Фасоль обыкновенная (Phaseolus vulgaris) — одна из важнейших зернобобовых культур. Однако её семена имеют склонность к быстрой потере всхожести: при хранении в комнатных условиях через 2–3 года лабораторная всхожесть может снижаться до 30–50 %, а через 4–5 лет — практически до нуля.

Старые семена могут вовсе не прорасти, и это настоящая проблема для садоводов и фермеров. Ежегодно огромное количество семян списывается как непригодные, хотя часть из них ещё способна дать урожай. Возникает вопрос: можно ли «оживить» такие семена и вернуть им способность прорастать?

Одним из перспективных методов решения этой задачи считается обработка ультразвуком. Ультразвуковые волны — это колебания высокой частоты, которые не слышны человеческому уху. В науке и технике ультразвук давно используется для самых разных целей: от медицинской диагностики до очистки и сварки деталей [1]. В сельском хозяйстве его начали применять сравнительно недавно, но первые результаты оказались многообещающими. Исследования показывают, что ультразвук может [1–4]:

— размягчать твёрдую оболочку семян;

— улучшать проникновение воды внутрь семени;

— активировать биохимические процессы, запускающие прорастание;

— уничтожать вредные микроорганизмы на поверхности семян без использования химикатов.

УЗ обработка зерна и семян перед посадкой интенсифицирует процесс прорастания, повышает урожайность различных культур в среднем на 20–40 %. Так, обработанные ультразвуком зерна ячменя дают всходы на 2–3 дня раньше, чем контрольные посадки, длина колоса и количество зерен в нем увеличиваются на 30 %, количество стеблей от одного зерна также увеличивается на 25–30 %. Механизм УЗ воздействия на зерна и семена до конца не исследован. Ясно только, что ультразвук способен стимулировать жизненные силы, заложенные природой в каждую сельскохозяйственную культуру. Экспериментальные исследования позволили установить, что УЗ воздействие в большей или меньшей степени, но всегда положительно влияет на процесс прорастания зерен и семян и увеличивает урожайность. Максимальное повышение урожайности отмечено у дынь — на 46 %. Обработка семян огурцов перед посадкой приводит к тому, что междоузлия на взрослом растении (места образования плодов) формируются в полтора раза чаще, получаемые плоды отличаются от контрольных вкусом. Обработка семян томатов ультразвуком позволила установить, что после посадки кусты разрослись сильнее, плодов образовалось больше, созрели они быстрее, чем контрольные. Анализ состава плодов показал, что обработанные ультразвуком томаты имели большее количество витаминов, чем контрольные. Хорошие результаты были получены при обработке ультразвуком семян капусты, моркови, свеклы, лука [5, 6].

Почему фасоль, подходящий объект для исследования?

Фасоль обыкновенная ( Phaseolus vulgaris ) — идеальный модельный объект для изучения влияния ультразвука, так как:

— имеет крупную, плотную оболочку, которая часто ограничивает всхожесть старых семян, поэтому эффект от обработки будет хорошо заметен;

— богата запасными белками и крахмалом: ультразвук может ускорить их гидролиз, что прямо влияет на энергию прорастания;

— отличается чёткими морфологическими признаками проростка (длина корня, гипокотиля), удобными для измерений;

— широко распространена в сельском хозяйстве и результаты исследования можно применить на практике для других бобовых культур.

Цель работы: Изучить влияние ультразвука на всхожесть старых и свежих семян фасоли.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи :

1. Настроить параметры ультразвуковой системы для эффективного воздействия на семена фасоли.
2. Сравнить всхожесть и скорость прорастания старых и свежих семян фасоли, обработанных ультразвуком, с контрольными (необработанными) семенами.
3. Определить оптимальные параметры ультразвукового воздействия (время обработки и интенсивность) для максимального повышения всхожести.
4. Оценить влияние ультразвука на начальные этапы роста проростков (длину корней и побегов).
5. Проанализировать полученные результаты и сделать выводы о практической применимости метода для садоводов и небольших фермерских хозяйств.

Что такое ультразвук и как он воздействует на биологические объекты?

Ультразвук — это механические колебания среды с частотой выше 20 кГц, не воспринимаемые человеческим ухом [1]. В сельском хозяйстве ультразвуковые волны используют для стимуляции прорастания семян, дезинфекции посевного материала и улучшения водопоглощения [1–4]. Ультразвуковой аппарат представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Ультразвуковой аппарат, применяемый для обработки фасоли

Ультразвуковой технологический аппарат, как правило, представляет собой совокупность следующих блоков и элементов (рис. 1): ультразвуковой колебательной системы, состоящей из пьезокерамического преобразователя электрических колебаний, волноводной системы, концентрирующей УЗ колебания, рабочего инструмента для ввода УЗ колебаний в обрабатываемые среды, электрического генератора с системой автоматизации поддержания резонанса при изменении нагрузки на волновод и контроля колебаний.

В ультразвуковых аппаратах технологического назначения необходимо согласование требований к объему рабочей камеры с объемом обрабатываемого вещества. Обусловлено это тем, что при создании аппарата следует, прежде всего, задаться необходимой интенсивностью УЗ колебаний в различных участках объема обрабатываемого вещества, ограниченного жесткими стенками.

Если на поверхности рабочего инструмента средняя интенсивность ультразвуковых колебании составляет 3–10 Вт/см ² , то и в других точках обрабатываемого объема интенсивность УЗ колебаний должна быть достаточной для обеспечения кавитационных процессов (Рис. 2).

Рис. 2. Плотный конус («факел») из пузырьков, простирающийся в объем

Интенсивная кавитация : ярко выраженный плотный конус («факел») из пузырьков, простирающийся далеко в объем (Рис.2).

При распространении УЗ колебаний от излучающей поверхности в обрабатываемой среде возникает распределенное в пространстве поле звуковых давлений. При этом в структуре поля, создаваемого гармоническим излучателем, различают три области: дальнее ультразвуковое поле; область расстояний, сравнимых с размерами излучающей поверхности и длиной волны: область ближнего поля.

Сопоставим визуализацию кавитации с этими акустическими зонами (рис. 2). На изображении мы наблюдаем именно структуру акустического поля, «окрашенную» облаком кавитационных пузырьков. Самый плотный и яркий «факел» у торца излучателя — это и есть визуализация ближнего поля. В этой зоне амплитуда колебаний максимальна, что приводит к наиболее интенсивной кавитации и максимальной концентрации пузырьков. Форма конуса в самой начальной части (прямо у излучателя) нередко имеет сложную структуру, которая может соответствовать интерференционным пикам и провалам поля Френеля, хотя на данном снимке она выглядит относительно однородной из-за высокой плотности пузырьков.

Основная часть видимого конуса (факела) — это как раз переходная область. Она начинается после конца ближней зоны. Здесь мы видим ровный, сужающийся конус. Это соответствует процессу, при котором волновой фронт от плоского излучателя постепенно становится сферическим. Сужение конуса (до определенного расстояния) — это характеристика направленности ультразвукового пучка до начала его значительного углового расхождения в дальнем поле. Кавитация в этой зоне все еще очень интенсивна, так как амплитуда давления достаточна для поддержания и увлечения пузырьков акустическими потоками. Конус является границей, внутри которой уровень звукового давления превышает порог кавитации.

На рисунке 2 отчетливо видно, что плотное облако пузырьков резко обрывается, образуя четкую границу. Эта граница конуса и есть переход в дальнее поле . Здесь амплитуда колебаний (звуковое давление) падает ниже порогового значения, необходимого для поддержания стабильной и видимой кавитации. Пузырьки уже не могут массово зарождаться или активно осциллировать. Само дальнее поле на таком снимке не визуализируется, так как в нем нет интенсивной кавитации, рассеивающей свет. Это просто «спокойная» жидкость, в которой распространяется затухающая ультразвуковая волна.

Таблица 1

Сводная схема по изображению на рисунке 2

Таким образом, рисунок 2 представляет собой идеальную экспериментальную визуализацию структуры акустического пучка ультразвукового излучателя. Кавитационные пузырьки работают как индикаторы зон, где звуковое давление превышает критический порог, ярко выделяя тем самым ближнюю и промежуточную зоны и четко обозначая границу, за которой начинается «невидимое» дальнее поле.

Для биологических объектов (семена, ткани) обычно оптимальна высокая, но контролируемая интенсивность именно в ближнем поле.

Для цилиндрического или плоского излучателя граничное расстояние Z ₀ между ближней и дальней зоной ориентировочно задаётся формулой Z ₀ ≈D ² /4λ,

где D — диаметр торца волновода, а λ — длина волны в среде. При частоте 51 кГц и скорости звука в воде/жидкости ≈1500 м/с λ≈1500/51⋅10 ³ ≈0,0294 м=29,4 мм, тогда для трёх диаметров (Таблица 2):

Таблица 2

Отметим, что при промышленном использовании предпосевной обработки семян ультразвуком используется, например, установка, представленная в работе [7] в конструкцию, которой заложены выше изложенные особенности.

Основные механизмы воздействия ультразвука на семена [1–4]

1. Кавитация. В жидкой среде при воздействии ультразвука образуются микропузырьки, которые схлопываются с выделением энергии. Это может:

— создавать микротрещины в твёрдой оболочке семени, облегчая проникновение воды;

— стимулировать обменные процессы внутри семени.

2. Микромассаж тканей. Ультразвуковые волны вызывают микроколебания клеток, улучшая транспорт веществ через мембраны и активизируя ферменты, отвечающие за прорастание.
3. Антимикробное действие. Ультразвук разрушает клеточные стенки патогенных микроорганизмов на поверхности семян, снижая риск заболеваний проростков без применения химикатов.
4. Активация биохимических процессов. Воздействие ультразвука может ускорять гидролиз запасных веществ (крахмала, белков) в эндосперме, обеспечивая зародыш энергией для прорастания.

Сравнение методов стимуляции всхожести семян

Традиционно для повышения всхожести применяют следующие методы [3]:

— Замачивание в воде — простой способ, но не всегда эффективен для старых семян с плотной оболочкой.

— Прогревание — активирует ферменты, но требует точного контроля температуры: перегрев может погубить зародыш [4].

— Обработка стимуляторами роста (гуматы, эпин) — эффективна, но увеличивает затраты и может оставлять химические остатки.

— Барботирование (насыщение воды кислородом) — улучшает аэрацию, но не влияет на структуру оболочки семени.

Преимущества ультразвука:

— экологичность (не требует химикатов);

— короткий срок обработки (от секунд до минут);

— комплексное воздействие (физическое и биохимическое);

— возможность точной настройки параметров (частота, мощность, время) под конкретный тип семян.

Когда это работает . Зарубежные исследования подтверждают эффективность метода. Например, в работе Лахиджаниана и Назари (2017) показано, что обработка ультразвуком значительно увеличивает скорость прорастания семян фасоли, создавая микропоры на оболочке [8]. Однако в этих работах, как правило, используются семена со сроком хранения до 2–3 лет. Важно понимать, что все эти положительные эффекты относятся к семенам, которые условно можно назвать «свежестарыми» — их зародыш ещё жив, но его «будят» внешние факторы.

Границы возможного: когда ультразвук бессилен?

Основная причина — это комплекс факторов: твёрдая семенная оболочка, которая со временем становится ещё более водонепроницаемой из-за суберинизации и отложения лигнина, а также накопление в клетках продуктов перекисного окисления липидов и необратимое повреждение ДНК зародыша.

На рисунке 3 представлены семена старой фасоли (хранились больше 4 лет) после замачивания и после ультразвуковой обработки. Отметим, что по фото (рис. 3) сложно с высокой точностью определить сорт фасоли, так как визуальные признаки (цвет и рисунок семян) могут совпадать у нескольких сортов. Многие дачники выращивают фасолины «без названия», передавая семена из поколения в поколение, что может быть очень похожим на представленные семена на рисунке 3.

Рис. 3. Семена старой фасоли «без названия» после замачивания и ультразвуковой обработки

Рис. 4. Семена старой фасоли «без названия» не взошли, а сгнили, как замоченные, так и обработанные ультразвуком через 7 дней

Ультразвук не восстановил всхожесть. Почему же так происходит?

Есть несколько ключевых причин, по которым ультразвук бессилен против глубоко старых семян:

1. Необратимые повреждения зародыша . При длительном хранении (более 3–4 лет) в клетках зародыша накапливаются необратимые повреждения: разрывы ДНК, денатурация белков ферментов, окисление мембран клеток. Если зародыш мёртв или его метаболизм затух полностью, никакая кавитация его не запустит.
2. Эффект «ложного набухания». В опытах семена 4-летней давности после УЗО набухали даже быстрее контрольных. Но при вскрытии оказывалось, что семядоли размягчились, а зародышевый корешок не трогался в рост. Через 5–7 дней такие семена загнивали.
3. Подтверждение из научной литературы . Исследование на семенах расторопши показало, что в условиях ускоренного старения ультразвуковая обработка не обеспечила удовлетворительного повышения всхожести [9]. А в работе, изучавшей влияние ультразвука на прорастание бобов кариока (Carioca bean), отмечено, что этот процесс был затруднён, а в некоторых случаях всхожесть снижалась до 0 % [10].

Результаты получены для конкретного сорта фасоли «без названия» и режима, и для полной картины нужны повторные эксперименты с другими сортами фасоли и более широкими режимами озвучивания.

Результаты и обсуждение влияния режимов ультразвуковой обработки на всхожесть и развитие свежих семян фасоли

Рис. 5. Семена свежей фасоли после замачивания и ультразвуковой обработки спустя 7 дней после проращивания во влажной марле

Настоящее лабораторное исследование было направлено на сравнительный анализ влияния различных режимов предпосевной ультразвуковой обработки на энергию прорастания и начальный рост свежих семян фасоли ( Phaseolus vulgaris ) (срок хранения меньше года). Опыт проводился в трех вариантах: контроль (замачивание в дистиллированной воде в течение 10 минут без УЗ-воздействия) и два опытных режима с экспозицией ультразвуком 5 и 10 минут. Для каждого варианта использовалось по три семени (n=3). Наблюдения фиксировали на 7-е, 14-е и 21-е сутки. 7 суток проращивали во влажной марле (рис. 5), а затем пересадили в грунт (рис. 6).

Рис. 6. Всхожесть свежих семян спустя 14 и 21 день

Качественная оценка начальных этапов прорастания (7 суток) Результаты, полученные на 7-е сутки (Рисунок 5), демонстрируют явную зависимость скорости прорастания от режима обработки. В контрольной группе (замачивание 10 минут) наблюдалось начало проклевывания зародышевого корешка. В группе с 5-минутной УЗ-экспозицией данный процесс был выражен значительно активнее, а у семян, обработанных в течение 10 минут, отмечалось наиболее синхронное и интенсивное формирование проростков. Визуально различие между тремя образцами подтверждает гипотезу о том, что ультразвуковая кавитация, усиливающаяся с увеличением времени воздействия, эффективно повышает проницаемость семенной оболочки и инициирует метаболическую активность зародыша.

Сравнительный анализ ростовых показателей на поздних стадиях (14 и 21 сутки)

К 14-м суткам (Рисунок 6) зафиксированные различия приобрели ярко выраженный характер. Растения, развившиеся из семян, обработанных ультразвуком в течение 10 минут (дальний горшок), имели достоверное преимущество в длине гипокотиля и развитии первичных листьев по сравнению с вариантом 5-минутной обработки (средний горшок). Контрольная группа (ближний горшок) заметно отставала по всем визуальным параметрам. К 21-м суткам эта тенденция окончательно закрепилась: наблюдалась четкая градация состояния растений в зависимости от примененного режима предпосевной подготовки. Наиболее развитые экземпляры сформировались в группе с максимальной экспозицией (10 минут УЗ), что свидетельствует о кумулятивном положительном эффекте от дозированного ультразвукового воздействия на начальный потенциал роста.

Заключение по результатам

Полученные экспериментальные данные позволяют сделать следующие выводы:

1. Предпосевная обработка семян фасоли ультразвуком в лабораторных условиях оказывает выраженный стимулирующий эффект как на энергию прорастания, так и на последующий вегетативный рост.
2. Наблюдается прямая зависимость эффективности обработки от времени экспозиции в исследованном диапазоне (5 и 10 минут). Десятиминутный режим показал наилучшие результаты по всем визуально оцениваемым параметрам на всех этапах наблюдения.
3. Механизм действия, вероятно, связан с комплексным влиянием ультразвука: ускорением гидратации за счет повышения проницаемости покровных тканей, активацией ферментативных систем и интенсификацией клеточного метаболизма на ранних этапах развития проростка.

Таким образом, ультразвуковая обработка продолжительностью 10 минут может быть рекомендована как эффективный физический метод предпосевной стимуляции семян фасоли, обеспечивающий ускоренное и более синхронное прорастание, а также формирование более мощных растений на начальных стадиях онтогенеза.

Литература:

1. Хмелев, В. Н. Применение ультразвука высокой интенсивности в промышленности / В. Н. Хмелев, А. Н. Сливин, Р. В. Барсуков, С. Н. Цыганок, А. В. Шалунов; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. — Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010–203c.
2. Зубова, Р. А. Обоснование режимов предпосевной обработки семян с твёрдой оболочкой ультразвуком и электромагнитным полем сверхвысокой частоты: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.20.02 / Зубова Римма Анатольевна. — Барнаул, 2017. — 20 с.
3. Бахчевников О. Н., Брагинец А. В., Нозимов К. Ш. Перспективные физические методы стимулирования прорастания семян (обзор) // Достижения науки и техники АПК. 2022. Т. 36. № 7. С. 56–66. doi: 10.53859/02352451_2022_36_7_56.
4. Беляков М. М. Совершенствование способа активизации жизнедеятельности семян зерновых культур ультразвуковой обработкой: автореф. дис. … канд. техн. наук: 4.3.1 / Беляков Максим Михайлович. — Киров, 2026. — 21 с.
5. Применение ультразвука в сельском хозяйстве [Электронный ресурс] // u-sonic.ru. — Режим доступа: https://u-sonic.ru/primenenie-ultrazvuka-v-promyshlennosti/primenenie-ultrazvukovykh-kolebaniy-dlya-uskoreniya-protsessov-v-zhidkikh-sredakh/primenenie-ultrazvuka-v-selskom-khozyaystve/ (дата обращения: 07.04.2026).
6. Влияние ультразвукового облучения на ризогенную активность растительных объектов — Семена льна [Электронный ресурс] // selo-delo.ru. — Режим доступа: https://selo-delo.ru/agroximiya-i-pochva/vliyanie-ultrazvukovogo-oblucheniya-na-rizogennuyu-aktivnost-rastitelnyh-obektov-semena-lna-1.html (дата обращения: 07.04.2026).
7. Патент RU№ 2849380МПК А01 С 1/02 (2006.01). Способ и устройство ультразвуковой обработки зерна / М. С. Волхонов, М. М. Беляков, И. А. Мамаева // заяв. и патентообл. ФГБОУ ВО КГСХА. № 2024105778 заявл. 04.03.2024; опубл. 24.10.2025, бюл. № 30. 10 с.: ил.
8. Лахиджаниан С., Назари М. Повышение скорости прорастания семян фасоли обыкновенной (Phaseolus vulgaris) с помощью ультразвуковой обработки // Seed Technology. — 2017. — Т. 38, № 1. — С. 49–55. — ISSN 1096–0724. — Текст: электронный // SLUB Dresden: [сайт]. — URL: https://katalog.slub-dresden.de/id/ai-55-aHR0cHM6Ly93d3cuanN0b3Iub3JnL3N0YWJsZS8yNjYyNTM5Mw (дата обращения: 06.04.2026).
9. MOOSAVI S. A., SIADAT S. A., POSHTDAR A., et al. Ultrasonic Assisted Seed Priming to Alleviate Aging Damages to Milk Thistle (Silybum marianum) Seeds // Notulae Scientia Biologicae. — 2018. — Текст: электронный // AGRIS: [сайт]. — URL: https://agris.fao.org/search/en/records/67597dc9c7a957febdf8e278 (дата обращения: 06.04.2026).
10. Miano A. C., Sabadoti V. D., Campestrini L. H., et al. Combining Ionizing Irradiation and Ultrasound Technologies: Effect on Beans Hydration and Germination // Journal of Food Science. — 2019. — Vol. 84, № 11. — P. 3179–3185. — DOI: 10.1111/1750–3841.14819.
11. Huang Y., Mei G., Fu X., et al. Ultrasonic Waves Regulate Antioxidant Defense and Gluconeogenesis to Improve Germination From Naturally Aged Soybean Seeds // Frontiers in Plant Science. — 2022. — Т. 13. — DOI: 10.3389/fpls.2022.833858. — Текст: электронный // КиберЛенинка: [сайт]. — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ultrasonic-waves-regulate-antioxidant-defense-and-gluconeogenesis-to-improve-germination-from-naturally-aged-soybean-seeds (дата обращения: 06.04.2026).