль 2 – выкапывать). Чтобы помочь выкопать корневища, сначала используйте передвижной компрессор с узкоструйной насадкой, а затем вытащите видимые корневища с помощью резака по металлу.
9. Ежемесячно проверяйте рост растений в исследуемом районе и сравнивайте его с обоими контрольными участками в течение следующих нескольких месяцев до месяца интенсивного роста растений, например, с июля по май. Вручную подсчитайте и задокументируйте с помощью фотографий количество новых побегов спорыша.

2. Экстракорпоральная утилизация корневищ японского спорыша с помощью микроволн

1. В качестве источника СВЧ используйте коммерческое камерное устройство с частотой 2,45 ГГц и мощностью 800 Вт, с электрически управляемой емкостью 28 л.
2. Выкопайте корневища японского спорыша с глубины до 30 см и разрежьте их на секции по 28 см с помощью секатора.
3. Разделите корневище на три класса толщины, с помощью штангенциркуля измерьте наибольший диаметр корневища. Приведите результат измерения в сантиметрах с точностью до двух знаков после запятой. С помощью линейки чертежа рассчитайте результат в сантиметрах с точностью до одного знака после запятой. I класс до 1,00 см; II класс 1,01-2,00 см; III класс выше 2,01 см.
4. Выберите десять репрезентативных корневищ для каждого класса толщины. Взвесьте свежую массу корневищ с помощью весов. Выразите результаты в g с точностью до двух знаков после запятой.
5. Поместите корневища в микроволновую печь и поставьте их в микроволновую печь в течение 60 секунд. Сразу после микроволновой обработки сделайте термограмму с помощью тепловизионной камеры, чтобы определить температуру, до которой нагрелось данное корневище.
6. Снова взвесьте корневища, приготовленные в микроволновой печи, после обработки в микроволновой печи, когда они остынут до комнатной температуры.
7. Возьмите дополнительно восемь корневищ, чтобы определить их влажность и сухую массу. Взвесьте корневища перед помещением их в лабораторную сушилку при температуре 105 °C на 2 дня. По прошествии этого времени снова взвесьте их.
8. Определяют температуру корневищ на основании термограмм тепловизионной камеры. Определите среднюю, максимальную и минимальную температуру отмеченной области или участка. В этом эксперименте каждое корневище было разделено на 5 равноудаленных точек-эллипсов площадью около 2 см, которые не выходили за контур корневища. Затем рассчитайте среднюю, максимальную и минимальную температуру каждого корневища от 5 баллов.
9. Разложите корневища, приготовленные в микроволновой печи, по отдельности на противнях, выстланных стерильной ватой. Убедитесь, что один лоток содержит корневища одинакового класса толщины. Используйте отдельные лотки для борьбы с корневищами.
10. Полейте лотки водой из-под крана. Накройте бесцветной пищевой фольгой, чтобы уменьшить потерю воды. Поставьте подносы в затененное место, следите за ними и при необходимости поливайте водой. Проводите мониторинг до тех пор, пока не будут замечены новые побеги или не произойдет видимое разложение тканей, например, в течение 14 дней.
11. Для корневищ, которые выживают и развивают новые побеги, проведите дополнительный анализ их температуры по всей длине корневища.

Результаты

Полевая борьба с японским спорышем с помощью специализированного прибора, излучающего микроволны
Среднее количество побегов на 1 м² обработанной микроволновой печью площади составило 27. На рисунке 1 показано среднее количество побег?...

Обсуждение

Показана эффективность борьбы со спорышем японским (Reynoutria japonica Houtt.) с помощью сконструированного устройства и утилизации корневищ спорыша с помощью коммерческой микроволновой печи. Оба устройства излучали микроволны на частоте 2,45 ГГц и мощностью 800 Вт.

Материалы

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