История и перспективы применения рентгенографии в семеноводстве и семеноведении

Введение. Метод рентгенографии различных объектов с целью визуализации их внутренней структуры известен уже более 100 лет. Однако для диагностики качества семян растений он стал использоваться лишь в начале 80-х гг. ХХ в. Основная причина – отсутствие специализированных технических средств, в первую очередь, источников рентгеновского излучения, которые обеспечивали бы необходимую информативность получаемых изображений. Лишь благодаря разработке и использованию для этих целей методики микрофокусной рентгенографии удалось добиться значительных результатов, включая подготовку Национального стандарта ГОСТ Р 596032021 "Семена сельскохозяйственных культур. Методы цифровой рентгенографии".

Цель работы. Аналитический обзор результатов отечественных исследований в области рентгенографии семян различных растений.

Материалы и методы. Рассмотрены основные этапы разработки методики микрофокусной рентгенографии семян и отдельных частей растений сельскохозяйственного и иных назначений. Описаны конструктивные особенности технических средств, включая цифровые, созданных для реализации методики.

Результаты. Показано, что для информативной рентгенографии таких специфических объектов как семена растений, обладающих малыми размерами и плотностью в целом, размер фокусного пятна рентгеновской трубки должен составлять не более нескольких десятков микрометров, напряжение на рентгеновской трубке – не более нескольких десятков киловольт. В качестве системы визуализации скрытого рентгеновского изображения предпочтительнее использовать приемники изображения на основе экрана с фотостимулируемым люминофором или плоскопанельные твердотельные детекторы рентгеновского излучения. Указанный комплект технических средств позволил выделить и описать рентгенографические признаки нормального семени и девяти основных типов дефектов для 600 видов растений.

Заключение. Методика микрофокусной рентгенографии, по сравнению с традиционно используемой контактной рентгенографией, позволяет получать рентгеновские снимки семян с проекционным увеличением изображения до нескольких десятков раз. Такие снимки позволяют визуализировать принципиально более мелкие детали структуры семени, которые незначительно отличаются по плотности.

1. Simak M. New uses of X-ray method for the analysis of forest seed // Metsäntutkimuslaitos. 1970. № 27. P. 1–11.

2. Simak M., Gustaffson A. Х-rays photography and sensibility in forest tree species // Hereditas. 1953. Vol. 39, № 4. P. 458–468. doi: 10.1111/j.1601-5223.1953.tb03430.x

3. Курбанов М. Р. Семена древесных пород. Методы рентгенографического анализа. М.: Госкомлес СССР, 1968. 22 с.

4. Курбанов М. Р. Рентгенография семян с увеличенным изображением // Бюллетень ГБС АН СССР. 1984. Вып. 133. С. 97–101.

5. Некрасов В. И., Смирнова Н. Г. Рентгенографическая оценка качества семян // Качество семян в связи с условиями их формирования при интродукции. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1971. С. 60–69.

6. Смирнова Н. Г. Рентгенографическое изучение семян лиственных древесных интродуцированных растений. М.: Наука. Сиб. отд-ние, 1976. 108 с.

7. Зайцев В. А., Редькина З. В., Грун Л. Б. Перспективы рентгенографии в диагностике качества семян // Селекция и семеноводство. 1981. № 7. С. 37–38.

8. Малевинский В. Е., Зайцев В. А., Редькина З. В. Влияние сроков хранения на энергию прорастания и всхожесть семян двукисточника тростникового // Сб. науч. тр. ЛСХИ. 1984. С. 37.

9. Зайцев В. А., Редькина З. В. Возможности и перспективы применения метода рентгенографии семян сельскохозяйственных культур // Электронная промышленность. 1987. Сер. 4, вып. 2 (117). С. 117.

10. Редькина З. В., Зайцев В. А., Архипов М. В. Рентгенография с прямым рентгеновским увеличением на излучателе РЕИС-И для диагностики выполненности, травмированности и зараженности семян // Бот. cад АН Лат. ССР, экологические проблемы семеноведения интродуцентов: тез. докл. Рига, 1984. С. 105.

11. Иванов С. А., Щукин Г. А., Рентгеновские трубки технического назначения. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. 200 с.

12. Портативный микрофокусный рентгеновский аппарат для диагностики семян и зерен / Л. Г. Андрущенко, М. В. Архипов, Л. Б. Грун, Ю. К. Иоффе, З. В. Редькина, Н. А. Федорак // Электронная промышленность. 1983. Вып. 11 (128). С. 31–34.

13. Печенова Т. В., Смирнова Н. Г., Холодова В. К. Использование рентгенографии при изучении качества семян // Сахарная свекла. 1985. № 10. С. 38–39.

14. Рентгенография для выявления внутренних повреждений и их влияние на урожайные качества семян / В. Н. Савин, М. В. Архипов, А. Л. Баденко, Ю. К. Иоффе, Л. Б. Грун // Вестн. с.-х. науки. 1981. № 10 (301). С. 99–104.

15. Савин В. Н., Кондрашова М. Д., Архипов М. В. Влияние различных типов повреждений семян ячменя на их посевные качества и урожайные свойства // Докл. РАСХН. 1995. № 3. С. 5–7.

16. Савин В. Н., Архипов М. В., Гусакова Л. П. Жизнеспособность овощных семян при внутренних повреждениях // Аграрная наука. 1997. № 2. С. 23–25.

17. Архипов М. В., Гусакова Л. П., Алферова Д. В. Рентгенография растений при решении задач семеноведения и семеноводства // Изв. С.-Петерб. гос. аграрного ун-та. 2011. № 22. С. 336–341.

18. Архипов М. В., Потрахов Н. Н. Микрофокусная рентгенография растений. СПб.: Технолит, 2008. 192 с.

19. Великанов Л. П. Рентгенографический анализ внутренней поврежденности семян пшеницы и ячменя // Агрофизические методы и приборы. Растения и среда их обитания. 1997. Т. 3. С. 234–254.

20. Agrophisical direction of further development and application of X-ray method / L. P. Velikanov, S. Grundas, M. V. Archipov, A. M. Demianichuk, L. P. Gusakova // Proc. of Intern. conf. on new trends in agrophysics, Lublin, Poland, 10–11 June 2008. P. 147–148.

21. Grundas S., Velikanov L., Arkhipov V. Importance of wheat grain orientation for the detection of internal mechanical damage by the X-ray method // Int. Agrophysics. 1999. № 13. P. 355–361.

22. Assessment of soft X-ray imaging for detection of fungal infection in wheat / D. S. Narvankar, C. B. Singh, D. S. Jayas, N. D. G. White // Biosystems engineering. 2009. Vol. 103, iss. 1. P. 49–56. doi: 10.1016/j.biosystemseng.2009.01.016

23. Bruggink H., Duijn B. X-ray based seed analysis // Seed Testing International. 2017. № 153. P. 45–50.

24. Radiographic analysis to test maize seeds for the presence of Sitophilus Zea mais (Coleoptera: Curculionidae) / F. França-Silva, M. L. M. de Carvalho, G. A. Carvalho, D. B. de Andrade, V. F. de Souza, E. R. Marques // Seed Science and Technology. 2019. Vol. 47, № 3. P. 249–260. doi: 10.15258/sst.2019.47.3.02

25. An assessment of mechanical and stink bug damage in soybean seed using X-ray analysis test / T. L. F. Pinto, S. M. Cicero, J. B. França-Neto, V. A. Forti // Seed Science and Technology. 2009. Vol. 37. P. 110–120. doi: 10.15258/sst.2009.37.1.13

26. Bino R. J., Aartse J. W., Van Der Burg W. J. Non destructive X-ray of Arabidopsis embryo mutants // Seed Science Research. 1993. Vol. 3, iss. 3. P. 167–170. doi: 10.1017/S0960258500001744

27. Dell'Aquila A. Pepper seed germination assessed by combined X-radiography and computer-aided imaging analysis // Biologia Plantarum. 2007. Vol. 51. P. 777–781. doi: 10.1007/s10535-007-0159-9

28. Gagliardi B., Marcos-Filho J. Relationship between germination and bell pepper seed structure assessed by the X-ray test // Scientia Agricola. 2011. Vol. 68, № 4. P. 411–416. doi: 10.1590/S0103-90162011000400004

29. Мусаев Ф. Б., Потрахов Н. Н., Архипов М. В. Рентгенография семян овощных культур. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2016. 207 с.

30. Porsch F. Automated seed testing by 3D X-ray computed tomography // Seed Science and Technology. 2020. Vol. 48, № 1. P. 73–81. doi: 10.15258/sst.2020.48.1.10

31. Рентгеновская томография / Н. Н. Потрахов, А. В. Ободовский, В. Б. Бессонов, Е. Н. Потрахов, К. К. Гук // Фотоника. 2019. Т. 13, № 7. С. 688–693. doi: 10.22184/1992-7296.FRos.2019.13.7.688.692

32. Бессонов В. Б., Ларионов И. А., Ободовский А. В. Особенности разработки программно-аппаратных комплексов для микрофокусной рентгеновской компьютерной томографии // Физические основы приборостроения. 2019. Т. 8, № 4 (34). С. 23–33. doi: 10.25210/jfop-1904-023033

33. Потрахов Н. Н., Белецкий С. Л., Архипов М. В. Аппаратно-программный комплекс для контроля качества зерна на основе передвижной рентгенодиагностической установки ПРДУ-02 // Таврический вестн. аграрной науки. 2018. № 4 (16). С. 152–159. doi: 10.25637/TVAN2018.04.14

34. Musaev F. B., Beletskyi S. L., Potrakhov N. N. A brief atlas of radiographic signs of vegetable seeds. Moscow: DeLi plus, 2018. 52 p.