Лазерная флуоресцентная диагностика состояния растений
Лазерная флуоресцентная диагностика состояния растений: обзор учебного пособия
Введение в биооптику и актуальность проблемы
Учебное пособие "Лазерная флуоресцентная диагностика состояния растений" посвящено актуальной теме биооптики, в частности, применению лазерной флуоресценции для анализа растительности. В условиях нестабильности климата и роста засоленных почв, мониторинг состояния растений становится критически важным для сельского хозяйства и экологического контроля. Пособие подчеркивает преимущества лазерных методов, такие как бесконтактность, высокая локальность анализа и возможность анализа без специальной обработки образцов.
Фотосинтез и флуоресценция: основы
Книга начинается с рассмотрения основ фотосинтеза, центрального процесса для жизни на Земле. Описываются механизмы поглощения света пигментами, в частности, хлорофиллами, и их роль в фотосинтезе. Подробно рассматривается структурно-функциональная организация фотосинтетического аппарата высших растений, включая световую и темновую стадии фотосинтеза. Особое внимание уделяется флуоресценции хлорофилла как индикатору состояния фотосинтетической системы, чувствительной к факторам внешней среды.
Спектры поглощения и флуоресценции: анализ данных
В пособии представлены спектры поглощения хлорофиллов и каротиноидов, а также влияние различных факторов на эти спектры. Основное внимание уделяется спектрам флуоресценции здоровой растительности при различных длинах волн возбуждения (337, 355, 470 и 532 нм). Приводятся примеры спектров для различных видов растений, демонстрируя их видоспецифичность и зависимость от длины волны возбуждения. Рассматривается также влияние возраста растений на спектры флуоресценции.
Стрессовые состояния и их влияние на флуоресценцию
Книга подробно рассматривает влияние различных стрессовых факторов (физических, химических и биологических) на спектры флуоресценции растений. Приводятся примеры спектров флуоресценции растений в условиях недостатка влаги, питательных веществ, воздействия гербицидов, низких температур, засоления почвы и загрязнения нефтепродуктами. Анализ этих данных позволяет сделать вывод о возможности использования лазерной флуоресценции для ранней диагностики стрессовых состояний растений.
Лазерные флуориметры: методы и приборы
В заключительной части пособия описываются различные оптические схемы лазерных флуориметров, используемых для экспериментальных исследований флуоресценции растений. Рассматриваются схемы изображающих лидаров, лидаров на основе оптических многоканальных анализаторов и систем с использованием фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). Приводятся примеры структурных схем лазерных флуориметров для лабораторных и дистанционных исследований, включая самолетный флуориметр и лабораторные установки с различными длинами волн возбуждения. Подчеркивается важность выбора оптимальной схемы для конкретных задач мониторинга 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
Похожие