RUDN Journal of Agronomy and Animal IndustriesRUDN Journal of Agronomy and Animal IndustriesВестник Российского университета дружбы народов. Серия: Агрономия и животноводство2312-797X2312-7988Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba1995610.22363/2312-797X-2023-18-4-541-553MNPTDNPlant protectionЗащита растенийReview ArticleWorld experience in the application of low-energy electron irradiation in agricultureМировой опыт применения облучения низкоэнергетическими электронами в сельском хозяйствеhttps://orcid.org/0000-0001-5213-2150TkhorikOksana V.ТхорикОксана Владимировна

Researcher

научный сотрудник

oxana.tkhorik@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-3479-1800KharlamovVladimir A.ХарламовВладимир Александрович

Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник

kharlamof@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-1602-7921PolyakovaIrina V.ПоляковаИрина Владимировна

Researcher

научный сотрудник

irinaamchenkina@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9984-0883LoyNadezhda N.ЛойНадежда Николаевна

Candidate of Biological Sciences, Leading Researcher

кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник

loy.nad@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3922-1567PomyasovaMaria G.ПомясоваМария Геннадьевна

Researcher

научный сотрудник

mariya-zelenetskaya@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0526-0579ShishkoValentin I.ШишкоВалентин Игоревич

Researcher

научный сотрудник

valentine585@yandex.ruRussian Institute of Radiology and Agroecology of National Research Centre «Kurchatov Institute»Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»15122023184Pesticides. Looking to the futureПестициды. Взгляд в будущее54155329122023Copyright ©; 2023, Tkhorik O.V., Kharlamov V.A., Polyakova I.V., Loy N.N., Pomyasova M.G., Shishko V.I.Copyright ©; 2023, Тхорик О.В., Харламов В.А., Полякова И.В., Лой Н.Н., Помясова М.Г., Шишко В.И.2023Tkhorik O.V., Kharlamov V.A., Polyakova I.V., Loy N.N., Pomyasova M.G., Shishko V.I.Тхорик О.В., Харламов В.А., Полякова И.В., Лой Н.Н., Помясова М.Г., Шишко В.И.https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0https://agrojournal.rudn.ru/agronomy/article/view/19956

According to the long-term observations of the FAO, losses of plant-based agricultural products are estimated to be between 10 and 30 %. The main causes of these losses are plant pathogens, spoilage microorganisms, and insect pests. The study discusses the problems of ensuring phytosanitary safety of agricultural products and proposes the use of radiation technology instead of chemical treatment. Radiation technology has a long history of research and application, spanning over 75 years. The most extensive and detailed data on the application of this technology have been obtained for gamma installations, which use natural radioactive isotopes. Lowenergy (less than 300 keV) electron accelerators were invented relatively recently, so the question of their use in agriculture is relevant. Treatment with low-energy electron radiation combines all the advantages of radiation treatment of food and agricultural products with gamma radiation, and at the same time, significantly reduces the risk of damage to biological structures inside the irradiated object due to the low penetrating power of the radiation. This study notes that low-energy electron accelerators can be successfully used to combat plant infectious diseases, reducing the amount of plant pathogens on seeds, without affecting their growth parameters. The use of low-energy electron irradiation to prevent microbiological spoilage is also discussed. The nutritional qualities of irradiated products are not significantly altered. The method of radiation disinfestation (control of insect pests) using low-energy electron radiation has also proven to be effective. However, it should be noted that additional research is necessary to determine the optimal doses of low-energy radiation for each type of product and to ensure safety for human health and the environment. Generally, the use of radiation technology in agriculture has great potential and can become an effective means of improving productivity and food safety. This method of food processing has been recognized as safe for human health by several authoritative international organizations, including the UN (FAO), WHO, IAEA, and others.

По данным многолетних наблюдений ФАО, потери сельхозпродукции растительного происхождения оценивают от 10 до 30 %. Основными причинами этих потерь являются фитопатогены, микроорганизмы порчи и насекомые-вредители. Рассматриваются проблемы обеспечения фитосанитарной безопасности сельскохозяйственной продукции и предлагается использование радиационной технологии вместо обработки химическими реагентами. Радиационные технологии имеют давнюю историю изучения и применения, длящуюся уже более 75 лет. Наиболее масштабные и подробные данные применения технологии получены для гамма-установок, в которых используются естественные радиоактивные изотопы. Ускорители электронов с низкой энергией (ниже 300 кэВ) изобрели относительно недавно, поэтому вопрос их применения в сельском хозяйстве актуален. Обработка низкоэнергетическим электронным излучением сочетает в себе все преимущества радиационной обработки пищевых и сельскохозяйственных продуктов гамма-излучением, и в то же время, за счет малой проникающей способности излучения, значимо снижает риск повреждения биологических структур во внутреннем объеме облучаемого объекта. В данной работе отмечено, что низкоэнергетические ускорители электронов могут быть успешно использованы для борьбы с инфекционными болезнями растений, снижая количество фитопатогенов на семенах. При этом нарушение ростовых параметров семян не наблюдается. Также рассмотрено использование облучения низкоэнергетическими электронами для предотвращения микробиологической порчи. Пищевые качества облученных продуктов существенно не меняются. Метод радиационной дезинсекции (борьбы с насекомыми-вредителями) низкоэнергетическим электронным излучением также показал свою эффективность. Однако, стоит отметить, что необходимы дополнительные исследования, чтобы определить оптимальные дозы облучения низкоэнергетическим излучением для каждого вида продукции и обеспечить безопасность для здоровья человека и окружающей среды. В целом, использование радиационной технологии в сельском хозяйстве имеет большой потенциал и может стать эффективным способом повышения производительности и безопасности пищевых продуктов. Данный метод обработки продуктов питания признан безопасным для здоровья человека рядом авторитетных международных организаций: ООН (ФАО), ВОЗ, МАГАТЭ и др.

food irradiationradiosensitivitymicrobiological safetycropsphytosanitary safetyinsect-pestsowing quality of seedsfood qualityshelf lifeоблучение пищевых продуктоврадиочувствительностьмикробиологическая безопасностьсельскохозяйственные культурыфитосанитарная безопасностьнасекомые-вредителипосевные качества семянкачество пищевых продуктовсрок годностиMuller G, Lietz P, Munch HD. Mikrobiologiya pishchevykh produktov rastitel’nogo proiskhozhdeniya [Microbiology of plant foods]. Moscow; 1977. (In Russ.).Мюллер Г., Литц П., Мюнх Г.Д. Микробиология пищевых продуктов растительного происхождения / пер. с нем. А.М. Калашниковой; под ред. И.М. Грачевой. М.: Пищевая промышленность, 1977. 344 с.Smirnova TA, Kostrova EI. Mikrobiologiya zerna i produktov ego pererabotki [Microbiology of grain and products of its processing]. Moscow: Agropromizdat publ.; 1989. (In Russ.).Смирнова Т.А., Кострова Е.И. Микробиология зерна и продуктов его переработки. М.: Агропромиздат, 1989. 159 с.Pinstrup-A nderson P, Pandy-Lorch R, Rosegrant MW. The world food situation: recent developments, emerging issues, and long-term prospects. Vision 2020: Food Policy Report. Washington, DC: International Food Policy Research Institute; 1997.Tilman D, Fargione J, Wolff B, D’Antonio C, Dobson A, Howarth R, et al. Forecasting agriculturally driven global environmental change. Science. 2001;292(5515):281-284. doi: 10.1126/science.1057544Makarova MA, Shevtsova AA. Prospects of application of new means of protection against diseases in maize seed crops. Far East agrarian herald. 2017;(3):55-60. (In Russ.).Макарова М.А., Шевцова А.А. Перспективы применения новых средств защиты от болезней в семенных посевах кукурузы // Дальневосточный аграрный вестник. 2017. Т. 43. № 3. С. 55-60.Morrison RM. An economic analysis of electron accelerators and cobalt-60 for irradiating food. Technical Bulletin No. 1762. Washington, DC; 1989.Pikaev AK. Current state of radiation processing. Russian Chemical Reviews. 1995;64(6):609-640. (In Russ.).Пикаев А.К. Современное состояние радиационной технологии // Успехи химии. 1995. Т. 64. № 6. С. 609-640.Chernyaev AP, Varzar SM. Particle accelerators in modern world. Yadernaya fizika. 2014;77(10):1266-1278. (In Russ.). doi: 10.7868/S0044002714100031Черняев А.П., Варзарь С.М. Ускорители в современном мире // Ядерная физика. 2014. Т. 77. № 10. С. 1266-1278. doi: 10.7868/S0044002714100031Kozmin GV, Geraskin SA, Sanzharova NI. Radiatsionnyye tekhnologii v sel’skom khozyaystve i pishchevoy promyshlennosti [Radiation technologies in agriculture and food industry]. Obninsk; 2015. (In Russ.).Козьмин Г.В., Гераськин С.А., Санжарова Н.И. Радиационные технологии в сельском хозяйстве и пищевой промышленности. Обнинск: ВНИИРАЭ, 2015. 400 с.Bezuglov VV, Bryazgin AA, Vlasov AY, Voronin LA, Panfilov AD, Radchenko VM, et al. Industrial electron accelerators ILU for medical products sterilization and food treatment. Physics of elementary particles and atomic nuclei, letters. 2016;13(7):1581-1585. (In Russ.).Безуглов В.В., Брязгин А.А., Власов А.Ю., Воронин Л.А., Панфилов А.Д., Радченко В.M., Ткаченко В.О., Штарклев E.А. Промышленные ускорители электронов ИЛУ для стерилизации медицинских изделий и обработки пищевых продуктов // Письма в ЭЧАЯ. 2016. Т. 13. № 7. С. 1581-1585.Bryazgin AA, Bezuglov VV, Voronin LA, Korobeynikov MV, Maximov SA, Nekhaev VE, et al. Industrial electron accelerators type ILU for food products treatment. In: Radiation technologies in agriculture and food industry: Current state and prospects: conference proceedings. Obninsk; 2018. p.127-131. (In Russ.).Брязгин А.А., Безуглов В.В., Воронин Л.А., Коробейников М.В., Максимов С.А., Нехаев В.Е., Радченко В.М., Сидоров А.В., Ткаченко В.О., Факторович Б.Л. Промышленные ускорители ИЛУ для облучения пищевых продуктов // Радиационные технологии в сельском хозяйстве и пищевой промышленности: состояние и перспективы: сб. докл. межд. науч.-практ. конф., Обнинск, 26-28 сентября 2018 г. Обнинск: ФГБНУ ВНИИРАЭ, 2018. С. 127-131.Sanzharova NI, Kozmin GV, Bondarenko VS. Nuclear technologies in agriculture: Science and technology development strategy. Innovatics and Expert Examination. 2016;(1):197-206. (In Russ.).Санжарова Н.И., Козьмин Г.В., Бондаренко В.С. Радиационные технологии в сельском хозяйстве: стратегия научно-т ехнического развития // Инноватика и экспертиза. 2016. Т. 16, № 1. С. 197-206.Pimemov EP, Pavlov AN, Vasileva NA, Morozova AI. The effects of different regimes of a pulsed linear electron accelerator on the microorganisms that contaminate spices. In: Radiation technologies in agriculture and food industry: Current state and prospects: conference proceedings. Obninsk; 2018, p.100-103. (In Russ.).Пименов Е.П., Павлов А.Н., Васильева Н.А., Морозова А.И. Действие разных режимов импульсного линейного ускорителя электронов на микроорганизмы, обсеменяющие специи // Радиационные технологии в сельском хозяйстве и пищевой промышленности: состояние и перспективы: сб. докл. межд. науч.-практ. конф., Обнинск, 26-28 сентября 2018 г. Обнинск: ФГБНУ ВНИИРАЭ, 2018 г. С. 100-103.Zabayev VN. Primenenie uskoritelei v nauke i promyshlennosti [Application of accelerators in science and industry]. Tomsk; 2008. (In Russ.).Забаев В.Н. Применение ускорителей в науке и промышленности. Томск: Изд-во ТПУ, 2008. 195 с.Chernyaev АP. Uskoriteli v sovremennom mire [Accelerators in the world today]. Moscow; 2012. (In Russ.).Черняев А.П. Ускорители в современном мире. М.: Изд-во МГУ, 2012. 368 с.Alimov AS. Prakticheskoe primenenie elektronnykh uskoriteley [Practical applications of electronic accelerators]. Preprint MSU SINP № 2011-13/877. (In Russ.).Алимов А.С. Практическое применение электронных ускорителей // Препринт НИИЯФ МГУ. 2011. Т. 13. № 877. С. 1-40.Scharf W, Wieszczycka W. Particle accelerators for industrial processing (Part 1). Maintenance and Reliability. 2001;(2-3):10-25.Hayashi T. Decontamination of dry food ingredients and seeds with «soft-electrons» (low-energy electrons). Food Sci Technol Int Tokyo. 1998;4(2):114-120. doi: 10.3136/fsti9596t9798.4.114Hayashi T, Takahashi Y, Todoriki S. Sterilization of foods with low-energy electrons («soft-electrons»). Radiat Phys Chem. 1998;52(1-6):73-76. doi: 10.3136/fsti9596t9798.4.114Imamura T, Todoriki S, Sota N, Nakakita H, Ikenaga H, Hayashi T. Effect of ‘‘soft-electron’’ (low-energy electron) treatment on three stored- product insect pests. J Stored Prod Res. 2004;40(2):169-177. doi: 10.1016/S0022-474X(02)00095-4Kikuchi OK, Todoriki S, Saito M, Hayashi T. Efficacy of soft-electron (low-energy electron beam) for soybean decontamination in comparison with gamma-rays. J Food Sci. 2003;68(2):649-652. doi: 10.1111/ j.1365-2621.2003.tb05725.xHayashi T, Todoriki S. Low energy electron irradiation of food for microbial control. In: Irradiation for Food Safety and Quality. Vienna; 2001. p.118-128.Mehnert R, Klenert P, Prager L. Low-energy electron accelerators for industrial radiation processing. Radiat Phys Chem. 1993;42(1-3):525-529. doi: 10.1016/0969-806X(93)90302-BBaba T, Kaneko H, Taniguchi S. Soft electron processor for surface sterilization of food material. Radiat Phys Chem. 2004;71(1-2):209-211. doi: 10.1016/j.radphyschem.2004.03.079Imamura T, Miyanoshita A, Todoriki S, Hayashi T. Usability of a soft-electron (low-energy electron) machine for disinfestation of grains contaminated with insect pests. Radiat Phys Chem. 2004;71(1-2):213-215. doi: 10.1016/j.radphyschem.2004.03.080Imamura T, Todoriki S, Miyanoshita A, Horigane AK, Yoshida M, Hayashi T. Efficacy of soft-electron (lowenergy electron) treatment for disinfestation of brown rice containing different ages of the maize weevil, Sitophilus zeamais Motschulsky. Radiat Phys Chem. 2009;78(7-8):627-630. doi: 10.1016/j.radphyschem.2009.03.058Rami Reddy PV, Todoriki S, Miyanoshita A, Imamura T, Hayashi T. Effect of soft electron treatment on adzuki bean weevil, Callosobruchus chinensis (L.) (Col., Bruchidae). J Appl Entomol. 2006;130(6-7):393-399.Cutrubinis M, Delincee H, Stahl M, Roder O, Schaller HJ. Erste ergebnisse zum nachweis einerelektronenbehandlung von mais zur beizung bzw. entkeimung und entwesung. Gesunde Pflanzen. 2005;57(5):129-136. doi: 10.1007/s10343-005-0074-yCutrubinis M, Delincee H, Stahl M, Roder O, Schaller HJ. Detection methods for cereal grains treated with low and high energy electrons. Radiat Phys Chem. 2005;72(5):639-644. doi: 10.1016/j.radphyschem.2004.03.089EVONTA - Service Gmb H. Available at: www.evonta.de (Accessed 07.11.2019).Hayashi T, Okadome H, Toyoshima H, Todoriki S, Ohtsubo K. Rheological properties and lipid oxidation of rice decontaminated with low-energy electrons. J. Food Prot. 1998;61(1):73-77. doi: 10.4315/0362-028X-61.1.73Todoriki S, Hayashi T. Disinfection of seeds and sprout inhibition of potatoes with low energy electrons. Radiat Phys Chem. 2000;57(3-6):253-255. doi: 10.1016/S0969-806X(99)00389-8Hayashi T, Takahashi Y, Todoriki S. Low-energy electron effects on the sterility and viscosity of grains. J Food Sci. 2006;62(4):858-860. doi: 10.1111/j.1365-2621.1997.tb15472.xIsemberlinova AA, Poloskov AV, Egorov IS, Kurilova AA, Nuzhnyh SA, Remnev GE. Influence of a pulsed electron beam on the sowing quality of wheat. Key Eng Mater. 2018;769:172-180. doi: 10.4028/www. scientific.net/KEM.769.172Loy NN, Sanzharova NI, Gulina SN, Suslova OV, Chizh TV, Vorobyov MS, et al. Evaluation of the effect of pre-sowing electron irradiation of barley seeds on plant development and disease incidence. J Phys Conf Ser. 2021;2064012101. doi: 10.1088/1742-6596/2064/1/012101Loy NN, Sanzharova NI, Gulina SN, Vorobiyov MS, Koval NN, Doroshkevich SY, et al. Influence of electronic irradiation on the affection of barley by root rot. J Phys Conf Ser. 2019;1393012107.Doroshkevich SY, Artyomov KP, Tereshchenko NN, Zyubanova TI, Vorobyov MS, Akimova EE, et al. Presowing treatment of spring wheat seeds by a pulsed electron beam in the atmosphere. High Energy Chemistry. 2021;55(4):326-332. (In Russ.). doi: 10.31857/S0023119321040069Дорошкевич С.Ю., Артёмов К.П., Терещенко Н.Н., Зюбанова Т.И., Воробьёв М.С., Акимова Е.Е., Минаева О.М., Покровская Е.А., Шин В.И., Торба М.С., Леванисов В.А. Предпосевная обработка семян яровой пшеницы импульсным электронным пучком в атмосфере // Химия высоких энергий. 2021. Т. 55. № 4. С. 326-332. doi: 10.31857/S0023119321040069Loy NN, Sanzharova NI, Gulina SN, Suslova OV. Influence of electronic radiation on radio resistance of phytopathogenic microflora of cucumber. Rossiiskaia selskokhoziaistvennaia nauka. 2021;(4):47-50. (In Russ.). doi: 10.31857/S2500262721040104Лой Н.Н., Санжарова Н.И., Гулина С.Н., Суслова О.В. Влияние электронного излучения на радиорезистентность фитопатогенной микрофлоры огурца // Российская сельскохозяйственная наука. 2021. № 4. С. 47-50. doi: 10.31857/S2500262721040104Loy NN, Sanzharova NI, Gulina SN, Vorobev MS. Influence of electronic radiation of seeds of grain crops on their resistance to damage of root rot. In: Nuclear and physical technologies in agriculture and food industry: conference proceedings. 2020. p.346-350. (In Russ.).Лой Н.Н., Санжарова Н.И., Суслова О.В., Гулина С.Н., Воробьев М.С. Влияние электронного облучения семян зерновых культур на их устойчивость к поражению корневой гнилью // Ядерно- физические исследования и технологии в сельском хозяйстве (к 50-летию со дня образования ФГБНУ ВНИИ радиологии и агроэкологии): сборник докладов междунар. науч.-практ. конф. Обнинск, 2020. С. 346-350.Todoriki S, Kikuchi OK, Nakaoka M, Miike M, Hayashi T. Soft electron (low energy electron) processing of foods for microbial control. Radiat Phys Chem. 2002;63(3-6):349-351. doi: 10.1016/S0969-806X(01)00588-6Aisala H, Nygren H, Seppänen- Laakso T, Heiniö RL, Kießling M, Aganovic K, et al. Comparison of low energy and high energy electron beam treatments on sensory and chemical properties of seeds. Int Food Res J. 2021;148:110575. doi: 10.1016/j.foodres.2021.110575Markova YA, Alekseenko AL, Kramarskiy AV, Savilov ED. Plants as an element of environmental chain circulation of pathogenic for human bacteria. Siberian Medical Journal (Irkutsk). 2012;114(7):11-14. (In Russ.).Маркова Ю.А., Алексеенко А.Л., Крамарский А.В., Савилов Е.Д. Растения как одно из звеньев цепи циркуляции патогенных для человека бактерий в окружающей среде // Сибирский медицинский журнал. 2012. Т. 114. № 7. С. 11-14.Fan X, Sokorai K, Weidauer A, Gotzmann G, Rogner FH, Koch E. Comparison of gamma and electron beam irradiation in reducing populations of E. coli artificially inoculated on mung bean, clover and fenugreek seeds, and affecting germination and growth of seeds. Radiat Phys Chem. 2017;130:306-315. doi: 10.1016/j. radphyschem.2016.09.015