Інформаційні технології для дослідження індукції флуоресценції хлорофілу
Most useful parameters of chlorophyll fluorescence induction curve are considered in the paper. Some research experimental results are presented. Рассмотрено наиболее использованы параметры индукции флуоресценции хлорофилла и приведены результаты некоторых экспериментальных исследований. Розглянуто...
Saved in:
| Published in: | Комп’ютерні засоби, мережі та системи |
|---|---|
| Date: | 2014 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2014
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84836 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Інформаційні технології для дослідження індукції флуоресценції хлорофілу / В.М. Груша // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2014. — № 13. — С. 109-116. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859814820587503616 |
|---|---|
| author | Груша, В.М. |
| author_facet | Груша, В.М. |
| citation_txt | Інформаційні технології для дослідження індукції флуоресценції хлорофілу / В.М. Груша // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2014. — № 13. — С. 109-116. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Комп’ютерні засоби, мережі та системи |
| description | Most useful parameters of chlorophyll fluorescence induction curve are considered in the paper. Some research experimental results are presented.
Рассмотрено наиболее использованы параметры индукции флуоресценции хлорофилла и приведены результаты некоторых экспериментальных исследований.
Розглянуто найбільш застосовувані параметри ІФХ та наведені результати деяких експериментальних досліджень.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:21:43Z |
| format | Article |
| fulltext |
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 109
V. Hrusha
INFORMATION
TECHNOLOGIES FOR
RESEARCH OF CHLOROPHYLL
FLUORESCENCE INDUCTION
Most useful parameters of chlorop-
hyll fluorescence induction curve are
considered in the paper. Some re-
search experimental results are
presented.
Key words: chlorophyll fluorescence
induction, fluorometer.
Рассмотрено наиболее использо-
ваны параметры индукции флуо-
ресценции хлорофилла и приведе-
ны результаты некоторых экспе-
риментальных исследований.
Ключевые слова: индукция флуо-
ресцениции хлорофилла, флуори-
метр.
Розглянуто найбільш застосову-
вані параметри ІФХ та наведені
результати деяких експеримен-
тальних досліджень.
Ключові слова: індукція флуорес-
ценції хлорофілу, флуорометр.
В.М. Груша, 2014
УДК 004.75; 004.67
В.М. ГРУША
ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ
ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ІНДУКЦІЇ
ФЛУОРЕСЦЕНЦІЇ ХЛОРОФІЛУ
Вступ. Одним із методів отримання даних
про стан рослин є метод індукції флуорес-
ценції хлорофілу (ІФХ) рослин у червоному
спектрі світла, що характеризує процес про-
ходження фотосинтезу, та реєструється при
освітленні хлорофілу в синьому спектрі сві-
тла. В результаті отримується так звана кри-
ва Каутського. В Інституті кібернетики імені
В.М. Глушкова НАН України розроблено
сімейство приладів «Флоратест», що дозво-
ляють реєструвати криву з довжиною хвилі
опромінення 470 нм та з довжиною хвилі фо-
тодіодного підсилювача з фільтром 670 –
770 нм.
У численній літературі можна знайти ряд
експериментів, які показують можливості
використання методу ІФХ для експресної
оцінки життєдіяльності рослин після засухи,
морозу, зчеплення, внесення пестицидів, оп-
тимізації кількості добрив, визначення за-
бруднення води, грунтів, повітря пестицида-
ми, важкими металами та промисловими ви-
кидами і т. п. [1], проте впровадження флуо-
рометрів у промислове рослинництво ще до
цього часу проблематичне, оскільки в польо-
вих умовах на ІФХ впливає чимало факторів,
вплив яких на форму кривої до кінця не ви-
вчений. Встановлення однозначних залежно-
стей із стресовими факторами потребує зна-
чної кількості додаткових досліджень та за-
собів для автоматизованого збору та аналізу
кривих ІФХ.
Розподілена система збору та обробки да-
них. Розробка методик на базі методу ІФХ у
промисловому рослинництві потребує здійс-
нення чималої кількості тривалих експери-
В.М. ГРУША
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 110
ментів з перевіркою результатів на різних полях, у різних географічних зонах.
Розробка автоматизованої веб-орієнтованої системи збору та обробки даних мо-
же значно пришвидшити вироблення типових методик. Така система повинна
виконувати наступні задачі: автоматичний (або ж автоматизований) збір даних із
бездротових сенсорних мереж; забезпечувати веб-інтерфейс для доступу корис-
тувачів-дослідників через мережу Інтернет, на їхній запит здійснювати поперед-
ню математичну і, зокрема, статистичну обробку експериментальних даних, фо-
рмувати звіти про результат обробки [2]. Загальна структура системи збору та
обробки даних показана на рис. 1.
РИС. 1. Розподілена система збору та обробки кривих ІФХ
Ключовими в даній системі виступають модулі обчислення параметрів кри-
вої ІФХ та модуль статистичної обробки.
Параметри кривих ІФХ та показники на їх основі. Для оцінки стану апа-
рату фотосинтезу рослин використовують ряд числових характеристик показни-
ків: – початкове значення індукції флуоресценції після включення опромі-
ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ІНДУКЦІЇ…
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 111
нення; pF – значення індукції флуоресценції «плато»; mF – максимальне зна-
чення індукції флуоресценції; stF – стаціонарне значення індукції флуоресценції
після світлової адаптації листа рослини; stm FF − – варіабельна флуоресценція.
На основі даних параметрів розраховується ряд індексів, які теоретично ві-
дображають певні процеси фотосинтезу, наприклад:
- індикаторний показник впливу екзогенних факторів:
m
m
F
FFK 0
1
−
= ; (1)
- коефіцієнт індукції флуоресценції, індикаторний показник квантового ви-
ходу флуоресценції:
m
stm
F
FFK −
=2 . (2)
У флуорометрах індукційного типу, в яких у процесі вимірювання застосо-
вуються додаткові світлові спалахи, вводяться ще деякі параметри та цілий ряд
інших показників [3].
Динаміка ІФХ. Завдяки похідним можна вивчати як розвивається процес ІФХ
у часі, то визначати більш точніше такі параметри кривої ІФХ як 0F , та plF [1].
На рис. 2 показано три виміряні криві ІФХ листів дерева кави, криві отри-
мані за допомогою розробленого в Інституті кібернетики імені В.М. Глушкова
НАН України експериментального флуорометра. ІФХ вимірювалася з частотою
100 вимірів/c, таким чином крок дискретизації становив 10 мс.
РИС. 2. Криві листів дерева кави
Для того, щоб обчислити похідну, при невеликому кроці дискретизації мож-
на скористатися найпростішими наближеними чисельними методами обчислен-
ня. Так при відомих значеннях ІФХ, значення похідної у точці з допомогою су-
сідніх значень можна обчислити за формулою:
В.М. ГРУША
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 112
h
yyу ii
i ⋅
−
=′ −+
2
11 , (3)
де iу′– похідна у певній точці, 1+iy – сусіднє, наступне значення ІФХ, 1−iy – сусі-
днє, попереднє значення ІФХ, h – крок дискретизації:
constxxh ii =−= +1 . (4)
Як видно з графіків на рис. 3, найбільш динамічно ІФХ змінюється в напря-
мку спадання в перші 200 мс. Отримана крива ІФХ має певні незначні коливан-
ня, це заважає візуальному і чисельному оціненню швидкості ІФХ після 200 мс,
де зміни кривої з часом не такі значні як на початку. Щоб усунути коливання
значень необхідно здійснити згладжування (вирівнювання) кривої способом ко-
взної середньої. При обчисленні середньої бралося 50 значень на кривій. Це дало
можливість оцінити динаміку ІФХ після 200 мс (рис. 4).
РИС. 3. Обчислені похідні кривих ІФХ листів дерева кави в перші 500 мс
РИС. 4. Похідні кривої ІФХ після 200 мс
ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ІНДУКЦІЇ…
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 113
Таким чином спостерігається спад приросту до 1000, 1200 мс, згодом іде на-
ростання швидкості (рис. 4) і після 3 секунди, знову спостерігаємо зниження
швидкості приросту до 15 секунди, де знову ж починає незначно наростати.
При розробці приладів сімейства Флоратест в Інституті кібернетики імені
В.М. Глушкова НАН України з метою економії фізичної пам’яті у прилад було
закладено нелінійну шкалу дискретизації. Кожне нове вимірювання робиться
через більший проміжок часу.
Щоб скористатися формулою 3, для наближеного обчислення похідної, не-
обхідно попередньо здійснити інтерполяцію. Найпростіше використовувати лі-
нійну інтерполяцію. Будь-яке значення xy , між відомими двома точками в мо-
мент часу x , можна знайти за наступною формулою:
11
1
1 )( −−
−
− +−⋅
−
−
= ii
ii
ii yxx
xx
yyy , (5)
де xy , x – координати шуканої точки.
Вплив погодних умов та гербіцидів на індукцію флуоресценції хлорофі-
лу. Протягом 2012 – 2014 рр. в Інституті кібернетики імені В.М. Глушкова про-
водилися дослідження впливу гербіцидів на індукції флуоресценції хлорофілу.
Для проведення експериментальних досліджень було вибрано гербіцид суціль-
ної дії «Раундап». Раундап – один з найбільш застосовуваних гербіцидів, що ви-
користовується перед посівом або появою сходів сільськогосподарських рослин
для знищення бур’янів. Під час експерименту, гербіцид наносився на рослини
бур’яну дурману звичайного. Рослини дурману було поділено на контроль і два
варіанти відмінних по дозах введення гербіциду. Експеримент проводився в на-
ближених умовах до природних. Під час вимірювань ІФХ за допомогою прила-
дів «Флоратест» також вимірювались параметри навколишнього середовища:
температура повітря та грунту, вологість повітря та грунту, кислотність грунту.
Це дало, зокрема, можливість оцінити вплив навколишніх умов на параметри
кривої ІФХ [4].
В 2012 році виявлено, що різкі зміни погодних умов впливають на індук-
цію флуоресценції хлорофілу, зокрема на початкову форму кривої. Дія гербі-
циду призводить до поступового зростання рівня флуоресценції у оброблених
груп рослин.
Для обчислення кореляції використовувалася функція excel Correl(X,Y), яка
обчислює кореляційний коефіцієнт Пірсона, за наступною формулою:
∑ ∑
∑
−−
−−
=
22 )()(
))((
),(
yyxx
yyxx
YXCorrel , (6)
де X, Y – масиви із значеннями вибірок, кореляція між значеннями яких шу-
кається.
В.М. ГРУША
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 114
В 2013 році вимірювання проводилися у дні без контрастних змін погодних
умов, тобто без значних коливань вологості повітря. Температура повітря знахо-
дилася в межах 25 – 30°С. Розрахунок лінійної кореляції між параметрами кри-
вих ІФХ та параметрами грунту і повітря не показав настільки значних залежно-
стей ІФХ від погодних умов як у 2012 році. Проте незначна кореляція з вологіс-
тю грунту та кислотністю відмічалася в періоді 500 – 1000 мс на рівні 0,6. В пері-
од 3000 – 15000 мс. присутня кореляція на рівні 0,6 – 0,7 із температурою повітря і
пов’язаною з нею температурою ґрунту. Дані залежності показано на рис. 5 та 6.
РИС. 5. Залежність ІФХ на 5 с від темпера-
тури повітря
РИС. 6. Залежність ІФХ на 748 мс від воло-
гості ґрунту
В таблиці вказані ділянки кривої, в яких коефіцієнт кореляції |R| > 0,5.
ТАБЛИЦЯ. Кореляції ділянок кривих ІФХ дурману із параметрами навколишнього середовища
Фактор Максимальний рівень
кореляції (|R|)
Час, с (|R|>0,5)
Температура повітря 0,73 3,0 – 21
Вологість повітря 0,41 –
Кислотність 0,6 0,3 – 1,6
Вологість грунту 0,58 0,3 – 1,3
Температура грунту 0,67 3,0 – 21
Слід зазначити, що температура повітря та температура грунту взаємо-
пов’язані, також взаємопов’язаними є кислотність та вологість грунту.
Вплив сонячної радіації. Крім того, на форму кривої ІФХ впливає сонячна
радіація (рис. 7). Тому в польових умовах при сонячній радіації доцільно збіль-
шувати час темнової адаптації досліджуваного листа рослини до 15 – 20 хв.
ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ІНДУКЦІЇ…
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 115
РИС. 7. Вплив сонячної радіації
Результатом обробки гербіцидом стало підвищення середнього рівня індук-
ції флуоресценції хлорофілу практично на обох варіантах. Уже на 14-й день різ-
ниця у середніх була підверджена критерієм Стюдента. При чому у варіанта з
більшою дозою, рівень флуоресценції був вищий. Проте в наступних днях, в
яких робилися вимірювання, дана різниця не була відчутною, що можна поясни-
ти впливом зовнішніх умов на криву ІФХ, та внутрішніми процесами в рослини.
Однозначна різниця між варіантом з найбільшою дозою обприскуваня та конт-
ролем була виміряна на 22 день після обприскування (рис. 8). Наступні дні ви-
мірювання також підтверджували дану різницю.
РИС 8. Імовірності того, що точки на кривих ІФХ з однієї вибірки не відрізняються від кри-
вих контролю (обчислено за критерієм Стюдента)
Вплив NaCl на ІФХ. В серпні 2014 року проведено експеримент з метою ви-
значення впливу кам’яної солі (NaCl) на індукцію флуоресценції хлорофілу. Ак-
туальність даного експерименту випливає з того, що сіль використовується взим-
В.М. ГРУША
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 116
ку для посипання доріг, проникає в грунт і таким чином потрапляє в кореневу си-
стему рослини. Відомо, що надмірна кількість солі у грунті призводить до різного
типу хлорозів листя і до загибелі рослин. Під час експерименту листя лободи по-
міщалось в ємності із розведеною сіллю. Було зроблено 5 груп (контроль, та 4 ва-
ріанти з різною концентрацією NaCl). У контролі була звичайна вода, у першому
варіанті було розчинено 10 г. солі на літр води, у наступному 20 г/л, далі 30 г/л і в
останньому 40 г/л. В кожному варіанті було по 8 листів. Зміна деяких коефіцієн-
тів, розрахованих по усереднених значеннях параметрів, показано на рис. 9 та 10.
РИС. 9. Зміна коефіцієнту 1K в залежності
від дози NaCl
РИС. 10. Зміна коефіцієнту 2K в залежності
від дози NaCl
Висновки. Дослідження індукції флуоресценції хлорофілу з метою подаль-
шого використання ефекту ІФХ в промисловому рослинництві вимагає значної
кількості тривалих експериментів для набору репрезентабельних статистичних
сукупностей. При цьому слід зважати на різкі зміни погодних умов, які напряму
впливають на окремі ділянки форми кривих. В статті наведені деякі результати
експериментальних досліджень впливу на форму кривої ІФХ гербіциду, NaCl,
погодних умов. Для отримання кривих використовувався розроблений в Інсти-
туті портативний флуорометр «Флоратест».
1. Корнеев Д.Ю. Информационные возможности метода индукции флуоресценции хлоро-
филла. – Киев: Альтерпрес, 2002. – 188 с.
2. Груша В.М. Використання бездротової сенсорної мережі у дослідженнях методу індукції
флуоресценції хлорофілу // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. – 2013. – № 12 . –
С. 54 – 63.
3. Rohacek K. Chlorophyll Fluorescence Parameters: The Definitions, Photosynthetic Meaning,
and Mutual Relationships // Photosynthetica. – 2002. – Vol. 40, Issue 1. – Р. 13 – 29.
4. Груша В.М., Ковирьова О.В. Дослідження чутливості флуорометра «Флоратест» до дії
стресових факторів на стан рослин // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. – 2012. –
№ 11. – С. 119 – 126.
Одержано 15.09.2014
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-84836 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1817-9908 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:21:43Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Груша, В.М. 2015-07-16T06:13:23Z 2015-07-16T06:13:23Z 2014 Інформаційні технології для дослідження індукції флуоресценції хлорофілу / В.М. Груша // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2014. — № 13. — С. 109-116. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. 1817-9908 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84836 004.75; 004.67 Most useful parameters of chlorophyll fluorescence induction curve are considered in the paper. Some research experimental results are presented. Рассмотрено наиболее использованы параметры индукции флуоресценции хлорофилла и приведены результаты некоторых экспериментальных исследований. Розглянуто найбільш застосовувані параметри ІФХ та наведені результати деяких експериментальних досліджень. uk Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України Комп’ютерні засоби, мережі та системи Інформаційні технології для дослідження індукції флуоресценції хлорофілу Information technologies for research of chlorophyll fluorescence induction Article published earlier |
| spellingShingle | Інформаційні технології для дослідження індукції флуоресценції хлорофілу Груша, В.М. |
| title | Інформаційні технології для дослідження індукції флуоресценції хлорофілу |
| title_alt | Information technologies for research of chlorophyll fluorescence induction |
| title_full | Інформаційні технології для дослідження індукції флуоресценції хлорофілу |
| title_fullStr | Інформаційні технології для дослідження індукції флуоресценції хлорофілу |
| title_full_unstemmed | Інформаційні технології для дослідження індукції флуоресценції хлорофілу |
| title_short | Інформаційні технології для дослідження індукції флуоресценції хлорофілу |
| title_sort | інформаційні технології для дослідження індукції флуоресценції хлорофілу |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84836 |
| work_keys_str_mv | AT grušavm ínformacíinítehnologíídlâdoslídžennâíndukcíífluorescencííhlorofílu AT grušavm informationtechnologiesforresearchofchlorophyllfluorescenceinduction |