Методи та засоби впливу УФ випромінюванням для знезараження варроатозу бджіл

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.11.17 "Біологічні та медичні прилади і системи" (163 - Біомедична інженерія). ‒ Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, Харків, 2020 р. У дисертаційній роботі викладені теоретичний та експериментальний матеріали щодо боротьби з варроатозом бджіл з застосуванням льткової приставки забезпеченої системою модулів світлодіодів оптичного випромінювання в УФ діапазоні, при живленні їх від автономного джерела (геліоколектора). Представлено огляд фізіологічних особливостей процесу переносу і розмноження збудників інфекційних та інвазійних захворювань бджіл, а також профілактичні та лікувальні способи і засоби, що використовуються для боротьби з цими захворюваннями на всіх стадіях онтогенезу бджолиного розплоду і дорослих особин. Представлено аналітичний огляд методів і засобів хімічного, біологічного та фізичного походження в боротьбі з варроатозом бджіл. Запропоновано напрямки вирішення проблеми оздоровлення бджолосімей від варроатозу бджіл фізичними (безмедикаментозними) способами і засобами. З аналізу наукових літературних джерел, присвячених пошуку шляхів вирішення проблеми боротьби із хворобами бджіл, а саме варроатозом, встановлено, що проблема боротьби з кліщем Варроа деструктор набула глобального масштабу, спричиняючи матеріальні збитки як безпосередньо галузі бджільництва, знижуючи кількісний показник бджолосімей в господарствах до 20-80 %, а також опосередковано і на галузь рослинництва, знижуючи урожайність недозапилених ентомофільних культур на 20-25 %. Встановлено, що існуючі технології та технічні засоби їх реалізації в боротьбі з цим захворюванням (хімічні, біологічні, фізичні) на 65-70 % задовольняють вимоги чинних зооветеринарних нормативів якісних і кількісних показників, як по результативності збереження і нарощування біопотенціалу бджолосімей так і по витратам уречевленої праці обслуговуючого персоналу на проведення процедур профілактики та оздоровлення бджолосімей. Підвищення ефективності виробництва бджолопродукції може бути досягнуто за рахунок теоретичного обґрунтування і практичного впровадження екологічно чистих, ресурсоощадних методів і засобів знищення кліщів Варроа деструктор, що знаходиться на поверхні тіла бджоли, з застосуванням багатофункціональної льоткової приставки забезпеченої системою світлодіодних модулів УФ діапазону випромінювання. Таким чином, дослідження методів та технічних засобів її реалізації в боротьбі з варроатозом бджіл при комплексному підході до розробки систем сучасних світлодіодних джерел УФ випромінювання з покращеними електроенергетичними, фітобіоенергетичними характеристиками і живленні від сонячної батареї є актуальною задачею, розв'язання якої матиме велике народногосподарське значення. Представлено теоретичний та експериментальний матеріал щодо фотобіологічного впливу УФ опромінювання кліща Варроа деструктор в діапазоні UVB, UVC. Отримано математичні вирази, що моделюють закономірності залежностей світло-енергетичних і конструктивних характеристик захисних пристроїв з допомогою яких реалізують дію методів і засобів в боротьбі з варроатозом на основі льоткових приставок ЛПРС, забезпечених системою світлодіодних модулів УФ випромінювання. Обґрунтовано параметри захисних пристроїв, які забезпечують згубну дію УФ випромінювання на фізіологію кліща Варроа деструктор. Це потужність і кількість світлодіодів УФ випромінювання, конфігурація розміщення їх в тунелі льоткової приставки, довжина хвилі випромінювання, експозиція, конструктивні параметри льоткової приставки ЛПРС. В результаті досліджень було розроблено дослідний зразок льоткової приставки з системою світлодіодних модулів УФ випромінювання з конструктивними параметрами: ширина тунелю b= 200±1 мм, довжина тунелю l=80±1 мм, висота тунелю h=10±1 мм. Як випливає з аналізу отриманих результатів найбільш прийнятними конструктивно технологічними параметрами льоткової приставки забезпеченої системою світлодіодних модулів УФ випромінювання розташованих в її тунелі: кількість світлодіодів 2–8 шт тип світлодіодів TO39 UV LEDпотужністю 0,08 Вт напругою живлення 4 В, сила струму 20 мА з урахуванням забезпечення дози опромінення 980-985‧10⁻⁴ мер‧с‧см⁻², та довжини хвилі з частотою 0,99‧10¹⁵ Гц. В результаті теоретичних і експериментальних досліджень встановлено, що при довжині хвилі УФ випромінювання з частотою від 1,13‧10¹⁵ до 0,98‧10¹⁵ Гц біодоза яка діє на кліща Варроа деструктор при роботі системи світлодіодних модулів розташованих в тунелі льоткової приставки знаходиться в межах від 5,88 в.о. до 1,87 в.о., перевищуючи порогову біодозу (0,125-0,667) в.о. і обумовлює його знищення. Експериментальні дослідження показали, що кількість відпавших кліщів Варроа деструктор з поверхні тіла бджіл у дослідних групах, які опромінювались у тунелі льоткової приставки УФ променями оптичного спектру 0,99‧10¹⁵ Гц з експозицією від 6 до 8 секунд становить 6-10 штук. Застосування льоткової приставки ЛПРС з системою світлодіодних модулів УФ випромінювання інстальованої в льотку вулика зовні розплідного гнізда крім того, що забезпечує санацію бджіл від варроатозу без порушення їх природного ритму життєдіяльності і запобігає передчасному виходу бджолосім'ї на перший очисний обліт за несприятливих метеорологічних умов. Це стало можливим завдяки подовження шляху руху бджіл через решітчастий тунель льоткової приставки ЛПРС, що сприяє виникненню реакції на низьку температуру зовнішнього повітря і поверненні в гніздо. Крім того, дослідження запропонованої льоткової приставки ЛПРС підтвердили її функціональну спроможність в осінньо-зимовий період запобігати проникненню шершнів і гризунів до кормових запасів бджолосім'ї. Це відбувається завдяки наявності тунелю з каліброваним внутрішнім просвітом, що створює умови обмеження їх проникнення до льотка вулика. ЛПРС обладнана додатковою захисною вставкою на виході з тунелю запобігає несанкціонованому виходу роїв та інфікуванню варроатозом бджіл здорових бджолосімей за рахунок унеможливлення контакту хворих бджіл-злодійок або трутнів. Це відбувається за рахунок наявності каліброваного просвіту решітчатого тунелю, внутрішня поверхня якого опромінюється джерелами електромагнітного випромінювання оптичного спектру УФ діапазону (UVB, UVC). Виробничими випробуваннями розробленої льоткової приставки ЛПРС забезпеченої системою світлодіодних модулів УФ випромінюванням при живленні їх від сонячної батареї в бджологосподарстві НТЦ "Чарунка" с. Первухінка Богодухівського району Харківської області (Україна) при боротьбі з варроатозом бджіл карпатської породи, уражених кліщем Варроа деструктор встановлено, що ефективність застосування льоткової приставки ЛПРС становить у 2014 р. 83,86 %, у 2015 р. 67,2 %, у 2016 р. 76,33 %. За наслідками виробничої експлуатації розробленої установки встановлено: середній рівень рентабельності дослідних бджолосімей в порівнянні з контроль-ними збільшився з 14,8 % до 17,8 %; знизилась собівартість бджолопродукції, в середньому, з 39,4 грн. до 30,0 грн.; зросла кількість виробленої медопродукції на 5 %, додатковий річний економічний ефект, за рахунок оздоровлення бджіл від варроатозу, становить більше 10 тис. гривень. Наукова новизнаотриманих результатів полягає в тому, що в даній роботі: ‒ вперше розроблено математичну модель взаємодії УФ випромінювання з кліщем Варроа деструктор з урахуванням залежностей біодоз від співвідношення максимумів UVB, UVC випромінювання, що дозволило визначити діапазон змін параметрів потоку оптичного УФ діапазону випромінювання; ‒ вперше теоретично обґрунтовано можливість вибору біотропних параметрів УФ випромінювання для знищення кліща Варроа деструктор за рахунок числового вирішення рівнянь формування еритемного потоку, що дозволило забезпечити санацію бджіл від варроатозу без порушення їх природного ритму життєдіяльності; ‒ вперше визначені параметри оптичного випромінювання в УФ діапазоні для знищення кліща Варроа деструктор на основі теоретичних досліджень процесу взаємодії оптичного випромінювання в УФ діапазоні з кліщем Варроа деструктор, що дозволило змоделювати залежності впливу електроенергетичних і конструктивних характеристик захисних пристроїв, які забезпечують функціонування льоткових приставок; ‒ одержало подальший розвиток використання методів планування багатофакторного експерименту для параметричної оптимізації фотобіологічної технології знезараження варроатозу бджіл, що дозволило максимізувати середній рівень біологічної продуктивності бджолосім'ї. Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що на основі теоретичних і експериментальних досліджень розроблена льоткова приставка, забезпечена системою світлодіодних модулів УФ випромінювання при живленні їх від фотоелементів, яка забезпечує згубний вплив на кліща Варроа деструктор. При цьому застосування льоткової приставки зовні інстальованої в льоток вулика забезпечує ефективну боротьбу з варроатозом бджіл без порушення їх природного ритму життєдіяльності в розплідному гнізді. Обґрунтовано режими методів і засобів, і конструктивно реалізовано льоткову приставку, забезпеченою системою світлодіодних модулів УФ випромінювання при живленні їх від фотоелементів для боротьби з варроатозом бджіл. Технічна документація на виготовлення льоткової приставки сформованої на джерелах TO39UVLED-4 В з частотою випромінювання 0,99‧10¹⁵ Гц (довжина хвилі 300 нм), передана в науково-технічний центр "Чарунка" для виготовлення дослідного зразку установки. Очікуваний ефект від впровадження даної установки в виробництво складе: зростання середнього рівня рентабельності бджолосім'ї з 14,8 % до 17,8 %; зниження собівартості бджолопродукції, в середньому, з 39,4 грн до 30,0 грн; зростання кількості виробленої медопродукції на 3 % і отримання додаткового економічного ефекту більше 10 тис. грн. Впроваджена льоткова приставка з системою світлодіодних модулів УФ випромінювання для боротьби з кліщем Варроа деструктор на пасіці НТЦ "Чарунка" (с. Первухінка, Богодухівського району, Харківської області) дала можливість одержати прибуток в сумі 400 грн на одну бджолосім'ю.Dissertation for the degree of candidate of technical sciences (doctor of philosophy) in specialty 05.11.17 "Biological and medical devices and systems" (163 - Biomedical engineering). ‒ Kharkov National Technical University of Agriculture named after Petro Vasilenko, Kharkiv, 2020. In the dissertation work the theoretical and experimental materials concerning struggle against the varroatosis of bees with the use of a cartridge attachment equipped with a system of optical radiation modules in the UV range, when powered from an autonomous source (solar collector) are presented. An overview of the physiological features of the process of transfer and expansion of pathogens of infectious and invasive diseases of bees, as well as prophylactic and therapeutic methods and means used to combat these diseases in all stages of ontogenesis of bee germ and up-to-date individuals. An analytical review of the methods and means of chemical, biological and physical origin in the fight against the varroatosis of bees is presented. It is suggested on-line solutions of the problem of healing of bees from the varroastosis of bees by physical (nonmedical) methods and means. From the analysis of scientific literary sources devoted to finding ways to solve the problem of disease control of bees, namely, varroathosis, it was established that the problem of fighting the ticker Varroa destructor gained a global scale, causing material damage as a directly branch of beekeeping, reducing the quantitative index of bee colony in farms up to 20-80%, as well as indirectly in the branch of plant growing, reducing yields of undecorated entomophilic crops by 20-25 %. It has been established that existing technologies and technical means of their implementation in the fight against this disease (chemical, biological, physical) by 65-70 % satisfy the requirements of current zooveterinary norms of qualitative and quantitative indicators, both in terms of the effectiveness of preservation and increase of biopotential the bee-families and the expenses of the prescribed work of the staff for the maintenance of the prophylaxis and healing procedures of bee-eaters. The increase in the efficiency of beekeeping production can be achieved at the expense of theoretical substantiation and practical implementation of ecologically pure, resource-saving methods and tools for the destruction of mites Varroa destructor located on the surface of the body of a bee, with the use of a batch-functional flying console equipped with a system of LED modules of the UV radiation range. Thus, the study of methods and technical means of its implementation in the fight against beet varroatosis in the integrated approach to the development of systems of modern LED sources of UV radiation with improved electrical energy, phytobiogenic characteristics and life from a solar battery is an urgent task, which will have a great economic significance. Theoretical and experimental material on the photobiological effect of UV irradiation of the Varroa degenerator in the range of UVB, UVC is presented. The mathematical expressions that simulate the dependencies of the world-energy and structural characteristics of the protective devices with the help of which realize the effect of methods and toolsin the fight against the varroate-based on the basis of the pilot constants of the LPD provided with a system of light-emitting diode modules of UV radiation are obtained. The parameters of protective devices, which provide the harmful effect of UV radiation on the physiology of the Varroa mite, are substantiated. This is the power and amount of UV radiation emitting diodes, the configuration of their placement in the tunnel of the air console, the wavelength of radiation, the exposure, and the constructive parameters of the LPDS flight deck. As a result of the research, a pilot sample of a pilot consignment with a system of LED modules of UV radiation with constructive parameters was developed: the width of the tunnel b = 200 ± 1 mm, the length of the tunnel l = 80 ± 1 mm, the height of the tunnel h = 10 ± 1 mm. As follows from the analysis of the results obtained by the most suitable constructive technological parameters of the flight deck equipped with a system of LED modules of UV radiation located in its tunnel: the number of LEDs 2-4 units. Type of LEDs TO39 UV LED with a power of 0,08 W with a supply voltage of 4 V, current of 20 mA, taking into account the provision of radiation dose of 980-985‧10⁻⁴ mercury3 с‧sm-2, and wavelengths with frequency 0,99‧10⁻¹⁵ Hz. As a result of theoretical and experimental studies, it was established that at wave-lengths of UV radiation with a frequency from 1,13‧,10¹⁵ to 0,98‧10¹⁵ Hz, the biodozes acting on the mite Varroa destructor in the operation of the system of LED modules located in the tunnel of the air console located in ranges from 5.88 cu to 1.87 cu, exceeding the threshold biodose (0,125-0,667) cu and causes its destruction. Experimental studies have shown that the number of Varroa degraded mites was destroyed from the body surface of the bees in experimental groups exposed to the UV-ray tunnel of the 0,99‧10¹⁵ Hz optical radiation spectrum with an exposure of 6 to 8 seconds ranging from 6 to 10 pieces. The use of a pilot setup LPSS with a system of LED modules The UV radiation of a beehive installed in the auctions outside of the nursing nest, in addition to providing rejuvenation of bees from varroathosis without breaking their natural rhythm of life and preventing the premature release of a bee-family on the first treatment visit unfavorable meteorological conditions. This became possible thanks to the extension of the path of bees through the lattice tunnel of the airliner LPSS, which contributes to the reaction to the low temperature of the outside air and the return to the nest. In addition, the investigation of the proposed pilot's LPSS device confirmed its functional ability in the autumn-winter period to prevent the penetration of worms and rodents to feed stocks of bees. This is due to the presence of a tunnel with a calibrated internal lumen, which creates conditions for limiting their penetration to the hive lake. LPSS equipped with an additional protective insertion at the exit of the tunnel prevents the non-sanitized outflow of swarms and the infection of the beetroot varroasis by healthy bee-loamies by eliminating the contact of diseased thieves or thieves. This is due to the presence of a calibrated lumen of a lattice tunnel whose inner surface is irradiated by sources of electromagnetic radiation of the UV spectrum (UVB, UVC). Productive tests of the developed cattery device LPDS protected by the system of LED modules UV radiation when powered without them from the solar battery in the beekeeping of the Scientific and Technical Center "Charanka" p. Pervukhinka Bogodukhiv district of the Kharkiv region (Ukraine) in the struggle against the varroacoustic bees of the Carpathian breed affected by the mite of Varroa, the destructor stated that the efficiency of the use of the LPDS airliner is 83.86 % in 2014 67.2 % in 2015, in 2016 76.33 %. As a result of the production exploitation of the developed facility, it was established: the average profitability of the experimental bee-seedling in comparison with the control increased from 14.8% to 17.8%; the cost of bee products decreased, on average, from 39.4 UAH. up to 30,0 UAH; an increase in the number of medicated products produced by 3%, an additional annual economic effect, at the expense of the improvement of bees from varroastosis, is more than 10 thousand hryvnias. The scientific noveltyof the results obtained is that in this work: ‒ for the first time a mathematical model of the interaction of UV radiation with the Varroa destructor mite was developed taking into account the dependences of bio-doses on the ratio of maxima of UVB, UVC radiation, which allowed to determine the range of changes in the flux parameters of optical UV radiation range; ‒ for the first time the possibility of choosing biotropic parameters of UV radiation for destruction of Varroa mite destructor due to numerical solution of equations of erythematous flow formation was theoretically substantiated, which allowed to ensure reha-bilitation of bees from varroasis without disturbing their natural rhythm of life; ‒ for the first time the parameters of optical radiation in the UV range for the destruction of the Varroa destructor mite were determined on the basis of theoretical stud-ies of the interaction of optical radiation in the UV range with the Varroa destructor mite, which allowed to model the dependences of; ‒ received further development of the use of methods of planning a multifactorial experiment for parametric optimization of photobiological technology of disinfection of varroasis of bees, which allowed to maximize the average level of biological productivity of the bee colony. The practical significanceof the results obtained is that on the basis of theoretical and experimental research developed a flying console equipped with a system of LED modules of UV radiation when powered by photocells, which has a detrimental effect on the mite Varroa destructor. In this case, the use of a flight console externally installed in the leaflet wulika provides an effective fight against varroatosis of bees without disturbing their natural rhythm of life in the breeding nest. The modes of methods and means are substantiated, and the flying prefix, equipped with a system of LED modules of UV radiation, is fed when they are fed from photocells for combating bee varatosis. Technical documentation for the manufacture of a flight console formed on TO39UVLED-4 V sources with a radiation frequency of 0.99‧10¹⁵ Hz (300 nm wavelength), transmitted to the scientific-technical center "Cell" for the production of the prototype of the installation. The expected effect from the introduction of this plant into production will be: an increase in the average level of profitability of the bee family from 14.8% to 17.8%; decrease in the cost of bee products, on average, from 39.4 UAH to 30.0 UAH; increase in the amount of honey produced by 5% and obtaining additional economic effect more than 10 thousand UAH. Introduced flight console with a system of UV radiation modules for combating mite Varroa destructor in the apiary of the SCC "Charunka" (village Pervukhinka, Bohodukhiv district, Kharkiv region) gave a profit of 400 UAH per bee.