Устройство получения экологически чистого раствора пероксида водорода для стимуляции роста и развития растений Российский патент 2022 года по МПК C01B15/27 C02F1/30 B01J19/12 A01N59/00 A01G7/00 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, растениеводству, а именно: к области физического воздействия на дистиллированную воду для получения экологически чистого раствора пероксида водорода природной концентрации, предназначенного для обработки посевного материала, посадок и растений, что дает возможность ускорить всхожесть семян, рост растений с увеличением их высоты, длины корней, биомассы и содержания хлорофилла, то есть повысить урожайность путем стимуляции роста и развития растений.

Известно, что пероксид водорода (перекись водорода Н₂О₂) играет определяющую роль в жизнедеятельности растений (см. Комиссаров Г.Г. «Фотосинтез: физико-химический подход» - Москва: Едиториап УРСС, 2003, 224 с.).

Однако пероксид водорода, водный раствор которого можно было бы использовать в сельском хозяйстве, не выпускается. Действительно, в настоящее время для получения пероксида водорода используется межгосударственный стандарт, который «распространяется на водные растворы перекиси водорода, получаемые электрохимическим методом через надсерную кислоту (медицинская и техническая марки А) и органическим методом, основанным на жидкофазном окислении изопропилового спирта (техническая марка Б)» (см. ГОСТ 177-88 «Водорода перекись. Технические условия»). Как следует из ГОСТа, перекись водорода предназначается для применения в химической, целлюлозно-бумажной, текстильной, медицинской и других отраслях промышленности, но не в сельскохозяйственном производстве.

Несмотря на строжайшее соблюдение всевозможных мер предосторожности и тщательнейшую аккуратность при производстве перекиси водорода, последняя не может быть все же выделена в совершенно свободном от катализаторов состоянии, что долго затрудняло ее широкое техническое применение. Срок хранения пероксида водорода значительно повышается различными стабилизирующими добавками, являющимися достаточно токсичными для растений (например, серная кислота, нафталин, сульфоновые кислоты и другие).

Именно поэтому имеется объективная необходимость в создании устройства получения экологически чистого раствора пероксида водорода природной концентрации, не содержащего стабилизирующие добавки.

Шене установил, что содержание перекиси водорода в исследованных слоях атмосферы тем больше, чем выше восходит над горизонтом солнце как в течение дня, так и в течение года, и чем больше проницаемость солнечных лучей через атмосферу. Чем выше столб атмосферных осадков, тем больше содержание перекиси водорода. Исследования Керна качественно и количественно подтвердили выводы Шене. Сильное влияние, оказываемое солнечным светом на содержание перекиси водорода в атмосфере, позволяет утверждать, что своим происхождением атмосферная перекись водорода обязана действию солнечных лучей. Этого же взгляда придерживаются Тиле, Тиан, Хлопин и Кернбаум, согласно наблюдениям которых перекись водорода образуется из воды под действием ультрафиолетовых лучей (Позин М.Е. «Перекись водорода и перекисные соединения», Государственное издательство научно-технической литературы. Ленинград, Москва: ГХИ, 1951. - С. 31-32).

В целом под Москвой за период с 1874 по 1894 гг. обнаружено, что содержание H₂O₂ (цит. по Энциклопедическому словарю Ф.А. Брокгауза, И.А. Эфрона, статья «Перекись водорода». - СПб, 1898. - Том XXIII. - С. 215).

Для сравнения в морском дожде в районе Западной Атлантики концентрация пероксида водорода колеблется в диапазоне от 84×10^-7 до 206×10^-7 моль/л, или от 0,3 до 0,7 мг/л (Cooper W.J., Saltzman E.S., Zika R.G. «The contribution of rainwater to variability in surface ocean hydrogen peroxide», J. Geophys. Res., 1987. V. 92. - P. 2970. https://doi.org/10.1029/JC092iC03p02970), что приближается к параметрам дождевой воды под Москвой.

Процессы молекулярного поглощения электромагнитной энергии атмосферой Земли определяют фотохимические процессы и процессы, связанные с изменением свойств молекул атмосферы, в частности, имеет место фотодиссоциация, то есть распад молекул с образованием свободных радикалов в результате поглощения фотона, при взаимодействии которых образуется перекись водорода.

Кислород является одним из важнейших растворенных газов, постоянно присутствующим в воде. Одним из главных источников кислорода в воде является процесс абсорбции его из атмосферы («Содержание растворенного кислорода в воде». Методические указания / Составитель Кузьмина И.А. - НовГУ, Великий Новгород, 2007. - С. 3).

Установлено, что молекулярный кислород имеет разные частоты поглощения, при этом наиболее широкая полоса поглощения электромагнитного излучения молекулами кислорода лежит в области ~61,2 ГГц (длина волны ~4,9 мм) («Техника субмиллиметровых волн», под ред. Р.А. Валитова. М.: Советское радио, 1969. - С. 445).

Задачей настоящего изобретения является разработка устройства получения экологически чистого раствора пероксида водорода природной концентрации для стимуляции роста и развития растений.

Для решения поставленной задачи предлагается использовать физическое воздействие на воду, сходное с тем, которое имеет место в природных условиях, а также солнечный модуль как источник возобновляемой электрической энергии.

Технический результат заключается в получении экологически чистого раствора пероксида водорода природной концентрацией, пригодного для стимуляции роста и развития растений.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для получения экологически чистого раствора пероксида водорода для стимуляции роста и развития растений, содержащем реактор, заполненный водой, источники физического воздействия на воду, включающие излучатель некогерентного оптического излучения с освещенностью в видимой области не менее 650 лк и излучатель высокочастотного электромагнитного излучения с частотой поглощения молекулярного кислорода и плотностью потока мощности не менее 4,0 мВт/см², при этом излучатель некогерентного оптического излучения и излучатель высокочастотного электромагнитного излучения соединены с электрическими блоками питания и управления, соединенными через инвертор с солнечным модулем, а реактор содержит патрубки для подвода воды и слива раствора пероксида водорода и выполнен из материала с высоким коэффициентом ослабления электромагнитного излучения, при этом изолированный от воды излучатель высокочастотного электромагнитного излучения с частотой, равной частоте поглощения молекулярного кислорода, установлен внутри реактора в воде.

Устройство получения экологического чистого раствора пероксида водорода иллюстрируется на фиг. 1.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства с реактором, выполненным из материала с высоким коэффициентом ослабления электромагнитного излучения, а изолированный от воды излучатель высокочастотного электромагнитного излучения расположен внутри реактора, при этом солнечный модуль через инвертор соединен с источником электрического питания, который в свою очередь соединен с блоками питания и управления источников некогерентного оптического излучения и высокочастотного электромагнитного излучения.

Устройство получения раствора пероксида водорода реализуется следующим образом. Одновременно включают излучатель 7 некогерентного оптического излучения 8 и излучатель 10 высокочастотного электромагнитного излучения 11 (фиг. 1). Некогерентное оптическое излучение 8 излучателя 7, спектральный диапазон которого соответствует спектральному диапазону излучения Солнца, вызывает распад молекул воды 2 с образованием свободных радикалов по типу фотодиссоциации, при взаимодействии которых образуется пероксид водорода. Высокочастотное электромагнитное излучение 11 излучателя 10 на частоте поглощения молекулярного кислорода 61,2 ГГц, образует активные формы кислорода из молекулярного кислорода, растворенного в воде. Активные формы кислорода являются высокореактивными и дополнительно активизируют процессы образования пероксида водорода из воды, при этом происходит минимальная потеря электромагнитной энергии на частоте поглощения молекулярного кислорода. Солнечный модуль 15 соединен с инвертором 14, который через электрощиток 13 с плавкими предохранителями, обеспечивает электрической энергией блоки питания и управления источников некогерентного оптического излучения 9 и высокочастотного электромагнитного излучения 12, что позволяет устройство реализовать более экономично и автономно.

Устройство получения экологически чистого раствора пероксида водорода природной концентрацией для стимуляции роста растений согласно предлагаемому изобретению пояснено следующими примерами.

Для стандартизации экологически чистый раствор пероксида водорода (ПВ) природной концентрации получали, воздействуя на дистиллированную воду.

Экологически чистый пероксид водорода получают путем комбинированного 30-минутного облучения дистиллированной воды объемом 3 литра в стеклянном сосуде ксеноновой лампой ДКсШ 150-2 со спектром излучения, соответствующим спектру солнечного света, и аппаратом крайне высокочастотной терапии «КВЧ МТА» на частоте поглощения молекулярного кислорода 61,2 ГГц (4,9 мм).

Лампу ДКсШ 150-2, устанавливают над стеклянным сосудом для работы в непрерывном режиме с потребляемой электрической мощностью 180 Вт и токе 9,1 А.

Электромагнитное воздействие на частоте поглощения кислорода 61,2 ГГц осуществляют с помощью аппарата крайне высокочастотной терапии «КВЧ МТА» с плотностью потока мощностью 4,0 мВт/см² в непрерывном режиме, при этом изолированный от воды излучатель высокочастотного электромагнитного излучения с частотой, равной частоте поглощения молекулярного кислорода, устанавливают внутри реактора в воде.

Количество пероксида водорода в воде определяют с помощью йодометрического метода (Лобанов А.В., Рубцова Н.А., Веденеева Ю.А., Комиссаров Г.Г. «Фотокаталитическая активность хлорофилла в образовании пероксида водорода в воде», Доклады Академии наук, 2008. Т. 421. №6. С. 773-776).

Через 30 минут после воздействия концентрация ПВ в воде составляет 8×10^-6 М (моль/л), или 0,3 мг/л, что практически соответствует минимальной природной концентрации, имеющей место в дождевой воде.

Для сравнения с экологически чистым раствором ПВ, полученным в результате комбинированного электромагнитного воздействия на дистиллированную воду, используют коммерческий ПВ со стабилизирующими добавками в такой же концентрации. Для разведения коммерческого ПВ используют дистиллированную воду.

Семена растений проращивали в растворах коммерческого (опытная группа 1) и экологически чистого (опытная группа 2) ПВ и в дистиллированной воде без ПВ (контрольная группа), доращивали в культуральных сосудах на песке, который увлажняли вышеуказанными растворами ПВ, а в контроле - дистиллированной водой. Опыты проводили в культуральном шкафу при температуре окружающей среды +20±1°С, ритм освещения свет/темнота чередовался каждые 12 часов.

Пример 1

Проращивание семян кресс-салата сорта «Весенний».

На 5-е сутки доращивания растений оценивали их высоту (таблица 1).

Установлено, что экологически чистый ПВ способствует существенному ускорению роста кресс-салата по сравнению не только с контролем, но и с коммерческим ПВ соответственно в 1,9 и 1,8 раза.

Пример 2

Проращивание семян редиса сорта «18 дней».

На 14-е сутки доращивания учитывали высоту стебля (таблица2а) и длину корня (таблица 26) растений.

Следовательно, экологически чистый ПВ способствует существенному ускорению роста редиса не только по высоте стебля, но и по длине корня по сравнению как с контролем, так и коммерческим ПВ, с преобладающим акцентом на длину корня, что особенно значимо применительно к растениям с корнеплодом.

На 18-е сутки у редиса сорта «18 дней» определяли содержание хлорофилла как известного индикатора физиологического статуса растений и фактора, с помощью которого прогнозируется будущая урожайность (см. Шульгин И.А., Нечипорович А.А. Физиологическая оптика листа и ценоза и ее роль в фотосинтетической продуктивности // Доклады, представленные XII Международному Биологическому Конгрессу. Л.: Наука, 1975, т. 2, с. 44-45).

Для определения количества хлорофилла от зеленых проростков отделяли верхушечную часть. Содержание хлорофилла определяли по стандартной методике (см. Третьяков Н.Н., Карнаухова Т.В., Паничкин Л.А. и др. Практикум по физиологии растений. М.: Агропромиздат, 1990; Шульгин И.А., Нечипорович А.А. Расчет содержания пигментов с помощью номограмм. В сб.: Хлорофилл. Минск: Наука и техника, 1974, с. 127-138).

Исследуемые образцы взвешивали (навески 1-5 г) и растирали в фарфоровой ступке с небольшим количеством СаСОз. Затем материал погружали в этанол объемом 5 мл, после чего смесь ставили в перемешивающее устройство с контролируемой скоростью перемешивания на одно и то же время. Далее после отделения центрифугированием нерастворимой фазы этанолом доводили объем раствора до 25 мл. После этого в растворе с хлорофиллом на' длинах волн 662 и 644 нм измеряли оптическую плотность с использованием спектрофотометра HACHDR/4000V.

Результаты представлены в таблице 2в.

Полученные данные свидетельствуют, что экологически чистый ПВ способствует значительному повышению содержания хлорофилла, который является индикатором физиологического статуса растений.

Пример 3

Проращивание семян огурцов сорта «Дальневосточный».

На 4-е сутки доращивания растений определяли всхожесть семян и долю растений, имеющих свободный семядольный лист, а на 8-е сутки измеряли общую длину растений, включающую корень и стебель (таблица 3).

Представленные данные свидетельствуют, что максимально высокие показатели всхожести семян, доли растений со свободным семядольным листом и доли растений, имеющих длину 10-15 см, имеются в опытной группе 2, где использовался экологически чистый ПВ.

Пример 4

Проращивание семян огурцов сорта «Водолей».

На 9-е сутки доращивания растений определяли среднюю высоту (таблицы 4а) и воздушно-сухую массу (таблицы 46) стебля.

Из данных таблиц 4а и 4б следует, что высота и масса опытных растений выше, чем в контроле, при этом максимальные результаты имеют место в опытной группе 2, где использовался экологически чистый ПВ.

Пример 5

Проводилось измерение времени Т₂ спин-спиновой релаксации у 2-х суточных проростков огурцов, выращенных в условиях контрольной группы и опытной группы 2, для чего было отобрано по 15 проростков.

Обнаружены две фракции протонов, условно отнесенные к внутриклеточной (связанной с внутриклеточными структурами) и межклеточной (более мобильной, свободной) воде.

Наиболее значимые изменения получены при анализе значений Т₂ воды, связанной с внутриклеточными структурами. Значения Т₂ связанной воды в контроле 65,4 мс, в опыте - 46,2 мс.

Существенное уменьшение значений Т₂ воды в опыте свидетельствует об уменьшении подвижности протонов воды в опытных образцах по отношению к контрольным, что отражает усиление взаимодействия внутриклеточной воды с клеточными структурами в опыте, что рассматривается как позитивное явление.

Изобретение может быть использовано как в мелких хозяйствах (фермерских, приусадебных участках, садово-огородных товариществах, городских огородах), так и в крупных сельскохозяйственных предприятиях, специализирующихся на выращивании различных сельскохозяйственных культур, в том числе с использованием теплиц, технологий аэро- и гидропоники, капиллярного полива, в районах с высокой солнечной радиацией, с коротким световым днем и за полярным кругом, а также в условиях длительной автономной экспедиции, включая автономное подводное плавание, полярную экспедицию и многомесячный космический полет.

Таким образом, полученная с помощью предлагаемого устройства природная концентрация экологически чистого раствора пероксида водорода является эффективным стимулятором роста и развития растений. На тест-объектах показано, что после обработки растений активированной водой, получаемой на защищаемом устройстве, происходит ускорение всхожести семян на 25%, роста растений с увеличением их высоты на 35-90%, длины корня на 50% и биомассы на 30%, а также повышение содержания в них хлорофилла на 20% и внутриклеточной воды, связанной с клеточными структурами, на 30%.

Изобретение может быть использовано в сельском хозяйстве, растениеводстве. Устройство получения экологически чистого раствора пероксида водорода для стимуляции роста и развития растений содержит реактор, заполненный водой, и источники физического воздействия на воду, включающие излучатель некогерентного оптического излучения с освещенностью в видимой области не менее 650 лк и излучатель высокочастотного электромагнитного излучения с частотой поглощения молекулярного кислорода и плотностью потока мощности не менее 4,0 мВт/см². Излучатель некогерентного оптического излучения и излучатель высокочастотного электромагнитного излучения соединены с электрическими блоками питания и управления, соединенными через инвертор с солнечным модулем. Реактор содержит патрубки для подвода воды и слива раствора пероксида водорода и выполнен из материала с высоким коэффициентом ослабления электромагнитного излучения. Внутри реактора, заполненного водой, установлен изолированный от воды излучатель высокочастотного электромагнитного излучения. 7 табл., 5 пр., 1 ил.

Устройство получения экологически чистого раствора пероксида водорода для стимуляции роста и развития растений, содержащее реактор, заполненный водой, источники физического воздействия на воду, включающие излучатель некогерентного оптического излучения с освещенностью в видимой области не менее 650 лк и излучатель высокочастотного электромагнитного излучения с частотой поглощения молекулярного кислорода и плотностью потока мощности не менее 4,0 мВт/см², отличающееся тем, что излучатель некогерентного оптического излучения и излучатель высокочастотного электромагнитного излучения соединены с электрическими блоками питания и управления, соединенными через инвертор с солнечным модулем, а реактор содержит патрубки для подвода воды и слива раствора пероксида водорода и выполнен из материала с высоким коэффициентом ослабления электромагнитного излучения, при этом изолированный от воды излучатель высокочастотного электромагнитного излучения с частотой, равной частоте поглощения молекулярного кислорода, установлен внутри реактора в воде.