Лазерная флуоресцентная диагностика состояния растений

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 
 
Лазерная флуоресцентная диагностика  
состояния растений 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 

УДК 543.426(075.8) 
ББК 22.344 
 
Л17 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/112/book1592.html 
Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника» 
Кафедра «Лазерные и оптико-электронные системы» 
Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 
 
 
 
Лазерная флуоресцентная диагностика состояния рас- 
Л17  тений : учебное пособие / М. Л. Белов, Ю. В. Федотов,  
  
О. А. Булло, В. А. Городничев. — Москва : Издательство 
  
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. — 53, [3] с. : ил.  
ISBN 978-5-7038-4597-4 
Показана важность задачи контроля состояния растений. Рассмотрены 
основы механизмов фотосинтеза и флуоресценции растений. Описаны 
спектры поглощения пигментов растений. Для длин волн возбуждения 337, 
355, 470 и 532 нм показаны спектры флуоресценции здоровой растительности и растительности, находящейся в различных стрессовых состояниях. 
Приведены структурные схемы и типичные параметры источников и приемников флуориметров для лабораторных и дистанционных измерений 
спектров флуоресценции растительности.  
Для студентов 5–6-х курсов, обучающихся по специальности «Лазерная техника и лазерные технологии» в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
 
  УДК 543.426(075.8) 
  ББК 22.344 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017 
 
  © Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4597-4 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017 
2 

Предисловие 
Использование лазерных методов в биологических и медицинских исследованиях началось с создания первых образцов твердотельных лазеров. К достоинствам лазерного излучения для таких 
исследований можно отнести неконтактность (дистанционность) 
измерений, высокую локальность анализа, возможность осуществлять анализ без какой-либо специальной химической обработки 
образцов, широкий выбор подходящей (для конкретной задачи) 
длины волны излучения, применимость метода к широкому классу 
задач. 
Одним из бурно развивающихся направлений современной оптики является биооптика и, в частности, лазерный флуоресцентный анализ растительности. Он основан на облучении растений 
лазерным излучением (в ультрафиолетовом и видимом спектральных диапазонах) и регистрации приемником излучения возникающей лазерно-индуцированной флуоресценции, характеристики 
которой содержат информацию о состоянии растения. Флуоресценция хлорофилла является пока единственным показателем, который позволяет исследовать в живых объектах протекание фотохимических реакций, связанных с работой фотосистемы 2 высших 
растений — системы, наиболее чувствительной к факторам внешней среды. 
В настоящее время методы и технические средства лазерноиндуцированной флуоресценции целых растений и их фрагментов 
активно разрабатываются и используются для изучения функционирования фотосинтетического аппарата и мониторинга состояния 
растительности. 
Однако на сегодняшний день нет ни одного учебного пособия, 
посвященного систематическому изложению вопросов дистанционной (неконтактной) лазерной флуоресцентной диагностики состояния растений. Эта тематика из-за новизны данного направления освещается в материалах, размещенных на различных сайтах, 
3 

в англоязычных и русскоязычных статьях за разные годы, разбросанных по различным периодическим изданиям, в диссертациях и 
книгах, написанных биологами. 
Цель учебного пособия — систематически изложить материал 
по лазерно-индуцированной флуоресценции растительности, чтобы его можно было использовать при курсовом и дипломном проектировании, и привести конкретные примеры лидаров для дистанционного контроля состояния растительности и лазерных 
флуориметров для лабораторных исследований.  
Учебное пособие состоит из пяти глав («Фотосинтез и флуоресценция растений», «Спектры поглощения хлорофиллов», 
«Спектры флуоресценции здоровой растительности», «Спектры 
флуоресценции растительности в различных стрессовых состояниях» и «Лазерные флуориметры для экспериментальных исследований флуоресценции растений»), в которых описаны физические основы, методы и технические средства лазерной флуоресцентной диагностики состояния растений. Для более углубленного 
изучения рассматриваемой темы следует ознакомиться с литературой [1–46]. 
В результате освоения материала учебного пособия «Лазерная 
флуоресцентная диагностика состояния растений» студент должен 
знать: физические основы, методы и технические средства лазерной флуоресцентной диагностики состояния растений; структурные схемы лидаров для дистанционного контроля состояния растительности и лазерных флуориметров для лабораторных исследований.  
4 

Введение 
Значительная часть территории России представлена районами 
неустойчивого увлажнения, для которых в летний период характерны недостаток осадков и высокие температуры. Эту ситуацию 
усугубляет и отмечаемая в последние десятилетия тенденция усиления нестабильности погодных условий: во многих ранее относительно благополучных в этом отношении регионах растения все 
чаще подвергаются экстремальному воздействию температурного 
и водного стрессовых факторов.  
Вследствие бесконтрольного орошения, отсутствия или недостаточных темпов мелиоративных мероприятий возникает и другая 
проблема — увеличение доли засоленных почв в общем земельном 
фонде. Так, по данным Продовольственной и сельскохозяйственной 
организации Объединенных Наций (FAO), до 1,5 млн га орошаемых 
земель ежегодно выводятся из оборота в результате засоления и 
лишь половина этих площадей вводится в сельскохозяйственный 
оборот. Отрицательное воздействие засоления сказывается при содержании солей в почве более 0,2 %, при концентрации 0,3…0,5 % 
растения погибают, а почвы считаются непригодными для сельскохозяйственного использования.  
Данные факторы препятствуют реализации потенциала продуктивности возделываемых культур и приводят к серьезным экономическим потерям.  
В сложившихся условиях одним из бурно развивающихся 
направлений современной оптики является биооптика и, в частности, оптика растительных сред. Интерес к данному направлению 
связан как с возможностью получения целостной информации о 
состоянии всей биологической системы по ее оптическим характеристикам и кинетике их изменения, так и с возможностью применения оптических методов для дистанционного контроля, учета и 
оптимизации производства сельскохозяйственной продукции (см., 
например, [1–4]). 
5 

Большое внимание в настоящее время уделяется и такой важной проблеме, как разработка методов дистанционного оперативного исследования лесных массивов с целью диагностики состояния лесов, динамики их роста и оценки влияния на них различных 
техногенных загрязнений (это особенно важно для малонаселенных районов Сибири). 
В нашей стране и за рубежом для целей мониторинга растительности используются контактные методы анализа, а также пассивные аэрокосмические методы. Однако существующие контактные методы при их высокой точности и селективности исследуемых параметров имеют ограниченную область применения, 
связанную с трудоемкостью измерений, недоступностью многих 
точек наблюдения, недостаточной оперативностью анализа. 
Наиболее эффективными на сегодняшний день дистанционными методами контроля растительности являются метод обратного рассеяния и флуоресцентный метод. 
Методы флуоресцентного анализа достаточно широко применяются в настоящее время для изучения функционирования фотосинтетического аппарата и мониторинга состояния растительности.  
По флуоресценции хлорофилла можно судить о состоянии растения и его устойчивости к различным стрессовым факторам. Однако при этом необходимо учитывать естественные возрастные изменения флуоресценции, наблюдающиеся в ходе развития растений. 
Растения очень чувствительны также к изменениям окружающей 
среды. Различные физические и химические факторы, влияющие на 
состояние растительных сообществ, в конечном счете прямо или 
косвенно отражаются на работе молекулярных систем фотосинтеза 
и флуоресценции хлорофилла (см., например, [4]). 
Методики мониторинга на основе лазерно-индуцированной 
флуоресценции (ЛИФ) целых растений и их фрагментов, а также 
технические средства для таких исследований активно разрабатываются, начиная с 80-х гг. прошлого века. Для разработки методов 
дистанционного зондирования растительности на основе ЛИФметодик важным является исследование и понимание деталей 
спектра флуоресценции растений. В настоящее время в разных 
странах ведется накопление данных по изменению спектров флуоресценции различных растений и разрабатываются алгоритмы их 
интерпретации согласно физиологическим особенностям растений. 
Однако существует проблема, связанная с различием объектов ис6