4 ВВЕДЕНИЕ
При разработке основных направлений экономического и социального развития страны к числу приоритетных относятся задачи увеличения валового сбора зерна, снижения потерь в период его хранения. Наряду с ростом урожайности большое внимание уделяется повышению качества зерна, т. е. его биологических, физико-химических и потребительских свойств [17]. Традиционно особое значение для зернового хозяйства страны имеет пшеница. Этой культурой занято около 50% посевных площадей зерновых, в том числе более 45% приходится на долю мягкой пшеницы. Вместе с тем, в условиях резкого ухудшения фитосанитарного состояния сельскохозяйственных угодий России, использования сортов, неустойчивых к вредным организмам, резкого снижения применения биологических методов защиты, кризиса производства отечественных химических средств, снижения покупательной способности сельских товаропроизводителей, по существу разрушается основа защиты растений в сфере земледелия. Потребитель получает зерно низкого качества, зараженное патогенной микрофлорой [53, ПО, 123, 149]. Около 85% возбудителей наиболее значимых болезней злаковых культур представлено грибами, из них 80% -токсикогены. Особенно быстро нарастает зараженность зерна злаковых культур токсинообразующими грибами родов Fusarium, Alternaria, Aspergillus, Penicillium, Mucor, Trichoderma, Cladosporium и др. [18, 95, 93]. Поражения этими грибами не только выводят товарное зерно из категории продовольственного, но и делают его непригодным для кормовых целей. Вредоносность данных патогенов, обусловленная их способностью изменять биохимический состав зерна, а также загрязнять его микотоксинами [49, 147, 184, 185, 187], создает серьезную проблему для предприятий пищевой промышленности. Опасна также ингаляция спор грибов [188]. Ситуация осложняется тем, что на сегодняшний день не существует биологически
5 приемлемых и экономически эффективных способов детоксикации зерна [92,
93].
За время хранения (от 3 до 6 мес.) в неблагоприятных условиях поверхностное заражение зерна токсикогенными грибами может увеличиться
в 35 - 40 раз, внутрисемейное - в 3 - 4 раза. При этом резко возрастает
< зараженность комплексом Fusariwn, Alternaria, Aspergillus, Penicillium.
Пораженность этими грибами партий исследуемого хранящегося зерна составляла 50%, из них 10% содержали микотоксины. Это вызывает ежегодно потерю 3—4 миллионов тонн зерна и значительное снижение биологической полноценности и безопасности еще примерно 10 миллионов тонн [93].
В связи с этим особое значение приобретает усиление исследований по созданию современных средств борьбы с грибной микрофлорой продовольственного зерна, удовлетворяющих требованиям повышенной экологической и токсикологической безопасности [110, 123]. К таким средствам, безусловно, можно отнести методы обеззараживания продовольственного зерна энергией электромагнитного поля сверхвысокой частоты (далее: ЭМП СВЧ). Использование электромагнитных полей высоких и сверхвысоких частот открывает новые возможности создания экологически чистых технологических процессов хранения и переработки зерна. При этом снижаются энергозатраты и материалоемкость линий, а потребитель получает продукт высокого качества [155, 157,158, 168].
В связи с вышеизложенным можно сформулировать следующую цель и задачи диссертационной работы.
Цель и задачи исследований:
Целью диссертационной работы является определение влияния СВЧ -поля на фитопатогенный комплекс и качественные показатели зерна продовольственной пшеницы.
6
В связи с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ видового разнообразия, путей возникновения, способов передачи, уровня вредоносности грибной фитопатогенной микрофлоры и существующих методов защиты и обеззараживания продовольственного зерна.
2. Разработать методику обеззараживания продовольственного зерна СВЧ -полем.
3. Проанализировать воздействие ЭМП СВЧ на грибную микрофлору продовольственного зерна пшеницы, его биохимический состав и хлебопекарные качества.
4. Определить экономический эффект использования экологически чистого метода СВЧ - обработки зерна, с целью уничтожения грибной инфекции.
Объект исследования:
Процесс воздействия СВЧ - поля на грибной фитопатогенный комплекс продовольственного зерна, его биохимический состав, хлебопекарные качества.
Предмет исследования:
Взаимосвязи между режимными параметрами СВЧ - поля и результатами их воздействия на микрофлору и биохимический состав зерна.
Научная новизна:
1. Подтверждены теоретические положения процесса СВЧ -обеззараживания зерна.
2. Адаптирована методика планирования эксперимента для СВЧ -обеззараживания зерна от грибной микрофлоры.
3. Установлены особенности влияния СВЧ - поля на грибную микрофлору продовольственного зерна.
7 4. Рассмотрены тенденции изменения биохимического состава зерна на
фоне обеззараживания СВЧ - полем.
Практическая значимость работы:
1. Систематизированы сведения по вредоносности грибной микрофлоры зерна, основным микотоксинам и их ПДК.
2. Результаты исследований влияния режимов СВЧ - поля на грибную микрофлору зерна позволяют получить экологически чистый продукт, повысить качество и улучшить хлебопекарные свойства зерна.
3. Результаты и методика исследований используются в учебном процессе кафедры биоэкологи биологического факультета Челябинского государственного университета, а также при курсовом и дипломном проектировании.
4. Результаты научно-исследовательской работы приняты к внедрению на ОАО «Первый хлебокомбинат» г. Челябинск, ЗАО «Юрюзанский хлеб»
г. Юрюзань.
На защиту выносится:
1. Адаптированная методика активного планирования эксперимента для СВЧ - обеззараживания зерна от грибной микрофлоры.
2. Результаты исследования обеззараживающего влияния режимов ЭМП СВЧ на фитопатогенный комплекс продовольственного зерна.
3. Особенности влияния СВЧ - поля на белковый и углеводно-амилазный комплексы зерна.
8 Глава 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ БОРЬБЫ С ФИТОПАТОГЕННЫМ
КОМПЛЕКСОМ ПРОДОВОЛЬСТВЕННОГО ЗЕРНА ПШЕНИЦЫ
1.1. Распространение, биологические особенности, вредоносность грибной микрофлоры продовольственного зерна пшеницы
Виды грибов родов Fusarium, Claviceps, Aspergillus, Penicillium и их вредоносность известны человеку с глубокой древности [186]. В настоящее время изучено биологическое действие свыше 350 видов токсиногенных грибов и более 300 образуемых ими микотоксинов. Наиболее опасными считаются токсины представителей родов Fusarium, Aspergillus, и Penicillium. [91]. Широко распространенных возбудителей болезней колосовых культур, поражающих все органы растений насчитывается более 20 [18, 36], большинство из них относятся к группе несовершенных грибов (класс Deuteromycetes). Болезни, вызываемые несовершенными грибами — факультативными паразитами или сапрофитами, проявляются в основном на ослабленных растениях [29, 65]. Семена играют ведущую роль в сохранении инфекции многих болезней растений, ими передается более 60% заболеваний сельскохозяйственных культур [61].
Из года в год в различных регионах страны растет зараженность зерна грибными инфекциями. Данное явление имеет место в силу ряда объективных причин, связанных с экономической и экологической ситуацией в стране: финансовыми трудностями хозяйств, снижением государственных инвестиций, ростом техногенных нагрузок на природные биоценозы, при которых численность бактериальных популяций уменьшается, а грибных увеличивается [53, 91, 97]. Значительно снизились объемы протравливания семян. Ежегодно в Российской Федерации необходимо обрабатывать 20-22 миллионов тонн, а фактически в 2000 г. было обеззаражено 5,4 миллионов тонн, в 2001 г. — 6,1 миллионов тонн семян зерновых культур [11]. Фитопатогенная микрофлора чрезвычайно быстро прогрессирует также из-за нарушения агротехники, особенно севооборотов. Монокультуры, редко
встречающиеся в природе, - излюбленное место поселения фитопатогенных грибов [18, 172]. Например, комплексное заболевание корневыми гнилями имеет широкий ареал, почти совпадающий с ареалом возделывания пшеницы. В 1996 - 2002 гг. зараженность зерновых грибами Fusarium spp. составила 5 - 25%, Helminthosporium spp. - 13 - 37%, Alternaria spp.- 12 -37%, Penicillium spp., Aspergillus spp. - 3 - 20% [9, 64, 65]. В Челябинской области в 2003 г. под яровой и озимой пшеницами было занято 787, 3 и 2,18 тыс. га соответственно, что в сумме составляет 70% посевных площадей всех зерновых культур. В 2003 году было намолочено 1602 тыс. тонн зерна. Наряду с твердой и пыльной головней (1,45 и 20,9 % зараженных земель соответственно), отмечено 73,8 %-ное заражение семян зерновых культур корневыми гнилями (см. табл. 1.1).
Таблица 1.1
Зараженность зерновых культур корневыми гнилями и плесневыми грибами
по Челябинской области
Год Зараженность зерновых культур грибами родов:
Alternaria Helminthosporium Fusarium Aspergillus и Мисог
2002 55,2 1,2 4,6 3,2
2003 53,9 1,8 3,5 6,7
По сравнению с прошлыми годами наблюдается устойчивый рост альтернариоза от 21,3% в 1998 г. до 55,2% в 2002 и 53,9 в 2003 г.г. Зараженность пшеницы корневыми гнилями в 2003 г. увеличилась по сравнению с 2002 г. с 70,7% до 75,5%. Отмечены ржавчинные и мучнисторосые грибы, спорынья и септориоз [101,102].
В природе заражение семян возбудителями болезней происходит несколькими путями, в зависимости от этого инфекция бывает внутренней или наружной [61]. Основная масса микроорганизмов попадает на зерно с пылью, частицами почвы и из пораженных вегетативных органов (рис 1.1), заспоряя его поверхностно (твердая головня, гельминтоспориоз, фузариоз,
Поражение семян в колосе
Поражение взрослых растений
Зараженные
растительные
остатки:
Bipolaris, Fusarium, Septoria
Конидии:
Bipolaris,
Alternaria,
Fusarium
Минерализация
(паровая
обработка)
Уменьшение
зараженности
на 50 - 60%
Поверхностная:
Bipolaris, Alternaria, Fusarium, Penicillium, Aspergillus
Глубинная:
Bipolaris, Fusarium
Рис. 1.1. Пути передачи инфекции возбудителей корневых гнилей
11
септориоз, а также многочисленные эпифитные и сапрофитные грибы) [54]. Происходит также внутреннее заражение семян скрытой инфекцией в период их формирования, сохраняющейся в области зародыша, либо в эндосперме и наружных слоях зерновки - перикарпии и семенной оболочке (пыльная головня, фузариоз, гельминтоспориоз, септориоз). С точки зрения экологии распространения, грибные инфекции можно поделить на почвенные, получившие название полевых (всегда имеющиеся в свежеубранном зерне и поражающие его еще на корню), и плесени хранения, развивающиеся вследствие неправильного хранения семян [140,157].
Следует отметить, что зерно, зараженное спорыньей, а также головневыми инфекциями, в связи с надежной очисткой и контролем, в разряд продовольственного не попадает. Напротив, фитопатогенные грибы родов Helminthosporium (Н. sativum, К gramineum) и Fusarium (F. graminearum, F. culmorum, F. avenaceum, F. sporotrichiella и др.), а также Alternaria {A. tenuis), Penicillium (P. glaucum и др.), Aspergillus и т. д. фиксируются на товарной пшенице нередко [36, 95]. Зачастую поражение вызывается сразу несколькими видами (смешанная инфекция) или в определенной последовательности [129]. Все перечисленные роды относятся к классу Дейтеромицетов (Deuteromycetes), порядку Гифомицетов {Hyphomycetales), включающему грибы, образующие конидиеносцы как одиночные, так и соединенные в коремии и спородохии. Длительное время несовершенные грибы рассматривали как искусственную группу, объединяющие гаплоидные бесполые стадии грибов. Для некоторых из них известны совершенные (половые) стадии, преимущественно относящиеся к аскомицетам. Существуют различные подходы к классификационным системам дейтеромицетов: в разные годы их разрабатывали М.В. Вюллемен (1912), С.Дж. Хьюз (1953), К. Тубаки (1958), В.Б. Кендрик (1968) и др. Наиболее признана из искусственных классификаций несовершенных грибов система П.А. Саккардо [32, 39]. Согласно этой системе, на основе морфологических признаков гифомицеты распределяются по следующим
12 систематическим категориям: роды Alternaria и Helminthosporium с темными
гифами и конидиями (иногда темными бывают либо гифы, либо конидии) относят к семейству Dematiaceae. Роды Aspergillus и Penicillium - к семейству Mucedinaceae (Moniliaceae), имеющему светлоокрашенный или бесцветный мицелий и спороношения. Наконец, к семейству Tuberculariaceae принадлежит род Fusarium, с многоклеточными, бесцветными, серповидно изогнутыми конидиями [29]. Этой же системы придерживаются в своих работах М.Н. Родигин (1978), а также М.В. Горленко (1991).
С конца прошлого столетия большое внимание уделяется так называемому гельминтоспориозно-фузариозно-альтернариозному комплексу и плесеням [36, 129]. Причины этого следующие: способность данных грибов вызывать болезни проростков, корневые гнили, накапливаться в почве, развиваться при хранении, перезаражать семена, вызывая их деструктивные изменения, порчу [129]. Патогены проникают в различные части зерновки, но наиболее часто в оболочку, вблизи зародыша [161], они заражают семена в поле обычно в период их формирования и созревания (рис. 1.1) [49, 129]. Соотношение видов непостоянно, изменяется по годам, в зависимости от погодных условий [64]. Заболевание зерна пшеницы, называемое «черный зародыш», вызывается главным образом грибом Alternaria alernata (Fr.) Keisl. (Syn.: Alternaria tenuis Nees) (альтернариоз) и реже Bipolaris sorociniana Shoemacer (Syn: Helminthosporium sativum Pamm., King et Bakke) (гельминтоспориоз). Высокая температура воздуха (22-28°С) и средние показатели влажности его в период цветения пшеницы вызывают усиленное развитие «черного зародыша» альтернариозного типа. В годы же, когда в период налива и созревания зерна выпадают значительные осадки, развитие «черного зародыша» вызывает p. Bipolaris [49, 50].
Микологический анализ ФГУ «Федеральная государственная станция защиты растений в Челябинской области» показал доминирование среди прочих возбудителей заболеваний зерновых гриба Alternaria tenuis (табл. 1.1). Гриб легко сохраняется в виде мицелия и конидий на семенах, на
13 растительных остатках и в почве. Спорообразование происходит в широком
диапазоне температур - от 5 до 30°С, а также в межвегетационный период, во время оттепелей. Инкубационный период при температуре 25-28°С и наличии влаги составляет два дня. Конидии легко распространяются ветром на большие расстояния [36]. Если вид гриба достаточно вирулентен, то его внедрение в ткани растений большей частью выражается появлением пятен на листьях, а в дальнейшем инфекция может достичь созревающих семян [129]. Заражение семян может происходить в период цветения, молочной, молочно-восковой спелости хлебных злаков, но чаще всего возбудители «черного зародыша» поражают зерно в позднюю фазу созревания, поэтому мицелий сосредотачивается в перикарпе, обычно над зародышем. Гриб не вторгается в зародыш и в крахмальную часть эндосперма.
Богатый ферментативный аппарат и способность грибов p. Alternaria образовывать токсины позволяют им существовать в достаточно разнообразных условиях и активно участвовать в патогенезе. Альтернариевая кислота, обладает антибиотическими свойствами, что проявляется в резком угнетении роста других возбудителей болезней [36].
Мнения о вредоносности грибов рода Alternaria противоречивы. Считалось, что в зерне, пораженном «черным зародышем» в результате альтернариоза, посевные качества не ухудшаются, и оно может быть использовано на продовольственные цели, т. к. не токсично [49, 61]. Однако известно, что зародыши пшеницы, пораженной альтернариозом, становятся хрупкими, в процессе помола крошатся и присутствуют в муке в виде черных точек примеси. При помоле пшеницы, содержащей более 20% больных зерен, получается мука низкого хлебопекарного качества [189]. Из такой муки выпекается хлеб меньшего объема и без запаха [129]. Кроме того, выделены новые для нашей страны токсины альтернарии: альтернариол, тенуазоновая кислота, альтенуизол [92, 185, 187]. Обнаружено, что споры Alternaria могут вызывать аллергию [178]. Поражению альтернариозной инфекцией способствует то, что в современном ассортименте фунгицидов нет
14
препаратов, эффективных против возбудителя альтернариоза, а среди возделываемых сортов отсутствуют высокоустойчивые к патогену [36].
На злаках также встречаются многие виды из рода Helminthosporium Fr. [96, 129]. На пшенице развивается Bipolaris sorociniana Shoemacer. Считается, что гриб имеет около 50 физиологических рас, различающихся по патогенности, требованиям к условиям среды, поэтому обладает способностью существовать в широком географическом ареале и поражать ранее не свойственные ему органы растений или сорта [65]. Патогены зимуют на растительных остатках, непосредственно в почве, а также в семенах. Наибольший лет конидий фиксируется в конце июля - начале августа при теплой и влажной погоде. Заболевание проявляется в виде потемнения зерна. Грибница проникает в перикарп, эндосперм и часто в зародыш. В России гриб распространен повсеместно. Наибольшую вредоносность проявляет в центральных районах, в Сибири и на Дальнем Востоке. При недостаточном увлажнении семенная инфекция вызывает изреживание всходов, развитие корневых гнилей, в районах с достаточным или избыточным увлажнением - щуплость колоса и семян, [105, 129].
Изменения химического состава пшеницы с «черным зародышем» альтернариозного и гельминтоспориозного типов неодинаковы [49, 50]. По содержанию сахарозы, глюкозы и фруктозы альтернариозное зерно не отличается от неповрежденного. В гельминтоспориозном зерне содержание фруктозы и глюкозы увеличивается, а количество сахарозы уменьшается. Кислотное число жира в большинстве случаев в пораженном зерне возрастает. Кислотность зерна увеличивается, особенно заметно - в зерне гельминтоспориозном. Содержание крахмала существенно не изменяется.
Грибы рода Fusarium распространены повсеместно и занимают различные экологические ниши [98, 100]. По характеру взаимоотношений с высшими растениями они относятся к факультативным паразитам. Кроме того, описаны виды Fusarium, являющиеся сапрофитами и обитающие на растениях из разных семейств, в почве и на самых разнообразных пищевых
15 продуктах [18, 34, 141, 172]. Известны симбиотрофные взаимоотношения
фузариев с высшими растениями: они формируют микоризы многих сельскохозяйственных культур и диких растений (рис. 1.2.).
Заболевание фузариозом колоса в отдельные годы способно приобретать характер эпифитотий [62]. Высокий процент зараженности отмечен в следующих регионах производства зерна: Краснодар, Ставрополье, Ростовская область [18, 131], Северный Кавказ [81], Центрально-черноземная зона, Северо - Западный район [77, 91], Московская область [62], Западная Сибирь, Свердловская, Омская, Иркутская области, Якутия, Алтай [13, 40], Дальний Восток и территории бывших республик СССР: Украина, Молдавия, Узбекистан, Туркмения, Армения, Литва [18, 57, 171].
Возбудитель фузариоза распространяется главным образом конидиями с помощью ветра, дождя, насекомых. Первичные источники инфекции -хранятся в семенном материале, растительных остатках, почве (рис. 1.1) [13, 173]. Развитию болезни способствуют увеличение влажности и уменьшение температуры во второй половине вегетационного периода [131]. Доминирующее значение в цикле развития возбудителя фузариоза имеют мицелий и конидиальная стадия. Однако гриб Fusarium graminearum может образовывать склероции, хламидоспоры и стромы, в которых формируются перитеции. Редко встречающуюся сумчатую стадию гриба относят к родам: Giberella, Nectria, Calonectria, Monograffella [131]. Отмечается высокий уровень генетической изменчивости у представителей p. Fusarium [177,190].
Заражение зерна грибами p. Fusarium приводит к значительным биохимическим изменениям: понижается стекловидность и содержание клейковины, уменьшается газообразующая и газоудерживающая способности теста [147]. Грибница прорастает в алейроновый слой, где при ее участии происходит энергичный гидролиз белков и накопление продуктов их распада - амидов, пептидов, свободных аминокислот, аммиака и других токсичных соединений [49]. При исследовании аминокислотного состава белков фузариозного зерна, отмечено отсутствие аминокислот
САПРОТРОФЫ
Кератинофилы
Ксилотрофы
Карбофилы
±
Подстилочные сапротрофы
Копрофилы
p. Aspergillus
p. Penicillium
р. Mucor
p. Trichothezium
p. Rhizopus н лр.
ПАРАЗИТЫ
1
--1 N~ Фш.-уги.тлтипш.и'

-----М p. Fusarium I

pi p. Alternaria I

Ь| p. Bipolaris


БИОТРОФЫ
<с
I
Облигатные
p. Fusarium
p. Puccinia
p. Blumeria
p. Ustilago
p. Claviceps и др.
Рис. 1.2. Основные эколога - трофические группы грибов патогенного комплекса пшеницы
17 ароматической группы: тирозина, триптофана, фенилаланина, а также
аргинина, лизина и метионина [18].
Помимо потерь урожая и изменения химического состава, грибы загрязняют зерно токсинами [58, 66]. Микотоксины представляют собой группу низкомолекулярных, неиммуногенных соединений - ксенобиотиков, многие из которых отличаются относительной термоустойчивостью, обусловленной наличием в составе молекул микотоксинов ароматических соединений, а устойчивость последних возрастает с увеличением числа
замещенных
ОМе
(рис.
1.3).
О
О
е
о о
ОМе
A R=H, В R=H, С R = С2Н5, Rj = CI
Me
О (Н3С)2СНСН2СО'
6
СН2
оссн3
сн3
--он
осснз
Рис. 1.3. Строение микотоксинов:
1. афлатоксин Bi, 2. афлатоксин В2, 3. афлатоксин Gi, 4. афлатоксин G2, 5. охратоксины А, В, С; 6. микотоксин Т2.

 Часть из работы     Получить работу