ZADANIA BADAWCZE - 2016:

1.    Oddziaływania mechaniczne w ośrodkach granularnych.

Kierownik: prof. dr hab. Marek MOLENDA

Kierownik Zadania: prof. dr hab. Marek Molenda

Zespół: Prof. dr hab. Józef  Horabik, dr hab. Mateusz Stasiak prof. IAPAN, dr Joanna Wiącek, dr Piotr Parafiniuk, dr Rafał Kobyłka, mgr Maciej Bańda

W ramach zadania badawczego 1  prowadzimy prace głównie w dwu kierunkach:  modelowanie numeryczne procesów mechanicznych występujących w technologiach materiałów rozdrobnionych oraz badania laboratoryjne właściwości materiałów sypkich pochodzenia roślinnego, biomasy i proszków spożywczych.     

Rolnictwo i przemysł spożywczy, podobnie jak przemysł chemiczny czy farmaceutyczny przetwarzają wielkie ilości materiałów rozdrobnionych. Podstawowe wymagania wobec technologii transportu i przetwarzania materiałów sypkich to niezawodność i bezpieczeństwo  procesów oraz wysoka jakość produktu końcowego. Wzrost skali produkcji dyktowany globalizacją rynków powoduje wzrost zastosowania surowców i produktów w formie sypkiej. Efektywne projektowanie procesów i urządzeń wymaga dokładnego zrozumienia i opisu zjawisk współtworzących mechanikę ośrodków rozdrobnionych. W porównaniu do materiałów mineralnych materiały rolnicze i spożywcze są szczególną kategorią ze względu na podatność na zmiany wilgotności oraz wysoką odkształcalność cząstek. Ziarna zbóż mają kształt bliski elipsoidalnego. Dlatego, w efekcie płynięcia przy działaniu grawitacji, tworzą złoża o silnej anizotropii, która powoduje nierównomierny rozkład obciążeń obiektów oddziałujących ze złożem oraz zaburzenia płynięcia. Ostatnio, parametry płynięcia zyskały na znaczeniu jako mierniki jakości produktów sypkich. Przedmiotem zainteresowania naszej grupy badawczej są aktualnie: struktura upakowania i płynność materiału oraz, przenoszenie naprężeń w ośrodku. W badaniach stosujemy metody laboratoryjne oraz metody numeryczne. Szczególnie intensywnie stosujemy metodę elementów dyskretnych, gdyż jest ona nowoczesnym i efektywnym narzędziem badawczym, które wciąż pozostaje w fazie rozwoju.

2.    Badanie nanostruktury i funkcjonalności polisacharydów oraz ich kompleksów.

Kierownik: dr inż. Justyna CYBULSKA

Kierownik: dr inz. Justyna Cybulska

Zespół: dr hab. Artur Zdunek, prof. IA PAN; dr Piotr Pieczywek; dr Eryk Łopaciuk; mgr Arkadiusz Kozioł; dr Joanna Mierczyńska - współpraca

Polisacharydy ścian komórkowych, celuloza, hemiceluloza i pektyny, posiadają bardzo ciekawe właściwości zarówno jako oddzielne biopolimery jak i kompozyty. Dotychczas nie wszystkie interakcje pomiędzy tymi polisacharydami są wyjaśnione, wciąż rozwijane są nowe możliwości ich zastosowań. Kolejnymi interesującymi i nie poznanymi związkami są polisacharydy zewnątrzkomórkowe produkowane przez algi i bakterie. Biorąc pod uwagę aktualne trendy w badaniach polisacharydów na świecie [3] oraz własne, udokumentowane doświadczenia [1, 2, 3], jako cel badań w najbliższych latach objęliśmy modelowanie właściwości mechanicznych oraz fizyko-chemicznych polisacharydów roślinnych i zewnątrzkomórkowych.
Polisacharydy roślinne  pełnią wiele funkcji biologicznych, mogą też być wykorzystywane jako materiały funkcjonalne w inżynierii żywności, farmacji, medycynie, jako składniki materiałów opakowaniowych i konstrukcyjnych. Polisacharydy zewnątrzkomórkowe, jak np. celuloza produkowana przez Gluconacetobacter xylinus czy też polisacharydy produkowane przez algi, ze względu na czystość i dostępność stanowią potencjalne źródło żywności i energii. Polisacharydy mogą podlegać licznym modyfikacjom pod wpływem zewnętrznych czynników fizycznych (np. ciśnienie, temperatura, ultradźwięki) i chemicznych (np. różne rozpuszczalniki, stężenie jonów wodorowych, jony metali) [4, 5, 6]. Ze względu na złożoną budowę i obecność różnych grup funkcyjnych mogą wchodzić w reakcje z różnymi związkami chemicznymi.

Efektem naukowym badań będą modele opisujące budowę oraz wzajemne interakcje polisacharydów ściany komórkowej. Uzyskane informacje pozwolą na lepsze poznanie funkcji pełnionych przez te związki w kształtowaniu właściwości ścian komórkowych roślin. Dzięki modelowaniu interakcji celulozy, hemicelulozy oraz pektyn z innymi związkami chemicznymi możliwe będzie odkrywanie nowych funkcji użytkowych tych związków w kontekście ich nowych zastosowań. Badania nad strukturą polisacharydów zewnątrzkomórkowych mają na celu opis ich budowy chemicznej i właściwości fizycznych i określenia możliwości ich wykorzystania.
Badania modelowe będą realizowane za pomocą metod obliczeniowych. Planuje się opracowanie modelowych cząsteczek  celulozy, hemicelulozy na przykładzie xyloglukanu XXXG oraz pektyn na przykładzie homogalakturonianu oraz ramnogalakturonianu typu I. Modelowe cząsteczki zostaną poddane działaniu sił zewnętrznych, a wyniki tych symulacji zostaną porównane z eksperymentami AFM. Opracowana zostanie metoda testu rozciągania polisacharydów przy użyciu AFM. Teoretyczne widma oscylacyjne będą użyte do interpretacji widm doświadczalnych uzyskanych z substancji wzorcowych. Posłużą do szczegółowego opisu drgań odpowiadających za powstawanie poszczególnych pasm na widmach Ramana i FT-IR.
Planuje się także wykorzystanie polisacharydów zewnątrzkomórkowych produkowanych przez algi Dictyosphaerium chlorelloides do badań nanostrukturalnych w zakresie możliwości ich samoorganizacji. Nanostruktura tych polisacharydów zostanie zobrazowana za pomocą mikroskopii sil atomowych a uzyskane obrazy zostaną poddane automatycznej analizie obrazu z wykorzystaniem dostępnego oprogramowania oraz metod opracowanych w Zakładzie.
Realizacja zadania przyczyni się do rozwoju wiedzy na temat nanostruktury i budowy molekularnej polisacharydów pochodzenia naturalnego. Specjalność ta cieszy się dużym zainteresowaniem wśród naukowców na świecie, natomiast w niewielkim stopniu jest rozwijana w Polsce. W Zakładzie Mikrostruktury i Mechaniki Biomateriałów ta tematyka jest systematycznie rozwijana  od 2006 roku i przynosi wymierne rezultaty w postaci publikacji i projektów. Podejście do tego zagadnienia podjęte przez Zespół jest interdyscyplinarne i zawiera elementy biofizyki, biotechnologii, chemii i biologii. Wyniki tych badań są wykorzystywane także praktycznie, m.in. w rozwijanych w Zakładzie technologiach przetwórstwa polisacharydów.

1. Cybulska J., Brzyska A., Zdunek A., Woliński K. (2014) AFM study on pectin structure form carrot and simulation of force spectroscopy of galacturonic acid molecules. PLOS One, 9(9):e107896.
2. Cybulska, J.,  Zdunek, A., Kozioł, A. (2015) Structural changes of cell wall pectin in the carrot during postharvest ripening. Food Hydrocolloids. 43, 41-50.
3. Cybulska J., Vanstreels E., Ho Q.T., Courtin C.M., Van Craeyveld V., Nicolaï B., Zdunek A., Konstankiewicz K., (2010) Mechanical characteristics of artificial cell walls. Journal of Food Engineering 96, 287–294.
4. Płaziński W. (2012) Conformational properties of acidic oligo- and disaccharides and their ability to bind calcium: a molecular modeling study. Carbohydrate Research 357, 111–117.
5. Noto R, Martorana V, Bulone D, San Biagio PL (2005) Role of Charges and Solvent on the Conformational Properties of Poly(galacturonic acid) Chains: A Molecular Dynamics Study. Biomacromolecules 6: 2555-2562
6. Braccini I, Rodríguez-Carvajal MA, Pérez S (2005) Chain−Chain Interactions for Methyl Polygalacturonate:  Models for High Methyl-Esterified Pectin Junction Zones. Biomacromolecules 6(3): 1322–1328

3.    Analiza składu biochemicznego ścian komórkowych tkanek roślinnych metodą mikrospektroskopii Ramana.

Kierownik: dr Monika SZYMAŃSKA-CHARGOT

Kierownik: dr Monika Szymańska-Chargot

Zespół: mgr Monika Chylińska, dr inż. Piotr M. Pieczywek, mgr Luiza Wątróbka, dr hab. Artur Zdunek

Celem realizacji zadania jest określenie zmian zawartości i lokalizacji polisacharydów w ścianie komórkowej tkanki owocu pomidora (Lycopersicon esculentum Mill.) podczas jego rozwoju przy pomocy obrazowania ramanowskiego. Cel ten związany jest z postawioną hipotezą badawczą, która mówi, że skład chemiczny ścian komórkowych oraz rozmieszczenie przestrzenne substancji budulcowych zmienia się podczas wzrostu owoców i warzyw, co ma wpływ na integralność ścian komórkowych.

Do lokalizacji polisacharydów ściany komórkowej owoców i warzyw najczęściej stosowaną metodą jest obrazowanie z wykorzystaniem przeciwciał. Metody immunocytochemiczne polegają na wykrywaniu i lokalizacji składników komórek i tkanek w oparciu o specyficzną reakcję wiązania antygen-przeciwciało. Antygenami mogą być przede wszystkim białka, ale również polisacharydy i kwasy nukleinowe. Uwidocznienie miejsca wiązania się przeciwciała z antygenem zlokalizowanym w komórce czy tkance możliwe jest jedynie pod warunkiem odpowiedniego znakowania. Metody te są niezwykle czasochłonne, dość drogie oraz selektywne.
Natomiast mapowanie ramanowskie może stanowić dla nich alternatywę, jako metoda niewymagająca skomplikowanego przygotowania tkanki do badań, wymagająca mniej odczynników chemicznych, co jest istotne biorąc pod uwagę aspekty zarówno ekologiczne, jak i ekonomiczne. Jest to również metoda dająca informacje spektralne na temat wszystkich składników próbki jednocześnie.
Mapowanie ramanowskie jest jedną z najbardziej rozwijanych w ostatnich latach technik spektroskopii Ramana. Metoda ta polega na zbieraniu widma Ramana w wielu, przestrzennie rozdzielonych punktach na powierzchni próbki. W wyniku, czego otrzymujemy tzw. obraz chemiczny, a jego analizę możemy przeprowadzić poprzez wybór odpowiednich pasm odpowiedzialnych za określone drgania. Dzięki czemu otrzymujemy informacje na temat rozmieszczenia związków chemicznych na powierzchni skanowanego materiału.

Uzyskane podczas realizacji zadania mapy ramanowskie posłużą do zbadania przestrzennego rozlokowania substancji budulcowych roślinnych ścian komórkowych widocznych na obrazach mikroskopowych. Zestawienie wyników uzyskanych przy pomocy mikrospektroskopu ramanowskiego i mikroskopu konfokalnego (immunocytochemia) oraz analiz chemicznych i widm podczerwieni pozwoli zdobyć informacje na temat realnych zmian polisacharydów (ich ilości oraz rozmieszczenia) zachodzących podczas wzrostu i dojrzewania w ścianach komórkowych pomidora. Dodatkowo metoda obrazowania ramanowskiego zostanie zwalidowana metodą znakowania przeciwciałami w przypadku lokalizacji pektyn.



Referencje:

1. Chylińska M, Szymańska-Chargot M, Zdunek A (2014) Imaging of polysaccharides in the tomato cell wall with Raman microspectroscopy. Plant Meth 10: 14.
2. Gierlinger N, Keplinger T, Harrington M (2012) Imaging of plan cell walls by confocal Raman microscopy. Nat Protoc 7:1694-1708.
3. Qin J, Chao K, Kim MS (2011) Investigation of Raman chemical imaging for detection of lycopen changes in tomatoes during postharvest ripening. J Food Eng 107: 277-288.
4. Richter S, Mussig J, Gierlinger N (2011) Functional plant cell wall design revealed by the Raman imaging approach. Planta 233:768–772.
5. Szymańska-Chargot M, Zdunek A (2013) Use of FT-IR Spectra and PCA to the Bulk Characterization of Cell Wall Residues of Fruits and Vegetables Along a Fraction Process. Food Bioph 8: 29-42.
6. Szymańska-Chargot M, Chylińska M, Kruk,B, Zdunek A (2015) Combining FT-IR spectroscopy and multivariate analysis for qualitative and quantitative analysis of the cell wall composition changes during apples development. Carbohydr Pol 115: 93-103.
7. Szymańska-Chargot M., Pieczywek P. M., Chylińska M.,  Zdunek A. (2016a) Hyperspectral image analysis of Raman maps of plant cell walls for blind spectra characterization by nonnegative matrix factorization algorithm. Chemometr Intell Lab 151:136-145
8. Szymańska-Chargot M., Chylińska M., Pieczywek P. M., Rösch P., Schmitt M., Popp J.,  Zdunek A. (2016b) Raman imaging of changes in the polysaccharides distribution in the cell wall during apple fruit development and senescence. Planta (2016b), DOI:10.1007/s00425-015-2456-4

4.    Badanie oddziaływań białek glutenowych z błonnikami pokarmowymi.

Kierownik: dr Agnieszka NAWROCKA

adanie oddziaływań białek glutenowych z błonnikami pokarmowymi

Kierownik: dr Agnieszka Nawrocka

Zespół: dr hab. Antoni Miś, prof. IA PAN; dr hab. inz. Robert Rusinek; dr Marek Gancarz; dr Tadeusz Rudko; Zbigniew Niewiadomski

Wzrastająca świadomość konsumentów na temat prozdrowotnych walorów błonnika pokarmowego powoduje ciągły wzrost zapotrzebowania na produkty bogate w błonnik pokarmowy o odpowiednim smaku, zapachu, teksturze oraz wyglądzie. Chleb jako podstawowy składnik diety świata zachodniego wydaje się być odpowiednim sposobem na zwiększenie spożycia błonnika pokarmowego oraz dostarczenia polisacharydów oraz przeciwutleniaczy. Jednakże, dodawanie preparatów błonnikowych do pieczywa powoduje obniżenie jego jakości tzn. mniejsze spulchnienie bochenka, ziarnistą teksturę oraz nieodpowiedni smak i zapach (Collar et al., 2007). Jakość pieczywa jest ściśle związana ze strukturą białek glutenowych (gliadyn i glutenin), które biorą udział w tworzeniu lepko-sprężystej sieci w cieście nazywanej glutenem. Dodawanie różnych związków chemicznych (np. rozpuszczalnych i nierozpuszczalnych w wodzie polisacharydów, antocyjanów oraz kwasów fenolowych) do ciasta powoduje zakłócenia w sieci glutenowej poprzez tworzenie nowych wiązań wodorowych oraz zmiany w konformacji mostków disiarczkowych. Prowadzi to do zwijania lub agregacji kompleksów białkowych w wyniku czego powstaje sieć glutenowa o zmienionych właściwościach mechanicznych. Celem naszych badań jest określenie zmian we właściwościach reologicznych ciasta oraz strukturze białek glutenowych powstających w wyniku interakcji z badanymi preparatami błonnikowymi oraz połączenie tych zmian ze składem chemicznym tych preparatów. Jakość ciasta chlebowego badana jest z wykorzystaniem technik farinograficznych i ekstensograficznych (Miś, 2011; Miś & Dziki, 2013; Nawrocka et al., 2016a). Natomiast metody spektroskopowe (spektroskopia FTIR i Ramana), termiczne (termograwimetria) i mikroskopowe (skaningowa mikroskopia elektronowa) są używane w celu określenia zmian w strukturze białek glutenowych (Nawrocka et al. 2015, 2016a, 2016b).

Literatura

1. Collar C., Santos E., Rossell C.M. Assessment of the rheological profile of fibre-enriched bread doughs by response surface methodology. Journal of Food Engineering 2007, 78, 820-826.
2. Miś A. Interpretation of mechanical spectra of carob fibre and oat-wholemeal-enriched wheat dough using non-linear regression models. Journal of Food Engineering 2011, 102, 369-379.
3. Miś A., Dziki D. Extensograph curve profile model used for characterising  the impact of dietary fibre on wheat dough. Journal of Cereal Science 2013, 57, 471-479.
4. Nawrocka A., Szymańska-Chargot M., Miś A., Ptaszyńska A.A., Kowalski R., Waśko P., Gruszecki W.I. Influence of dietary fibre on gluten protein structure – a study on model  flour with application of FT-Raman spectroscopy. Journal of Raman Spectroscopy 2015, 46, 309-316.
5. Nawrocka A., Miś A., Szymańska-Chargot M. Characteristics of relationships between structure of gluten proteins and dough rheology – Influence of dietary fibres studied by FT-Raman spectroscopy. Food Biophysics 2016a, 11, 81-90.
6. Nawrocka A., Szymańska-Chargot M., Miś A., Kowalski R., Gruszecki W.I. Raman studies of gluten proteins aggregation induced by dietary fibres. Food Chemistry 2016b, 194, 86-94.

5.    Zastosowanie spektroskopii dielektrycznej do badania właściwości biomateriałów.

Kierownik: prof. dr hab. Wojciech SKIERUCHA

Kierownik: prof. dr hab. Wojciech SKIERUCHA
Zespół: dr Andrzej Wilczek, dr Agnieszka Szypłowska, dr Marcin Kafarski

Prace badawcze koncentrować się będą na:

a)    badaniach jakości owoców pestkowych na podstawie ich właściwości elektrycznych, szczególnie w szerokopasmowym zakresie częstotliwości 20 Hz – 20 GHz przy wykorzystaniu technik pomiarowych spektroskopii dielektrycznej,
Kontynuowane będą pomiary właściwości dielektrycznych owoców pestkowych, zapoczątkowane w roku 2015, gdy wykonano pomiary jabłek (odmiana Jonagold Dekosta) w okresie klimakteryjnym. Celem badań jest wyznaczenia wskaźników dielektrycznych dojrzałości owoców w czasie ich przechowywania oraz wskaźników dielektrycznych optymalnego terminu zbioru owoców. W badaniach dielektrycznych wykorzystywane będzie specjalnie w tym celu zbudowane sondy dielektryczne i stanowisko pomiarowe (Rys. 1), a parametry dielektryczne owoców, takie jak: konduktywność elektryczna dla niskich częstotliwości, wartości częstotliwości odpowiadających dyspersji spowodowanej efektami międzyfazowymi Maxwella-Wagnera, wodą związaną oraz wodą swobodną, wartości części rzeczywistej i urojonej zmierzonej zespolonej przenikalności elektrycznej dla częstotliwości ISM (industrial-scientific-medical), tangens kąta stratności, będą korelowane z jakościowymi parametrami fizyko-chemicznymi badanych owoców, tzn. jędrnością, zawartością skrobi, zawartością ekstraktu (soluble solids content). Planuje się zbadanie kilku odmian jabłek i gruszek w okresie bezpośrednio przed i po zbiorze oraz w początkowym okresie przechowywania.

b)    prowadzeniu prac rozwojowych nad nowymi rozwiązaniami aparaturowymi i programowymi systemów monitoringu wilgotności, zasolenia i temperatury.
Ciągły rozwój, miniaturyzacja, zwiększanie funkcjonalności i niezawodności, powszechność oraz dostępność narzędzi elektronicznych i informatycznych stwarzają możliwość ich wykorzystania w systemach monitoringu parametrów fizycznych i chemicznych środowiska glebowego. Bazując na wcześniej opracowanych i skomercjalizowanych przez IA PAN systemach pomiarowych wykorzystujących technikę TDR, opracowana zostanie zintegrowana sonda profilowa wilgotności, temperatury i zasolenia gleby (Rys. 2). W sondzie tej wykorzystane zostanie rozwiązanie z krajowego zgłoszenia patentowego (P.414096 z dn. 21.09.2015 r.). Przedstawiona sonda umożliwi nie tylko pomiar trzech wielkości fizycznych na określonych głębokościach gleby, ale również dynamikę zmian tych wielkości. Planuje się wykorzystanie w sondzie profilowej najnowszych osiągnięć z dziedziny Internetu Rzeczy (IoT – internet of things), tzn. łączności bezprzewodowej do łączenia wielu sond w system monitoringu oraz jego kontrolę poprzez serwer internetowy, ekonomiczne zasilanie bateryjne, komunikację z sondami za pośrednictwem aplikacji mobilnej. Przy opracowaniu sondy wykorzystana będzie cyfrowa technika symulacji FEM, tzn. analizowane będą parametry odbiciowe i transmisyjne impulsów elektromagnetycznych w zakresie częstotliwości radiowych i mikrofalowych (10 MHz – 20 GHz) linii transmisyjnych na powierzchni sondy profilowej. Zastosowanie symulacji cyfrowych FEM dla czujników o zróżnicowanej konstrukcji mechanicznej, znacznie ułatwia analizę rozkładu pola elektromagnetycznego w materiale zawartym w objętości mierzonej czujnika. W odróżnieniu do cyfrowych symulacji, uzyskanie opisu analitycznego rozkładu pola elektromagnetycznego jest bardzo skomplikowane, a dla złożonych konstrukcji czujników czasami niemożliwe.

6.    Monitoring i modelowanie środowiska wzrostu roślin  i jakości płodów rolnych w kontekście bezpiecznej żywności i adaptacji do zmian klimatu.

Kierownik: dr hab. Piotr BARANOWSKI, prof. IA PAN

Kierownik: dr hab. Piotr Baranowski, porf. IA PAS

Zespół: prof. dr hab. Cezary Sławiński; dr Wojciech Mazurek; dr Jaromin Krzyszczak; mgr Anna Siedliska

Założeniem proponowanych badań jest to, że zmiany klimatu wpływają na rośliny i płody rolne oraz inne systemy naturalne w złożony sposób, a modyfikacje takich parametrów jak temperatura czy opad mogą w radykalny sposób rzutować na produkcję rolniczą. W umiarkowanej strefie klimatycznej naszego kraju badanie wyłącznie zmian średniej temperatury powietrza lub średniego opadu nie jest wystarczające do zrozumienia występujących w atmosferze trendów i konsekwencji tych zmian dla żywych organizmów. Dlatego konieczne jest szukanie bardziej wyrafinowanych metod analizy wieloletnich szeregów meteorologicznych aby móc określić korelacje długo-zasięgowe, które wiązać można również ze zmianami klimatu. Takimi metodami są analiza multifraktalna i teoria chaosu, które jak sądzimy na podstawie wstępnych badań, pozwolą wyznaczyć parametry dające się łatwo powiązać z dynamiką procesów w atmosferze odpowiedzialnych za zmiany klimatu.
Celem zadania jest rozwijanie matematyczno-fizycznych metod opisu stanu środowiska wzrostu roślin i płodów rolnych, uwzględniających zmiany klimatyczne i wybrane czynniki odpowiedzialne za produkcję bezpiecznej żywności. W szczególności planuje się:
- zastosowanie analizy multifraktalnej i teorii chaosu do opisu korelacji długo-zasięgowych w szeregach czasowych wielkości agro-meteorologicznych (rys. 1);
- modelowanie, na podstawie danych historycznych i aktualnych, wpływu różnych scenariuszy zmian klimatu na plonowania zbóż (rys. 2);
- monitoring i modelowanie emisji gazów cieplarnianych z ekosystemów rolniczych (rys. 3);
- opracowanie wczesnych metod detekcji infekcji grzybowych liści roślin i owoców z uwzględnieniem  rodzajów infekcji pojawiających się jako skutek zmiany klimatu.
Efektem realizacji zadania będzie opracowanie matematycznych metod opisu elementów systemu gleba-roślina atmosfera i jakości wybranych płodów rolnych, uwzględniających możliwe scenariusze zmian klimatu. Dokonana zostanie analiza czułości wybranych modeli wzrostu i plonowania roślin na zmiany parametrów agrometeorologicznych zgodnie z istniejącymi scenariuszami zmian klimatu. Rozwinięta zostanie metoda hiperspektralna wczesnego wykrywania, od niedawna występujących w Polsce, infekcji grzybowych roślin. Wiele ośrodków badawczych na całym świecie jest zainteresowanych rozwiązaniem tych problemów, a pozytywne wyniki realizacji zadania mogą stanowić znaczący wkład do tych badań.
Metodologiczne i praktyczne wyniki badań w postaci gotowych do użycia procedur identyfikacji i klasyfikacji niektórych infekcji grzybowych w tkankach owoców miękkich będą wykorzystane w  pracach wdrożeniowych, które będą przedmiotem osobnych projektów składanych do NCBiR.

7.    Fizyczne i biologiczne podstawy produkcji i przetwarzania biomasy na surowce energetyczne.

Kierownik: prof. dr hab. Jerzy TYS

Kierownik: prof. dr hab. Jerzy Tys
Zespół: prof. dr hab. Bohdan Dobrzański; dr inż. Agnieszka Kasprzycka; dr Izabela Krzemińska; dr Dariusz Wiącek; mgr Mariola Chmielewska; mgr inż. Justyna Lalak; mgr Agata Piasecka; mgr Edyta Magierek; dr Marta Oleszek - współpraca

W ostatnich latach zwiększyło się zapotrzebowanie na energię odnawialną, co związane jest ze zmniejszającymi się zasobami energii konwencjonalnej. Polska zobowiązana jest do realizacji celów ilościowych na rok 2020, w ramach pakietu klimatyczno-energetycznego,  
tzw. „3 x 20%” czyli zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych o 20% w stosunku do roku 1990, zmniejszenie zużycia energii o 20%, zwiększenie udziału odnawialnych źródeł energii do 20% całkowitego zużycia energii w UE, w tym zwiększenie wykorzystania odnawialnych źródeł energii w transporcie do 10%. W związku z powyższym badania prowadzone w Zadaniu  ukierunkowane są na realizację badań, których wyniki są odpowiedzią na rodzące się zagadnienia w ramach wykorzystywania surowców na cele energetyczne.
W obszarze zadania badawczego pt.: „Fizyczne i biologiczne podstawy produkcji
i przetwarzania biomasy na surowce energetyczne” realizowane są zagadnienia z zakresu: zagospodarowania i przetwarzania odpadów organicznych różnego pochodzenia, pozyskiwania i przetwarzania nowych źródeł energii – mikroglony oraz określania właściwości energetycznych biomasy roślinnej.
Profil badań zadania obejmuje kilka zagadnień dotyczących m.in.: obróbki wstępnej trudnorozkładalnej biomasy ligninocelulozowej do produkcji biometanu, optymalizacji parametrów procesu fermentacji metanowej, wyboru biomasy w kierunku skomponowania najkorzystniejszej mieszanki surowców, zagospodarowania osadu pofermentacyjnego oraz opracowywania różnych metody przetwarzania osadu w celu wykorzystania go jako nowy produkt. Ponadto do badań wykonywanych w Zadaniu należą badania dotyczące biomasy mikroglonów. Biomasa glonów jednokomórkowych uważna jest za jeden z obiecujących surowców do produkcji biopaliw (Tang et al.2011). Poszczególne gatunki glonów różnią się wymaganiami pokarmowymi i środowiskowymi. Dlatego też, warunki hodowli mają wpływ na wzrost glonów i produkcję biomasy (Krzemińska i in. 2014). Celem prowadzonych badań jest analiza parametrów wzrostu oraz zmian w składzie biochemicznym jednokomórkowych glonów w celu oceny możliwości wykorzystania w hodowli podłoży modyfikowanych. Planowane badania obejmować będą prowadzenie eksperymentalnych hodowli na modyfikowanych podłożach oraz analizy pomiarów przyrostu biomasy z wykorzystaniem metod spektrofotometrycznych, mikroskopowych oraz metod wagowych. W celu oceny składu biochemicznego przeprowadzona będzie analiza ilościowa i jakościowa biomasy glonów jednokomórkowych. Dodatkowo w Zadaniu wykonywane są badania z wykorzystaniem fizycznych metod oceny jakości owoców i warzyw, badania właściwości mechanicznych materiałów roślinnych w warunkach obciążeń statycznych i dynamicznych, badania barwy materiałów roślinnych. Wykonywana jest również ocena porównawcza właściwości mechanicznych płodów rolnych, wyznaczanie parametrów wytrzymałościowych materiałów istotnych w rolnictwie i przetwórstwie rolno-spożywczym, badania porównawcze właściwości mechanicznych owoców, warzyw, nasion i pędów kwiatów, badania, analiza i ocena barwy materiałów pochodzenia rolniczego, wpływ technologii rolniczych zbioru, transportu, magazynowania oraz czasu składowania owoców i warzyw.

Piśminnictwo:

1. Alam M.Z., Mahmat M.E., Muhammad N..:  Solid state bioconversion of oil palm biomass for ligninase enzyme production (2005 r.)  Artif. Cells, Blood Substitutes, Immobilization Biotechnol., 33, 457–466
2. Kasprzycka A., Lalak J., Tys J.:  Wpływ stopnia rozdrobnienia biomasy roślinnej na produkcję biogazu. (2015 r.) Acta Agrophysica 2015, Vol. 22, 2, 139-149
3. Krzemińska I., Pawlik-Skowrońska B., Trzcińska M., Tys J. 2014: Influence of photoperiods on the growth rate and biomass productivity of green microalgae. Bioprocess and Biosystems Engineering, Vol. 37, 4, 735-741
4. Lalak J., Kasprzycka A., Martyniak D., Tys J.:  Effect of biological pretreatment of Agropyron elongatum ‘BAMAR’ on biogas production by anaerobic digestion (2016 r.) Bioresource Technology 2016, Vol. 200, doi:10.1016/j.biortech.2015.10.022, 194-200
5. Tang H., Chen M., Garcia M.E.D., Abunasser N., Simon Ng K.Y., Salley S.O., 2011. Culture of microalgae Chlorella minutissima for biodiesel feedstock production. Biotechnol. Bioeng. 108, 10, 2280-2287
6. Wiącek D., Tys J.:  Biogaz – wytwarzanie i możliwości jego wykorzystania (2015 r.) Acta Agrophysica Monographiae PL 2015, 1-92

8.    Wpływ modyfikacji fazy stałej na jej właściwości i procesy fizykochemiczne zachodzące w glebie i roślinie.

Kierownik: prof. dr hab. Zofia SOKOŁOWSKA

9.     Wpływ sposobu użytkowania gleb na ich stan fizyczny oraz wzrost roślin.

Kierownik: prof. dr hab. Jerzy LIPIEC

Kierownik: prof. dr hab. Jerzy Lipiec

Zespół: dr Anna Siczek; dr Marcin Turski

Sposób użytkowania (tzn. rolniczy, łąkowy, leśny) oraz intensywne użytkowanie gleby (np. stosowanie nowoczesnych i ciężkich maszyn rolniczych), ograniczony dobór roślin uprawnych i niski poziom nawożenia organicznego wpływają na stan fizyczny (zagęszczenia) gleb oraz wzrost roślin. Nadmierny stan zagęszczenia gleby powstaje w wyniku istotnego zmniejszenia porowatości całkowitej gleby oraz udziału porów dużych. Wzrost stanu zagęszczenia gleby prowadzi do pogorszenia warunków wzrostu roślin, w tym zmniejszenia długości, rozgałęzienia oraz zmian anatomicznych i funkcjonowania korzeni. W wyniku tych zmian odległość między najbliższymi korzeniami się zwiększa i ogranicza pobieranie wody i składników pokarmowych a pozostające w glebie składniki mineralne wymywane są poniżej strefy korzeniowej. Niekorzystny stan zagęszczenia wynika również z obecności w profilu glebowym warstw zbitych takich jak podeszwa płużna oraz genetycznych podpoziomów orsztynowych (rudawcowych) w obrębie poziomów iluwialnych B (Fot. 1), w wielu wypadkach zalegających płytko pod powierzchnią gleby.
Celem badań jest określenie wpływu:

1. stanu zagęszczenia gleb użytkowanych rolniczo na wzrost wybranych roślin uprawnych w warunkach fitotronowych. Reakcja roślin na stan zagęszczenia gleby jest charakteryzowana przez parametry, jak: powierzchnia i masa części nadziemnych, średnica i długość korzeni w określonych przedziałach średnic za pomocą analizy obrazu, powierzchnia właściwa, całkowita pojemność kationowymienna i gęstość ładunku powierzchniowego korzeni metodami fizykochemicznymi.
2. scementowanych poziomów genetycznych B z orsztynem na właściwości fizyczne i fizykochemiczne gleb łąkowych i leśnych.  Wybrano cztery gleby w Polsce południowo-wschodniej, które charakteryzują się różną miąższością i głębokością zalegania poziomów orsztynowych. Stan fizyczny badanych gleb opisywany jest na podstawie wyników oznaczeń oporu penetrometrycznego, wytrzymałości na zgniatanie, rozkładu porów wg wymiaru, tempa zwilżania z zastosowaniem wody i etanolu, oraz wskaźnika hydrofobowości. Właściwości te wywierają istotny wpływ na wzrost roślin oraz zdolności przewodzące i retencyjne gleb. Badania obejmują poziomy orsztynowe jak też sąsiadujące bez orsztynu.

Realizacja zadania badawczego przyczyni się do rozwoju złożonego i mało poznanego kierunku badawczego w zakresie rozpoznania wpływu czynników fizycznych i fizykochemicznych na wzrost roślin w warunkach różnych stanów zagęszczenia i sposobów użytkowania gleb. Szczegółowe zbadanie gleb orsztynowych ma praktyczne znaczenie w odpowiednim zarządzaniu użytkami zielonymi i gospodarce leśnej, zwłaszcza szkółkarstwie.

10.   Wpływ właściwości fizycznych gleby i stresów abiotycznych na wzrost i plonowanie wybranych roślin uprawnych.

Kierownik: dr hab. Artur NOSALEWICZ, prof. IA PAN

Kierownik: dr hab. Artur Nosalewicz, prof. IA PAN

Zespół: dr hab. Jerzy Rejman, prof. IA PAN; mgr Anna Rafalska-Przysucha, mgr inż. Katarzyna Kondracka; mgr Joanna Siecińska

W warunkach polowych rośliny uprawne często narażone są na jednoczesne działanie wielu niekorzystnych czynników środowiskowych. Susza glebowa, jeden z najważniejszych stresów abiotycznych prowadzi to do zahamowania wzrostu roślin i wynikającego z niego obniżenia plonowania roślin. Przewidywania zmian klimatu zakładają częstsze występowania ekstremalnych zjawisk pogodowych.
Celem prowadzonych badań jest określenie wpływu oddziaływania wybranych czynników środowiskowych na wzrost, funkcjonowanie i plonowanie roślin uprawnych wzrastających w warunkach suszy glebowej. Badania będą obejmowały analizę reakcji pszenicy na jednoczesne oddziaływanie suszy oraz toksyczności glinu w glebie kwaśnej; suszy i wysokiej temperatury.
Ponadto w badaniach laboratoryjnych i polowych określony zostanie wpływ niedoborów wody w glebie o różnym stopniu zerodowania gleby płowej wytworzonej z lessu i związanych z tym zmian właściwości gleby: retencji wodnej, oporu mechanicznego i przewodnictwa elektromagnetycznej na wzrost oraz plonowanie kukurydzy.
Jednym z najważniejszych czynników ograniczającym wzrost roślin uprawnych w glebach o pH poniżej 5,5 jest toksyczne działanie jonów glinu. Obecnie prowadzone są badania nad nowymi odmianami pszenicy o zwiększonej odporności na toksyczne działanie glinu w glebach kwaśnych. Wykorzystywane mechanizmy odporności tych odmian obejmują min. Intensywne wydzielane kwasów organicznych wiążących glin glebowy. Hodowla tych odmian może w niektórych warunkach być ekonomicznie uzasadniona alternatywą dla wapnowania gleby. Złożone interakcje między:  (i) zawartością i dostępnością dla roślin glinu w roztworze glebach o niskim potencjale wody glebowej i zredukowanym poborem wody glebowej przez rośliny w czasie suszy; (ii) wzrostem oporu mechanicznego gleby ze spadkiem wilgotności gleby i skróceniem korzeni w wyniku toksyczności glinu stanowią interesujący i nie do końca rozpoznany obszar badań.
W warunkach polowych stres suszy i wysokiej temperatury często występują jednocześnie. Reakcja roślin na te stresy nie jest w pełni poznana, a informacja o wpływie tych stresów na wzrost roślin jest potrzebna do przewidywania plonowania roślin i oceny wpływy zmian klimatu na produkcję żywności w przyszłości.
Badania będą prowadzone w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Wybrane odmiany będą wzrastały kolumnach glebowych z precyzyjnie kontrolowanym potencjałem wody glebowej. Analizy będą obejmowały określenie wpływu natężenia czynników stresowych na biomasę części nadziemnych i korzeni, rozmieszczenie długości korzeni z głębokością, natężenie fotosyntezy i transpirację, zawartość chlorofilu, funkcjonowanie fotosystemu II (Fv/Fm, test OIJP), efektywność zużycia wody i plon biomasy i ziarna.
Rezultatem tych badań będzie poznanie złożonej reakcji badanych roślin na oddziaływanie wielu stresów co będzie pomocne w opracowaniu sposobów ograniczających wpływ tych czynników na plonowanie roślin uprawnych.

11.   Wpływ minerałów ilastych i substancji bioaktywnych na porowatość i trwałość struktur agregatowych.

Kierownik: prof. dr hab. Grzegorz JÓZEFACIUK

12.   Ocena zasobów wody w glebie z pomiarów bezpośrednich i zdalnych.

Kierownik: prof. dr hab. Bogusław USOWICZ

Kierownik: prof. dr hab. Bodusław Usowicz

Zespół: dr Mateusz Łukowski; prof. dr hab. Zofia Sokołowska, prof. dr hab. Jerzy Lipiec

Woda znajdująca się w glebie jest bardzo istotnym elementem środowiska, mającym duże znaczenie zarówno w skali globalnej jak i lokalnej. Wilgotność powierzchniowej warstwy gleby jest kluczowym czynnikiem wpływającym na klimat oraz obieg wody i energii na lądowym obszarze naszej planety. Wiedza na ten temat ma rosnące znaczenie, zwłaszcza w kontekście obserwowanego wzrostu intensywności występowania szkodliwych i niebezpiecznych zjawisk pogodowych. Badania ilości wody zawartej w glebie pozwalają na przewidywanie i przeciwdziałanie niekorzystnym zjawiskom, takim jak powodzie, susze czy erozja gleby. Odpowiednie uwilgotnienie pól uprawnych jest jednym z najważniejszych czynników zapewniających prawidłowy wzrost i rozwój roślin, co przekłada się na lepszą efektywność upraw rolniczych i wzrost jakości żywności. Dla województwa lubelskiego monitorowanie zawartości wody w glebie jest szczególnie ważne ze względu na stosunkowo niskie zasoby wód powierzchniowych i bardzo dużą podatność gleb na erozję. Te niesprzyjające uwarunkowania mogą prowadzić do występowania szkodliwych zjawisk takich jak pożary, susze, powodzie czy spływy powierzchniowe gleby. Aby im zapobiegać, potrzeba stałego monitorowania ilości wody zgromadzonej w glebie.
Celem badań jest ocena zasobów wody zawartej w powierzchniowej warstwie gleby. Ocena ta polega przede wszystkim na poznaniu rozkładu wilgotności gleby i jest wykonywana w różnych skalach: dla obszaru Lubelszczyzny, Polski i Europy. Wilgotność gleby monitorowana jest w wybranych punktach za pomocą sieci automatycznych stacji agrometeorologicznych, zlokalizowanych we wschodniej części Polski. Prowadzone są również ręczne, bezpośrednie pomiary polowe metodą grawimetryczną i TDR. Pomiary takie są dokładne, ale ze swej natury punktowe, więc w kolejnym kroku zebrane wyniki są estymowane do rozkładu ciągłego za pomocą metod statystyki przestrzennej. Niestety, otrzymane w ten sposób rozkłady niejednokrotnie obarczone są błędem, tym większym im mniej punktów pomiarowych. Aby uzyskać wiarygodny rozkład wilgotności gleby dla rozległego obszaru potrzeba więc wykonania odpowiednio dużej ilości pomiarów, co wymaga znacznego zaangażowania środków.
Z wymienionych powodów, do badań w dużych skalach coraz częściej używane są pomiary zdalne. „Zdalne”, czyli bezdotykowe, prowadzone z pewnej wysokości, której rozpiętość wynosi od kilku metrów (radiometry zamontowane na wieżach obserwacyjnych np. ELBARA) do kilkuset kilometrów (satelity takie np. SMOS i Sentinel). Wdrożenie technologii satelitarnych do badań środowiska przyrodniczego jest jednym z ważniejszych zadań przedstawionych w Krajowym Planie Rozwoju Sektora Kosmicznego w Polsce na lata 2014-2020 i powołanej w 2014 roku Polskiej Agencji Kosmicznej. Metody te pozwalają na obserwację wilgotności gleby na dużym obszarze, dokonaną w krótkim czasie (a więc spójną), a przy tym relatywnie tanią. Pomimo tych bezsprzecznych zalet, pomiary zdalne ograniczają się do powierzchniowej warstwy gleby, dlatego do określania zasobów wody w głębszych warstwach potrzebna jest wiedza hydrologiczna. Połączone informacje uzyskane z pomiarów bezpośrednich, satelitarnych i z wieży obserwacyjnej, wsparte modelowaniem, pozwalają na poznanie ilości wody obecnej w glebie, a więc na oszacowanie jej zasobów.

13.   Wpływ wybranych właściwości fizykochemicznych gleb na zjawiska zachodzące na powierzchni gleby pod wpływem uderzenia kropli wody.

Kierownik: dr Magdalena RYŻAK

Kierownik: dr Magdalena Ryżak

Wykonawcy: dr inż. Agata Sochan

Gleba jest naturalnym tworem wierzchniej warstwy skorupy ziemskiej i odgrywa ważną rolę w funkcjonowaniu wielu ekosystemów. Jest jednym z głównych czynników decydujących o obiegu wody w przyrodzie, a także elementem kształtującym krajobraz,  jest również podstawą produkcji rolnej. Gleba jak i inne elementy środowiska naturalnego jest narażona na wiele różnych czynników mogących powodować jej degradację. Jednym z tych czynników jest woda. Zjawisko erozji może zaczynać już w chwili upadku pojedynczej kropli opadu na powierzchnię gleby. Odrywanie się materiału glebowego od jej powierzchni w wyniku uderzenia o kropli wody nazywa się rozbryzgiem. Dotychczas stosowane w pomiarach erozji metody badawcze opierały się w większości na analizie masy materiału glebowego, jaki został przeniesiony w wyniku rozbryzgu. Aby pomiar taki był możliwy na glebę musiało spaść wiele kropli, aby masa zgromadzonego materiału była na tyle duża, żeby mogła być mierzalna.

Rozpoczęte zadanie badawcze ma na celu poznanie czynników, jakie decydują o podatności gleby na erozję. Zbadanie oraz określenie wpływu różnych właściwości fizykochemicznych gleby na rozbryzg pozwoli na lepsze zrozumienie samego zjawiska, jak również w dalszej perspektywie może umożliwić ograniczanie zjawiska erozji, które ma niekorzystny wpływ na środowisko glebowe.

Zastosowanie do pomiaru zjawiska rozbryzgu szybkich kamer (rejestrujących z szybkością min. 2000 klatek na sekundę) pozwoli na obserwację przebiegu uderzenia pojedynczej kropli o powierzchnię gleby. Dobór zróżnicowanego materiału glebowego (zarówno pod względem rozkładu granulometrycznego, jak i pod względem właściwości fizykochemicznych) pozwoli na znalezienie zależności pomiędzy różnymi właściwościami gleby, a jej podatnością na erozję. Zastosowanie opracowanej w Instytucie Agrofizyki metody pojedynczej kropli do badania rozbryzgu pozwoli na obserwację przebiegu zjawiska przy określonej wilgotności początkowej gleby. Wilgotność ta w miejscu padania kropli zmienia się znacznie po upadku każdej kolejnej kropli.
W ramach realizacji zadania prowadzone będą badania wpływu rozkładu granulometrycznego gleby, typu gleby, wilgotności początkowej oraz zwilżalności na podatność gleby na rozbryzg. Na gleby umieszczone w aluminiowych pierścieniach padać będą pojedyncze krople. Zjawisko rozbryzgu rejestrowane będzie przy wykorzystaniu zestawu 3 kamer (Phantom Miro M 310). Po zarejestrowaniu zjawiska analizowana będzie: liczba oderwanych cząstki gleby i/lub kropelek które uległy rozbryzgowi, ich trajektorie oraz prędkości. W przypadku większych wilgotności, gdy utworzy się tzw. korona, analizowany będzie jej kształt i czas powstawania oraz rozerwania.

Piśmiennictwo:

1. Mouzai L., Bouhadef M.: Water drop erosivity: Effects on soil splash. Journal of Hydraulic Research 41(1), 61-68, 2003.
2. Ryżak M., Bieganowski A.: Using the image analysis method for describing soil detachment due to the single waterdrop impact. Sensors 12, 11527-11543, 2012.
3. Ryżak M., Bieganowski A., Polakowski C.:  The problem of reproducibility of measurements using a single drop splash of simulated precipitation. PLoS One 2015, Vol. 10(3): e0119269, doi:10.1371/journal.pone.0119269

14.   Modelowanie właściwości fizycznych i procesów transportu w ośrodkach porowatych.

Kierownik: dr hab. Krzysztof LAMORSKI

Kierownik: dr hab. Krzysztof Lamorski

Zespół: prof. dr hab. Cezary Sławiński; mgr Bartłomiej Gackiewicz

Zjawiska transportu w ośrodkach porowatych są ważne ze względów praktycznych i interesujące z poznawczego  punktu widzenia. W szczególności gleba jest przykładem ośrodka porowatego o wielkim znaczeniu dla człowieka. Szereg ważnych właściwości  gleby, jak zdolność do retencjonowania wody, czy inne właściwości hydrologiczne wynika z faktu że jest to ośrodek porowaty.
Celem zadania jest badanie i opis zjawisk transportu zachodzących w ośrodkach porowatych. Szczegółowym tematem badań jest modelowanie współczynnika nasyconego przewodnictwa wodnego w oparciu o trójwymiarowe zobrazowania tomograficzne ośrodka glebowego. Współczynnik nasyconego przewodnictwa wodnego jest makroskopową charakterystyką ośrodka glebowego – jego wielkość  określa na ile łatwo woda jest w stanie przemieszczać się w glebie całkowicie nią nasyconą.
Podstawą fizyczną obserwowanych makroskopowo procesów transportu w ciałach porowatych są zjawiska mikro-transportu zachodzące na poziomie poszczególnych porów. Zjawiska mikro-transportu zachodzące na poziomie poszczególnych porów glebowych są zależne od mikrostruktury ciał porowatych i interakcji pomiędzy wodą a medium porowatym. Dzięki zobrazowaniom tomograficznym ośrodka glebowego można poznać strukturę porów ośrodka. Informacja ta może być wykorzystana do modelowania numerycznego zjawisk transportu wody w ośrodku glebowym na poziomie porów glebowych. Modelowanie transportu jednofazowego pozwala na estymowanie współczynnika nasyconego przewodnictwa wodnego podczas gdy modelowanie   transportu dwufazowego pozwoli na  modelowanie zjawiska retencji wody. Poza tym wykonywane są prace związane z matematycznym modelowaniem właściwości  hydrologicznych gleb i modelowaniem zjawisk transportu w ośrodku glebowym zachodzącym w skali pedonu.

15.   Wpływ dodatku egzogennej materii organicznej (EOM) na potencjał metanogenny i metanotroficzny gleby mineralnej.

Kierownik: dr hab. Andrzej BIEGANOWSKI, prof. IA PAN

16.   Badanie zróżnicowania genetycznego oraz różnorodności funkcjonalnej mikroorganizmów środowiska glebowego i odpadów organicznych.

Kierownik: dr hab. Magdalena FRĄC, prof. IA PAN