Войти  
Подписка 0
Гость admin

Ультрафиолетовая дезинфекция воды для полива теплиц

Оцените эту тему

1 сообщение в этой теме

Уничтожение корневых патогенов в воде, циркулирующей в закрытых системах возделывания культур, с помощью ультрафиолетового излучения

В.Т. Руния

Переход от выращивания растений в естественной почве в грунтовой теплице к беспочвенным культурам не привел к исчезновению болезней, передаваемых через почву. Большинство патогенных микроорганизмов, поражающих корневую систему растений, также встречается и в новых системах возделывания культур. Некоторые патогены, такие как питиум, фитофтора, вирус зеленой крапчатой мозаики огурца и вирус томатной мозаики, легко переносятся в циркулирующей воде, также как и грибы рода ольпидиум, являющиеся переносчиками нескольких вирусов. Чтобы исключить риск распространения патогенов растений, нужно стерилизовать воду перед ее повторным использованием. Дождевая вода, собранная с крыши теплицы, также может быть заражена патогенными микроорганизмами. При использовании дождевой воды в качестве поливной сначала ее нужно дезинфицировать.

В настоящее время приблизительно в 450 теплицах применяется дезинфекция посредством тепловой обработки или озонирования воды.

Сначала ультрафиолетовое излучение не служило эффективной защитой против патогенов растений. Оно уничтожало споры грибов в питательном растворе только при низкой мощности очистительной установки равной 18 л/ч и высокой дозе ультрафиолетового излучения равной 430 мДж/см2. Однако низкая мощность подразумевает слабую турбулентность в воде, которая приводит к тому, что различные слои воды получают разную дозу УФ-излучения. Две новые ультрафиолетовые установки с высокой мощностью были протестированы на предмет их эффективности против грибковых и вирусных патогенов растений.

Первая установка была оборудована ртутной лампой высокого давления, а вторая - лампой низкого давления. В обеих установках песчаный фильтр вначале удалял органические частицы из воды. Доза УФ-излучения из лампы высокого давления 28 мДж/см2 снизила инфекционность конидии грибов Fusarium oxysporum lycopersici на 90%, а при дозе равной 84 мДж/см2 – на 99%. Лампа с низкой мощностью совершенно уничтожила конидию гриба Fusarium при дозе УФ-облучения равной 70 мДж/см2. Инфекционность вируса томатной мозаики снизилась на 90% при использовании дозы облучения равной 100 мДж/см2 в обеих установках.

Ультрафиолетовое излучение может служить эффективной защитой против патогенов растений в случае достаточной дозы облучения при контролируемых условиях. Многие садоводы используют УФ-радиацию для дезинфекции воды в закрытых системах возделывания культур.

1. Вступление

Изначально переход садоводов и огородников от выращивания растений в естественной почве в грунтовой теплице к беспочвенным культурам был основан на ожидании большего урожая. Другим преимуществом было то, что это отменяло необходимость дезинфицирования почвы, что позволяло сэкономить значительное количество сил по сравнению с усилиями, потраченными на пропаривание почвы. Однако в этих новых системах возделывания культур вновь появилось большинство корневых патогенов. В системах без циркуляции воды не выполнялась дезинфекция оставшегося питательного раствора. Необходима была только дезинфекция субстрата для его повторного использования. Пропаривание показало себя как самый эффективный метод (Руния, 1986).

К 2000 году весь урожай в Нидерландах должен выращиваться в закрытых системах возделывания культур, чтобы остановить проникновение питательных веществ и других химикатов в поверхностные и грунтовые воды. Это подразумевает повторное использование излишков питательного раствора.

Эта сточная вода может быть насыщена патогенами. Некоторые патогены легко переносятся в рециркуляционной воде. Палудан (1985) описывает распространение вируса зеленой крапчатой мозаики огурца (CGMMV), вируса томатной мозаики (ToMV), вируса некроза табака (TNV) и вируса разрастания жилок салата (LBVA) в системе с рециркуляцией питательного раствора. TNV и LBVA передаются группой грибов Olpidium brassicae. Томлинсон и Фейтфул (1979) сообщают о 99 – 100%-ной заболеваемости растений, зараженных LBVA при методе выращивания растений в пластмассовых трубках, в которых течет питательный раствор (NFT). Воханка (1990а) искусственно заразил вирусом Phytophtora cryptogea растение герберы в системах с минеральной ватой с рециркуляцией питательного раствора. Все непривитые растения заболели.

Дженкинс и Аверре (1983) сообщают о случаях распространения четырех видов вируса Питиум в питательном растворе гидропонической системы. Чтобы исключить риск распространения патогенных микроорганизмов через рециркуляционную воду, ее нужно стерилизовать перед повторным использованием.

Дождевая вода с крыши теплицы, собранная в резервуарах, оказалась зараженной спорами грибов Fusarium oxysporum radicis-lycopersici (Раттинк, 1991). Если эта вода используется в качестве поливной, ее нужно сначала дезинфицировать.

Приблизительно в 450 теплицах применяется дезинфекция воды посредством тепловой обработки или озонирования. Ультрафиолетовое облучение может стать еще одним вариантом защиты.

Ультрафиолетовые лучи – это электромагнитное излучение с длиной волн от 100 до 400 нм. При этом УФ-лучи длиной от 200 до 280 нм (коротковолновое излучение) обладают сильным бактерицидным эффектом, оптимальной является длина 253.7 нм (Гельцхойзер ет ал., 1985). Эти так называемые лучи UV-C разрушают микроорганизмы с помощью фотохимической реакции. Для дезинфекции питьевой воды в основном считается достаточным облучение интенсивностью 20-25 мДж/см2, хотя для инактивации цист лямблии (Giardia cysts) необходима доза равная 150 мДж/см2 (Бернард ет ал., 1991).

Вначале УФ-облучение не служило эффективной защитой от патогенов растений. Только высокая доза 430 мДж/см2 обеспечила 100%-ную смертность конидий грибов рода Fusarium и 74%-ное сокращение инфекционности конидий и мицелия рода Verticillium в питательном растворе (Руния, 1991). Мощности оборудования 18 л/ч было недостаточно для практического применения. Низкие мощности также подразумевают слабую турбулентность в воде, которая приводит к тому, что различные слои воды получают разную дозу облучения. Равномерное облучение всех слоев воды благотворно сказывается на результате дезинфекции. Более того, сточная вода обладает низкой степенью прозрачности в сравнении с питательным раствором, таким образом, она блокирует проникновение УФ-лучей. Для увеличения степени прозрачности необходимо удаление твердых взвесей из воды посредством фильтрации до начала УФ-облучения.

Новые ультрафиолетовые установки, использующие песчаный фильтр для предварительной очистки воды, с высокой мощностью и высоким уровнем турбулентности, были протестированы на свою эффективность против грибковых и вирусных патогенов растений. Данная статья представляет результаты этого исследования.

2. Материалы и методы

Было изучено два типа УФ-ламп на предмет их эффективности против патогенов растений: ртутные лампы высокого и низкого давления. Лампы высокого давления испускают излучение типа UV-C с длиной волн 200-280 нм, в то время как лампы низкого давления испускают лучи UV-C в основном с длиной волн равной 253.7 нм (Гельцхойзер, 1985). Лампы высокого давления менее эффективно используют энергию (около 10% потребляемой энергии преобразуется в лучи UV-C), чем лампы с низким давлением (около 40% энергии преобразуется в лучи UV-C).

Обе установки были оснащены песчаным фильтром, содержащим частицы песка диаметром 0.4 – 0.8 мм, для удаления органического материала перед обработкой воды лучами UV-C.

Доза UV-C – это интенсивность облучения, измеряемая в мВт/см2, умноженная на время воздействия в секундах (с), которая выражается в мДж/см2 (= мВт.с/см2). Различные дозы облучения в данном исследовании фиксировались производителями и были достигнуты путем изменения скорости течения воды, подготовленной для обработки и, таким образом, путем изменения времени экспозиции. Интенсивность облучения, а также количество проходов водной массы через лампу также различалось, когда оценивалась лампа с высоким давлением. Во время тестирования лампы с низким давлением вода протекала через лампу однократно.

Коэффициент пропускания выражается как T10 и обозначает количество УФ-излучения с длиной волн 254 нм, которое эффективно проникает в водные слои толщиной 10 мм в соотношении с количеством испускаемого УФ-излучения. Коэффициент пропускания рассчитывается на одно испытание и измеряется после искусственного введения  в воду патогенов растений.

В одной УФ-установке новая лампа высокого давления была заключена в кварцевую трубку, обеспечивающую тепловую изоляцию от обрабатываемой воды. Потребление энергии составляло 1500 Ватт, соответственно 209 Ватт UV-C, включая 125 Ватт UV-C с длиной волны 253.7 нм. Вода циркулировала вдоль лампы с толщиной слоя 50 мм (рис. 1, сделан Прива Б.В., Нидерланды). В испытаниях 1 и 2 скорость течения воды была 15.5 м3 в час, в то время как в испытаниях 3 и 4 скорость течения воды составляла 5 м3 в час. В испытании 1 была обработана сточная вода с помидор (Т10 = 19%). В испытании 2 сточная вода с роз (Т10 = 23%) была на 50 % смешана с дождевой водой (Т10 = 94%)из емкости для хранения воды, так что Т10 = 45%. В испытании 3 обрабатывалась сточная вода с огурцов (Т10 = 3%). В испытании 4 та же самая вода была перемешана с дождевой водой на 50%, так что Т10 = 17%.

Вторая УФ-установка состояла из 4-8 ламп низкого давления с потреблением энергии 100 Ватт и излучением 40 Ватт UV-C на каждую лампу. Кварцевая трубка диаметром 70 мм, в которую подавалась вода, была окружена 4 лампами. Чтобы достичь высоких доз облучения, были использованы 4 комплекта ламп, таким образом, время воздействия лучей UV-C было продлено. Вокруг ламп были построены рефлекторы, чтобы направить излучение на кварцевую трубку (рис. 2, сделан

Ведеко Б.В., Нидерланды). Скорость течения воды варьировалась от 1 до 5 м3 в час. В испытаниях 5, 6 и 7 использовалась сточная вода с баклажанов. В испытаниях 5 и 7 сточная вода была на 50 % смешана с дождевой водой, что привело к значению Т10 56% и 70% соответственно. В испытании 6 сточная вода была на 50% смешана с водой, обработанной обратным осмосом, при этом Т10 составлял 47%.

При проведении испытаний 1 и 2 в воду, подготовленную для обработки, были искусственно введены споры грибов Fusarium oxysporun sycopersici. Окончательная концентрация грибов достигла 1х105 конидий на мл. В испытаниях 5 и 6 тестировался патоген Fusarium oxysporum melongenae. Споры грибов были добавлены в воду, и окончательная концентрация патогенов составила 6х103 конидий на мл. Вирус томатной мозаики (ToMV, штамм SPS) тестировался в испытаниях 3, 4 и 7. Вирус был добавлен в форме чистого концентрата в раствор в количестве 103.

Инфекционность суспензий перед и после обработки УФ-лучами была определена с помощью биопроб. Инфекционность ToMV определялась путем трения образцов после каждого этапа обработки о покрытые карбидной пылью листья растения Nicotiana tabacum “Xanthi”. Это табачное растение реагирует на вирус ToMV очаговыми повреждениями. На каждом из трех растений были инокулированы по три листа во время обработки. Корневые системы сеянцев помидоров сорта "Moneydor" окунули в суспензию грибов Fusarium, чтобы определить его инфекционность. Затем сеянцы были посажены в почвенно-перегнойные горшочки. Через месяц растения тщательно изучили на предмет признаков увядания.

Дезинфекция считается успешно проведенной, если инфекционность патогенов снижается по меньшей мере на 99,9% по сравнению с инфекционностью патогенов в необработанной воде.

3. Результаты

3.1 Эффективность излучения типа UV-C из лампы высокого давления против спор грибов Fusarium oxysporum lycopersici

3.1.1. Испытание 1 - Сточная вода

В данном испытании инфекционность конидий грибов рода Fusarium в сточной воде с томатов снизилась до 9% при максимальной дозе облучения равной 28 мДж/см2 (таб. 1). Величина Т10 увеличилась с 19 до 31 % при самой высокой дозе облучения.

Таблица 1 – Эффективность облучения UV-C из лампы высокого давления против спор грибов рода Fusarium oxysporum lycopersici

Сточная вода

50% сточная вода + 50 % дождевая вода

Доза (мДж/см2)

Инфекционность1

Доза (мДж/см2)

Инфекционность

0

46/50

0

40/50

5

25/50

3

35/50

13

14/50

9

23/50

22

8/50

16

15/50

28

4/50

24

8/50

1 – Количество зараженных растений/количество тестируемых растений

3.1.2. Испытание 2 – 50% сточной воды + 50% дождевой воды

В данном испытании сточная вода с роз была смешана на 50% с дождевой водой. 80% конидий грибов рода Fusarium были уничтожены при дозе УФ-облучения равной 24 мДж/см2 (таб. 1). При этой дозе облучения величина Т10 увеличилась от 45% до 56%.

3.2. Эффективность излучения UV-C из лампы высокого давления против вируса томатной мозаики

3.2.1. Испытание 3 – Сточная вода

В данном испытании неразбавленная сточная вода с огурцов была обработана ультрафиолетовым излучением. Инфекционность вируса была снижена на 99.99% после обработки ультрафиолетом интенсивностью 277 мДж/см2 (таб. 2). Величина Т10 увеличилась от 3% до 21% при наивысшей интенсивности облучения.

Таблица 2 – Эффективность облучения UV-C из лампы высокого давления против вируса томатной мозаики

Сточная вода

50% сточная вода + 50% дождевая вода

Доза (мДж/см2)

Очаговые поражения

Доза (мДж/см2)

Очаговые поражения

0

10000*

0

10000*

29

3692

10

7300

51

2345

21

3556

118

340

45

1390

277

1

106

115

* приблизительное количество

3.2.2. Испытание 4 – 50% сточной воды + 50% дождевой воды

Данное испытание проводилось со сточной водой с огурцов, смешанной на 50% с дождевой водой. Инфекционность вируса ToMV была снижена на 99% после облучения интенсивностью 106 мДж/см2 (таб. 2). Данная интенсивность привела к увеличению Т10 воды с 17% до 38%.

3.3. Эффективность облучения UV-C из лампы низкого давления против спор грибов рода Fusarium oxysporum melong enae

3.3.1. Испытание 5 – 50 сточной воды + 50% дождевой воды

Сточная вода с баклажанов была на 50% смешана с дождевой водой. Конидии грибов Fusarium были полностью уничтожены после облучения ультрафиолетом интенсивностью 70мДж/см2 (таб. 3). Коэффициент пропускания воды Т10 увеличился с 56% до 65% после облучения интенсивностью 100 мДж/см2.

Таблица 3 – Эффективность облучения UV-C из лампы низкого давления против спор грибов рода Fusarium oxysporum melongenae

50% cточная вода + 50% дождевая вода

50% сточная вода + 50 % вода, обработанная обратным осмосом

Доза (мДж/см2)

Инфекционность

Доза (мДж/см2)

Инфекционность

0

50/50

0

50/50

5

7/50

50

2/50

70

0/50

70

0/50

100

050

100

0/50

3.3.2. Испытание 6 – 50% сточной воды + 50% воды, обработанной обратным осмосом

В данном эксперименте сточная вода с баклажанов была смешана на 50% с водой, обработанной обратным осмосом. По сравнению с результатом испытания 5 результат в данном случае был немного лучше при использовании УФ-излучения интенсивностью 50мДж/см2 (таб. 3). Более 70 мДж/см2 конидий грибов были полностью разрушены. Излучение интенсивностью 100 мДж/см2 привело к возрастанию Т10 с 47% до 55%.

3.4. Эффективность излучения UV-C из лампы низкого давления против вируса томатной мозаики

3.4.1. Испытание 7 – 50% сточной воды + 50% дождевой воды

Результаты данного теста со сточной водой с баклажанов, разбавленной дождевой водой, показаны в таблице 4. Снижение инфекционности вируса на 99% было достигнуто облучением интенсивностью 100 мДж/см2. После дозы облучения в 150 мДж/см2 было достигнуто снижение инфекционности на 99,9%. Дозы равные 200 мДж/см2 и выше полностью разрушили вирус. Коэффициент Т10 возрос с 70% до 76% после облучения интенсивностью 250мДж/см2.

Таблица 4 – Эффективность облучения UV-C из лампы низкого давления против вируса томатной мозаики

50% сточная вода + 50% дождевая вода

Доза (мДж/см2)

Очаговые поражения

0

2100

50

413

100

14

150

3

175

1

200

0

4. Обсуждение и выводы

Данное исследование показывает, что сточная вода из закрытых рециркуляционных систем в садоводстве может быть дезинфицирована ультрафиолетовым облучением.

В испытании 1 интенсивность облучения для 90%-ного снижения инфекционности (=D10) грибов рода Fusarium равна 28 мДж/см2. Чтобы достичь требуемых 99,9% (= 3 D10), нужно облучение интенсивностью 84 мДж/см2. Результаты испытания 2 сравнимы с испытанием 1. В испытаниях 5 и 6 интенсивности облучения 70 мДж/см2 было достаточно, чтобы уничтожить конидии грибов рода Fusarium. Воханка (1990б) пишет о том, что смертельной дозой облучения для спор грибов Fusarium oxysporum pisi является 40 мДж/см2, хотя неясно, какой процент снижения инфекционности был при этом достигнут. Воханка также утверждает, что для уничтожения покоящихся структур, например, микросклероций или хламидоспор, требуются намного более высокие дозы облучения. Странгеллини ет ал. (1984) уничтожил грибы Pythium aphanideramatum в рециркуляционной гидропонической системе посредством облучения интенсивностью в 90 мДж/см2.

Инфекционность вируса была снижена на 99% после УФ-облучения интенсивностью около 100 мДж/см2. Требуемое снижение инфекционности на 99,9% было достигнуто после применения дозы облучения равной 150 – 175 мДж/см2. В испытании 3 снижение инфекционности на 99,9% было достигнуто облучением интенсивностью 277 мДж/см2. Как лампы высокого, так и лампы низкого давления могут дезинфицировать циркулирующую воду, если при этом достигается требуемая интенсивность УФ-облучения.

Коэффициент Т10 для сточной воды обычно варьируется от 20 до 40%. Коэффициент пропускания зависит от количества органического материала и количества хелатирующего железа в воде. Количество органического материала изменяется на каждой стадии роста растений. В испытаниях 3 и 4 количество хелатирующего железа в сточной воде было чрезвычайно высоко (112 umol/l), что привело к снижению Т10 всего лишь до 3%.

Возрастание значения коэффициента пропускания в течение УФ-облучения частично происходит благодаря удалению твердых взвесей песчаным фильтром и частично благодаря разрушению хелатного железа (Fe-DTPA). Поэтому чрезвычайно важное место занимает регулярная чистка оборудования. Однако разрушение хелатного железа произошло в наивысшей степени в установке с лампой высокого давления. После облучения интенсивностью 24-28 мДж/см2 было зарегистрировано 33-55 %-ное снижение Fe-DTPA, после облучения интенсивностью 100 мДж/см2 снижение уровня   Fe-DTPA достигло 77% и после дозы облучения 277 мДж/см2 уровень Fe-DTPA снизился на 92% (Руния, 1992). Во время тестирования лампы низкого давления облучение интенсивностью 100 мДж/см2 привело к снижению на 0-3% и облучение интенсивностью 250 мДж/см2 разрушило 20-40% хелатного железа DTPA (Руния, 1993).

Это соответствует возрастанию значения Т10 во время обработки, которое также достигло максимальной величины при использовании лампы высокого давления.

На рынке доступны оба вида ламп: как высокого, так и низкого давления. Фильтр с максимальным размером пор в 70 микрон сначала удаляет органические твердые взвеси из воды, которая нуждается в обработке. Для устранения патогенных грибов рекомендуется облучение интенсивностью 100 мДж/см2. Для полной дезинфекции воды, включая вирусы, рекомендуется доза облучения равная 250 мДж/см2. Эти дозы выше, чем примененные во время данного исследования для снижения инфекционности патогенов на 99,9%. Необходимо соблюдать меры безопасности, потому что состав сточной воды меняется в течение всего сезона культивации и уровень инокуляции патогенов в воду неизвестен.

Сточная вода должна быть перемешана с дождевой водой в пропорции, гарантирующей коэффициент пропускания по крайней мере 50%. Более низкие величины требуют большей интенсивности облучения или более длительного времени экспозиции для достижения требуемой дозы облучения. Преимущество смешивания воды состоит в том, что поливная вода дезинфицируется одновременно со сточной.

Коэффициент пропускания контролируется автоматической системой, которая при необходимости выполняет корректировку.

Многие садоводы используют УФ-облучение для дезинфекции воды в закрытых системах возделывания культур.

Благодарность

Исследование с лампой высокого давления было проведено в сотрудничестве с г-ном Прива Б.В., Нидерланды. Лампа низкого давления была проверена в сотрудничестве с г-ном Верхевен-Друмен Б.В. и г-ном Ведеко Недерланд Б.В., Нидерланды.

Автор выражает глубокую признательность д-ру Г.М. МакПетерсону из организации Horticulture Research International, Великобритания, за корректировку английского текста.

Автор также выражает благодарность г-же С.С.М.М. Ван Вин-Штийгер и г-ну С.Дж. Патернотте за их вклад в данное исследование.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на других сайтах

Создайте аккаунт или войдите для комментирования

Вы должны быть пользователем, чтобы оставить комментарий

Создать аккаунт

Зарегистрируйтесь для получения аккаунта. Это просто!


Зарегистрировать аккаунт

Войти

Уже зарегистрированы? Войдите здесь.


Войти сейчас
Войти  
Подписка 0

Пользовательский поиск