Содержание к диссертации
Введение
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОБЛЕМЫ ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ 9
1.1. Роль электромагнитного поля в совокупности действия абиотических факторов на системы растительного и животного происхождения 9
1.2. Действие электромагнитного поля крайне низких частот на системы растительного происхождения 13
1.3. Механизмы действия электромагнитного поля на биологические системы 18
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ 29
2.1. Методика исследования воздействия электромагнитного поля на всхожесть семян сельскохозяйственных культур 29
2.2. Методики приготовления экстракционных растворов семян подсолнечника и сои, растворов аминокислот 35
2.3. Методика определения резонансных частот исследуемых систем 36
2.4. Методика определения вязкости, электропроводности и значения рН исследуемых растворов 39
2.5. Методика исследования воздействия электромагнитного поля техногенного происхождения на всхожесть семян сельскохозяйственных культур и физико-химические параметры экстракционных растворов 41
3. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ НИЗКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ 47
3.1. Влияние электромагнитного поля крайне низкочастотного диапазона на всхожесть семян подсолнечника и сои 47
3.2. Воздействие частотно-модулированного электромагнитного поля на семена сельскохозяйственных культур 55
3.3. Возможные механизмы действия модулированного электромагнитного поля на биологические системы 70
3.4. Воздействие электромагнитного поля техногенного происхождения на семена сельскохозяйственных культур 79
3.5. Исследование влияния антропогенного физического фактора на систему «микрофлора - семя» 95
3.5.1. Влияние электромагнитного поля на санитарно-показательные микроорганизмы воды 102
4. ОЦЕНКА РОЛИ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ФАКТОРА НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭКСТРАКЦИОННЫХ РАСТВОРОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ РАСТИТЕЛЬНЫХ БИООБЪЕКТОВ 106
4.1. Воздействие электромагнитного поля крайне низкочастотного диапазона на физико-химические свойства экстракционных растворов семян подсолнечника и сои 106
4.2. Воздействие электромагнитного поля техногенного происхождения на экстракционные растворы семян сельскохозяйственных культур 118
4.3. Действие антропогенных факторов на биологические системы растительного происхождения 127
ВЫВОДЫ К ДИССЕРТАЦИИ 134
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 135
- Роль электромагнитного поля в совокупности действия абиотических факторов на системы растительного и животного происхождения
- Методика исследования воздействия электромагнитного поля на всхожесть семян сельскохозяйственных культур
- Влияние электромагнитного поля крайне низкочастотного диапазона на всхожесть семян подсолнечника и сои
Введение к работе
Актуальность исследования. Жизнь живых организмов, как растений, так и животных протекает под постоянным влиянием на них окружающей среды, осуществляемым посредством экологических факторов. Они оказывают на организмы специфическое воздействие, определяемое их характером. Во все периоды своей эволюции биосфера изменялась под воздействием различных экологических факторов, вырабатывая способность к саморегуляции и нейтрализации негативных процессов. Однако, по мере развития человеческого общества, планетарная экосистема, адаптированная к воздействию природных факторов, начала испытывать действие антропогенных факторов, подавляющее большинство которых носит целенаправленный характер. На Земле практически не найти экосистем, которые бы не испытывали антропогенного влияния. Вносимые человеком существенные изменения в характер.геофизических факторов, как правило, резко повышают интенсивность их воздействия. Одним из таких факторов является электромагнитное поле. .$
Несмотря на то, что в течение всего эволюционного периода развитие жизни на нашей планете протекало под воздействием магнитного поля Земли, в связи с бурным развитием промышленности, науки и технике встает вопрос о возможных последствиях вторжения "достижений" современной цивилизации в нормальное развитие экосистем. Это связано, в первую очередь, с развитием радиосвязи, телевидения, радионавигации, радиолокации. В настоящее время перед человечеством возникла проблема «электромагнитного загрязнения» среды, которое возникает в результате деятельности человека.
Биологические системы помимо естественного геомагнитного поля испытывают на себе постоянное воздействие полей техногенного происхождения. В настоящее время уже доказанным является тот факт, что электромагнитные излучения инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского диапазона оказывают весьма существенное влияние на процессы жизнедеятельности. Однако, исходя из теоретических предпосылок, ученые долгое время считали невозможным какое-либо воздействие на биологические системы электромагнитного поля (ЭМП) от крайне низкочастотного до высокочастотного диапазона в виду их малой интенсивности. Однако за последние десятилетия ситуация существенно изменилась и многие исследования свидетельствуют о высокой чувствительности биологических систем ЭМП слабой интенсивности, а также предложен ряд моделей, объясняющих возможные механизмы воздействия электромагнитных полей такого типа на биологические объекты. К этим моделям относятся: модель циклотронного резонанса, параметрического резонанса, ядерного магнитного резонанса и т.д [Леднев В.В., 1996; Темурьянц Н.А., Шехоткин А.В., Камыница И.Б., 1998; Сташков A.M., Горохов И. Е., 1998; Музалевская Н.И., Урицкий В.М., 1997; Агулова Л.П., 1995; Бинги В.Н., 1997; Оганесян О.В., 1985; Арцрцуни Г.Г., 1985; Владимирский Б.М., 1996; Барышев М.Г., 2002]. Однако, несмотря на обширный материал, накопленный в данной области, алгоритмов четкой и однозначной оценки действия ЭМП техногенного происхождения не существует. Помимо того, что электромагнитное поле оказывает положительное влияние на состояние биологических систем, существует много исследований, доказывающих отрицательное воздействие электромагнитного поля техногенного происхождения на живые организмы, выражающееся чаще всего замедлением естественного развития организмов, развитием раковых заболеваний [Шевель Д.В., 2002]. Соответственно, перед исследователем встает вопрос о защите окружающей среды от последствий негативного влияния электромагнитного поля. В связи с этим, в настоящее время активно разрабатываются различные методики защиты биологических систем от техногенных воздействий электромагнитного ПОЛЯ.
Большой интерес представляет не только исследование взаимодействия электромагнитного поля с биологическими системами в целом, но и с их отдельными элементами. К последним можно отнести клетки, липиды, белки, а также их водные растворы. В водной среде функционирует большинство биологически активных веществ. Взаимодействие воды с мономерами во многом определяет конфигурацию макромолекулы, а, следовательно, и ее возможное поведение при воздействии с какими-либо факторами, одним из которых яв- ляется электромагнитное поле. Это делает воду одним из важнейших объектов исследований. Природа воды еще до конца не ясна, но она - прежде всего растворитель, в среде которого протекают все элементарные акты жизнедеятельности. Магнитную обработку водных систем широко используют сельском хозяйстве (предпосевная обработка семян, птицеводство, животноводство), медицине и других областях [Классен В.И. 1982]. Но результаты этого воздействия зависят от многих факторов, определение которых может позволить повысить урожайность сельскохозяйственных культур и создать предпосылки для уменьшения использования удобрений.
Таким образом, наиболее актуальными вопросами в рассматриваемой области являются: выявление основных закономерностей взаимодействия электромагнитного поля техногенного происхождения с биологическими системами и окружающей средой, возможность наиболее быстрых и полных алгоритмов оценки последствий данных взаимодействий, а также разработка на-v дежных средств защиты от негативного влияния ЭМП на экосистемы.
Цель и задачи исследования. Целью работы является эксперименталь-/: ное определение закономерностей воздействия электромагнитного поля крайне низких частот (КНЧ) (от 3 до 30 Гц) на биологические системы растительного происхождения и определение возможности ослабления негативного воздействия ЭМП техногенного происхождения.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи: изучить действие антропогенного физического фактора (ЭМП КНЧ) на биосистемы растительного происхождения на примере семян сои и подсолнечника; оценить роль влияния электромагнитного фактора (ЭМП КНЧ) на физико-химические свойства экстракционных растворов, полученных из семян подсолнечника и сои с целью определения компонентов, чувствительных к действию ЭМП; исследовать изменение свойств биосистем растительного происхождения и их экстракционных растворов от индекса частотной модуляции ЧМ ЭМП. выявить воздействие техногенного ЭМП на биосистемы и физико-химические показатели их экстракционных растворов. разработать методику быстрой оценки воздействия ЭМП техногенного происхождения на растительные системы.
Научная новизна работы. На примерах обработки семян сои и подсолнечника, и экстракционных растворов показано наличие влияния электромагнитного поля крайне низких частот на биологические системы. В результате проведенных исследований подтверждено, что чувствительными компонентами среды к воздействию ЭМП являются белковые молекулы. Установлено, что электромагнитное поле, генерируемое двигателями электротехнических приборов, оказывает негативное воздействие на системы растительного происхождения. Экспериментально установлено и теоретически обосновано, что увеличение индекса частотной модуляции Мчм > 6 частотно-модулированного ЭМП приводит к уменьшению всхожести и энергии прорастания семян сельскохозяйственных культур.
Научно-практическая значимость работы. Электромагнитное поле* крайне низкочастотного диапазона возможно применять в сельском хозяйстве для увеличения урожайности сельскохозяйственных культур. Приведены методы и алгоритмы оценки последствий воздействия электромагнитного поля, генерируемого электрическими двигателями, на биологические системы. Предложен способ ослабления негативного воздействия электромагнитного поля техногенного происхождения на растительные биосистемы.
Апробация работы. Основные положения и выводы диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах:
Всероссийские научные конференции студентов-физиков и молодых ученых, ВНКСФ-7 (С.-Петербург, 2001), ВНКСФ-8 (Екатеринбург, 2002), ВНКСФ-9 (Красноярск, 2003), ВНКСФ-10 (Москва, 2004).
Международная экологическая конференция "Экология России и сопредельных территорий. Экологический катализ".
IV международная научно-практическая конференция "Современная техника и технологии в медицине, биологии и экологии - СТМБ 2005", (Новочеркасск, 2005). - Семинар Физико-технического факультета Кубанского государст венного университета, кафедра радиофизики и радиоэкологии. (Краснодар, 2006).
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты воздействия ЭМП КНЧ на всхожесть и энергию прорастания семян подсолнечника и сои, а также на физико-химические параметры их экстракционных растворов;
Результаты влияния изменения индекса частотной модуляции частотно-модулированного ЭМП на всхожесть и энергию прорастания семян подсолнечника и сои, а также на физико-химические свойства экстракционных растворов семян;
Результаты исследования воздействия ЭМП техногенного происхождения на всхожесть и энергию прорастания семян подсолнечника и сои, а также на физико-химические параметры их экстракционных растворов;
Обоснование метода защиты семян подсолнечника и сои от действия ЭМП техногенного происхождения.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация, включая список литературы, изложена на 145 страницах и содержит введение, обзор литературы, описание материала и методов исследования, изложение собственных результатов, заключение, выводы, практические рекомендации, список литературы. Содержит 2 таблицы, 73 рисунка. Библиография включает 89 отечественных и 20 зарубежных источников.
Роль электромагнитного поля в совокупности действия абиотических факторов на системы растительного и животного происхождения
В ходе эволюционного развития у живых организмов выработались механизмы восприятия информации о состоянии окружающей среды посредством взаимодействия с электромагнитным полем. К естественным источникам излучения относятся Солнце, планеты Солнечной системы, другие космические объекты [18]. К основным искусственным источникам можно отнести: электротранспорт (трамваи, троллейбусы, поезда), линии электропередач (городского освещения, высоковольтные), электропроводка (внутри зданий, телекоммуникации), бытовые электроприборы, теле- и радиостанции (транслирующие антенны), спутниковая и сотовая связь (транслирующие антенны), радары, персональные компьютеры. Мощность искусственных источников электромагнитного поля (ЭМП) может значительно превышать фоновую, создаваемую естественными источниками.
Действие ЭМП на биосистемы исследуется начиная с момента появления первых генераторов ЭМП. Воздействие ЭМП на биологические системы значительной напряженности (приводящие к тепловым эффектам в биосистемах) исследованы в настоящий момент достаточно полно. Однако слабые воздействия низкоинтенсивного поля (нетеплового характера) изучены не в полной мере.
Как известно, электрическое поле создается зарядом, магнитное при движении электрических зарядов по проводнику. Для количественной характеристики величины электрического поля используется понятие напряженно ста электрического поля Е [В/м], а для магнитного поля рассматривается напряженность магнитного поля Н [А/м]. При измерениях частот сверхнизкочастотного (СНЧ) и крайне низкочастотного (КНЧ) диапазонов часто используется понятие магнитная индукция В [Тл].
Спектр электромагнитных волн, которое способно генерировать человечество с помощью разнообразных технических устройств, достаточно широк. Согласно международной практике для диапазона электромагнитных волн 10-10 м (полоса частот - 3-30 Гц) принято название крайне низкочастотный диапазон [62].
Активное изучение биологического действия постоянных низкочастотных электромагнитных полей начато в середине 70-х годов. Необходимость данных исследований диктуется гигиеническим нормированием действия ЭМП, выяснением последствий их воздействия через длительное время на человека и биосферу.
На протяжении всего эволюционного периода живые организмы находились во взаимодействии с физическими факторами внешней среды, большинство из которых имеет электромагнитную природу. Установлено, что в биосфере существуют электромагнитные поля и излучения всех известных диапазонов - от магнитного и электрического полей Земли, до гамма-лучей. На данный момент установлено, что живые организмы проявляют высокую чувствительность к воздействию электромагнитного поля. Известно, что характер взаимодействия электромагнитной волны с биологическим объектом определяется такими параметрами излучения, как частота или длина волны, поляризация волны, скорость распространения, когерентность колебания; а также физико-химическими свойствами биологического объекта, выступающего в роли среды, в которой распространяется электромагнитная волна: диэлектрической проницаемостью, электрической проводимостью, вязкостью. Важными параметрами среды являются показатель рН, ионная сила, темпера тура и др. Вместе с тем, физико-химические и биологические механизмы действия полей на биологические системы еще мало изучены.
Биологические объекты постоянно подвергаются воздействию внешних факторов электромагнитной природы, поэтому можно считать, что в процессе эволюции живых организмов в той или иной степени сыграли какую-либо роль все диапазоны естественного электромагнитного спектра. По мнению Пресмана [69] наиболее вероятными представляются такие типы электромагнитного взаимодействия биологических систем как:
1. электромагнитные взаимодействия между организмами;
2. участие в жизнедеятельности организмов происходящих в них самих электромагнитных процессов;
3. воздействие внешнего электромагнитного поля на функционирование биологических систем.
Методика исследования воздействия электромагнитного поля на всхожесть семян сельскохозяйственных культур
В исследованиях использовали семена подсолнечника сорта Лакомка, семена сои сорта «Вилана-Элита». В качестве исследуемого параметра использовали всхожесть семян и их энергия прорастания. Отбор образцов осуществляли согласно ГОСТ 12036-85 [27], то есть выбирали семена, у которых отсутствовали механические повреждения, размеры семян лежали в пределах 1,4 - 1,6 см. Отбраковывали также семена, обладающие аномальной окраской, плесенью, поврежденными семядолями, семена без зародыша, проросшие семена, семена, потерявшие 1/2 и более семени, содержащие различные мертвые примеси, комочки земли, обломки стеблей и цветов, голые семена.
Определение всхожести и энергии прорастания семян подсолнечника сорта «Лакомка» и семян сои сорта «Вилана-Элита» производили по ГОСТ 12038-84 [28]. Данный стандарт распространяется на семена сельскохозяйственных культур за исключением сахарной свеклы, цветочных культур и хлопчатника. Для экспериментов основной культуры отбирали четыре пробы по 50 семян. Семена сои и подсолнечника проращивали в рулонах. При этом лист бумаги размером 40x50 см (±2 см) складывали вдвое по ширине и увлажняли. На одной из половин листа семена раскладывали на расстоянии 2-2,5 см от верхнего края листа и на расстоянии 6 - 6,5 см от нижнего края. Семена размещали в четыре ряда в шахматном порядке. Затем пробу накрывали второй половиной листа, лист сворачивали в рулон и помещали вертикально в сосуд с крышкой. При этом оставляли небольшое отверстие для вентиляции. Емкости с семенами помещали в термостат и содержали при постоянной температуре 25С(±2С), с постоянной вентиляцией. Энергию прорастания сои определя ли на 3 сутки, а всхожесть на 7 сутки. Энергию прорастания семян подсолнечника определяли на 3 сутки, а всхожесть на 5 сутки. При этом день закладки семян на проращивание и день подсчета энергии прорастания или всхожести считаются за одни сутки. При учете энергии прорастания подсчитывали только нормально проросшие и загнившие семена, а при учете всхожести отдельно подсчитывали нормально проросшие, набухшее, твердые, загнившие и ненормально проросшие семена. К числу нормально проросших семян относили семена, имеющие хорошо развитые и имеющие здоровый вид корешки размером более длины семени и сформировавшийся росток, а также семена с небольшими поверхностными повреждениями органов проростков, которые не затрагивали проводящие ткани. При этом у семян подсолнечника семядоли должны легко освобождаться от плодовой и семенной оболочек. К непророс-шим семенам относятся набухшие семена, которые к моменту учета всхожести не проросли, но имели здоровый вид, а также твердые семена, которые к установленному сроку не набухли и не изменили внешнего вида. Загнившие семена и семена с сильно поврежденными проростками относили к невсхожим. Помимо состояния семян при определении всхожести и энергии прорастания учитывалось поражение проб плесневыми грибами. Для этого визуально определялся средний процент пораженных семян по всем пробам, а затем, согласно таблице 2.1. устанавливалась степень поражения семян.
Всхожесть и энергия прорастания семян вычисляли в процентах. При этом за результирующее значение принималось среднее арифметическое значение, полученное после определения исследуемых параметров в каждой опытной партии. Среднее арифметическое значение числа проросших, непро Ф росших и невсхожих семян вычислялось до десятых долей процента, а затем результат округлялся до целого числа.
Влияние электромагнитного поля крайне низкочастотного диапазона на всхожесть семян подсолнечника и сои
В последние годы получено много данных о положительном влиянии на процесс прорастания семян и последующий рост растений различных физических воздействий [19, 21, 98]. Физическое воздействие на посевной материал включает большой спектр излучений различных диапазонов и энергий. Широкое применение получают способы предпосевного воздействия, которые помимо стимуляции роста семян, оказывают губительное воздействие на патогенную микрофлору и возбудителей заболеваний растений. Одна из наиболее актуальных проблем в сельском хозяйстве - повышение урожайности сельскохозяйственных культур и улучшение качества продукции. При этом должны учитываться такие аспекты как обеспечение генетической чистоты используемых сортов и влияние сельскохозяйственных мероприятий по борьбе с вредителями и заболеваниями растений на экологическую обстановку окружающей среды. Перспективным направлением в таком случае является исследование воздействия ЭМП КНЧ на сельскохозяйственные культуры. Поэтому нами было принято решение исследовать такие объекты как семена подсолнечника и сои. Было проведено исследование воздействия ЭМП КНЧ, на параметры прорастания семян выбранных сельскохозяйственных культур. Выбор материала определялся спецификой места проведения исследований -Краснодарский край. В данном регионе очень развито сельское хозяйство и вопросы увеличения выхода сельскохозяйственной продукции весьма актуальны в любое время. Одной из наиболее культивируемых сельскохозяйственных культур является подсолнечник, а также соевые бобы. Соя также является одним из наиболее богатых по содержанию белков растением, а продукция, производимая из сои, является основой питания для людей с заболеваниями обмена веществ.
Обработка и исследование изменений параметров прорастания семян производились по методике, описанной в 2.1. Результаты обработки семян подсолнечника сорта Лакомка представлены на рис.3.1-3.2. Обработка производилась при воздействии ЭМП крайне низких частот в течении времени t=20 минут, при напряженности магнитного поля Н=100А/м. Частоты ЭМП, которые использовались для обработки семян, были выбраны в соответствии с экспресс-методикой по определению резонансных частот биологических объектов [9].
Анализ полученной зависимости показывает постепенной увеличение всхожести, и наибольший эффект зависимости всхожести семя подсолнечника от частоты электромагнитного поля наблюдается на частоте f=22 Гц, при этом опытное значение превосходит контроль на 33 %, максимальная ошибка не превышала Д=6 %, вычисленная при надежности Р=0,95. В опытных образцах, обработанных на данной частоте не наблюдалось появление плесневых грибков. Тогда как в остальных образцах патогенная флора присутствовала в той или иной степени. Наибольшее развитие плесени наблюдалось при воздействии на семена подсолнечника ЭМП с частотой f=30 Гц, с теми же параметрами времени и напряженности поля. Также воздействие с частотой f=30 Гц приводит и к уменьшению всхожести по сравнению с контрольным значением на 14 %, А=5,4 % при надежности Р=0,95. Наряду с исследованием всхожести семян оценивалась энергия прорастания семян
