DK 581.14:088.2:534.321.9:632.93: 578.088.2:534.321.9. 631.531.7:534.321.9:63316 :632.4 FORSCH U NGSBE RICHTE DES Wl RTSCHAFTS- UND VE RKE H RSMI NISTE RI UMS NORDRH EI N-WESTFALE N Herausgegeben von Staatssekretär Prof. Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt Nr.629 Dipl.-Ing. Karl Wolters Laboratorium für Ultraschall, Technische Hochschule Aachen Zur Wirkung von Ultraschall auf die Keimung und Entwicklung von Pflanzen und auf den Verlauf von Pflanzenkrankheiten Als Manuskript gedruckt SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH 1958 ISBN 978-3-663-04174-0 ISBN 978-3-663-05620-1 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-05620-1 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsmin1steriums Nordrhein-Westfalen Gliederung . . . 1 • Einleitung · · · · · · · · · · · · s . 5 2. Literaturijbersicht · s. 6 3. Versuchsanordnungen · · · · · · · S. 8 4. Wirkung von Ultraschall · · · · · · · · · · s. 12 . . 4.1 auf die Quellung von Saatgut · · · · · · · s. 13 4.2 auf die Keimung · · · · S. 18 4.3 auf das Wachstum und den Ertrag von Pflanzen S. 21 4.4 Diskussion der Wirkungsfaktoren, Einfluß der Absorptionswärme · · · · · · · · · · S. 21 5. Phytopathologische Versuche. · · · · · s. 26 5.1 Die Eintreibwirkung · · · · · · · · · · s. 27 • . . 5.2 Anwendungsversuch Flugbrand. · · · · · · · · S. 28 . 5.3 Diskussion · · · · · · · · · · · · · · · · s. 36 6. Zusammenfassung · · · · · · · · · · s. 31 Literaturverzeichnis s. 32 Sei te 3 Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen 1. Einlei tung Die nachfolgend referierten Untersuchungen befassen sich mit den Wirkun gen, welche mittels Ultraschallbehandlung von Saatgut in den Wachstums ablauf von Kulturpflanzen induziert werden können und ferner mit den Mög lichkeiten, die sich durch eine solche Saatgutbehandlung für die Phyto therapie, also für die Bekämpfung von Pflanzenkrankheiten ergeben. Sie behandeln damit ein Teilgebiet der biologischen Wirksamkeit des Ultra schalls, welche in anderer Weise bereits auf verschiedenen Gebieten, bei spielsweise in der Ultraschall-Therapie und -Baktericidie, Gegenstand zahlreicher Untersuchungen gewesen ist. Auch auf dem Sektor der Saatgut beschallung besteht bereits eine Großzahl von Veröffentlichungen, welche im folgenden Abschnitt 2 näher zu erörtern sind. Der sich darin wider spiegelnde Stand der Untersuchungen, gekennzeichnet durch viele beobach tete Einzeleffekte, die in teils einander widersprechender Weise von verschiedenen Autoren berichtet werden, war Ausgangsbasis für die hier beschriebenen Versuche, deren Ziel es daher sein mußte, die bisherigen Ergebnisse mehr nach der Grundlagenseite hin zu erweitern. Zur Erreichung dieses Zieles, also der Suche nach Aufschluß über die Wirkungsweise des Ultraschalls auf den pflanzlichen Organismus, nach Zusammenhang und Ur sache der verschiedenartigen Effekte und nach Gründen für die Diskrepanz der Ergebnisse verschiedener Autoren, erschien es zweckmäßig, im Rahmen einer Gemeinschaftsarbeit1)2) unter Einhaltung mögliohst konstanter und reproduzierbarer Bedingungen der Ultraschallanwendung eine Klärung des genannten Problemkreises in Angriff zu nehmen. 1. Laboratorium für Ultraschall der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen 2. Institut für Pflanzenbau und Saatguterzeugung der Forschungsanstalt für Landwirtschaft, Braunschweig Sei te 5 Forschungsb~richte des W~rtsc~afts- und Verkehrsmin~steriums Nordrhe~n-Westfalen 2. Literaturübersicht Im Folgenden sei zunächst auf den Stand der Untersuchungen eingegangen, wie er sich in der Literatur darstellt. Da die große Zahl der veröffent lichten Arbeiten, wie sie z.B. von BERGMANN [2] und GISHLENI [8] zusammen gestellt und ausführlich referiert wurden, eine ins Einzelne gehende Be sprechung an dieser Stelle nicht erlaubt, seien diese in einer tabella rischen Übersicht zusammengestellt, die die wichti$sten Ergebnisse schema tisch wiedergibt. Aus der Tabelle 1 ist ersichtlich, daß die Ergebnisse sehr unterschied lich sind. Ein Teil der Differenzen dürfte auf unterschiedliche Objekte, Beschallungsanordnungen und -daten zurückzuführen sein, jedoch ergibt eine genaue Prüfung der Literatur auch unter Berücksichtigung dieser Einflüsse kein eindeutiges Bild. Dabei zeigt sich lediglich, daß die meisten Autoren darin übereinstimmen, daß bei zu intensiver und zu langer Beschallung eine Hemmung der Keimung und des Wachstums bewirkt wird. Ähnlich uneinheitlich zeigen sich die Verhältnisse bei den bisher bekannt gewordenen Versuchsergebnissen über die Bekämpfung von Pflanzenkrankhei- ten durch Ultraschall. Die bactericide und fungizide Wirkung des Ultra [9 , schalls wurde besonders von GRÜN und STELTER 2~ grundlegend untersucht, wo sich auch weitere Literaturhinweise finden. Eine Anwendung derartiger Keimabtötung auf die Behandlung des Flugbrandes bei Gerste und Weizen versuchten KOCH und PETERS [15], die mit einer Ultraschallbehandlung bestimmter Dosis völlige Befallsfreiheit erzielt haben wollen. JAENICHEN und HEIMANN [13J fanden dagegen bei Untersuchungen über die Wirkung von Ultraschall auf verschiedene andere Pflanzenkrankheiten, daß die zur Er reichung einer ausreichenden Keimabtötung auf das Saatgut anzuwendende Intensität und Beschallungsdauer im allgemeinen bereits zu Schädigungen der Vitalität führt. Sie versuchten, die erforderliche Intensität herab zusetzen, indem sie die Ultraschallbehandlung mit der Wirkung chemischer Beizen kombinierten und erzielten auf diese Weise Erfolge bei der Be kämpfung verschiedener Pflanzenkrankheiten wie Tomatenwelke, Cercospora- und Phoma-Eefall bei Rüben u.a., wobei die Keimung des Saatgutes zufolge kleiner Schalldosis beschleunigt wurde. Se1te 6 Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Tab eIl e 1 Literaturübersicht zur Wirkung des Ultraschalls auf die Pflanzenentwicklung Jahr Autor Objekt Wirkung auf Ertrags- Keimung Wachstum steigerung 1936 Istomina Kartoffel + + + 45 % Ostrowski 12 - 1938 Suzuki 8 Reis + + - 1939 Sasagawa 19 Trichterwinde + + 1940 Dawidow 6 Rüben + + + 51% - - 1943 Martinec 17 Hirse - - 1943' Brüner 4 Erbsen + + Rindfleisch - - 1948 Berents 3 Erbsen + - 1949 Loza 16 Reis + - - - - Soja - - Erbsen + - - - Rettich - - - 1950 Bachner 1 Erbsen 1950 Haskell 10 Mais - - - Selman 1950 Schwabe 20 Roggen + - - Thornley - - 1951 Tomberg Kresse + ~5 1952 Hesse 11 Zwiebeln - - - - - - Radieschen - - - Winterweizen 1952 Stockenbrand - - - 23 Rüben 1953 Findley 7 Mais + + + Lowell Camp bell 1953 Keiffer 14 Weizen,Gerste Roggen,Mais je Erbsen,Salat teils + teils - nach Species Bohnen ,Raps Radieschen Wicken - 1955 Busnel 5 Gerste + + Obolensky .. Zeichenerklarung: + = gefördert (Prozentangabe bezieht sich auf die Höhe der beobachteten Ertragssteigerung) = keine fördernde oder nur hemmende Wirkung beobachtet Sei te 7 Forschungeberichte des Wirtscbafts- und Verkehrsmin1steriums Nordrbein-Westfalen 3. Versuchsanordnungen Um bei der Ultraschallbehandlung von Saatgut eine gute Schallübertragung von der Schwingerfläche auf das zu beschallende Gut zu erzielen, ist es erforderlich, ein Koppelmedium zu benutzen, das die Schallenergie minimal absorbiert und einen Schallwellenwiderstand (Produkt aus Dichte und Schall geschwindigkeit) in der Größenordnung besitzt, wie ihn das zu beschallende Saatgut aufweist. Damit wird auch die Reflexion von Schallenergie an der Saatgutoberfläche minimal. Für die meisten Zwecke erfüllt Wasser als Koppelmedium diese Bedingung, Luft dagegen nicht. Damit das Beschallungsgut im zeitlichen Mittel gleichmäßiger Schalldosis ausgesetzt ist, ist es zweckdienlich, es im Bereich des Schallfeldes zu bewegen. Dies läßt sich z.B. mit Hilfe einer Turbulierung des Koppel mediums, in welchem das Saatgut aufgeschwemmt ist, erreichen. Ferner ist eine Kühlung erforderlich, da die Absorption von Ultraschallenergie, vor allem im Saatgut, sonst zu Wärmestauungen und in gewissen Fällen zu großer Erwärmung führt. Dadurch können sich unter Umständen in schwer zu kon trollierender Weise der echten Schallwirkung sekundäre Effekte überla gern. Auch Anwendung der Turbulierung kann zu Sekundäreffekten führen, ~ie wenn sie nicht während der Versuche in ihrer biologischen Auswirkung ständig überwacht wird. Für unsere Versuche verwendeten wir eine Anordnung, die schematisch aus Abbildung 1 hervorgeht. Zur Kühlung wurde dabei ein ständiger Wasserstrom durch das Beschallungs gefäß G gelejtet, der gleichzeitig bei geeigneter Stromführung eine dauern de Umwälzung (Turbulierung) des Beschallungsgutes im oben erwähnten Sinne bewirkt. Der Schallkopf S strahlt von unten Ultraschall ein. Ein Draht netz D verhindert das Abwandern des zu beschallenden Saatgutes. tlber den Schlauch S1 wird Kühlwasser zu-und über S2 abgeführt. Dieses kann mit Hilfe eines Thermostaten mit einer Genauikeit von ~ 0,050 C auf der ge wünschten Temperatur gehalten werden, wodurch eine Konstanz der Anfangs bedingungen erreicht wird, die sich vor allem bei mehrfach hintereinander durchgeführten Versuchen vorteilhaft bemerkbar macht. Das über S2 abgeführte Wasser erwärmt sich bei der Beschallung in Abhän gigkeit von der Durchflußmenge und Schallintensität im Normalfall um einige Zehntelgrade, wie genaue Messungen zeigten. Eine solche Erwärmung, Se1te 8 ForBchungBber~chte des W~rtschafts- und Verkehrsm~n~ster~~ms Nordrhe~n-Westfalen A b b i 1 dun g 1 Beschallungsanordnung S = Schallkopf D Drahtnei.z S1S2= Schläuche D Beschall ungsgut G = Beschallungsgefäß 2 I 5 10 A b b i 1 dun g 2 Temperaturerhöhung des durchlaufenden Wassers in der Anordnung nach Abbildung 1 (bei konstantem Durchfluß) in Abhängigkeit von der Schall intensität für die Ultraschallfrequenzen N=3Ml[z und N=800 kHz Se1te 9 Forschllngsben.chte des Wl.rtschafts- und Verkehrsml.nl.sterl.ums Nordrheln-Westfalen die durch die Schallabsorption im Kühlwasser bedingt ist, ist in Abbil dung 2 für eine konstante Durchflußmenge und fur Schallfrequenzen von 800 kHz und 3 MHz über der Schallintensitat aufgetragen. Bei bekannter Durchflußmenge laßt sich der gezeigte Verlauf auch in einfacher Weise rechnerisch ermitteln, wobei die errechneten Werte mit den gemessenen % im vorliegenden Fall bis auf einen Fehler von ~ 5 übereinstimmten.An Hand dieser Abhangigkeit kann daher durch eine Temperaturdifferenzmessung die effektiv einwirkende Schallintensität annahernd bestimmt und wä~rend des Versuches kontrolliert werden. Die Versuchsanordnung nach Abbildung 1 verwendeten wir in derselben Form fur alle Versuche zur Prüfung der physiologischen Wirkung des Ultraschalls. Bei Übergang zu anderen Frequenzen, die durch S~hwinger unterschiedlicher Dicke bzw. unterschiedlicher Grundfläche erzeugt wurden, blieb die damlt von Fall zu Fall verbundene ~eranderung des Sc~allfeldes in der Versuchs anordnung und auch in der Beurteilung der Versuchsergebnlsse bei verschie denen Frequenzen unberucksichtigt. Wegen der unterschiedlichen Schwlnger grundfläche mußte lediglich jeweils dle Größe des Beschallungsgefaßes variiert werden, wobei jedoch die Höhe (H = 60 mm) des Wasserspiegels uber dem Schallkopf konstant eingehalten wurde. Fur die spater beschriebenen Farb- und Reagenzstoffversuche benutzten wir wegen der dem Kopplungsmedium zuzugebenden Zusätze eine Anordnung nach Abbildung 3, wobei der innere Glaszylinder G das Saatgut und dle Test 2 losung aufnahm. Wegen der kleinen Anzahl der in elner Probe jewells ent haltenen Samen stellte sich dabei eine Turbulierung durch den Schall sprudel selbst ein, während dle Kühlung naturgemaß nicht so wirksam sein konnte wie in der Anordnung nach Abbildung 1. Die verwendete Kunststoff membran von 0,07 mm Dicke hat eine gute Schalldurchlasslgkeit, d.h. eine minimale Reflexion der auf sie auftreffenden Schallintensitat, weil der Schallwellenwiderstand des Kunststoffes in der Großenordnung des sie um gebenden Koppelmediums (Wasser) liegt. ~o beträgt die Schalldurchlässig keit der erwähnten Membran - ohne Berücksichtigung der bei sehr hohen Frequenzen nlcht mehr vernachlässigbaren Schallabsorption in der Kunst stoffolie - fur die Laufstrecke 0,07 mm bei der niedrigsten benutzten % Schallfrequenz, N = 22 kHz 100 und bei der hochsten, N = 10 MHz, immer %. hin noch etwa 80 SeI te 10 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen - /5. S2~ /G 2 '-": '-= V t=-: ~ E~ G, i ~ ;;:; s,=, m~ :="~ ~=; i'-M ~ ~~~ V S A b b i 1 dun g 3 Beschallungsanordnung S = Schallkopf M = Kunststoffmembran G1= äußerer Glaszylinder G2= innerer Glaszylinder Zur Erzeugung des Ultraschalls benutzten wir für die Schallfrequenzen N = 22 kHz und N = 3 MHz ein Ul traschallaborgerät d,er Firma Schoeller & Co., Frankfurt (Main), Type USLG 300, dessen Schallinten,si tät bei N = 22 kHz zwischen 0 und 3 w/cm2 und bei N = 3 MHz zwischen 0 und 11,9 w/cm2 ent sprechend den Eichtabellen regelbar ist. Zur Speisung der Senderöhren verwendet das Gerät pulsierende Anodengleichspannung. Zwei Ultraschallaborgeräte der Firma Dr. Lehfeld & Co., Heppenheim, dien ten für die Schallfrequenzen N = 800 kHz (Type T 150, pulsierende Anoden gleichspannung) und N = 10 MHz (Type Sonderanferti~ll1g, geglättete Anoden gleichspannung). Bei N 800 kHz läßt sich die Schallintensität zwischen o und 12 w/cm2 und bei N = 10 MHz _zwischen 0 und 10 w/cm2 kontinuierlich nach Angabe des Leistungsmessers regeln. Seite 11