Prof. dr hab. inż. Ryszard Tadeusiewicz Katedra Automatyki i Inżynierii Biomedycznej AGH Kraków, 4 kwietnia 2017 r. Recenzja pracy doktorskiej mgr inż. Katarzyny Niemczyk Przedmiotem niniejszej recenzji jest rozprawa doktorska mgr inż. Katarzyny Niemczyk zatytułowana: Wpływ wybranych czynników stymulacyjnych na wzrost, rozwój oraz właściwości biomechaniczne wybranych roślin. Promotorem rozprawy jest dr hab. inż. Jerzy Detyna, prof. nadzw. PWr. a promotorem pomocniczym dr inż. Sylwia Olsztyńska-Janus. Przewód zmierza do nadania stopnia naukowego w dyscyplinie naukowej Mechanika. Podstawą formalną do sporządzenia tej recenzji było pismo prodziekana Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej, dr hab. inż. Celiny Pezowicz, prof. nadzw. Politechniki Wrocławskiej, symbol W10/41d/34/2017, datowane 23.03.2017 r. Cel i zakres pracy zostały zdefiniowane bardzo precyzyjnie na początku rozprawy (str. 15 i 16) co bardzo pochwalam, bo od razu wiadomo, o co w tej pracy chodzi. Doktorantka zdefiniowała następującą tezę rozprawy: Przesiewna biostymulacja wpływa na wzrost, rozwój oraz właściwości biomechaniczne wybranych odmian pietruszki korzeniowej. Uważam, że teza ta została sformułowana kompetentnie i z dużą znajomością rzeczy. Na tę moją opinię składa się kilka elementów. Po pierwsze Autorka rozprawy trafnie wywnioskowała, że problem rosnącej chemizacji rolnictwa staje się w chwili obecnej jednym z zagrożeń cywilizacyjnych. Uzyskanie wymaganej ilości żywności, której potrzebuje stale rosnąca liczebnie populacja naszej planety jest tradycyjnymi metodami rolniczymi absolutnie niemożliwe, zwłaszcza że areał ziemi uprawnej stale maleje na skutek rozbudowy miast, dróg, fabryk, magazynów, sklepów, parkingów itp. Jednak wykorzystywana obecnie powszechnie jako remedium postępująca chemizacja rolnictwa, polegająca głównie na intensywnym stosowaniu nawozów sztucznych oraz środków ochrony roślin (herbicydów, pestycydów itp.) ma granice stosowalności. Wynikają one między innymi z tego, że owe środki chemiczne stosowane w nadmiarze nie przynoszą już oczekiwanego wzrostu plonowania, natomiast zaczynają być szkodliwe dla konsumentów. Konieczne jest więc 1
poszukiwanie innych niż chemiczne czynników stymulujących wzrost roślin i polepszających ich jakość. Doktorantka właśnie takich czynników poszukuje w obszarze oddziaływań fizycznych. Po drugie Pani mgr inż. Katarzyna Niemczyk skupiła swoją uwagę na skuteczności oddziaływania pól elektrycznych, magnetycznych i elektromagnetycznych (łącznie z promieniowaniem elektromagnetycznym z obszaru podczerwieni, światła widzialnego oraz ultrafioletu) na badane obiekty biologiczne (nasiona), co uważam za wybór ze wszech miar trafny. Dodam, że liczne badania, między innymi prowadzone na gruncie Inżynierii Biomedycznej uprawianej przeze mnie i przez moich współpracowników, dowodzą, że wymienione czynniki fizyczne mają silny wpływ na żywe komórki, tkanki i całe narządy. Warto tu wymienić tytuły dwóch prac doktorskich bronionych na AGH w 2011 roku: Analiza teoretyczna i eksperymentalna wpływu stałego i zmiennego pola magnetycznego na kiełkowanie i wzrost ziarniaków wybranych roślin (Mikołaj Skowron) oraz Rozkład pola magnetycznego o niskiej częstotliwości wytworzonego przez małogabarytowe aplikatory dla magnetoterapii (Wojciech Kraszewski) by zorientować się, jak blisko lokalizujemy we Wrocławiu i w Krakowie swoje badania. Po trzecie opisywane w ocenianej dysertacji badania wrażliwości na oddziaływania elektromagnetyczne dotyczyły roślin, a więc obiektów biologicznych prostszych i łatwiejszych do eksperymentalnego badania, niż w przypadku ludzi czy zwierząt, czym zajmowali się inni opiniowani przeze mnie doktoranci z kilku krajowych i zagranicznych ośrodków. Skupienie się na prostszym obiekcie i na dobrze zdefiniowanym celu badań doprowadziło do uzyskania przez Doktorantkę bardzo konkretnych i wartościowych wyników, które dalej scharakteryzuję. Co więcej, praca skoncentrowana jest na nasionach wybranych roślin (wybranych odmian pietruszki korzeniowej), co dodatkowo ułatwiało pełną kontrolę przebiegu eksperymentów. W odniesieniu do całych roślin w różnych etapach ich wegetacji, a zwłaszcza w procesie ich kiełkowania i wzrostu, prowadzenie aktywnych oddziaływań elektromagnetycznych byłoby trudniejsze. Po czwarte Pani mgr Niemczyk skoncentrowała uwagę na własnościach biomechanicznych roślin, których nasiona były poddawane przedsiewnej stymulacji, więc w swoich analizach opierała się na parametrach w miarę prostych i na procesach dobrze obserwowalnych. Doprowadziło to do bardzo dobrych wyników w postaci dobrze udokumentowanych wniosków z badań. Podsumowując stwierdzam, że problem badawczy podjęty w opiniowanej rozprawie został bardzo dobrze wybrany, gdyż w szczególności jest on: ważny naukowo, użyteczny praktycznie oraz o takim poziomie stopnia trudności, jaki ustawowo i zwyczajowo wiąże się z dysertacjami na stopień naukowy doktora nauk technicznych. 2
Chcę jeszcze dodać, że cieszę się, gdy takie właśnie prace powstają na uczelniach technicznych. Zapatrzeni w osiągnięcia współczesnej teleinformatyki, robotyki, biotechnologii i innych awangardowych działów techniki nie dostrzegamy i nie doceniamy rewolucji jaka zaszła także w rolnictwie. A tymczasem wystarczy zajrzeć do rozdziałów 1 i 2 opiniowanej rozprawy, by uświadomić sobie, jak ważne są prace, które mogą (i powinni!) wykonywać naukowcy z obszaru nauk technicznych na rzecz nowoczesnego rolnictwa. Ustaliwszy (powyżej), że teza opiniowanej rozprawy jest sformułowana poprawnie, przyjrzymy się teraz, jak Doktorantka dowiodła prawdziwości tej tezy. O rozdziałach 1 i 2 wspomniałem już wyżej, że ich rola polegała na sformułowaniu problemu naukowego i na wykazaniu, że jest to problem naprawdę ważny. Rozdział 3 rozprawy przedstawia literaturowe tło pracy. Przytaczając i omawiając prace, które w podobnym obszarze problemowym podejmowano w innych ośrodkach naukowych na świecie Doktorantka dowiodła, że w przedmiocie podejmowanych badań ma obszerną i nowoczesną wiedzę a także wykazała, że potrafi biegle korzystać z literatury naukowej. Jednak ze względu na to, że w dysertacji doktorskiej najważniejsze są własne, oryginalne osiągnięcia naukowe Autorki, a takich w rozdziale 3 nie ma rozdział ten z punktu widzenia finalnej oceny rozprawy uznać trzeba za marginesowy. Własne oryginalne osiągnięcia badawcze Doktorantki zawierają natomiast z całą pewnością rozdziały 4 i 5 opiniowanej rozprawy. Pierwszy z tych rozdziałów opisuje metodykę badań. Scharakteryzowano wybrany materiał badawczy (trzy odmiany pietruszki korzeniowej) oraz proces przygotowania próbek nasion do stymulacji (z podziałem na próbki wysiewane na bibule w urządzeniu mikroklimatycznym oraz próbki wysiane do ziemi), a także to, jak przeprowadzano stymulację. Przedstawiony opis jest wzorcowo precyzyjny, uzupełniony materiałem fotograficznym i doskonale wpisuje się w schemat postępowania przyjmowanego typowo w odniesieniu do doświadczeń biologicznych. Drugi ze wskazanych rozdziałów (o numerze 5 w strukturze pracy) zawiera wyniki badań. Analizie podlegały w pierwszej kolejności wyniki badań biologiczno-agrotechnicznych, a konkretnie energia kiełkowania i zdolność kiełkowania (oba te pojęcia dokładnie zdefiniowano na stronie 55 rozprawy). Zebrane wyniki poddano starannej, chociaż w sensie schematu dość rutynowej analizie statystycznej. 3
Wyniki zestawiano osobno dla poszczególnych odmian pietruszki. Stosowano przy tym klasyczną jednoczynnikową analizę wariancji (ANOVA) uzupełnioną statystyczną kontrolą warunków jej stosowalności: normalności rozkładu (wykorzystano dwa testy: Kołmogorowa-Smirnowa oraz Shapiro-Wilka) oraz jednorodności wariancji (badaną w poszczególnych grupach za pomocą testu Levene a). Wykazano, że wprowadzane czynniki stymulacyjne wpływają w sposób istotny na energię oraz zdolność kiełkowania pietruszki. Dalsze testowanie przeprowadzono w oparciu o procedurę testu NIR (najmniejszych istotnych różnic) wykrywając zróżnicowany dla różnych odmian wpływ stymulacji nasion. Dla uzyskania bardziej syntetycznego obrazu poszukiwanej zależności zastosowano wieloczynnikową analizę wariancji dla zmiennych: odmiana i czynnik stymulujący. Tabele, wykresy i wnioski uzyskane w pracy stanowią (moim zdaniem) bardzo cenny materiał empiryczny, znacząco wzbogacający wiedzę na temat związków pomiędzy rozważanymi w pracy czynnikami stymulującymi a parametrami biologiczno-agrotechnicznymi, a konkretnie energią kiełkowania i zdolnością kiełkowania. Po zebraniu i opracowaniu wymienionych wyżej danych Doktorantka przystąpiła do badań mechanicznych korzeniowych części rozważanych roślin. Badania te były utrudnione przez fakt, że stworzenie odpowiedniego uchwytu dla obiektów badania w postaci delikatnych części roślin, a także opracowanie sposobów ich mocowania w maszynie wytrzymałościowej nastręczało sporych trudności. Doktorantka pomysłowo pokonała te trudności, co zdecydowania należy zapisać po stronie pozytywów ocenianej rozprawy. Tematowi temu poświęcono w opiniowanej pracy stosunkowo dużo miejsca, co jednak uważam za uzasadnione, gdyż opis ten pokazuje, jak złożonym (z praktycznego punktu widzenia) jest problem łączenia urządzeń technicznych i materiału biologicznego. Rozwiązanie znaleziono nie na drodze doskonalenia rozwiązań technicznych, lecz w oparciu o lepsze poznanie biologicznego obiektu badań. Po odpowiedniej analizie badane korzenie pietruszki zaczęto dzielić na dwa oddzielnie badane obiekty (zgodnie z terminologią zastosowaną przez Autorkę były to systemy tkankowe : kora pierwotna i walec osiowy). Jednak nawet to rozwiązanie nie pozwoliło na przeprowadzenie kompletnych badań za pomocą urządzenia do pomiaru wytrzymałości na rozciąganie. Postanowiono więc odwołać się do innej metody określania właściwości biomechanicznych badanych roślin i przystąpiono do badań wytrzymałości na ścinanie. To badanie nareszcie udało się przeprowadzić do końca i Doktorantka dla intersujących ją próbek pomierzyła wartość naprężenia tnącego i energochłonność jednostkową. Analiza statystyczna pokazała, że obydwie wymienione wartości dla ustalonej próbki nie zależą od obszaru 4
przecinanego, co dawało podstawę do oceny wpływu czynników stymulacyjnych na wartość zmiennych zależnych biomechanicznych dla poszczególnych odmian pietruszki. Tu natychmiast wykazano występowanie istotnych statystycznie różnic. Schemat stosowanej analizy statystycznej był analogiczny jak w wyżej omówionym przypadku badania związków pomiędzy rozważanymi w pracy czynnikami stymulującymi a parametrami biologiczno-agrotechnicznymi, a konkretnie energią kiełkowania i zdolnością kiełkowania. Ponownie wykazano istnienie tu całego szeregu statystycznie istotnych związków między czynnikami stymulującymi a parametrami biomechanicznymi badanych korzeni pietruszki, przy czym różnorodność tych wyników uniemożliwia sformułowanie krótkich i jednoznacznych wniosków, natomiast materiał ten jest cenny jako dostarczony przez Autorkę rozprawy bogaty zasób wiedzy empirycznej. Obok analizy wariancji użyto w pracy także metod klasyfikacyjnych. Wykorzystano metody dyskryminacyjne oraz uogólnioną analizę skupień. Za pomocą analizy dyskryminacyjnej badano możliwości rozróżniania właściwości biomechanicznych korzeni pietruszki powstałej z nasion poddawanych różnym formom stymulacji, potwierdzając istnienie różnic wcześniej sygnalizowanych przez analizę wariancji. Do podobnych wniosków doprowadziła zastosowana w rozprawie uogólniona analiza skupień. Na koniec użyto badań mikroskopowych różnic pomiędzy strukturami wewnętrznymi korzeni roślin, które wyrosły z nasion poddawanych różnym formom przedsiewnej stymulacji. Na podstawie otrzymanych zdjęć mikroskopowych można zaobserwować zmiany w budowie komórek, a niekiedy także w ich rozmiarach. Wykonywano także badania metodą mikroskopii elektronowej skaningowej SEM i z wykorzystaniem mikroanalizatora rentgenowskiego EDS. Pracę kończy krótka, ale porządnie udokumentowana dyskusja wyników (numerowana jako szósty rozdział rozprawy), zawierająca także wnioski. Są one dobrze przedstawione, konkretne i w pełni oparte na uzyskanych w pracy wynikach empirycznych. Nie wyłania się z nich jednak jakiś całkowicie jednoznaczne i łatwe do interpretacji wnioski dotyczące kierunku wpływu przedsiewnej biostymulacji na wzrost, rozwój oraz właściwości biomechaniczne wybranych odmian pietruszki korzeniowej. Często bywa tak, że czynnik fizyczny wpływający pozytywnie na określone właściwości jednej odmiany daje przeciwny efekt u innej odmiany. Podobnie trudno jest uchwycić ogólne reguły wiążące efekty biologiczno-agrotechniczne lub biomechaniczne z czasem stymulacji lub jej intensywnością. W dodatku badano tylko trzy odmiany jednej rośliny, podczas gdy liczba odmian może być większa, a liczba roślin uprawnych jest naprawdę ogromna. Można więc powiedzieć, że w pracy udało się udowodnić tezę, że przesiewna biostymulacja wpływa na wzrost, rozwój oraz właściwości biomechaniczne wybranych odmian pietruszki korzeniowej. Jednak do prostych i praktycznie użytecznych wniosków pozwalających stwierdzić, jak ta 5
biostymulacja wpływa i jak w konkretnym przypadku wybrać jej optymalną formę - jest jeszcze daleko i sprawa wymaga dalszych badań. Podsumowując powyższe omówienie zawartości i najważniejszych osiągnięć rozprawy z przyjemnością stwierdzam, że jej teza została w pełni wykazana. Co więcej, realizując postawione cele badawcze Doktorantka wykazała się umiejętnością prawidłowego formułowania oraz skutecznego rozwiązywania złożonych problemów naukowych i inżynierskich, a także anielską cierpliwością, jaka była potrzebna gdy zawodziły kolejne pomysły dotyczące sposobu mocowania preparatu biologicznego w maszynie wytrzymałościowej. Nie znalazłem w opiniowanej rozprawie żadnych godnych odnotowania błędów, wad, czy chociażby tylko usterek, dlatego zwyczajowa część opinii doktorskiej, która powinna zawierać uwagi polemiczne pod adresem Doktorantki - pozostaje w tej recenzji pusta. Generalnie jest to jedna z lepszych prac, jakie zdarzyło mi się oceniać, przeto przechodząc do wniosku końcowego stwierdzam, że opiniowana rozprawa mgr inż. Katarzyny Niemczyk zatytułowana: Wpływ wybranych czynników stymulacyjnych na wzrost, rozwój oraz właściwości biomechaniczne wybranych roślin spełnia wymagania odnośnej Ustawy. Praca ta może być przyjęta jako rozprawa doktorska, a moja opinia na temat jej wartości naukowej jest pozytywna. Dlatego wnioskuję do Wysokiej Rady Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej, o przyjęcie tej rozprawy i o dopuszczenie Autorki, mgr inż. Katarzyny Niemczyk do jej publicznej obrony. Ponadto biorąc pod uwagę oryginalność tematu, rozległość badań przeprowadzonych przez Doktorantkę, ogromne trudności jakie musiała przezwyciężyć oraz ogólnie bardzo wysoki poziom rozprawy wnioskuję o jej wyróżnienie. 6