Применение электромагнитных полей сверхвысоких частот для обработки семян сельскохозяйственных культур
Благодаря развитию и внедрению в промышленность электромагнитных полей сверхвысоких частот (ЭМП СВЧ) и крайне высоких частотных диапазонов (КВЧ) стало возможным ускорение технологических процессов в биологической, медицинской и сельскохозяйственной отраслях. Применение электромагнитной энергии (ЭМ) в растениеводстве, животноводстве, переработке и хранении сельхозпродукции позволяет реализовать экологически чистые и эффективные технологии. Применение микроволновой энергии в сельском хозяйстве, медицинской, фармакологической, пищевой промышленности обусловлено ее достоинствами, заключающимися в том, что электромагнитная энергия избирательно преобразуется в тепловую, имеет большую глубину проникновения поля, эффективна и экономична.
Дезинфекция и стимуляции роста семян
Для дезинфекции и стимуляции роста семян, а также препятствования распространения насекомых-вредителей определены эффективные режимы применения СВЧ.
Анализ последних исследований воздействия СВЧ на всхожесть
Проводимые анализы показали, что существует зависимость между энергией прорастания семян, их всхожести, интенсивности дыхания, количества и качества урожая и параметрами воздействующего на них электромагнитного поля.
Помимо энергетического взаимодействия ЭМП с биологическими системами существует также и информационное. Эта технология основана на информационном воздействии микроволновой энергии малой мощности на биологические объекты, повышающем энергию прорастания семян и иммунную систему растений. Опыты показывают, что на реакцию организмов, как растений, так и животных, влияет не только величина энергии ЭМП, но и модуляционно-временные параметры этих полей. При уменьшении ЭМП наблюдалось повышение реагирования биологических объектов. А в некоторых случаях реакции не было вовсе, если энергия ЭМП становилась более высокой.
Воздействие СВЧ на биологические системы для повышения урожайности
Благодаря изучению действия излучения СВЧ в миллиметровом диапазоне на разные системы биологических организмов удалось установить, что его действие основывается на резонансном и индивидуальном характере влияния на различные биологические системы. Например, выяснено, что при воздействии облучения на сине-зеленые водоросли ЭМП низкой энергии на протяжении одного часа, прирост биомассы составил 47%.
Использование электромагнитного излучения низкой энергии в технологических процессах животноводства и растениеводства
Использование электромагнитного излучения низкой энергии в технологических процессах животноводства и растениеводства минимизирует затраты энергии, оказывая максимальное влияние на информационные процессы жизнедеятельности биологических организмов, так как в основе их жизни лежит обмен веществ, энергии, информации при асимметричной спиральной структуре.
Обоснование и создание способов и приборов для измерения диэлектрической проницаемости биологических объектов в высокочастотном диапазоне на основе импульсной рефлектометрии
В настоящее время одним из самых экологичных и перспективных методов предпосевной обработки семян являются биофизические методы.
Один из них – обработка семян электромагнитными полями в диапазоне сверхвысоких частот. Резонансное воздействие, лежащее в основе этого метода, оказывает влияние на каждое семя. Состав клетки любого семени, как известно, образован ядром, ядерной оболочкой, митохондриями, лизосомами, эндоплазматической сетью, аппаратом Гольджи, центросомами, заполненными цитоплазмой и окруженными клеточной мембраной. Внешнее электромагнитное поле, действующее с частотой по значению близкой или равной резонансной частоте семян, подвергнутых излучению, преобразует внешнее излучение в собственное колебания молекул белков, так как клеточная мембрана является кольцевым диэлектрическим резонатором, с присущими для каждой культуры семян определенными линейными размерами и резонансной частотой. Таким образом можно ускорить биохимические реакции, оказывая влияние на ферментативную активность семян.
Зависимость частоты электромагнитной волны СВЧ от диэлектрической проницаемости семян
Чтобы повысить качество семян, необходимо применение полей с определенными пространственными параметрами электромагнитных волн сверхвысоких частот, а также частотой, мощностью и длительностью излучения на семена.
Наши контакты
Раб. тел/факс: (812) 493-20-71
Электронная почта: [email protected]
Открыть контакты и реквизиты компании
Гамма-излучение
ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ
Gamma-radiation
Гамма-излучение (γ-излучение) – электромагнитное излучение, принадлежащее наиболее
высокочастотной (коротковолновой) части спектра электромагнитных волн.
| Название | Длина волны, м | Частота, Гц |
|---|---|---|
| радиоволны | 3·105 — 3 | 103 — 108 |
| микроволны | 3 — 3·10-3 | 108 — 1011 |
| инфракрасное излучение | 3·10-3 — 8·10-7 | 1011 — 4.1014 |
| видимый свет | 8·10-7 — 4·10-7 | 4·1014 — 8·1014 |
| ультрафиолетовое излучение | 4·10-7 — 3·10-9 | 8·1014 — 1017 |
| рентгеновское излучение | 3·10-9 — 10-10 | 1017 — 3·1018 |
| < 10-10 | > 3·1018 |
На шкале электромагнитных волн гамма-излучение соседствует
с рентгеновскими лучами, но имеет более короткую длину волны.
Первоначально
термин “гамма-излучение” относился к тому типу излучения радиоактивных ядер,
который не отклонялся при прохождении через магнитное поле, в отличие от
α- и β-излучений.
Условно верхней границей длин волн гамма-излучения, отделяющей
его от рентгеновского излучения, можно считать величину 10-10 м. При столь малых длинах волн первостепенное значение имеют корпускулярные
свойства излучения. Гамма-излучение представляет собой поток частиц — гамма-квантов
или фотонов, с энергиями Е = hν (h – постоянная Планка, равная 4.14·10-15 эВ.сек, ν – частота электромагнитных колебаний).
Фотоны с энергиями Е > 10 кэВ относят к гамма-квантам. Между длиной волны
λ гамма-излучения и его частотой ν существует то же соотношение, что и для
других типов электромагнитных волн:
ν·λ = с (с – скорость света).
Частота гамма-излучения (> 3·1018 Гц) отвечает
скоростям электромагнитных процессов, протекающих внутри атомных ядер и
с участием элементарных частиц.
Поэтому источниками гамма-излучения могут
быть атомные ядра и частицы, а также ядерные реакции и реакции между частицами,
в частности аннигиляция пар частица-античастица. И наоборот, гамма-излучение
может поглощаться атомными ядрами и способно вызывать превращения частиц.
Изучение спектров ядерного гамма-излучения и гамма-излучения, возникающего
в процессах взаимодействия частиц, дает важную информацию о структуре этих
микрообъектов.
Гамма-излучение может также возникать при торможении быстрых
заряженных частиц в среде (тормозное гамма-излучение) или при их движении
в сильных магнитных полях (синхротронное излучение).
Источниками гамма-излучения являются также процессы в космическом
пространстве. Космические гамма-лучи приходят от пульсаров, радиогалактик,
квазаров, сверхновых звёзд.
Гамма-излучение ядер испускается при переходах ядра из состояния
с большей энергией в состояние с меньшей энергией, и энергия испускаемого
гамма-кванта с точностью до незначительной энергии отдачи ядра равна разности
энергий этих состояний (уровней) ядра.
Энергия ядерного гамма-излучения
обычно лежит в интервале от нескольких кэВ до нескольких МэВ и спектр этого
излучения линейчатый, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров
ядерного гамма-излучения позволяет определить энергии состояний (уровней)
ядра.
При распадах частиц и реакциях с их участием обычно испускаются
гамма-кванты с бoльшими энергиями — десятки-сотни МэВ.
Гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных
частиц через вещество, вызывается их торможением в кулоновском поле ядер
вещества. Тормозное гамма-излучение имеет сплошной, спадающий с ростом энергии
спектр, верхняя граница которого совпадает с кинетической энергией заряженной
частицы. На ускорителях заряженных частиц получают тормозное гамма-излучение
с энергиями до нескольких десятков ГэВ и более.
Гамма-излучение можно получить при соударении электронов большой
энергии от ускорителей с интенсивными пучками видимого света, создаваемых
лазерами.
При этом электрон передает свою энергию световому фотону, который
превращается в гамма-квант. Аналогичное явление может иметь место и в космическом
пространстве в результате соударений фотонов с большой длиной волны с быстрыми
электронами, ускоренными электромагнитными полями космических объектов.
Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т.
е. может проходить сквозь большие толщи вещества. Интенсивность узкого пучка
моноэнергетических гамма-квантов падает экспоненциально с ростом проходимого
им в веществе расстояния. Основные процессы взаимодействия гамма-излучения
с веществом — фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние
(комптон-эффект) и образование пар электрон-позитрон. При фотоэффекте гамма-квант
выбивает из атома один из его электронов, а сам исчезает. При комптон-эффекте
гамма-квант рассеивается на одном из слабо связанных с атомом или свободных
электронов вещества. Если энергия гамма-кванта превышает 1.
02 МэВ, то возможно
его превращение в электрическом поле ядер в пару электрон-позитрон (процесс
обратный аннигиляции).
Рис. Зависимость полного коэффициента поглощения гамма-излучения в свинце и алюминии от энергии (сплошные линии). Поглощение за счёт фотоэффекта в алюминии пренебрежимо мало при рассматриваемых энергиях. Пунктирные линии − отдельные вклады, вносимые в полный коэффициент поглощения фотоэффектом, комптоновским рассеянием, рождением пар для свинца.
Гамма-излучение используется в технике (напр., дефектоскопия), радиационной химии (для инициирования химических превращений, напр., при полимеризации), сельском хозяйстве и пищевой промышленности (мутации для генерации хозяйственно-полезных форм, стерилизация продуктов), в медицине (стерилизация помещений, предметов, лучевая терапия) и др.
Потеря питательных веществ, токсичный пластик, излучение… Микроволновка — это зло?
- Джессика Браун
- BBC Future
Автор фото, Getty Images
Рискуем ли мы, подвергая пищу (и себя) излучению микроволновки? А как насчет опасности разогрева до высокой температуры пластиковых упаковок с полуфабрикатами? Давайте разберемся со всеми подобными вопросами.
Несмотря на то, что микроволновая печь в течение десятилетий была и остается рабочей лошадкой наших кухонь, редкий предмет домашнего обихода рождал о себе столь противоположные мнения.
Микроволновку называли настоящим спасением для тех, кто не умеет и не собирается готовить, в то время как некоторые из шеф-поваров утверждали, что это изобретение убивает искусство готовить пищу.
Но есть еще один вечный вопрос, по поводу которого не стихают ожесточенные споры, и он не про тонкости кулинарного искусства: не опасно ли присутствие микроволновки на кухне?
Может быть. Однако в отношении еще одного повода для беспокойства всё не так ясно: может ли еда, приготовленная в микроволновке, быть вредна? Теряет ли пища свои питательные свойства, пройдя через нагревание в микроволновке? Ведет ли разогревание еды в пластиковой упаковке к нарушениям в работе гормональных систем человека?
Потерянные питательные вещества?
Некоторые исследования показали, что овощи теряют в микроволновке ряд питательных качеств.
Например, из брокколи может исчезнуть до 97% флавоноидов — фитохимических веществ с антимикробными и антиоксидантными свойствами. Это на треть больше, чем после варки в кипящей воде.
Впрочем, в одном исследовании 2019 года указывается, что предыдущие эксперименты с брокколи осуществлялись при разной температуре, разном времени готовки и не учитывали, находился ли продукт в воде.
Обнаружилось, что при коротком времени готовки (когда эти овощи оставались в микроволновке одну минуту) питательные вещества не исчезают. Готовка на пару или в микроволновке может даже увеличить объем флавоноидов.
«В условиях приготовления, используемых в этом исследовании, готовка в микроволновой печи оказалась лучшим способом сохранить флавоноиды, чем готовка на пару», — писали ученые.
При этом они обнаружили, что если готовить в микроволновке брокколи со слишком большим количеством воды (примерно с таким, которое мы применяем при варке в кастрюле), то объем флавоноидов падает.
Автор фото, Getty Images
Подпись к фото,Некоторые продукты, например, зеленый горошек, теряют питательные вещества при готовке на пару или в микроволновке, однако других, таких, как фасоль, это не касается
Сян Ли Ву из исследовательского центра Белтсвил при министерстве сельского хозяйства США говорит, что нет единого объяснения тому факту, что приготовление в микроволновке повышает уровень флавоноидов.
Возможно, после микроволновки их просто легче обнаружить, легче выделить, и никакого увеличения количества тут нет.
Нет и однозначного ответа на вопрос, сохраняют ли овощи после микроволновки питательных веществ больше, чем после других способов приготовления, считает Сян Ли Ву. «Хотя в общем микроволновка предпочтительнее, оптимальное время приготовления будет разным для разных овощей», — говорит он.
Так что даже если микроволновка и предпочтительный метод, то далеко не для всей растительной пищи.
В другом исследовании отмечалось, что «умеренное нагревание может быть инструментом улучшения полезных для здоровья качеств некоторых овощей».
Перегретый пластик?
Мы часто подогреваем пищу, помещая ее в микроволновку в пластиковом контейнере или упаковке. По этому поводу некоторые ученые предупреждают о риске вдыхания фталатов (эфиров фталевой кислоты, в частности, используемых при производстве пластиковой посуды и упаковок — Ред.). При высокотемпературной обработке эти токсичные добавки могут расщепляться и проникать в пищу.
Автор фото, Getty Images
Подпись к фото,При разогревании пищи в пластиковой посуде токсичные фталаты могут расщепляться и попадать в еду
«Некоторые типы пластика не предназначены для использования в микроволновках, потому что состоят из полимеров, которые расплавляются при нагревании, а когда температура превышает 100 градусов по Цельсию, они могут попадать в пищу», — рассказывает Джумин Тан, профессор из Университета штата Вашингтон.
В исследовании 2011 года ученые купили более 400 пластиковых пищевых контейнеров и обнаружили, что большинство из них выделяли химикаты, нарушающие работу гормонов в организме человека.
Фталаты — наиболее распространенные добавки, придающие изделиям из пластика большую гибкость. Они часто обнаруживаются в контейнерах для пищи, пластиковых упаковках и бутылках для воды. Как выяснилось, фталаты нарушают работу гормонов и нашей метаболической системы.
У детей фталаты могут вызывать повышение кровяного давления и инсулинорезистентность, что увеличивает риск метаболических заболеваний — например, диабета и гипертонии. С воздействием фталатов также связывают бесплодие, астму и синдром дефицита внимания.
Фталаты потенциально могут мешать работе гормонов щитовидной железы, отмечает профессор медицинского факультета Нью-Йоркского университета Леонардо Трасанде. Эти гормоны, помимо прочего, имеют крайне важное значение для развития мозга ребенка во время беременности.
Бисфенол — также распространенный компонент пластиковых изделий, и исследования указывают на то, что он тоже может нарушать работу гормонов у человека. Но таких исследований мало — по сравнению с теми, где изучается воздействие фталатов.
Фталаты — повсюду, от игрушек до лосьонов для тела, и по-прежнему не до конца ясно, насколько велик от них вред. Но большинство экспертов сходятся на том, что разогревание пищи в контейнере из пластика, содержащего фталаты, может увеличивать их воздействие на человеческий организм.
Автор фото, Getty Images
Подпись к фото,Фталаты, как выяснили ученые, нарушают работу гормонов и нашей метаболической системы
«Разогревание в микроволновке активизирует загрязняющие вещества, — рассказывает профессор Рольф Халден, директор центра биодизайна в Университете штата Аризона. — Этот процесс используется в лабораториях для выделения загрязнителей из образцов — перед тем, как приступить к анализу химического состава».
При этом, как отмечает Трасанде, степень потенциального риска не обязательно зависит от того, насколько часто человек разогревает пищу в пластиковом контейнере. Связь здесь нелинейная.
«Из многочисленных исследований мы теперь знаем, что низкий уровень воздействия может быть как раз самым опасным. И нет такого уровня, который можно было бы назвать безопасным», — говорит он.
Важно помнить, что когда пластиковый контейнер нагревается, опасность исходит и от тех поверхностей, которые не соприкасаются с пищей. Например, на крышке может конденсироваться влага, в которой содержатся вредные вещества, затем попадающие в пищу в виде капель», — подчеркивает Халден.
Автор фото, Getty Images
Подпись к фото,Чтобы минимизировать риск при разогреве пищи в микроволновке, пользуйтесь не пластиковыми контейнерами, а керамической посудой
Самый надежный способ минимизировать риски — пользоваться не пластиковыми контейнерами, а, например, керамической посудой.
Если же все-таки пользоваться пластиком, то избегайте ситуации, когда контейнер деформирован, поскольку старые и поврежденные контейнеры с большей долей вероятности выделяют химические вещества.
Температурные риски?
Но даже если избегать пластиковой посуды, то остаются другие потенциальные опасности для здоровья: например, неравномерное нагревание пищи и применяемые в микроволновке высокие температуры.
Во-первых, попробуйте использовать микроволновую печь не для готовки (так как в ней еда может нагреваться неравномерно — и, соответственно, некоторые места блюда будут готовы в меньшей степени), а для разогрева уже приготовленного.
«В зависимости от величины порции части блюда могут быть нагреты сильнее остальных, — указывает Франциско Диес-Гонсалес, профессор из университета Джорджии (США). — В поперечном разрезе продукта температура разных его слоев может различаться. Достичь абсолютно одинакового нагрева трудно, особенно когда речь идет о блюде из сырых продуктов».
Однако важно отметить, что разогревание тоже несет в себе риски. Пищу надо разогревать, пока вся она не достигнет температуры в 82 градуса Цельсия — тогда погибают все вредоносные бактерии. Но каждый раз когда пища остывает, эти бактерии образуются особенно активно, и при следующем разогреве избавиться от них будет сложнее. Поэтому разогревать пищу более одного раза не стоит.
Автор фото, Getty Images
Подпись к фото,В микроволновках лучше разогревать, а не готовить. Но и разогревать некоторые продукты не стоит более одного раза — особенно рис
Высокие температуры в микроволновке сами по себе могут быть опасны. Говоря в общем, проблема — не сама температура. Некоторые исследования показали, что есть определенный риск в приготовлении в микроволновке крахмалосодержащих продуктов, в том числе — корнеплодов и злаковых.
Когда Бетти Шварц, профессор Еврейского университета в Иерусалиме, увидела, как ее студенты во время перерыва в занятиях нагревают в микроволновке картошку в мундире, она обратила внимание на образовавшиеся в картофелинах маленькие кристаллы.
Исследовав их, она обнаружила, что эти кристаллы содержат в себе много акриламида, химического вещества, используемого в производстве полимеров и считающегося токсичным. В этом случае акриламид стал побочным продуктом приготовления картофеля.
Шварц попросила студентов сварить картофель и обнаружила, что после варки никакого акриламида не образовалось. Она пришла к выводу, что виной всему — высокая температура микроволновки.
И это настораживает, поскольку исследования на животных показали, что акриламид действует как канцероген, вмешиваясь в работу ДНК клеток. Доказательств того, что у людей он работает так же, пока мало.
Некоторые исследования позволяют предположить, что приготовление пищи в микроволновке более способствует образованию акриламида, чем другие способы.
«При 100 градусах Цельсия выделяется достаточно энергии для того, чтобы изменить связи между молекулами и создать молекулу, которая будет реагировать изменениями ДНК, порождая мутации, — рассказывает Шварц.
— Когда мутаций становится много, может возникнуть онкология».
Исследования на животных показали, что такое происходит с акриламидами.
Опасное излучение?
Что касается излучения в микроволновках, то оно абсолютно безвредно. Эти приборы используют низкочастотное электромагнитное излучение, похожее на то, которое используется в электролампочках и радио.
Пища, помещенная в микроволновку, поглощает эти микроволны, что заставляет молекулы воды в еде вибрировать, создавая трение и этим нагревая ее.
Автор фото, Getty Images
Подпись к фото,Излучение в микроволновках абсолютно безвредно
Люди тоже способны поглощать электромагнитные волны. Но микроволновые печи вырабатывают относительно низкочастотные волны, не выходящие за пределы прибора.
Даже если бы они и выходили, эти волны безопасны, утверждает профессор Тан. (Но, конечно, высокая температура в микроволновке совсем не безопасна, так что вам ни в коем случае не стоит пробовать поместить туда живое существо!)
«Воздействию таких волн, как в микроволновке, мы подвергаемся ежедневно.
Люди даже обмениваются таким излучением между собой, — говорит Джумин Тан. — Если вы употребляете в пищу продукты из зерновых, выращенных на солнце, то вам незачем беспокоиться о пище из микроволновки».
В отличие от рентгеновских волн, микроволны не используют ионизирующее излучение, что означает: они не имеют достаточно энергии, чтобы отсоединять электроны от атомов.
Автор фото, Getty Images
Подпись к фото,Микроволны не используют ионизирующее излучение, так что нет ничего опасного в том, чтобы использовать их для разогрева пищи
«Чтобы повредить ДНК, надо нарушить химические связи. Это основной способ, с помощью которого радиация убивает: клетки начинают мутировать, и развивается онкология», — объясняет доцент радиационной медицины Тимоти Йоргенсен из медицинского центра Джорджтаунского университета (США).
По его словам, все тревоги по поводу микроволнового излучения были сняты еще в первые годы после изобретения микроволновки.
Микроволновка давным-давно признана безопасным кухонным прибором, но, как показывают современные исследования, с оговорками. Есть моменты, на которые стоит обратить внимание, если вы хотите ею пользоваться.
И в особенности экспертов продолжает беспокоить то, как пластиковая упаковка, которую мы используем, помещая пищу в микроволновку, может влиять на работу наших гормонов.
Прочитать эту статью на английском языке можно на сайте BBC Future.
эколог предупредил о вреде излучения от розеток
Эксперт дал советы, как свести к минимуму последствия электромагнитного излучения
Розетки влияют на здоровье человека далеко не лучшим образом. Об этом радио Sputnik сообщил директор лаборатории «Экология жизненного пространства» Антон Ястребцев.
Эксперт-эколог напомнил, что всю свою жизнь человек находится в поле электромагнитного излучения. В зависимости от силы воздействия это может отразиться на состоянии центральной нервной системы, внести сбои в работу эндокринной и иммунной систем, ухудшить функционирование сердца и сосудов.
Полностью оградить себя и свою семью от последствий электромагнитного излучения невозможно, каждый день мы включаем десятки электроприборов. Но свести опасность к минимуму вполне по силам каждому.
Заземлите розетки
Если это не сделано, каждый прибор, включенный в такую розетку, будет источником электромагнитного излучения в радиусе до полуметра. Даже если он в данный момент не работает. Вынимайте из розеток подзарядки от телефонов.
Распутайте удлинители
Сворачивание их в катушку сильно увеличивает излучение. Безопаснее укладывать их змейкой. Следите, чтобы провода не переплетались и старайтесь одновременно не пользоваться сразу несколькими приборами. При нагружении сети расстояние, на котором воздействует электромагнитное излучение, увеличивается до полутора метров и больше.
Не заряжайте телефон возле кровати
По словам Антона Ястребцева, если спать возле подзарядки ночь за ночью, негативное воздействие излучения будет накапливаться. Безопасное расстояние от головы — полметра-метр.
Спите подальше от внешнего кабеля
Кабель, который протянут к распределительному электрощитку квартиры, по информации эксперта — самый сильный источник излучения. И чем выше многоквартирный дом, тем оно сильнее, радиус его воздействия достигает пяти метров.
Эколог рекомендует обратить внимание на то, где расположены спальные места вашей семьи. И, если кабель проходит поблизости, отодвиньте их «как минимум, на три метра от щитка.
КУРИНЫЕ ЯЙЦА ПОМОГЛИ СОЗДАТЬ ПРОЗРАЧНУЮ ПЛЕНКУ, ЭКРАНИРУЮЩУЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Красноярские ученые при помощи экологической и безотходной технологии разработали прозрачные проводящие пленки с близкой к ста процентам эффективностью экранирования электромагнитного излучения. Гибкие и дешевые пленки могут использоваться не только для защиты данных в электронных устройствах, но и в качестве высокоэффективных прозрачных сенсорных экранов или электродов для оптоэлектрических устройств. Результаты исследования опубликованы в издании Journal of Materials Science.
Защита данных на электронных устройствах и их экранирование от электромагнитных помех крайне актуальны для военных или экономических целей. Сейчас большинство экранирующих пленок изготавливается в виде металлической фольги либо толстой сетки, которыми нельзя покрыть дисплей аппаратуры или окна.
Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН», СФУ и СибГУ им. М.Ф. Решетнева разработали прозрачные проводящие пленки на основе меди и никеля для высокоэффективного прозрачного экранирующего покрытия. Они имеют эффективность экранирования, превышающую характеристики альтернативных прозрачных проводящих покрытий, и более низкую стоимость. При этом пленки остаются прозрачными более чем на 80% и обладают высокой гибкостью.
Для получения этих покрытий ученые использовали куриные яйца. Белок яйца наносился тонким слоем на полимерные подложки. Высыхая, он образовывал растрескавшуюся структуру, которая становилась шаблоном для создания пленок. Сверху на самоорганизованный шаблон напылялось серебро, которое являлось тонкой затравкой для гальванического осаждения меди и никеля. Результаты показали, что благодаря покрытию из меди ученым удалось сделать пленки эффективнее и добиться большего процента экранирования – 99,99%, при достаточно высокой прозрачности материала в 82,2%.
«Шаблоны для прозрачных проводящих покрытий создавались при помощи дегидратационной самоорганизации. Подобный эффект можно наблюдать в повседневной жизни. Наиболее наглядным примером является растрескивание влажной почвы при высыхании и нагреве. Это обусловлено тем, что почва неоднородна и состоит из различных частиц, которые в процессе высыхания уплотняются, в результате чего в слое возникают избыточные механические напряжения, которые снимаются за счет образования трещин. Наша технология построена на таком же принципе. В качестве материала для шаблона мы взяли яичный белок. Один из главных плюсов такой методики, что она намного проще и экологичнее, чем альтернативные методики получения таких пленок, например, литографические. Это абсолютно «зеленая» технология. Синтез материала нашим методом безопасен и безотходен. К тому же он значительно дешевле, чем существующие аналоги», – рассказал автор работы Антон Воронин, кандидат технических наук, научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.
Еще одним плюсом технологии является гибкость полученных материалов. Благодаря гальваническому металлу на пленках, в отличие от альтернативных систем, полученных очень дорогостоящими методами фотолитографии и импринтлитографии, они не рвутся при сгибе и могут принимать необходимую форму.
«Для эффективного экранирования от электромагнитных помех важна герметичность стыков, поскольку они наиболее уязвимы для утечек. Наши пленки можно сложить, как оригами, чтобы придать пленке сложную геометрию экранирующего объекта. При этом покрытие практически полностью сохранит свои электрические свойства. Спектр задач для таких систем достаточно большой. Их можно использовать в качестве электродов для солнечных элементов или светодиодов, прозрачных нагревательных элементов, для уменьшения теплопотерь в сооружениях с панорамными окнами. С помощью прозрачных нагревательных элементов можно решить проблему замерзших окон в общественном транспорте, что актуально для нашего региона. Разместив на окно, можно наделить подобное покрытие несколькими функциями: они могут и экранировать, и обогревать помещение. Отличное решение, учитывая его низкую себестоимость», – отметил Антон Воронин.
Ученые отмечают, что с точки зрения трех параметров – эффективности экранирования, прозрачности и стоимости производства, разработанные пленки на настоящий момент являются лучшими даже среди теоретических решений. При этом эффективность защиты от электромагнитных помех у данных пленок превосходит другие прозрачные покрытия, полученные более сложными методами.
Ранее в Красноярском научном центре СО РАН на основе подобных пленок были созданы самоочищающиеся фильтры для масок-респираторов, способные задерживать инфекционные частицы размером менее 100 нанометров.
Работа проводилась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и стипендии Президента РФ для молодых ученых кандидатов наук.
На фото — прозрачные проводящие пленки
Информация и фото предоставлены Федеральным исследовательским центром «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»
Источник: https://scientificrussia.ru
Ученые ХНУРЭ приняли участие в семинаре, посвященном развитию биотехнологий в отечественной агропромышленности | ХНУРЭ — Харьковский национальный университет радиоэлектроники | ХНУРЭ
28.09.2020
Достижения ЦУР 9 – «Создание устойчивой инфраструктуры, содействие всеобъемлющей индустриализации и инновациям» – означает развитие качественной, надежной, устойчивой региональной и трансграничной инфраструктуры, внедрение исследований и инноваций в сфере отечественных технологий в целях поддержки экономического развития и благополучия людей.
Результатом научных исследований для содействия развития экологически устойчивой биотехнологии в агропромышленном комплексе был посвящен семинар с участием ученых кафедры БМИ, который прошёл 29.09.2020 г. в Харьковском национальном техническом университете сельского хозяйства имени Петра Василенко.
На семинаре обсуждались вопросы повышения производительности и увеличения поголовья крупного рогатого скота путем создания радиоимпульсной электромагнитной технологии и электронной системы электромагнитного излучения в миллиметровом диапазоне длин волн для лечения телят.
Радиоимпульсные электромагнитные излучения способны модифицировать иммунный статус организма животных, оказывать противовоспалительное действие, улучшать микроциркуляцию крови в тканях, активизировать физиологическую и репаративную регенерацию.
В настоящее время для сохранения молодняка используют антимикробные препараты, гормоны и другие химические препараты. Медикаментозные средства являются часто неэффективными, а длительное их применение нередко влечет за собой тяжелые осложнения, вызываемые бурным развитием грибков, стафилококков, гематологических штаммов кишечных палочек и протея. Результаты исследований показывают, что альтернативой медикаментозным средствам может быть использование радиоимпульсных электромагнитных излучений для воздействия на биологически активные точки, тучные клетки и нейтрофилы в кровеносных сосудах.
На семинаре были представлены теоретические и практические результаты совместных научных исследований.
На основе теоретических исследований, определены собственные частоты биологически активных точек кожного покрова животных, необходимые для лечения радиоимпульсным электромагнитным излучением с частотной модуляцией; определены параметры радиоимпульсного электромагнитного излучения; обоснованы параметры для излучения радиоимпульсов миллиметрового диапазона с частотной модуляцией; математически интерпретировано влияние параметров радиоимпульсного электромагнитного излучения для лечения телят.
Практические результаты формируют научно-техническую базу по созданию радиоимпульсной биотехнологии, электронных систем генератора и антенной системы в миллиметровом диапазоне длин волн.
Применение электромагнитной биотехнологии для лечения телят позволяет:
– повысить до 100% сохранность поголовья животных;
– увеличить их живую массу на 20-30%;
– снизить заболеваемость до 10%.
Результаты исследований апробированы в 2018-2019 г.г. в хозяйстве «Украина»
Сахновщинского района Харьковской обл. экономическая эффективность от внедрения импульсной электромагнитной биотехнологии составила 50 тыс. грн. из расчета на 25,0 голов.
Свидетельства о госрегистрации баз данных
Свидетельства о государственной регистрации баз данных
Эффективность реабилитационных технологий в сельском хозяйстве на территориях, загрязненных тяжелыми металлами № 2017620776 от 18 июля 2017 г. Авторы: Курбаков Д.Н., Панов А.В., Сотникова Н.А.
http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet?DB=DB&DocNumber=2017620776&TypeFile=html
База данных предназначена для пользователей, осуществляющих планирование реабилитационных технологий на территориях, загрязненных тяжелыми металлами. Область применения: сельское хозяйство, агрохимические технологии при ведении растениеводства и кормопроизводства на сельскохозяйственных угодьях, загрязненных тяжелыми металлами. База данных позволяет хранить, сортировать, осуществлять поиск и накопление данных, представлять информацию в удобном виде (таблицы, запросы, формы, отчеты), а также выполнять анализ информации по эффективности агрохимических технологий при ведении растениеводства и кормопроизводства на сельскохозяйственных угодьях, загрязненных ТМ.
Стандартные и реабилитационные технологии ведения кормопроизводства на радиоактивно загрязненных территориях № 2016620380 от 25 марта 2016 г. Авторы: Сотникова Н.А., Курбаков Д.Н., Панов А.В., Лой О.В.
http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet?DB=DB&DocNumber=2016620380&TypeFile=html
База данных (БД) предназначена для систематизации и анализа научной информации об эффективности агрохимических технологий по снижению накопления радионуклидов в продукции кормопроизводства на радиоактивно загрязненных сельскохозяйственных угодьях. БД предназначена для пользователей, осуществляющих планирование реабилитационных технологий, обеспечивающих производство радиологически безопасных кормов для сельскохозяйственных животных на территориях, загрязненных долгоживущими радионуклидами (руководители сельскохозяйственных предприятий, специалисты агрохимической службы и др.). БД содержит более 5 тысяч записей по данным: данные по месту проведения исследований, параметры проводимых экспериментов, физико-химические характеристики почв и плотности их загрязнения 90Sr и 137Cs, характеристики применяемых удобрений (вид удобрений, наименование, дозы и объемы применениия), результаты применения удобрений (кратность снижения содержания радионуклидов, раз; увеличение урожайности сельскохозяйственных культур, раз; коэффициенты накопления радионуклида, (Бк/кг)/(Бк/кг)), литературный источник. Объектами БД являются таблицы для хранения информации, запросы, формы и макросы.
Электронный реестр земель с высокими уровнями радиоактивного загрязнения (ЭЛРЕВУЗ)». № 2016620529 от 26 апреля 2016 г. Авторы: Шубина О.А., Титов И.Е.
http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet?DB=DB&DocNumber=2016620529&TypeFile=html
База данных предназначена для хранения и анализа информации по административно-хозяйственной характеристике сельскохозяйственных предприятий, видам землепользования, типам почв и механического состава почв и радиоактивному загрязнению сельскохозяйственных угодий на территориях, пострадавших после аварии на ЧАЭС. База данных заполнена на основе данных радиологического обследования отчужденных сельскохозяйственных земель в 2007 г., и в 2014-2015 гг. Источниками информации являются подразделения агрохимической службы. Сбор экспериментальной информации производился с бумажных и цифровых носителей. Часть доступной для использования в базе данных информации усреднена по результатам нескольких измерений.
Единый реестр радиоактивно загрязненных сельскохозяйственных земель России и Беларуси. № 2016620790 от 15 июня 2016 г. Авторы: Шубина О.А., Титов И.Е., Нуштаев С.Н.
http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet?DB=DB&DocNumber=2016620790&TypeFile=html
База данных содержит информацию, полученную в результате проведения радиационного мониторинга на радиоактивно загрязненных территориях России и Беларуси, пострадавших после аварии на ЧАЭС. Источниками информации являются подразделения агрохимической службы. Сбор экспериментальной информации производился с бумажных и цифровых носителей. Часть доступной для использования в базе данных информации усреднена по результатам нескольких измерений. Всего в ходе выполнения работ в 2015 году в Единый реестр радиоактивно загрязненных сельскохозяйственных земель России и Беларуси внесено 16 тыс. записей по уровням загрязнения сельхозугодий Брянской, Калужской, Орловской и Тульской областей.
Систематизация результатов исследований по действию электромагнитных излучений разных диапазонов на сельскохозяйственные растения. № 2016620800 от 16 июня 2016 г. Авторы: Манин К.В., Мироненко Р.И.
http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet?DB=DB&DocNumber=2016620800&TypeFile=html
База данных (БД) предназначена для накопления, систематизации и анализа информации по действию электромагнитных излучений разных диапазонов на сельскохозяйственные растения в модельных экспериментах и полевых исследованиях с учетом различных сопутствующих факторов. В БД внесены сведения как об условиях проведения исследований, так и количественная информация об экспериментально наблюдавшихся зависимостях «действие неионизирующего излучения электромагнитной природы — величина биологического эффекта». Информация содержится в двух основных, связанных между собой таблицах. В состав БД также входит набор вспомогательных таблиц для сервисного обслуживания и представляют собой списки для подстановки или таблицы, содержащие необходимый справочный материал.
Систематизация результатов исследований по миграции тяжелых металлов в системе почва – сельскохозяйственные растения. № 2016621301 от 22 сентября 2016 г. Авторы: Анисимов В.С., Кочетков И.В., Анисимова Л.Н., Мироненко Р.И.
http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet?DB=DB&DocNumber=2016621301&TypeFile=html
База данных (БД) содержит информацию по миграции тяжелых металлов в системе почва — сельскохозяйственные растения в модельных экспериментах и полевых исследованиях с учетом различных сопутствующих факторов. В БД внесены как сведения об условиях проведения исследований, так и количественная информация об экспериментально наблюдавшихся зависимостях «концентрация тяжелых металлов в почве — величина биологического эффекта». Информация содержится в двух основных, связанных между собой таблицах. В состав БД также входит набор вспомогательных таблиц для сервисного обслуживания и представляют собой списки для подстановки или таблицы, содержащие необходимый справочный материал. База данных предусматривает дополнение ее новыми результатами исследований и экспериментов.
Воздействие тяжелых металлов на сельскохозяйственные зерновые культуры. № 2016621455 от 31 октября 2016 г. Авторы: Дикарев В.Г., Дикарев А.В., Дикарева Н.С., Мироненко Р.И.
http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet?DB=DB&DocNumber=2016621455&TypeFile=html
База данных (БД) предназначена для накопления, систематизации и анализа научной информации по воздействию тяжелых металлов (ТМ) на сельскохозяйственные зерновые культуры. В БД внесены как сведения об условиях проведения исследований, так и количественная информация об экспериментально наблюдавшихся зависимостях: концентрация тяжелых металлов — биологические эффекты. Структурированная в БД информация включает: данные об условиях проведения исследований, параметры проводимых экспериментов, физико-химические характеристики почв и концентрации загрязнения их ТМ. БД полезна для пользователей, осуществляющих исследования по изучению воздействия ТМ на сельскохозяйственные зерновые, зерно-бобовые и зерно-крупяные культуры, а также для специалистов сельского хозяйства. БД содержит более 5 тыс. записей. Информация содержится в двух основных, связанных между собой таблицах. В состав БД также входит набор вспомогательных таблиц для сервисного обслуживания, которые представляют собой списки для подстановки или таблицы, содержащие необходимый справочный материал. Объектами БД являются таблицы для хранения информации, запросы, формы и макросы. БД предусматривает дополнение ее новыми результатами исследований и экспериментов.
Стандартные и реабилитационные технологии ведения растениеводства на радиоактивно загрязненных территориях. № 2015620009 от 12.01.2015 г. Авторы: Сотникова Н.А., Курбаков Д.Н., Панов А.В., Гордиенко Е.В.
База данных радиоактивного загрязнения сельскохозяйственных земель в отдаленный период после аварии на ЧАЭС. № 2015621260 от 14.08.2015 г. авторы: Шубина О.А., Титов И.Е., Нуштаев С.Н.
Систематизация результатов исследований по миграции радионуклидов в системе рацион — сельскохозяйственные животные. № 2015621557 от 14.10.2015 г. Авторы: Исамов Н.Н., Губарева О.С., Фесенко С.В.
Систематизация результатов исследований по воздействию тяжелых металлов на почвенный микробиоценоз. № 2015621556 от 14.10.2015 г. Авторы: Свириденко Д.Г., Спирин Е.В.
Систематизация результатов исследований по миграции тяжелых металлов в системе рацион-сельскохозяйственные животные. № 201421674 от 04.12.2014 г. Авторы: Исамов Н.Н., Губарева О.С., Фесенко С.В.
Систематизация результатов исследований биологического действия ионизирующих излучений на сельскохозяйственные растения. № 2013621230 от 25.09.2013 г. Авторы: Удалова А.А., Дубынина М.А., Гераськина Ю.С.
Систематизация результатов исследований параметров миграции радионуклидов в системе почва-растение. № 2013621229 от 25.09.2013 г. Авторы: Шубина О.А., Санжарова Н.И., Фесенко С.В., Фесенко Е.С.
Систематизация результатов исследований воздействия ионизирующих излучений на почвенные микробиоценозы. № 2013620193 от 09.01.2013 г. Авторы: Пименов Е.П., Мозолин Е.М., Морозова А.И., Варникова Е.С.
Систематизация результатов исследований воздействия тяжелых металлов на растения. № 2013620194 от 09.01.2013 г. Авторы: Дикарев В.Г., Мозолин Е.М., Арышева С.П., Лой Н.Н., Дикарева Н.С., Дикарев А.В.
Стрела AgTech с технологией дистанционного зондирования
С 19 века фермеры использовали первичные устройства дистанционного зондирования для наблюдения за урожаем с воздуха. Эти устройства представляли собой воздушные шары, на которых над полями несли фотоаппараты и другие инструменты для определения и мониторинга состояния посевов.
С тех пор эта технология значительно улучшилась. Фермеры используют современные устройства дистанционного зондирования, которые могут обеспечить более качественный обзор урожая в реальном времени .
Дистанционное зондирование в сельском хозяйстве — это метод, используемый для получения информации о различных почвенных и сельскохозяйственных культурах с расстояния . Эти датчики используют вариации электромагнитного излучения (EMR) для определения характеристик ландшафта и состояния сельскохозяйственных культур. Типичные технологии дистанционного зондирования включают спутников, самолетов и дронов (беспилотные летательные аппараты) .
Типы устройств дистанционного зондирования
Устройства дистанционного зондирования отличаются следующими характеристиками:
1.Тип датчика
Дистанционные датчики могут быть активными или пассивными. Активные датчики излучают собственное электромагнитное излучение определенной длины волны на почву и урожай. Определенные условия можно измерить на основе отражения обратно в устройство. Пассивные датчики получают измерения, используя отраженную или излучаемую солнечную энергию.
2. Расположение камеры или датчика
Камера или датчик на устройстве дистанционного зондирования может располагаться рядом с почвой или на расстоянии.В зависимости от местоположения можно сделать несколько типов изображений:
- Снимки с близкого расстояния , на которых камера расположена очень близко к почве или урожаю
- Аэрофотосъемка , в которой камера установлена на летательном аппарате, пролетающем над небольшой площадью
- Космические снимки , в которых датчики установлены либо на космическом корабле, либо на искусственном спутнике для получения цифровых изображений
Диапазон электромагнитного спектра
Дистанционные датчики могут измерять коэффициент отражения в различных частях электромагнитного спектра .В связи с этим используются следующие типы удаленных датчиков:
- Оптическое дистанционное зондирование ; работают в видимой, ближней, средней и коротковолновой инфракрасной областях электромагнитного спектра (от 300 до 3000 нм)
- Дистанционное тепловое зондирование ; диапазон длин волн от самых длинных инфракрасных лучей через спектр видимого света до самых коротких ультрафиолетовых лучей
- Микроволновое дистанционное зондирование ; измеряет отраженные микроволны на высоте от 1 мм до 1 м
Как работают удаленные датчики?
Устройства дистанционного зондирования измеряют тип и интенсивность света , отраженного или испускаемого объектом, например почвой или урожаем .Свет состоит из различных частей энергии электромагнитного (ЭМ) излучения, классифицированных по длинам волн или расстоянию от пика одной волны до пика следующей волны. Видимые (VIS) длины волн или свет, воспринимаемый человеческим глазом как цвет, существуют только в узком диапазоне, примерно от 400 до 700 нанометров (нм). Длины волн ниже 400 нм считаются короткими (включая гамма, рентгеновские лучи и ультрафиолет), а все, что выше 700 нм, считается более длинными (включая инфракрасные, микроволны и радиоволны).
При излучении света (от датчика или солнца) на растение красные и синие волны поглощаются, а зеленые волны отражаются. По этой причине растения выглядят зелеными. Количество отраженного света зависит от содержания хлорофилла в листьях и состояния растений. Например, здоровые зеленые листья с высоким содержанием хлорофилла будут отражать зеленый свет, в то время как подвергшиеся стрессу или высушенные листья будут иметь более низкий коэффициент отражения.
Благодаря влиянию хлорофилла, датчики могут измерять любое состояние урожая по уменьшению зеленого цвета.Измеряя разницу в отраженном свете на разных длинах волн электромагнитного спектра, они используются, чтобы отличить растительность от почвы, а также зеленую и стареющую растительность, а также виды растительности .
Кроме того, в видимой области спектра низкий коэффициент отражения связан с поглощением, связанным с пигментами зеленого листа, такими как хлорофилл. С другой стороны, в невидимом или ближнем инфракрасном спектре (750–1100 нм) коэффициент отражения связан с внутренней структурой листьев (размером и формой ячеек и пустот).Это помогает фермерам лучше определять вегетативные индексы.
Комбинируя коэффициент отражения в видимом и ближнем инфракрасном спектрах, фермеры могут измерять NDVI (нормализованный индекс разницы растительности) или состояние растительности путем измерения биомассы сельскохозяйственных культур.
NDVI рассчитывается с использованием отражательной способности длин волн красного и ближнего инфракрасного диапазона. Этот метод используется из-за того, что красный свет (в видимом спектре) сильно поглощается хлорофиллом, в то время как ближний ИК-свет сильно отражается.Следовательно, NDVI указывает соотношение между этими двумя длинами волн.
NDVI помогает определить жизнеспособность растений в поле, а также на участках с обнаженной почвой . Измеренный NDVI показывает значения от -1,0 до +1,0. NDVI почвы указывает значения в диапазоне 0,1-0,2, в то время как диапазон для растительного покрова составляет 0,2-1,0. Отрицательные значения зарезервированы для водных поверхностей, таких как озера и реки.
Интерпретация данных дистанционного зондирования
Датчики, используемые для дистанционного зондирования, представляют собой устройства, способные обнаруживать и регистрировать электромагнитное излучение в определенном диапазоне электромагнитного спектра и генерировать информацию об объекте.Эту информацию можно интерпретировать как изображение, график или таблицы. Извлечение данных в изображение, графику или таблицу, а также их интерпретация — вот что делает эти датчики такими полезными.
При обнаружении урожая датчиков регистрируют светоотражение от миллионов точек на земле с помощью фотодиодов, которые преобразуют световые волны в электрические заряды. После регистрации состояния сельскохозяйственных культур данные дистанционного зондирования преобразуются в изображение .
Качество изображения зависит от четырех основных факторов:
1) Пространственное разрешение ; относится к размеру пикселя датчика, то есть к наименьшей возможной функции или области, которую датчик может записать как отдельную единицу. Размер пикселя зависит от расстояния между датчиком и культурой или почвой . Чем больше расстояние, тем ниже разрешение изображения и больший размер пикселя (<0,5 м).Однако изображения с высоким разрешением предпочтительнее фиксировать изменчивость сельскохозяйственных культур в пределах поля.
2) Спектральное разрешение ; относится к числу и ширине длин волн, зарегистрированных датчиком. Датчики с множеством длин волн могут обеспечить лучшее измерение состояния сельскохозяйственных культур.
3) Временное разрешение ; относится к временному интервалу между изображениями. Датчик может измерять состояние посевов, делая только одно изображение или много разных изображений в течение определенного периода (дня или недели).
4) Радиометрическое разрешение ; относится к чувствительности датчика при различении различий в интенсивности электромагнитной энергии. Это влияет на яркость самого изображения.
Истинная ценность технологии дистанционного зондирования
Растения чувствительны, поэтому любое изменение окружающей среды приводит к стрессу растений. Независимо от того, вызван ли этот стресс недостатком воды или азота или нападением вредителей, если его вовремя не заметить и не устранить, он может значительно снизить урожайность сельскохозяйственных культур.Основные показатели стресса сельскохозяйственных культур включают биомассу сельскохозяйственных культур, высоту, площадь листьев, содержание воды в растениях, хлорофилла и азота.
Для оценки вышеупомянутых параметров фермеры используют устройства дистанционного зондирования, которые предоставляют точную информацию о состоянии сельскохозяйственных культур и урожайности. Кроме того, дистанционное зондирование — это неразрушающий метод поддержки мониторинга роста и развития растений. Этот современный агротехнический продукт позволяет как картографировать характеристики сельскохозяйственных культур на больших пространственных площадях, так и отслеживать изменения в почве и условиях сельскохозяйственных культур.
Дистанционное зондирование — это настоящее и будущее фермерского хозяйства. Возможность записывать и отображать различные условия посевов в режиме реального времени — это то, что может принести пользу фермерам и улучшить управление посевами. Тем не менее, существует еще много проблем, с которыми можно столкнуться в связи с дистанционным зондированием. Хотя устройства дистанционного зондирования используются для эффективного определения, измерения и мониторинга состояния сельскохозяйственных культур, по-прежнему существуют проблемы с их улучшением.
Источники текста: НДСУ || ACES
Источники изображений: Сайты Google || Crop Copter || Берри и партнеры || ACES || НДСУ
Реакция растений на высокочастотные электромагнитные поля
Высокочастотные неионизирующие электромагнитные поля (ВЧ-ЭМП), которые все чаще присутствуют в окружающей среде, представляют собой настоящий экологический стимул, способный вызвать у растений специфические реакции, которые во многом схожи с теми, которые наблюдаются после стрессовой обработки .Растения представляют собой выдающуюся модель для изучения таких взаимодействий, поскольку их архитектура (высокое соотношение площади поверхности к объему) оптимизирует их взаимодействие с окружающей средой. В настоящем обзоре после определения основных устройств экспонирования (поперечные и гигагерцовые электромагнитные ячейки, волновод и реверберационная камера с модовым перемешиванием) и общих физических законов, которые регулируют взаимодействия ЭМП с растениями, мы проиллюстрируем некоторые из наблюдаемых реакций после воздействия ВЧ- ЭМП на клеточном, молекулярном уровне и в масштабе всего растения.Действительно, многочисленные метаболические активности (метаболизм активных форм кислорода, α — и β -амилаза, цикл Кребса, пентозофосфатный путь, содержание хлорофилла, выброс терпена и т. Д.) Изменяются, экспрессия генов изменяется (кальмодулин, кальций-зависимый протеинкиназа и ингибитор протеиназы), и рост замедляется (удлинение ствола и сухой вес) после воздействия ВЧ-ЭДС малой мощности (т.е. нетеплового). Эти изменения происходят не только в тканях, подвергшихся прямому воздействию, но и системно в отдаленных тканях.Хотя долгосрочное влияние этих метаболических изменений остается в значительной степени неизвестным, мы предлагаем рассматривать неионизирующее ВЧ-ЭМП излучение как не повреждающий, подлинный фактор окружающей среды, который легко вызывает изменения в метаболизме растений.
1. Введение
Высокочастотные электромагнитные поля (HF-EMF, т. Е. Частоты от 300 МГц до 3 ГГц, длины волн от 1 м до 10 см) являются в основном неионизирующими электромагнитными излучениями человеческого происхождения, которые не возникают в природе в естественных условиях. окружающая среда, за исключением космического излучения ОВЧ (очень высокой частоты) малой амплитуды.ВЧ-ЭДС все чаще присутствуют в окружающей среде [1] из-за активного развития беспроводных технологий, включая сотовые телефоны, Wi-Fi и различные типы подключенных устройств. Поскольку живой материал не является идеальным диэлектриком, он легко влияет на ВЧ-ЭДС, что зависит от нескольких параметров, включая (но не ограничиваясь) его общую форму, проводимость и плотность ткани, а также частоту и амплитуду ЭДС. Взаимодействие между живым материалом и электромагнитным излучением может (или нет) вызывать повышение температуры ткани, тем самым определяя термические (по сравнению с нетепловыми) связанные метаболические реакции.В случае теплового отклика результирующее тепловыделение нормализуется с помощью показателя удельной скорости поглощения (SAR). Это привело к значительным усилиям по исследованию возможных биологических эффектов воздействия ВЧ-ЭМП. Хотя подавляющее большинство этих исследований было сосредоточено на животных и людях из-за проблем со здоровьем, с противоречивыми или неокончательными результатами [2], многочисленные эксперименты также проводились на растениях. Растения являются выдающимися моделями по сравнению с животными для проведения таких исследований: они неподвижны и поэтому сохраняют постоянную ориентацию в ЭМП, а их специфическая схема развития (высокое отношение площади поверхности к объему) делает их идеально подходящими для эффективного перехвата ЭМП [3].У растений также довольно легко получить генетически стабильные линии растений путем отбора видов, которые способствуют бесполому размножению [4] или самоопылению [5]. Более того, метаболические мутанты легко доступны для нескольких видов и представляют собой бесценный инструмент для понимания того, как передается сигнал ЭМП [6]. Действительно, в нескольких сообщениях указано, что растения на самом деле воспринимают ВЧ-ЭДС даже небольших амплитуд и преобразуют их в молекулярные ответы и / или изменения своей схемы развития [3–9].То, как ВЧ-ЭДС взаимодействуют с растениями, по сути, остается без ответа. Однако, поскольку ЭМП вызывают у растений множество реакций, их можно рассматривать как настоящий стимул окружающей среды. Действительно, воздействие ЭМП изменяет активность нескольких ферментов, в том числе метаболизма активных форм кислорода (АФК) [7], хорошо известного маркера реакции растений на различные факторы окружающей среды. Воздействие ЭМП также вызывает экспрессию специфических генов, ранее участвовавших в ответах растений на ранения [5, 8], и изменяет развитие растений [9].Более того, эти ответы являются системными, поскольку воздействие только на небольшую область растения приводит к почти немедленным молекулярным ответам по всему растению [6]. Эти ответы отменялись в присутствии хелаторов кальция [6] или ингибиторов окислительного фосфорилирования [10], что подразумевает участие пулов АТФ. В настоящем обзоре мы описываем устройства воздействия, методы определения SAR и биологические реакции (как на клеточном / молекулярном уровне, так и на уровне всего растения), наблюдаемые после воздействия на растения ЭМП.Мы сосредоточили этот обзор на излучаемых (т. Е. ЭМП, которые излучаются через антенну) ВЧ-ЭДС (в основном в диапазоне от 300 МГц до 3 ГГц) и, следовательно, не будем рассматривать биологические эффекты статических магнитных полей (SMF), чрезвычайно низкие частотные электромагнитные поля (ELF) или инжекция высокочастотного тока, поскольку присущие им физические свойства резко отличаются от свойств высоких частот. Поэтому рассматриваемую нами ВЧ-ЭДС следует рассматривать через призму классического электромагнетизма: явления макроскопической электродинамики, описываемые в терминах векторных и скалярных полей.
2. Системы экспонирования и дозиметрия
ВЧ-ЭДС представляют собой комбинацию электрического и магнитного полей, которые регулируются уравнениями Максвелла. На высокой частоте эти векторные величины связаны и подчиняются волновым уравнениям как для распространяющихся, так и для стоячих волн. В вакууме первые движутся со скоростью света (≈3 10 8 м с -1 ) и имеют структуру плоской волны (рис. 1 (а)). В других средах скорость уменьшается, и пространственное распределение электрического и магнитного полей обычно произвольно (таким образом, не является плоской волной).Последние, которые не распространяются, а колеблются вверх и вниз на месте, появляются в определенных условиях (например, в ограниченной среде, такой как металлическая полость) и играют важную роль во многих физических приложениях (резонатор, волновод и т. Д.).
В обоих случаях ВЧ-ЭДС характеризуются амплитудой электрических () или магнитных () компонентов (измеряемых в вольтах или амперах на метр), частотой (количеством циклов в секунду величины волны, измеряемой в герцах). ) и длина волны (расстояние между гребнями волн, измеряемое в метрах).Эти свойства связаны следующим уравнением: где — скорость волны в рассматриваемой среде, а — период волны (время между последовательными гребнями волн, измеряемое в секундах). Длина волны — это расстояние, пройденное волной за период.
Плотность электромагнитной мощности, связанная с электромагнитной волной (измеряется в ваттах на квадратный метр), получается путем векторного произведения векторов электрического и магнитного полей (а именно вектора Пойнтинга) для каждой точки в пространстве.Полная мощность ВЧ-ЭДС, пересекающая любую заданную поверхность, выводится из теоремы Пойнтинга [11]. Для падающей плоской волны в вакууме усредненная по времени электромагнитная мощность (измеряемая в ваттах), освещающая поверхность размером 1 м 2 , ортогональная направлению распространения, определяется следующим уравнением: где — характеристический импеданс свободного вакуумного пространства. (377 Ом).
Поглощенная электромагнитная мощность (), преобразованная в тепло за счет эффекта Джоуля в объеме () и усредненная за период времени, определяется выражением (3) для электрически и магнитно-линейного материала, который подчиняется закону Ома (проводимость в сименсах на метр ):
2.1. Разнообразие устройств облучения
Из-за большого разнообразия электромагнитных волн врачи разработали множество устройств для электромагнитного облучения, в основном для целей испытаний на электромагнитную совместимость (ЭМС). Некоторые из этих устройств используются для воздействия на растения ВЧ-ЭДС.
Установка воздействия ВЧ-ЭДС обычно состоит из следующих двух основных элементов: (i) ВЧ-источник (радиочастотный генератор, генератор Ганна), связанный с излучающим элементом (антенной, полосой) и (ii) a структура, позволяющая распространять электромагнитные волны и экспонировать образец.Простейшая установка экспозиции основана на использовании стандартных сотовых телефонов в качестве источника ВЧ-ЭМП [12, 13], излучаемого на открытой площадке для испытаний. Хотя этот аппарат имеет то преимущество, что он прост и экономичен, он имеет множество ограничений, которые могут ухудшить качество экспонирования. Действительно, эти устройства связи работают с разными протоколами, которые могут изменять или даже прерывать излучаемую мощность. Кроме того, биологические образцы помещаются в непосредственной близости от антенны, которая является областью, где электромагнитное поле не полностью устанавливается (условия ближнего поля) и, следовательно, его трудно измерить; эта ситуация может представлять проблему для исследований в области биоэлектромагнетизма.Эти аппараты в настоящее время используются только в небольшом количестве исследований. Более того, использование открытых площадок для испытаний подвергает биологические образцы воздействию неконтролируемой электромагнитной окружающей среды. Использование экранированных помещений — хорошее решение этой проблемы. Действительно, безэховые камеры представляют собой экранированные корпуса, которые предназначены для полного поглощения отраженных электромагнитных волн. Однако эти объекты часто представляют собой большие конструкции, требующие специального оборудования и дорогостоящих поглотителей для генерации падающей плоской волны (освещение в дальней зоне) и, следовательно, редко используются для облучения растений [14, 15].
Напротив, многочисленные исследования основаны на специализированном аппарате относительно небольшого объема (рис. 1 (b)), а именно на поперечной электромагнитной (ТЕМ) ячейке [16]. ТЕМ-клетки обычно довольно малы (около 50 см в длину и 20 см в ширину) и поэтому позволяют использовать только семена или проростки в качестве моделей растений. Многие ТЕМ-клетки основаны на классической «клетке Кроуфорда» [17]. Они состоят из секции прямоугольной коаксиальной линии передачи, сужающейся на каждом конце для адаптации к стандартным коаксиальным разъемам.Однородная плоская волна фиксированной поляризации и направления генерируется в пространстве образца для экспериментов между внутренним проводником (перегородкой) и верхней металлической стенкой. Поскольку это экономичное устройство закрыто, ЭДС высокой амплитуды может развиваться при относительно небольшой вводимой мощности. При некоторых условиях две параллельные стенки ТЕМ-ячейки могут быть удалены (таким образом, составляя так называемую открытую ТЕМ-ячейку) без значительного ухудшения рабочих характеристик. Эта конфигурация подходит для освещения растений.Особое внимание следует уделять относительному положению образцов в системе, поскольку расположение различных органов внутри ЭМП может серьезно повлиять на эффективность связи образцов растений с электромагнитным полем. Основное ограничение TEM-ячейки заключается в том, что верхняя полезная частота ограничена ее физическими размерами, что ограничивает практический размер выборок на высокой частоте.
Гигагерцовый поперечно-электромагнитный элемент (GTEM) появился как более поздняя установка для испытания на эмиссию ЭМП (рис. 1 (c)) [18].Это гибрид безэховой камеры и ТЕА-ячейки, поэтому его можно рассматривать как высокочастотную версию ТЕМ-ячейки. Ячейка GTEM состоит только из конической секции с одним портом и широкополосным оконечным устройством. Этот терминатор состоит из платы резистора 50 Ом для низких частот и пирамидальных поглотителей для высоких частот. Это устройство экспонирования устраняет внутренний верхний предел частоты ячейки ТЕА, сохраняя при этом некоторые из ее преимуществ (в основном тот факт, что не требуется установка антенны, и тот факт, что высокая напряженность поля может быть достигнута с низкой подаваемой мощностью).
Волноводы — еще один вид экранированных ограждений, которые редко используются при облучении растений [19, 20]. Эти классические и простые в использовании устройства экспонирования генерируют бегущие волны по координате передачи и стоячие волны по поперечным координатам. В отличие от ячейки ПЭМ, волноводы не генерируют однородные плоские волны, а позволяют распространять более сложные ЭДС, а именно моды распространения. Каждая мода характеризуется частотой среза, ниже которой мода не может распространяться.Когда концы волновода закорачиваются накоротко, образуется так называемая резонансная полость, из которой недавнее крупное сооружение, первоначально предназначенное для исследований ЭМС, а именно реверберационная камера с перемешиваемой модой (MSRC, рисунок 1 (d)), основано. Несмотря на то, что это оборудование дорогое и технически сложное в установке, оно является современным с точки зрения характеристик электромагнитного поля, позволяя создавать изотропное и однородное поле в объеме, достаточно большом для размещения специальной камеры для культивирования растений (либо прозрачной или экранирован от ЭМП [6]).Эта последняя характеристика позволяет проводить эксперименты на больших растениях, которые содержатся в адекватно контролируемой среде [6]. Наша группа была пионером в использовании этого средства, основанного на разумных комбинациях моделей стоячих волн в сложном экранированном корпусе, в исследованиях биоэлектромагнетизма растений [8] и подробно описала функциональность MSRC [21]. Наконец, каждая установка воздействия может отличаться по концепции, поляризации, частоте или падающей мощности, но эти установки всегда должны быть оптимально спроектированы и основаны на хорошо понятных физических концепциях, чтобы оценить хорошо контролируемые условия воздействия ВЧ-ЭДС (однородность , повторяемость, воспроизводимость и т. д.).
2.2. Различные типы сигналов воздействия
Из каждого из предыдущих устройств воздействия можно использовать два совершенно разных типа ЭМП для воздействия на растения. Наиболее часто встречающимся режимом является режим непрерывной волны (CW), в котором биологические образцы непрерывно подвергаются в течение определенного времени воздействию ЭДС заданной частоты и амплитуды (редко более нескольких десятков В · м -1 ). Второй режим — это режим импульсного электромагнитного поля (ИЭМП), в котором биологические образцы подвергаются воздействию нескольких серий прерывистых импульсов ЭДС ультракороткой длительности (в диапазоне от мкм, с до нс) и обычно очень высокой амплитуды (до до нескольких сотен кВ м −1 ).Этот последний вид воздействия [22, 23] используется редко из-за нехватки и большой сложности оборудования, необходимого для генерации ЭМП, и сложности разработки специальных антенн, способных передавать такие ультракороткие скачки напряжения [24].
ВЧ-ЭДС также можно модулировать (т. Е. Изменять во времени на заданной, обычно гораздо более низкой частоте). Лишь в нескольких исследованиях прямо изучается влияние модуляции на биологические реакции. Răcuciu et al. [25] подвергали зерновки кукурузы воздействию низких уровней (7 дБм), радиочастотного поля 900 МГц, в течение 24 часов в режимах непрерывной волны (CW), амплитудной модуляции (AM) или частотной модуляции (FM).Они обнаружили, что длина 12-дневных растений была уменьшена примерно на 25% в модулированной ЭМП (типа AM или FM) по сравнению с контролем (образцы без воздействия), в то время как воздействие CW имело противоположный эффект (стимуляция роста), что позволяет предположить, что модуляция ЭМП на самом деле изменяет биологические реакции.
2.3. Дозиметрия
Для сравнения биологических эффектов, наблюдаемых при различных условиях воздействия, Национальный совет по радиационной защите и измерениям официально ввел в 1981 г. метрику воздействия ЭМП, удельную скорость поглощения (SAR).Формальное определение этой базовой дозиметрии (количество поглощенной дозы) — это «производная по времени от дополнительной энергии, поглощенной () (рассеиваемой) дополнительной массой, содержащейся в объеме () заданной плотности». Из этого определения и (3) SAR (измеренный в Вт · кг -1 ) определяется следующим уравнением: SAR — это мощность, поглощаемая живой тканью во время воздействия CW-EMF (эта величина не применяется к режиму PEMF. из-за очень малой длительности импульсов, не вызывающих повышения температуры образцов).SAR можно рассчитать из диэлектрических характеристик тканей растений на рабочих частотах, используя (4). Хотя его можно легко определить, значение зависит от частоты и его трудно оценить в диапазоне ГГц. Его обычно оценивают по литературе [40], поскольку экспериментальная установка для измерения этого параметра на заданной частоте (метод волновода, открытого волновода и коаксиальной линии, например, D-Line) редко используется из-за ее сложной системы. -вверх. Из уравнения биологической теплопередачи SAR можно также определить, используя повышение температуры, вызванное в растительной ткани после воздействия ЭМП, используя следующее уравнение: где — теплоемкость (Дж К -1 кг -1 , который доступен для некоторых тканей в литературе) и (измеряется в Кельвинах) — это повышение температуры образца, соответствующее истекшему времени (измеренному в секундах) с начала воздействия ВЧ-ЭДС.Как для животных, так и для растений измерение SAR может быть неопределенным [46]. Поскольку удельная теплоемкость не зависит от частоты, а распределение температуры обычно более однородно, чем внутреннее электрическое поле, (5) обеспечивает лучший способ оценки SAR для обнаруживаемого повышения температуры.
В тканях животных и человека SAR определяется с помощью специальных фантомов [47], заполненных специальной жидкостью, имитирующей диэлектрические свойства биологических жидкостей. Хотя этот подход подходит для животных, у которых схема развития создает объемы, он не может быть адаптирован для большинства органов растений (например,g., листья), которые имеют высокое отношение площади поверхности к объему [3], но могут использоваться во фруктах и клубневых структурах. Напротив, температуру поверхности можно легко оценить с помощью специальных приборов (например, волоконно-оптического датчика температуры Luxtron®) и использовать для подачи (5) [45]. SAR также может быть определен с использованием метода дифференциальной мощности, основанного на измерении поглощения мощности (см. Обзор в [48]), которое происходит в отсутствие или в присутствии биологических образцов [39]. Затем рассчитывается SAR путем деления поглощенной мощности на массу живого материала.
3. Биологические реакции
Биологические реакции следует рассматривать как репортеры и свидетельства способности растения воспринимать ЭМП и взаимодействовать с ней. Эти ответы могут иметь место на субклеточном уровне, подразумевая молекулярные события или модификацию ферментативной активности, или на уровне всего растения, принимая форму модификации роста. Таблицы 1–3 суммируют некоторые работы, сообщающие об эффектах HF-EMF, наблюдаемых в масштабе всего растения, биохимических процессах или регуляции генов, соответственно.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3.1. Клеточный и молекулярный уровень
Многочисленные сообщения [4, 7, 33] указывают на увеличение продукции малонового диальдегида (MDA, хорошо известного маркера изменения мембраны) наряду с активацией метаболизма ROS после воздействия на растения HF-EMF ( Таблица 1). Изменение мембраны и активация метаболизма АФК, вероятно, создают каскады трансдукции, которые обеспечивают специфические ответы. Действительно, критическая роль кальция, важного вторичного посредника в растениях, уже давно указывается [6, 10]: ответы (например,g., изменения в экспрессии генов Calm-n6, lecdpk-1 и pin2) под воздействием ЭМП сильно снижаются, когда растения выращивают с избытком кальция или в присутствии агентов, противодействующих кальцию (Рисунок 2), таких как хелаторы (EGTA и BAPTA) или блокатор каналов (LaCl 3 ). Важность кальция в установлении реакции растений также подчеркивается тем фактом, что ранняя экспрессия генов, связанная с воздействием ЭМП, включает по крайней мере 2 связанных с кальцием продукта (кальмодулин и кальций-зависимая протеинкиназа) [5, 10].Этот ответ также зависит от энергии: значительное падение (30%, рис. 3) содержания АТФ и энергетического заряда аденилата (AEC) происходит после воздействия ВЧ-ЭДС [10]. На данный момент неясно, является ли падение AEC следствием измененных мембран, позволяющих пассивный выход АТФ, или произошло ли более высокое потребление АТФ из-за повышенной метаболической активности. В самом деле, хорошо известно, что снижение AEC стимулирует катаболические ферментативные пути посредством аллостерической модуляции. Тем не менее, ингибирование биосинтеза АТФ с помощью разделяющего агента карбонилцианида m -хлорфенилгидразон (CCCP) устраняет реакцию растений на воздействие ЭМП [10].Оксид азота (NO) — еще одна сигнальная молекула, которая тесно связана с воздействием факторов окружающей среды на растения [49]. NO быстро увеличивается после различных раздражителей, включая стресс от засухи или ранения. Chen et al. [50] недавно продемонстрировали повышенную активность синтазы оксида азота и накопление NO после воздействия на зерновки пшеницы в течение 10 с ЭМП высокой мощности с частотой 2,45 ГГц. Аналогичным образом Qiu et al. [51] показали на пшенице, что устойчивость к кадмию, вызванная предварительной обработкой микроволнами, устраняется добавлением 2- (4-карбоксифенил) -4,4,5,5-тетраметилимидазолин-1-оксил-3-оксида (карбокси-PTIO ), поглотителя NO, что позволяет предположить, что в этом механизме участвует индуцированная микроволновым излучением продукция NO.Взятые вместе, эти результаты свидетельствуют в пользу индукции ЭДС NO-синтазы. Однако в этих исследованиях в качестве стимулирующего инструмента использовалась ЭДС высокой мощности (модифицированная микроволновая печь), и не исключен тот факт, что повышение температуры образца было причиной увеличения NO. Насколько нам известно, участие NO еще не было продемонстрировано после воздействия ЭМП малой мощности (т.е. нетеплового). Кроме того, задействованы хорошо известные субъекты реакции растений на стимулы окружающей среды: мутанты томатов sitiens и JL-5 для биосинтеза абсцизовой (ABA) или жасмоновой (JA) кислот соответственно демонстрируют нормальные ответы (накопление стресса). -связанные транскрипты), когда целые растения подвергаются воздействию ЭМП [6].Напротив, очень быстрые отдаленные ответы на местное воздействие, которые возникают у диких растений (рис. 4 (а)), нарушены у мутантов sitiens, ABA (рис. 4 (b)) и JL-5 , что подчеркивает существование передаваемый сигнал (генезис и / или передача которого зависит от АБК и JA) во всем растении после местного воздействия [6]. Природа этого сигнала до сих пор неизвестна, но недавняя работа продемонстрировала, что мембранный потенциал нарушается после воздействия ЭМП [14].Таким образом, можно предположить, что электрические сигналы (потенциал действия и / или потенциал вариации) могут быть передаваемым сигналом, что сильно подразумевает, что ВЧ-ЭДС является подлинным фактором окружающей среды.
3.1.1. Изменения ферментативной активности
В таблице 1 приведены некоторые ферментативные активности, которые изменяются после воздействия на растения HF-EMF. Как отмечалось ранее, метаболизм АФК очень часто активируется после воздействия на растения ЭМП. Ферментативные активности, такие как пероксидаза, каталаза, супероксиддисмутаза и аскорбатпероксидаза, увеличиваются в два-четыре раза [4, 7, 18, 27, 33].Остается открытым вопрос, может ли это быть следствием прямого действия ЭМП на живую ткань. Действительно, очень низкая энергия, связанная с ЭДС на этих частотах, делает их неионизирующими излучениями. Также отмечаются побочные эффекты повышенного метаболизма АФК: продукция H 2 O 2 [4, 7], увеличение MDA [4, 7, 33] и повреждение белков [30]. Повышение уровня полифенолоксидазы [27] и фенилаланинаммиаклиазы [26] может указывать на стрессовые реакции, связанные с усилением лигнификации, обычной реакции растений на стресс окружающей среды.
Содержание белка снижено в Vigna и Phaseolus [27, 32], а также в Triticum [13]. Пока не известно, является ли снижение содержания белка результатом увеличения деградации белка и / или снижения синтеза белка, но это может составлять стимулирующую область исследований, поскольку данные показывают, что отбор мРНК из трансляции происходит после воздействия на растения ВЧ-ЭДС [10]. Гидролитическая ферментативная активность ( α — и β -амилазы и инвертазы), ответственных за продукцию растворимого сахара, увеличивается в прорастающих семенах после воздействия HF-EMF [12, 28, 32], в то время как активность фосфорилазы крахмала, фосфоролитическая и потенциально обратимый, уменьшается.Напротив, воздействие ВЧ-ЭДС вызывает падение растворимого сахара, что может быть связано с ингибированием цикла Кребса и пентозофосфатного пути в листьях Plectranthus (Lamiaceae) после воздействия ЭМП 900 МГц [29], что позволяет предположить, что семена и взрослые листья по-разному реагируют на воздействие ВЧ-ЭДС. Накопление пролина, о котором сообщают несколько авторов [7, 33], а также увеличение эмиссии и содержания терпеноидов в ароматических растениях [34] также являются классической реакцией растений на стрессы окружающей среды.
3.1.2. Модификация экспрессии гена
В то время как многочисленные отчеты были сосредоточены на изменениях ферментативной активности после воздействия ЭМП, только несколько исследований сосредоточены на модификациях экспрессии генов (Таблица 2). Tafforeau et al. [44] с использованием генератора Ганна (105 ГГц) продемонстрировали несколько воспроизводимых вариаций профилей 2D-гель-электрофореза, показывая, что экспрессия генов, вероятно, будет изменена при воздействии воздействия. Jangid et al. [52] предоставили косвенное доказательство (профили RAPD), предполагающее, что микроволновое облучение высокой мощности (2450 МГц, 800 Вт / см −2 ) изменяет экспрессию гена в Vigna aconitifolia , хотя эти результаты не исключают возможного теплового эффекта микроволновой обработки. .Клетки, культивируемые в суспензии Arabidopsis thaliana , подвергнутые воздействию HF-EMF (1,9 ГГц, 8 мВт · см −2 ), показали дифференциальную экспрессию нескольких генов (значения <0,05) по сравнению с контрольным (неэкспонированным) состоянием при анализе микрочипов [36] . Большинство из них подавлено (в то время как At4g39675, At5g10040 и AtCg00120 показали небольшое увеличение; см. Таблицу 2). Однако значение RT-PCR снижает значимость этих вариаций, и эти авторы, следовательно, пришли к выводу об отсутствии влияния HF-EMF на экспрессию генов растений.Напротив, кратковременное, высокочастотное, низкоамплитудное воздействие ЭМП (10 мин, 900 МГц, 5 В · м -1 ), проведенное на целых 3-недельных помидорах в MSRC [5, 6, 8, 10], продемонстрировало измененные экспрессия по крайней мере 5 генов, связанных со стрессом (таблица 2), предполагая, что целые растения более чувствительны к HF-EMF, чем культивируемые клетки. Эти эксперименты были независимо воспроизведены Rammal et al. [35], используя более длительный период воздействия и гораздо менее сложную схему воздействия (сотовый телефон). Стрессовые реакции растений довольно часто имеют двухфазный характер [53]: очень быстрое увеличение накопления транскриптов, которое длится 15–30 мин, с последующим кратковременным возвратом к базовому уровню, а затем повторным увеличением (через 60 мин).Эта закономерность наблюдалась после воздействия ЭМП на помидоры, поэтому мы поставили под сомнение значение ранней и поздней популяции транскриптов с точки зрения физиологического значения, измеряя их связь с полисомами (что отражает их предполагаемую трансляцию в белки). Мы обнаружили, что ранняя (0-15 минут) популяция мРНК слабо связана с полисомами, но плохо транслируется, тогда как поздняя популяция мРНК (60 минут) сильно связана с полисомами [10]. Этот результат убедительно свидетельствует о том, что только поздняя популяция мРНК может иметь физиологическое значение, поскольку только она эффективно транслируется в белки.
3.2. Целое растение Уровень
Биохимические и молекулярные модификации, наблюдаемые после воздействия на растения ЭМП и описанные в предыдущих параграфах, могут вызывать морфогенетические изменения в развитии растений. Действительно, все больше исследований сообщают об изменениях роста растений после воздействия HF-EMF (Таблица 3). Эти обработки эффективны на разных стадиях развития растений (семена, проростки или целые растения) и могут влиять на разные органы или процессы развития, включая прорастание семян, рост стебля и корней, что указывает на то, что биологические образцы даже небольшого размера (несколько мм) способен воспринимать ВЧ-ЭДС.Воздействие ЭМП на семена обычно приводит к снижению скорости прорастания [27, 37, 39], в то время как в других случаях прорастание не затрагивается [42] или даже стимулируется [16]. Проростки, полученные из семян, подвергшихся воздействию ЭМП, демонстрировали снижение роста корней и / или стебля [13, 28, 32, 37–39, 41], но редко оказывали стимулирующий эффект [16]. Эта точка сильно отличается от воздействия статических магнитных полей или ЭМП крайне низкой частоты, при которых стимулирующие эффекты на рост в значительной степени преобладают [54]. Ультракороткие импульсные ЭДС большой мощности (ИЭМП, 4 мкм с, 9.3 ГГц, 320 кВ м -1 ) также имеет тенденцию стимулировать прорастание семян редиса, моркови и томата и увеличивать высоту растений и площадь фотосинтетической поверхности у редиса и томата [20] и корней проростков табака [22]. Эти различные эффекты PEMF по сравнению с HF-EMF на растения могут быть связаны с их фундаментальным различием с точки зрения физических свойств. Воздействие HF-EMF на проростки или растения (а не на семена) также обычно приводило к задержке роста [9, 18, 27, 28, 39]. Singh et al.[7] показали, что ризогенез (количество и длина корней) у маша серьезно нарушается после воздействия радиации сотового телефона, возможно, из-за активации нескольких связанных со стрессом ферментов (пероксидаз и полифенолоксидаз). Akbal et al. [38] показали, что рост корней был снижен почти на 60% у семян Lens culinaris , подвергшихся в состоянии покоя ЭМП-излучению с частотой 1800 МГц. Одновременно эти авторы сообщили об увеличении активности ферментов, связанных с АФК, перекисного окисления липидов и накопления пролина, причем все эти ответы были характерны для реакций растений на стрессовые условия.Афзал и Мансур [13] исследовали эффект 72-часового воздействия сотового телефона (900 МГц) на семена однодольных (пшеница) и двудольных (маш) растений: всхожесть не пострадала, в то время как проростки обоих видов показали подавление роста, снижение содержания белка и сильное увеличение ферментативной активности метаболизма АФК. Однако стоит отметить, что рост проростков маша и водяной вьюнок, экспонированных с более низкой частотой (425 МГц, 2 ч, 1 мВт), стимулируется из-за более высокого удлинения первичного корня [11], в то время как рост ряски ( Lemna minor , Рост Araceae) был значительно замедлен не только при воздействии на аналогичной частоте (400 МГц, 4 ч, 23 В · м −1 ), но и после воздействия на частотах 900 и 1900 МГц для разных амплитуд поля (23, 41 и 390 V m −1 ) как минимум в первые дни после облучения [18].Surducan et al. [15] также обнаружили стимуляцию роста проростков фасоли и кукурузы после воздействия ЭМП (2,452 ГГц, 0,005 мВт / см −2 ). Senavirathna et al. [55] изучали в реальном времени влияние ЭМП-излучения (2 ГГц, 1,42 Вт · м -2 ) на мгновенный рост водных растений, перья попугая ( Myriophyllum aquaticum , Haloragaceae), используя колебания скорости удлинения в нанометровом масштабе. Эти авторы продемонстрировали, что растения, подвергшиеся воздействию ЭМП, демонстрировали пониженную скорость колебаний, которая длилась в течение нескольких часов после воздействия, что убедительно свидетельствует о том, что метаболизм растений испытывал стрессовую ситуацию.Стоит отметить, что воздействие не привело к нагреванию растений (согласно измерениям с помощью чувствительного тепловизора). Некоторые другие морфологические изменения также произошли после воздействия на растения HF-EMF: индукция эпидермальных меристем у льна [44], опадение цветочных бутонов [43], увеличение числа азотфиксирующих клубеньков у бобовых [42] или задержка замедленного роста растений. вторичная ось в Rosa [45].
Это замедление роста может быть связано с более низким фотосинтетическим потенциалом, поскольку Răcuciu et al.[40] показали, что воздействие ЭМП 0,47 Вт кг -1 1 ГГц на 12-дневные проростки кукурузы вызывает снижение содержания фотосинтетического пигмента: это уменьшение было особенно важно для хлорофилла а, которое уменьшилось на 80% через 7 часов. воздействия. Ursache et al. [56] показали, что воздействие микроволн на проростки кукурузы (1 мВт / см –2 , 10,75 ГГц) также вызывает снижение содержания хлорофиллов a и b. Точно так же Хамада [57] обнаружил снижение содержания хлорофилла в 14-дневных проростках после выдержки зерновок в течение 75 минут при 10.5 ГГц. Kumar et al. показали снижение общего количества хлорофилла на 13% после 4-часового воздействия на проростки кукурузы на 1800 МГц (332 мВт · м -2 ). Эти модификации могут быть связаны с аномальной фотосинтетической активностью, которая зависит от многих параметров, включая содержание хлорофилла и каротиноидов. Senavirathna et al. [58] показали, что воздействие на ряску 2–8 ГГц, 45–50 В м –1 ЭДС вызывает изменения нефотосинтетического тушения, что указывает на потенциальное стрессовое состояние. Три ароматических вида, принадлежащих к семейству Apiaceae ( Petroselinum crispum , Apium graveolens , и Anethum graveolens ), сильно реагируют на излучение глобальной системы мобильной связи (GSM, 0.9 ГГц, 100 мВт · см −2 ) или беспроводной локальной сети (WLAN, 2,45 ГГц, 70 мВт · см −2 ) за счет снижения чистой скорости ассимиляции (более 50%) и устьичной проводимости (20–30 %) [34].
4. Заключение и перспективы на будущее
Все большее количество отчетов освещает биологические реакции растений после воздействия HF-EMF на молекулярном уровне и на уровне всего растения. Однако условия воздействия далеки от стандартизации и иллюстрируют разнообразие используемых условий воздействия.Однако в будущих работах следует избегать воздействия в условиях ближнего поля (т.е. в непосредственной близости от излучающей антенны), где поле нестабильно и его трудно охарактеризовать. Точно так же следует избегать использования устройств связи (например, сотовых телефонов) в качестве источников излучения, поскольку может быть трудно легко контролировать условия воздействия из-за встроенной автоматизации, которая может преодолеть экспериментальную установку. Использование специализированных устройств (ТЕМ-ячейки, GTEM-ячейки, волноводы, MSRC и др.)), в котором может быть достигнут точный контроль условий экспонирования, является весьма предпочтительным.
Шкорбатов [59] недавно рассмотрел возможные механизмы взаимодействия ЭМП с живыми организмами. Хотя классические мишени (взаимодействие с мембранами, свободными радикалами и внутриклеточными регуляторными системами) наблюдались у растений, убедительная интерпретация точного механизма взаимодействия HF-EMF с живым материалом все еще необходима. Альтернативное объяснение (т. Е. Электромагнитный резонанс, достигаемый после чрезвычайно высокочастотной стимуляции, которая соответствует некоторой структуре органа) также было предложено для ЭМП очень высокой частоты (несколько десятков ГГц) [60].Однако реальность этого феномена in vivo (пока изучается только с помощью численного моделирования) и его формальный вклад в регуляцию развития растений экспериментально еще не установлены. Amat et al. [61] предположили, что световые эффекты на растения возникают не только через хромофоры, но и через переменные электрические поля, которые индуцируются в среде и могут взаимодействовать с полярными структурами через дипольные переходы. Возможные связанные мишени (соотношение АТФ / АДФ, синтез АТФ и регуляция Ca 2+ ) также затрагиваются воздействием HF-EMF [10].Поэтому можно предположить, что HF-EMF может использовать аналогичные механизмы. Целевые пути, особенно метаболизм Ca 2+ , как хорошо известно, модулируют многочисленные реакции растений на стресс окружающей среды. Хотя все еще необходимо более глубокое понимание реакции растений на HF-EMF, эти обработки могут инициировать набор молекулярных ответов, которые могут повлиять на устойчивость растений к стрессам окружающей среды, как уже было продемонстрировано для пшеницы для CaCl 2 [62] или УФ [63] толерантности и представляют собой ценную стратегию повышения устойчивости растений к стрессовым условиям окружающей среды.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.
Выражение признательности
Авторы хотели бы выразить благодарность LRC BIOEM («Laboratoire de Recherche Conventionné» — LRC № 002-2011-CEA DAM / Institut Pascal) за финансовую поддержку.
Электромагнитное излучение нарушило фотосинтез Microcystis aeruginosa на уровне протеомики
Во время M.aeruginosa , изменения условий окружающей среды, таких как температура, свет, CO 2 и состав питательных веществ, могут вызывать изменения в экспрессии генов и белков. Фотосинтез — это самый основной материальный и энергетический метаболизм биосферы и один из наиболее чувствительных физиологических процессов к изменению окружающей среды. Исследования показали, что определенные естественные стрессы (такие как дефицит соли и серы) могут снижать светособирающую и фотосинтетическую активность, фотосинтетические системы I и II, уровни экспрессии генов цитохрома b6 / f и АТФ-синтазы.Низкотемпературная обработка, цитохром ab, связывающий белок в процессе фотосинтетического поглощения света, цитохром b559α, белок с повышенным содержанием кислорода, комплексный белок Fe-S цитохрома b6-f и белок субъединицы реакционного центра фотосистемы I показали значительное подавление регуляции 15 , 16,17 . Электромагнитные волны также оказывают определенное влияние на фотосинтез 10,11,18 . Под действием низкоуровневого радиочастотного электромагнитного поля 300 МГц происходили изменения процесса динамики флуоресценции хлорофилла и сверхслабой фотоэмиссии в листе табака.Отклики параметров динамики флуоресценции, таких как F 0 , F V / F 0 , F V / F m , ΔF V / T и T 1/2 , и количество сверхслабой фотоэмиссии к излучающей мощности электромагнитного поля оказалось характерным признаком нелинейных и электрических стеклоподъемников. На фотосинтетические клетки табака наблюдались нетепловые эффекты электромагнитного поля. Эффекты вызвали повреждение мембраны фотосинтетических клеток в листе табака, преграду процесса передачи электронов при фотосинтезе и снижение потенциально активной и фотохимической эффективности фотосистем II 10,18 .Мы исследовали протеомику M. aeruginosa под воздействием электромагнитного излучения и обнаружили, что дифференциально экспрессируемые белки были значительно обогащены фотосинтетическим путем (таблица 4).
За исключением видимого света в окружающей среде, уровни экспрессии α-субъединицы Cytb559, цитохрома c-550 и белков PsbY подавлялись в фотосистемах II M. aeruginosa под воздействием электромагнитного излучения (рис. 1). . Процесс преобразования световой энергии в химическую энергию фотосинтезирующими организмами в основном катализируется четырьмя мультисубъединичными мембранно-белковыми комплексами: фотосистемой I (ФСI), фотосистемой II (ФСII), комплексом цитохрома b6f и F-АТФазой 19 .PSII в основном состоит из D1, D2, CP43, CP47, Cytb559, других трансмембранных белков, нескольких гидрофильных периферических белков, некоторых белковых субъединиц с малой молекулярной массой и других компонентов 20,21 . ФСII является одной из наиболее восприимчивых частей фотосинтетического аппарата и играет важную роль в фотосинтетической реакции высших растений на возмущения окружающей среды и стрессы 22 . Кроме того, Cytb559 обладает окислительно-восстановительной активностью, которая может вызывать фотоокисление и фотовосстановление. Это молекула цитохрома, которая связывается с ФСII и состоит из двух полипептидов (Mr4400 и 9300) 0 23 .Cytb559 состоит из двух белковых субъединиц (PsbE и PsbF), которые связывают между собой гем-группу. Точная функция этого компонента в PSII еще не выяснена, но его решающая роль в сборке и светозащите в прокариотических комплексах предполагается 24 . Кроме того, функциональная роль Cytb559 в защите PSII в условиях фотоингибирования in vivo была определена 25 . Cytb559 играет важную роль в процессах циклического потока электронов, которые защищают PSII от индуцированных светом повреждений в условиях фотоингибирования 26 .Белок PsbY важен для контроля окислительно-восстановительного потенциала Cytb559; кроме того, белок PsbY Cytb559 присутствует только в окисленной форме, а растения с истощением PsbY очень чувствительны к фотоингибированию 24 . Цитохром c-550 играет существенную роль в поддержании стабильности и функции марганцевого кластера в водорослях PSII 27 . Отсутствие цитохрома с-550 нарушает баланс фотосинтетической системы в условиях дефицита азота, что влияет на устойчивость бактерий к азоту 28 .
Уровни экспрессии α-субъединицы Cytb559, цитохрома c-550 и белка PsbY в фотосистеме II M. aeruginosa подавлялись под воздействием электромагнитного излучения, что указывает на то, что электромагнитное излучение влияет на синтез или трансляцию вышеупомянутого белка, и это может влиять на функцию PSII Cytb559, цикл потока электронов PSII и потенциал окисления и восстановления, а также на функцию цитохрома c-550. Следовательно, электромагнитное излучение повлияет на процессы световой реакции М.aeruginosa . Кроме того, уровни экспрессии двух белков АТФ-синтазы подавлялись под действием электромагнитного излучения. АТФ-синтаза на тилакоидной мембране, также известная как H + -АТФаза, катализирует процесс синтеза АТФ с помощью АДФ и Pi. Градиент p H тилакоидной мембраны, являющийся движущей силой синтеза и фосфорилирования АТФ, может быть заблокирован путем уничтожения вентурицидина и подобных реагентов 23 . Плазменная мембрана H + -АТФаза может действовать в смягчении физиологических нарушений, вызванных солевым стрессом 29 .Электромагнитное излучение может влиять на фотосинтетическое фосфорилирование, воздействуя на АТФ-синтазу на тилакоидных клетках M. aeruginosa и, таким образом, может влиять на фотосинтетическое фосфорилирование. Электромагнитное излучение может быть одной из причин, косвенно влияющих на секвестрацию углерода фотосинтезом.
В заключение отметим, что ответ клеток M. aeruginosa на электромагнитное излучение представляет собой сложный процесс, в котором дифференциальная экспрессия значительно усиливается в путях фотосинтеза.Кроме того, дифференциальные белки в основном связаны с метаболизмом инозитолфосфата, окислительным фосфорилированием, биосинтезом пантотената и КоА, гомологичной рекомбинацией, метаболизмом глутатиона, метаболизмом фруктозы и маннозы, метаболизмом аргинина и пролина, фиксацией углерода в фотосинтетических организмах, метаболизмом цистеина и метионина. и метаболизм хлорофилла, гликолиз / глюконеогенез, метаболизм пуринов, метаболизм углерода и биосинтез функции аминокислот. Уровни экспрессии белка α-субъединицы Cytb559 PSII, цитохрома c-550, PsbY и АТФ-синтазы (a, b) F-типа снизились.Электромагнитное излучение влияет на синтез или трансляцию белков, связанных с фотосинтезом, и может влиять на функцию фотосинтетических пигментов, потенциальную активность ФС II, процесс фотосинтетического транспорта электронов и процесс фотосинтетического фосфорилирования M. aeruginosa .
Вообще говоря, видимый свет находится в определенном диапазоне длин волн электромагнитной волны (380–750 нм). Определенные различия могут существовать в местах воздействия электромагнитного излучения на разных частотах в процессах роста M.aeruginosa . Видимый свет напрямую воздействует на соответствующие белки фотосинтетической системы, но микроволновое электромагнитное излучение (1,8 ГГц, применяемое в этом исследовании) действует на процессы синтеза или трансляции белков.
На основании вышеуказанных доказательств, система фотореакции может быть целью электромагнитного излучения при фотосинтезе цианобактерий; система фотореакции цианобактерий представляет собой гипотетический «общий целевой эффектор», который реагирует на свет и электромагнитное излучение; и электромагнитное излучение действует не на сами функциональные белки, а на процессы их экспрессии.Кроме того, фотосинтез связан с энергетическим обменом. Таким образом, взаимосвязь между электромагнитным излучением и биоэнергетическим метаболизмом требует дальнейшего изучения.
% PDF-1.4 % 48 0 объект > эндобдж xref 48 79 0000000016 00000 н. 0000002496 00000 н. 0000002625 00000 н. 0000003742 00000 н. 0000003880 00000 н. 0000004343 00000 п. 0000004779 00000 н. 0000005199 00000 н. 0000005531 00000 н. 0000005642 00000 п. 0000006077 00000 н. 0000006449 00000 н. 0000006868 00000 н. 0000006981 00000 п. 0000007234 00000 н. 0000008862 00000 н. 0000009282 00000 н. 0000009740 00000 н. 0000009986 00000 н. 0000010403 00000 п. 0000010850 00000 п. 0000011287 00000 п. 0000011554 00000 п. 0000012073 00000 п. 0000012325 00000 п. 0000012464 00000 п. 0000012489 00000 п. 0000013103 00000 п. 0000014710 00000 п. 0000015969 00000 п. 0000017253 00000 п. 0000017443 00000 п. 0000018705 00000 п. 0000019881 00000 п. 0000020128 00000 н. 0000020513 00000 п. 0000020965 00000 п. 0000022388 00000 п. 0000023522 00000 п. 0000023802 00000 п. 0000052018 00000 п. 0000082196 00000 п. 0000082293 00000 п. 0000082362 00000 п. 0000087803 00000 п. 0000095591 00000 п. 0000096085 00000 п. 0000103321 00000 п. 0000145494 00000 н. 0000145563 00000 н. 0000145657 00000 н. 0000156189 00000 н. 0000156462 00000 н. 0000156755 00000 н. 0000156782 00000 н. 0000157185 00000 н. 0000158054 00000 н. 0000158366 00000 н. 0000158716 00000 н. 0000161933 00000 н. 0000162182 00000 н. 0000162524 00000 н. 0000166792 00000 н. 0000167047 00000 н. 0000167421 00000 н. 0000194970 00000 н. 0000195232 00000 н. 0000195709 00000 н. 0000199135 00000 н. 0000199383 00000 п. 0000199725 00000 н. 0000205501 00000 н. 0000205748 00000 н. 0000206200 00000 н. 0000221932 00000 н. 0000222207 00000 н. 0000222503 00000 н. 0000223020 00000 н. 0000001876 00000 н. трейлер ] / Назад 560550 >> startxref 0 %% EOF 126 0 объект > поток hb«b`A , S8 @ \ 38
Приложения в пищевой промышленности и сельском хозяйстве — Экспертный центр Университета Султана Кабуса
TY — КНИГА
T1 — Получение изображений с электромагнитным спектром
T2 — Приложения в пищевой и сельскохозяйственной сферах
AU — Manickavasagan, Annamalai
AU — Jayasuriya, Hemantha
PY — 2014/3/1
Y1 — 2014/3/1
N2 — Эта книга демонстрирует, как методы визуализации с применением различных частотных диапазонов спектра, используются в научных исследованиях.Эта книга, проиллюстрированная многочисленными примерами, структурирована в соответствии с различными диапазонами излучения: от гамма-лучей через УФ и ИК до радиочастот. Чтобы обеспечить четкое понимание методологий обработки, текст обогащен описанием того, как цифровые изображения формируются, приобретаются, обрабатываются и как извлекать из них информацию. Особое внимание уделяется применению методов визуализации в исследованиях в области пищевых продуктов и сельского хозяйства.
AB — Эта книга демонстрирует, как методы визуализации, использующие различные полосы частот из электромагнитного спектра, используются в научных исследованиях.Эта книга, проиллюстрированная многочисленными примерами, структурирована в соответствии с различными диапазонами излучения: от гамма-лучей через УФ и ИК до радиочастот. Чтобы обеспечить четкое понимание методологий обработки, текст обогащен описанием того, как цифровые изображения формируются, приобретаются, обрабатываются и как извлекать из них информацию. Особое внимание уделяется применению методов визуализации в исследованиях в области пищевых продуктов и сельского хозяйства.
UR — http: //www.scopus.com / inward / record.url? scp = 84930332681 & partnerID = 8YFLogxK
UR — http://www.scopus.com/inward/citedby.url?scp=84930332681&partnerID=8YFLogxK
U2 — 10.100642 / 54888-8
DO — 10.1007 / 978-3-642-54888-8
M3 — Книга
AN — SCOPUS: 84930332681
SN — 9783642548888
SN — 3642548873
SN — 98364000 Imaging с электромагнитным спектром
PB — Springer-Verlag Berlin Heidelberg
ER —
USDA ARS Online Magazine Vol.51, № 2
«Мы пытаемся преодолеть разрыв между лабораторией и реальным миром», — говорит Холлман. «Как только мы узнаем, как обращаться с фруктами в коммерческих условиях и сколько это будет стоить, любой производитель, грузоотправитель или оператор упаковочного цеха сможет использовать эту информацию, чтобы решить, является ли борьба с вредителями с помощью радиоволн жизнеспособным вариантом».
В системе Холлмана цитрусовые проходят через конвейер между рядом радиочастотных нагревателей. Чтобы смоделировать коммерческую систему в лаборатории, фрукты перемещают в циркуляционной водяной бане, чтобы они двигались во время нагрева.Это предотвратит длительный контакт фруктов с какой-либо областью ванны. А чтобы обеспечить непрерывный нагрев от кожуры до середины плода, что необходимо для уничтожения всех возможных плодовых мух, бампер замочил бы любой фрукт, покачивающийся над поверхностью воды. Это предотвращает образование темно-черных колец вокруг фруктов на поверхности воды из-за концентрации энергии там, где вода встречается с воздухом.
Метод, использующий только горячий воздух для обработки фруктов в ящиках или корзинах, был опробован на коммерческой основе в Мексике с неоднозначными результатами.Это занимает несколько часов и вызывает напряжение кожуры плода, иногда вызывая тепловое повреждение. Радиочастотный нагрев можно выполнить менее чем за полчаса, и он менее опасен, поскольку фрукты нагреваются равномерно во всем.
Hallman сосредоточился на грейпфрутах, но также работает с другими цитрусовыми, включая апельсины и мандарины. Он отмечает, что чем крупнее плод, тем труднее равномерно нагреть его и тем выше вероятность образования горячих и холодных точек.
«В этом проекте, состоящем из нескольких лабораторий, делается серьезная попытка взглянуть на вещи, которые еще не рассматривались с помощью радиочастотного нагрева», — говорит Холлман.«Я думаю, что у нас есть хорошие шансы узнать, как обеззараживание с помощью радиочастоты можно провести с большим объемом фруктов или орехов, и можно ли это сделать в промышленных масштабах». Он прогнозирует, что к лету этого года он будет хорошо представлять себе, сколько будет стоить лечение.
В Вашингтоне — яблоки и вишни
Если вы находитесь в Вапато, штат Вашингтон, не соблазняйтесь яблоками, плавающими в ванне в лаборатории Джеймса Хансена. Вы же не хотите за них прыгать.
Есть несколько причин, говорит Хансен, энтомолог из лаборатории сельскохозяйственных исследований Якима компании ARS. Во-первых, именно эта ванна наполнена соленой водой. Во-вторых, если бы вы ухватились за одно из яблок зубами, вы могли бы укусить пресловутого червя — личинку, вылупившуюся из яйца плодожорки.
И Хансен хочет, чтобы эти яблоки остались нетронутыми — без следов зубов, пожалуйста. Такая отметка может исказить результаты испытаний, которые он проводит по использованию радиоволн для избавления плодов от живых, надоедливых насекомых, таких как плодородная плодожорка, до выхода на рынок или отгрузки торговым партнерам, таким как Южная Корея и Япония, где такие вредители еще не могли происходить.Япония особенно строга в отношении того, какие фитосанитарные методы будут применяться для дезинсекции свежих продуктов.
Это правило также распространяется на черешню, плод дерева, который приносит более 145 миллионов долларов ежегодных национальных экспортных продаж, отмечает Хансен. В сотрудничестве с командой, возглавляемой Тангом, профессором инженерии биологических систем в WSU, Хансен планирует «омыть» ванны, полные яблок и вишен, с помощью радиоволн, чтобы определить время воздействия, которое убьет личинки плодовитой моли без ущерба для качества плодов.
На основе двух направлений исследований — одно сосредоточено на насекомых, другое — на качестве плодов — и трех основных дисциплин — инженерии, энтомологии и физиологии растений — сотрудники надеются позиционировать радиоволновую обработку как технологию, которая может быть легко принята в коммерческих целях. склады или карантинные операции вместо бромистого метила.
«Без подходящей альтернативы бромистому метилу мы окажемся наверху», — говорит садовод из ARS Стивен Р. Дрейк о U.Борьба S. Fruit Industry с карантинными вредителями. Он работает в Лаборатории исследования плодов деревьев ARS в Венатчи, Вашингтон.
«В идеале вы хотите обработать фрукты радиочастотой, пока они упаковываются и предназначены для определенного рынка», — объясняет Хансен. «Коммерческие упаковщики не могут позволить себе хранить там продукты, поэтому мы хотим, чтобы эта обработка убила насекомых как можно скорее».
Тан, Хансен, Дрейк и Лиза Невенс, энтомолог ARS из Якимы, впервые начали работать над радиочастотным проектом в 1996 году.
В Калифорнии — орехи и сушеные фрукты
Между тем, в Калифорнии энтомолог Джуди А. Джонсон также хорошо осведомлена о потенциале радиочастотной энергии для уничтожения вредных насекомых. Ее основные цели? Волнистые личинки пупочного червя, моли индийской и плодожорки. Эти насекомые являются одними из злейших врагов грецких орехов, миндаля, фисташек и сушеных фруктов, таких как инжир и изюм. Джонсон недавно добавила в свой список виновников красного мучного жука — меньшего вредителя ореховых и фруктовых культур, но серьезную проблему на мукомольных и пищевых предприятиях.
Джонсон выполняет радиочастотные работы в Центре сельскохозяйственных наук ARS San Joaquin Valley в Парлье, недалеко от Фресно, в тесном сотрудничестве с партнерами из WSU и UC-Davis. Они уже разработали предварительную картину способности целевых насекомых переносить жару — их «термостойкость».
Лабораторные эксперименты, которые провели Джонсон и ее ARS и коллеги из университета, впервые подробно изучили термостойкость пупочного оранжерейного червя, моли индийской и плодожорки.
Для одного теста Джонсон с соавторами просверлили крошечные дырочки в более чем 500 грецких орехах в скорлупе; соблазнил тонких, беловатых оранжерейных червей войти в раковины; затем заткнул отверстия, чтобы помешать насекомым сбежать. Затем ученые попробовали несколько новых комбинаций радиоволн и горячего нагнетаемого воздуха, то есть воздуха, который нагревается и вдувается в испытательную камеру, в которой находятся гайки. Радиоволны, отдельно или в сочетании с горячим нагнетаемым воздухом, были использованы для нагрева орехов до 55 ° C (131 ° F) примерно за 5 минут.Затем с помощью горячего нагнетаемого воздуха гайки выдерживали при температуре 55 ° C в течение 5 или 10 минут.
«Все процедуры убили 100 процентов оранжерейных червей в пупке», — сообщает Джонсон. Более того, тесты, проведенные соавторами Танга из Pullman и Элизабет Дж. Митчем из Калифорнийского университета в Дэвисе, показали, что лечение не повлияло на качество орехов даже при длительном хранении.
«Это очень важно, — отмечает Джонсон, — потому что грецкие орехи часто хранятся в течение года или более, прежде чем они появятся в вашем супермаркете.«
Кроме того, грецкие орехи богаты маслом, поэтому они более уязвимы к тепловым повреждениям, чем некоторые другие виды орехов, например, миндаль. «Вот почему мы думаем, что если лечение подходит для грецких орехов, — продолжает Джонсон, — это, вероятно, будет хорошо и для миндаля».
Моль индийской муки оказалась более восприимчивой к теплу, чем апельсиновые черви пупка. «Моль из индийской муки серебристая и имеет форму клина. Если вы откроете кухонный шкаф, где храните изюм или хлопья для завтрака, и на вас вылетит моль, — объясняет Джонсон, — скорее всего, это моли из индийской муки.«
Для этого эксперимента Джонсон и ее коллеги использовали металлические нагревательные блоки или пластины, специально разработанные Тангом для радиочастотных исследований. Они поместили насекомых-мишеней в небольшой промежуток между пластинами, которые затем нагревали до определенных температур и выдерживали при этих температурах в течение определенных периодов времени.
Она и ее сотрудники собрали около 15 000 личинок моли индийской муки для исследования, подвергая их воздействию температур от 44 ° C до 52 ° C (от 111 ° F до 126 ° F) в течение от 2 до 100 минут.«В целом, — комментирует Джонсон, — чем ниже температура, тем больше времени требуется для уничтожения личинок. Эти значения являются основой для новой математической модели для прогнозирования скорости гибели при других режимах времени и температуры. . Из-за большого количества протестированных личинок и диапазона температур, который мы исследовали, мы очень уверены в точности прогнозов модели ».
Джонсон и ее сотрудники также использовали специальные нагревательные пластины, чтобы узнать больше о количестве времени и тепла, необходимом для уничтожения пупочных оранжерейных червей.Они подвергли 15000 пупочных оранжерейных червей воздействию температур от 46 ° C до 54 ° C (от 115 ° F до 129 ° F) в течение от 1 до 120 минут. Используя новые данные, они создали математическую модель термостойкости пупочного червя.
По словам Джонсона, результаты экспериментов в Техасе, Вашингтоне и Калифорнии являются важной отправной точкой для достижения успеха в использовании радиочастотной энергии. Ученые опубликовали свои выводы в журналах «Экономическая энтомология», «Журнал исследований хранимых продуктов» и «Послеуборочная биология и технология».- Авторы: Альфредо Флорес, Ян Сужкив и Марсия Вуд, информационный персонал Службы сельскохозяйственных исследований.
Это исследование является частью Национальной программы ARS по альтернативам бромистому метилу (№ 308), описанной в Интернете по адресу http://www.ars.usda.gov/research/programs.htm.
Гай Дж. Холлман работает в отделе исследований качества сельскохозяйственных культур и фруктовых насекомых USDA-ARS, Центр субтропических сельскохозяйственных исследований Кика-де-ла-Гарса, 2413 E. Hwy. 83, корп. 200, Веслако, Техас 78596; телефон (956) 447-6313, факс (956) 447-6345.
Стивен Р. Дрейк работает в Лаборатории исследования плодов деревьев USDA-ARS, 1104 N. Western Ave., Wenatchee, WA 98801; телефон (509) 664-2280, факс (509) 664-2287.
Джеймс Д. Хансен работает в отделе исследования насекомых-фруктовых и овощных насекомых USDA-ARS, 5230 Konnowac Pass Rd., Wapato, WA 98951; телефон (509) 454-6573, факс (509) 454-5646.
Джуди А. Джонсон работает в Лаборатории по защите товаров и карантинных насекомых USDA-ARS, Центр сельскохозяйственных наук в долине Сан-Хоакин, 9611 S.Riverbend Ave., Parlier, CA 93468; телефон (559) 596-2768, факс (559) 596-2721.
«Радиочастота отравляет вредителей растений» была опубликована в февральском номере журнала «Сельскохозяйственные исследования» за 2003 год.
Электромагнитное излучение как новый фактор, способствующий сокращению численности насекомых
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.144913Получить права и контентОсновные моменты
- •
Биоразнообразие насекомых находится под угрозой во всем мире.
- •
Это сокращение в основном связано с сельскохозяйственной практикой и использованием пестицидов.
- •
Имеется достаточно доказательств ущерба, причиненного электромагнитным излучением.
- •
Электромагнитное излучение может быть дополнительным фактором этого спада.
- •
Принцип предосторожности следует применять перед любым новым развертыванием (например, 5G).
Abstract
Биоразнообразие насекомых находится под угрозой во всем мире.Многочисленные исследования сообщают о серьезном сокращении численности насекомых, которое произошло в последние десятилетия. То же самое происходит с важной группой опылителей, имеющих важное значение для опыления сельскохозяйственных культур. Ожидается, что потеря разнообразия и численности насекомых вызовет каскадное воздействие на трофические сети и экосистемные услуги. Многие авторы указывают на то, что сокращение численности насекомых в основном связано с методами ведения сельского хозяйства и применением пестицидов. С другой стороны, доказательства воздействия нетеплового микроволнового излучения на насекомых известны уже не менее 50 лет.