Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Эколого-физиологические особенности действия озона и информационных СВЧ и КВЧ электромагнитных излучений на модельные биосистемы

ВАК РФ 03.03.01, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Эколого-физиологические особенности действия озона и информационных СВЧ и КВЧ электромагнитных излучений на модельные биосистемы"

005010747

Гаврилова Анна Александровна

ЭКОЛОГО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДЕЙСТВИЯ ОЗОНА И ИНФОРМАЦИОННЫХ СВЧ И КВЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА МОДЕЛЬНЫЕ БИОСИСТЕМЫ

03.03.01 - физиология 03.02.08 - экология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

2 ОЕЗ 2012

Нижний Новгород 2012

005010747

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия» на кафедрах физики и биофизики, и физиологии и биохимии животных

Научные руководители:

доктор биологических наук, профессор, Чурмасов Александр Васильевич, Заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор биологических наук, профессор, Орлов Борис Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Постнов Иван Ефстафьевич

доктор биологических наук, профессор Щербатюк Татьяна Григорьевна

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Брянская государственная

сельскохозяйственная академия», г. Брянск

Защита диссертации состоится « 16 » Февраля 2012 г. в 12°° часов на заседании диссертационного совета Д 220. 047. 01 в ФГБОУ ВПО «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия»

Адрес: 603107 г. Нижний Новгород, проспект Гагарина, 97.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии и на сайте академии www. agri.sci-nnov.ru в сети Интернет 13 января 2012 года.

Автореферат разослан »c2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Иващенко М. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Космические электромагнитные излучения и озон — наиболее стабильные экологические факторы, к которым адаптировались биологические системы на Земле (Presmai A. S., 1970; Шноль С. Э., 1979; Чурмаоов А. В., Орлов Б. Н., 1999 и др.). Однаю, механизмы и биологическая роль этих факторов остается далеко неясной. Эффективность того или иного воздействия зависит от дозы, физиологического состояния организма, погодных условий, сезона годаи др. (Сьпник К. М. и др., 1984; Елисеев И. П, 1985 ; Вл адимирский Б. М. и др , 1995 ; Алехина С. П., Щербапо кТ. Г., 2003 и др.).

Попадая в организм, моле!улыоэона взаимодействуют с его стру гаурами и образуют множество пфвдчньк и вторичных продуктов вовлекая в отютик на озоновое воздействие весь организм. Действие озона может быть как подавляющим, так и стимулирующим в зависимости от полученной дозы и состояния организма. При больших дозах, могда организм не справляется с количеством полученных повреждений, возможна даже его гибель(КоА J. R. et al., 2000; Mufcuri R. V., Keifli D. R., 2001; Thomas F. M. et al., 2002), a при оптималжом уровне воздействия возможен' стимулирующий эффект, так как функционирование даТствующих (вкиюченных) защитных систем не только может компенсировать возникшие повреждения, но и повышать общий уровень обменных процессо в в организме (Конторщи ю ва К. Н. и др1995 ; Кол eco ва О. Е. и др., 1992).

Среди всего спектра электромагнитных излучений (ЭМИ) радио водно во го диапазона выраженным биологическим действием обладают СВЧ и КВЧ поля. Механизмы воздействия этих факторов на организм и х^эактер протекания физиологических процессов под их воздействием неоднозначны и до мэнца не изучены. Показано, что СВЧ облучение низюй интенсивности может оказывать как стимулирующее, так и угнетающее влияние (Исмаилов Э. LU., 1987). Выявленная закономерность влияния СВЧ излучений сверхслабой интенсивности (108 - 10 15 Вт) на цир канну ал ьные ритмы живых организмов (Б. Н. Орлов, Д. С. Борисов, 2003) дает возможность управлять

биоритмами, что открывает интересные перспективы по использованию СВЧ излучений [¡различных областях народного хозяйства.

Цель и задачи исследования. Выяснение эюлого-физиологических особенностей и некоторых механизмов действия озона и информационного ЭМИ СВЧ и КВЧдиапазонана модельные биообъекты.

Дтя досшженияу казанной цели решаписьзацгни:

1. Определить эффективность озона, низнэинтенсивных СВЧ и КВЧ излучений как регуляторов ростовых процесоову растений.

2. Выяви тьрольсеменнькоболочеквпроцессах озонирования.

3. Исследовать влияниеоээниро ванной водынапоказатели прорастания семян.

4. Изучить влияние СВЧ и КВЧ излучений сверхмалой интенсивности на поведенческие реакции модельных биосистем (личинок хирономид -Chironomus plumosus, дафний - Daphnia и аквариумных рыбок «Гуппи» -Poecilia reticulate).

5. Изучить влияние СВЧ излучения сверхнизких интенсивностей на цир канну ал ыше ритмы одиночных насеюмых (Calliphora vicina R.-D, Oxyna parieth а) и пчел (Apismellifera cam ica).

Научная новизна. Впервые выявлено стимулирующее и подавляющее действие озона на ростовые процессы семян в зависимости от их видовой принадлежности, физиологич есиэ го состояния, условий и способов озонирования. Выявлены некоторые механизмы проникновения озона через семенные оболочки и показаны особенности и перспективы применения озонированной воды. Разработана интегральная схема реакции организма растений навоэдействиеозона.

Впервые проведено мэмплексное исследование воздействия СВЧ и КВЧ излучений сверхслабой интенсивности на различные модельные биообъекты и установлены общие закономерности реагирования организмов разной морфофизиологической организации.

Теоретическая и практическая значимость исследований. Полученные результаты по озонированию, КВЧ и СВЧ воздействию на живые

организмы могут быть использованы для регулирования всхожести и интенсивности ростовых процессов многих сельскохозяйственных гультур, а также для повышен и я продуктивно ста пчел и борьбы сих вредителями.

Полученные материалы можно также рекомендовать для включения в программы соответствующих курсов физиологии животных и растений, биофизики и специалшых гурсов при подготовке специалистов биологического и ветеринарного профилей.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Эффективность регуляторного действия озона, СВЧ и КВЧ излучений нетепловой интенсивности на ростовые процессы сельскохозяйственных культур.

2. Рол ь семенн ых.оболочек в процессах озонированияр астений.

3.Рольозонированной воды в развитии ростовых процессов.

4. Влияние электромагнитных излучений сверхнизкой интенсивности КВЧ и СВЧ диапазонов, а также комбинированного действия СВЧ излучения и озона на модельные биообъекты.

5. Влияние СВЧ излучения сверхнизкой интенсивное™ на цир канну ал ьные ритмы одиночных насекомых (Calliphora vicina R.-D., Oxyna parietina) и пчел (Apis melliferacamica).

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсувдены на региональной конференции «Механизмы процессов сельскохозяйственного производства в условиях его структурной перестройки» (Н. Новгород, НГСХА, 1996 г.), наXVII Мичуринских Чтениях (29-30 октября 1996 г., г. Мичуринск Тамбовской обл.), научной конференции «Системы земледелия нечерноземной зоны Российской Федерации и пути их совершенствования» (Н. Новгород,НГСХА, 1997 г.), юбилейной конференции «80 лет - селекционеру-генешку академии И. П. Елисееву» (Н. Новгород, НГСХА, июнь 1998 г.), на Всероссийской н^чно-пракшческэй конференции «Озон вбиологиии медицине»(Н.Новгород,НГСХА,21-23 мая2003 г.).

Экспериментальные разработки прошли практически) апробацию на Ли н до всю й птицефабрике (г. ЛиндаНижегородсной обл.).

Полученные результаты по теме диссертации легли в основ/ спецкуроов для студентов факультета агрохимии и агроэкологии, зооинженерного и ветеринарного факультетовНГСХА.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 14 печатных работах, в том числе две статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ. Получены четыре патента на полезную модепьи изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 150 страницах юмпыотерного текста и состоит из введения, обзора литературы, характеристики материалов и методов исследования, результатов собственных исследований и их обсуждения, практических рекомендаций и выводов. Список цитируемой литературы включает 274 источника (171 отечественных и 103 зарубежных).Работаиллюстрирована32 рисунками и содержит26 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В работе изучалось влияние различных экологических физических факторов - озона, СВЧ и КВЧ излучений сверхслабой интеншшосга на мод ei шыебиологическиеобъекгы различного урош я организации.

Объектами исследования в опытах с озонированием служили семена ценных сельскохозяйственных гультур: облепихи крушиновидной

(Hippophae rhamnoides L.) сорта «Катунская-24», пшеницы (Triticum L.), ячменя (Hordeum L.) сорта «Зазерский», гороха полевого (Pisum arvense L.) и козлятника восточного (галеги) (Galega orientalis Lam.), а также клубни картофеля (Solanum tuberosum) сорт «Шурминский - 2», эндофитная микробиота семян облепихи - грибки и бактерии.

Изучение влияния СВЧ излучения сверхнизкой мощности проводилось на личинках комаров-звонцов (Chironomus plumosus), дафниях (Daphnia), аквариумных рыбках «Гуппи» (Poecilia reticulate), одиночных насекомых с

полным превращением из отряда Díptera (двукрылые), семейства Calliphoridae (каллифориды) - Calliphora vicina R.-D., и из семейства Tephritidae (пестрокрылки) - Oxyna parietina L., а также на одновозрастном расплоде карпатских пчел (Apis mellifera camica). Растительные объекты изучения -семена ячменя (Hordeum L.) сорта «Эльф», гороха сорта «Глориоза» и козлятника восточного (Galegaorientalis Lam.).

В качестве биологических моделей в опытах с КВЧ излучением были выбраны личинки комаров-звонцов (Chironomus plumosus) и семена ячменя (Hordeum L.) сорта «Эльф».

Озонирование проводили в специальной экспериментальной установке, состоящей из блока барьерного разрадаозонагора.гдепроис-ходил синтез озона, камеры для озонирования биологических объектов, спеетрофотометра СФ — 26 с газовой кюветой для определения концентрации озона, барботера для получения озонированной воды (ОДВ) и компрессора, с помощью которого происходит перемещение озоновоздушной смеси (ОВС) через установку.

Обработсу растительного материала озоном проводили тремя способами: 1) озонирование сухого растительного материала; 2) озонирование влажного растительного материала; 3) замачивание в озонированной воде. Контрольные семена и клубни действию озона не подвергались. Проращивание семян проводилось согласно стандартным методикам (ГОСТ 12038-84,1991; ГОСТ Р 52171 -2003;ГОСГР 52325-2005).

У растительных объектов определяли следующие морфофизиологические показатели: пусковые - всхожесть, энергию прорастания, и ростовые - средние длину и массу одного проростка, время и скорость прорастания, влагоемкость и коэффициент дыхания.

Облучение модельных биообъектов электромагнитным излучением (ЭМИ) СВЧ диапазона производили генератором Г4-80, работающего при показателях, сопоставимых с естественной солнетной радиацией — в интервале частот 2,4 - 4,0 ГГц и мощности излучения 104 - 10'15 Вт. Объекты

исследований в опытах с гидробионтами помещали в чашки Петри, дно которых было удалено на 1 м от источника СВЧ излучения и источника света. Среда обитания ю всех группах и во всех экспериментах была стандартной -25 мл дистиллированной воды, t= 25 - 26°С, относительной влажности 73 %в экр аниро ванной камер е, о свещенио сть 5 0 л к.

В качестве источника КВЧ-излучшия была использована модификация генератора КВЧ излучения типа «ПОРТ-56/76-ЭЛМ» с рабочим диапазоном частот6120 -65JOO ГГц (длина волны:4¿6 -4$ мм).Объекты помещали вчашки Петри, дно которых было удалено наЗ, 23 или 35 см отрупораизлучэтепя,при этом мощность электромагнитных юлебаний составляла 12 мВт, 300 мкВт и 400 мкВт.

Личинки хирономид быпи использованы в качестве модельных объектов для наблюдений за поведенческими реакциями в опытах с СВЧ и КВЧ излучениями. При постановке экспериментов с СВЧ облучением создавались опытные и контрольные группы хирономид 3-х поколений - с интервалом 24, 48 и 72 ч. Время облучения гидробионтов варьировало от 5 до 60 минут, при облучении миллиметровыми волнами - от 5 до 190 минут. Через каждые 10 минут регистрировали показатели двигательной активности тест-объектов (характер движения личинок,часготу и амплитуду юлебатепьных движений).

В опытах с аквариумными рьбками «Гуппи» и дафниями бьши подобраны действующие фиксированные частоты (2600,3000 и 3500 МГц), длительность экспозиции составляла 60 мин. Эксперименты проводились в чашках Петри, наполненных дистиллированной юдой (25 мл, t = 24° С) в экранированной отвнешних электромагнитных полй камере.

Воздействие электромагнитных излучений СВЧ диапазона на тест-объекты при изучении сдвигов цирканнуальных ритмов у одиночных насекомых (Calliphora vicina R.-D. и Oxyna parietina L.) и карпатских пчел (Apis mellifera camica) осуществлялось в различных режимах: длиннодневном 16:8 ч, короткодневном 7:17 ч и прерывистом 7/98 ч. СВЧ излучение сверхнизкой природной нетепловой интенсивности (10'8 - 10 "10 Вт/мг) имело частоту 2400 —

2580 МГц. Цирканнуальные ритмы у СаШрИога укта Я.-Э. и Охупа рапейпа Ь. определяли по образованию пупария при прекращении личиночной диапаузы и переходе к активному развитию. У пчел определяли массу и длину крыла.

Биохимический состав семян и клубней: белю вый азот, жир, углеводы, крахмал, золу, клелчатку, калий, фосфор, кальций, витамин «С», ферменты полифеноло ксид азу и пероксид азу определяли по стандартным методикам (ЕрмаиэвА.И.и др, 1987)

Изучение эндофитной ми 1ф об йоты у семян облепихи про водилось путем посева каждого отдельного семени на стерильную питательную среду. Эндофитную ми»фобиоту разделили натри типа: грибы,бактерии и смешанный тип (грибы + бактерии). Изучение способности инфицированных семян к прорастанию проводилось непосредственно в пробирках с питательной средой.

Обработку полученных данных проводили стандартными методами (Зайцев Г. Н., 1973; Доспехов Б. А., 1979; Лакин Г. Ф., 1990). Достоверность полученных результатов оценивали по критерию Сгьюдента при 5 %-ном уровне значимости (Р 0/)5). Расчеты данных по методу плавающей средней проездили согласно численным методам анализа случайных процессов (Лившиц М. Е.и др, 1982).

РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.Шшяниеозона на развитое ростовых процессов у растений Твердые покровы семенной кожуры и сложные комбинированные типы покоя оказывают заметное торможение при проращивании семян (Николаева М. Р. и др., 1985). Поэтому перед посевом часто возникает необходимость в дополнительном применении физических и химических факторов, порой небезопасных для здоровья людей и окружающей среды.

В качестве модельного объекта при проращивании были взяты семена облепихи для подготовки которых применяли механическую скарификацию. Озон, как сильный окислитель, применялся в качестве дополнительного средства к скарификации семян и ускоренного выведения их из состояния покоя.

Обработку сухих семян проводили озоно-воздушной смесью в области доз от 25 до 36000 для скарифицированных и 25 - 600 для

нескарифицированных семян. При анализе полученных данных было отмечено (рис. 1), что влияние озона зависит от физиологического состояния семенной оболочки. Малые дозы озона в области 25 - 600 мгмин/м3 повышают показатель средней длины проростка, большие - от 1500 до 10500 мгмин/м3 -энергию прорастания. Увеличение дозы озона до 18000 - 36000 мгмин/м3 подавляет оба показателя прорастания (Е и Ь) скарифицированных семян облепихи, при чем энергию прорастания в большей степени. На нескарифицированные семена облепихи на оба показателя прорастания (Е и Ь) действует одинаково: область низких доз озона в интервале 12,5 - 75 мгмин/м3 их стимулирует, при увеличении дозы наблюдается подавление.

Применение влажных способов обработки семян озоном имеет практический интерес поскольку перед проращиванием семена замачивают в воде, и она играет важную роль в отношении запуска процессов прорастания семян (Обручева Н.В., Антипова О.В., 1997). Для определения оптимального способа обработки озоном были использованы семена гороха, озонирование проводили в диапазоне доз 150 - 600 мгмин/м3.

Воздействие ОВС на сухие семена гороха (рис. 2) повышало оба показателя прорастания: длину на 15,4 ± 8,0 % при дозе 300 мгмин/м\ всхожесть на 18,3 ± 15,6 % при дозе 450 мгмин/м3. Максимальные значения показателей были получены при влажных способах обработки: при воздействии ОВС на увлажненные семена в течение 1,5 ч (доза 450 мгмин/м3) - БЭ (Ь) = 17,9 ± 8,2 %, при обработке семян ОДВ, барботированной в течение 2 ч (доза 600 мгмин/м3) - БЭ (В) = 21,1 ± 15,5 %. Доза 450 мгмин/м3 повышала оба показателя прорастания при разных способах обработки. Таким образом, влажные способы обработки озоном и повышение его дозы (в пределах 450 -600 мгмин/м3) положительно влияют на пусковые и ростовые показатели проростков гороха.

Характер биологического ответа на озонирование прорастающих семян

а)

б)

Рис. 1. Зависимость энергии прорастания и длины корешка проростков облепихи от дозы озонирования сухих скарифицированных (а) и нескарифицированных (б) семян.

зависит также от стадии их развития и дозы озона. Изучение влияния озонирования на различных стадия прорастания проводили на семенах облепихи. Лучшая эффективность воздействия озоном достигалась на 2-й стадии развития проростка - набухании. Ростовые показатели в области низких доз повышались: на 14 - 15 % БЭ (Ь) при дозе 25 мгмин/м3, на 20 - 25 % БЭ (М) в интервале 50 - 100 мгмин/м3. Самой чувствительной стадией развития проростка оказалась стадия 3 - проклевывание. Воздействие озона при дозе

9000 мгмин/м3 на этой стадии снижает все изучаемые показатели: энергии прорастания на -56,1 ± 27,7 %, длины проростка на -21,0 ± 16,7 %, показателя

и« нср=ог 6>

<уя|«С*МЯМ — О - (моч«иних<«мян

■—6"— обр4бОТ>М. ОМИ. «одой -О контроль

---О“- сухюгемян — О — <М0Ч«МИЬИС«МЛН

■41. ^ вбрлвот^н. 040«. *ОДОЙ ----КФМТРОЛЬ

Рис. 2. Зависимость всхожести (а) и средней длины проростка гороха (б) от времени обработки и характера воздействия: озонирования сухих семян, смоченных в воде и обработанных озонированной водой.

интенсивности ростовых процессов на 24,1±6,0 %.

При увеличении сроков хранения посадочного материала (семян и клубней растений) их посевная ценность снижается. Поэтому исследования в области изучения влияния озонирования на проращивание семян с различными сроками сбора, а также фазами созревания (Мельцер Е. Э., Елисеев И. П., 1987) имеют важную хозяйственно-научную ценность. В этом направлении было проведено несколько серий опытов. Опыты проводили в области высоких доз: 9000,18000 и 36000 мг-мин/м3.

Из полученных данных следует, что с увеличением срока хранения семян эффективность обработки озоном возрастает. Высокие дозы озона повышают энергию прорастания нескарифицированных семян: 9000 мг-мин/м3 у семян с 1 годом хранения 4й фазы созревания БЭ (Е) = 31,7 ± 10,6 %, у семян с Змя годами хранения БЭ (Е) = 17,0 ± 10,7 %, доза 36000 мг-мин/м3 с 1 годом хранения 4й фазы созревания БЭ (Е) = 14,4 ± 10,4 %, у семян с Зхлетним

сроком хранения БЭ (Е) = 27,9 ± 11,0 %, а также скорость роста БЭ (у) = 16,3 ± 7,3 %. Обработка озонированной водой (доза озона в ОВС 6000 мг-мин/м3) семян со сроком хранения 5 лет повышает энергию прорастания на 28,1 %. Хранение озонированных семян около 300 дней приводило к повышению скорости прорастания у скарифицированных семян всех сроков хранения и фаз созревания на 14 - 15 %.

Известно, что плазматическая мембрана, основными структурными единицами которой являются фосфолипиды и белки, является первичной мишенью биологического действия озона (Конев С. В. и др., 1981). Кроме того, общие липиды являются субстратами ПОЛ (Гончарова Т.А., Конторщикова К.

Н., 1998). Под воздействием озона происходит нарушение структуры мембран и их физических свойств, которое выражается в наюплении лизофосфатидов, ошашшьк стеринови свободных жирных кислот. Физиолого-биохимический состав после воздействия озоном изучали на семенах пшеницы, козлятника и облепихи. Концентрация озона в ОВС составляла 150 мг/м3, время озонирования 10 мин. Практически у всех семян содержание белка и жира после оэонированияувеличивалось. Для жира эта показатели возрастали от 10 до 25%:

Динамику изменения общей оводненности, потерю сухого веса в % за одни сутки, липидов и крахмала по стадиям прорастания изучали на семенах облепихи. Результаты проведенных опытов подтвердили ранее полученные морфофизиологические данные о том, что озонирование семян с большим сроком хранения дает лучшие результаты, чем свежих, повышение интенсификации процессов прорастания можно получить при озонировании на стадии набухания.

Одним из важных показателей адаптации растений куспотям среды является их взаимодействие с различными видами микроорганизмов, содержащихся в окружающем их воздухе и в почве. Наряду с положительным влиянием некоторых микроорганизмов на растения (например,' фиксация молетулфного азота актиномицетами рода Ргапскта, находящихся в симбиозе с

облепихой крушиновидной (Н. гЬатпойея Ь.)), проявляется также и пагубное воздействие, вызывающее у растений ряд патологических состояний. Опьгшые семена в сухом состоянии обрабатывались озоно-воздушной смесью с концентрацией озона 900 мг/м3 в течение 10, 20, 40 и 80 мин. В ходе проведенных экспериментов было показано, что степень зфаженноста семян облепихи зависела от сроюв хранения и оостояния семенной оболочки. Прорастанию скарифицированных семян в основном способствовала бактериальная микроб йота, что подтверждает известные данные о негативном действии неустойчивых погодных условий, изменений климата и неблагоприятной экологической обстановки, которые способствуют вытеснению эукариот прокариотами (Ищеню Л. А. и др., 1998).

2. Влияние СВЧ излучения сверхнизкой интенсивности на морфофизиологические, биохимические и поведенческие показатели модельных биообъектов

Комбинированное действие озона и СВЧ облучения (время воздействия озона 10 мин при концентрации 150 мг/м3; длительность воздействия СВЧ излучения 5 и 20 мин) на прорастание семян нэзл5пника дало следующие результаты.

При отсутствии СВЧ-воздействия был получен наибольший эффект по средней скорости прорастания 24,7 ± 1,0 % и третий по величине БЭ всхожести 28,6 ± 18,1 %. Максимальные значения биологического эффекта всхожести были получены при отсутствии озонирования семян: 42,9 ± 19,9 % для 5 минут и 78,6 ± 23,8 % для 20 минут. Торможение развития проростков наблюдалось у семян с комбинированным действием СВЧ поля (время 5 минут) и озона: -22,0 ± 0,6 %. Средняя скорость прорастания озонированных семян достоверно увеличилась: 17,0± 1,3 %.

Выявленная закономерность влияния СВЧ излучений сверхслабой интенсивности (10'8 - 10'15 Вт) на цирканнуальные ритмы живых организмов (Б. Н. Орлов, Д. С. Борисов, 2003) позволяет глубже понять механизм регуляции биоритмов. Однако, в отношении растительных объектов этот

вопрос изучен недостаточно. В опытах с СВЧ излучением сверхнизкой интенсивности учитывали принадлежность выбранных растительных объектов к определенному типу фотопериодических реакций. В связи с этим длительность СВЧ воздействия разделялась на 3 режима облучения: 1) 12 часов непрерывного воздействия сменялись 12 часами отсутствия воздействия - нет воздействия (у словноеобозначение 12 В: 12 Н);2) 6 часов воздействия -18 чаоов нет воздействия (6 В: 18 Н); 3) 3 часа воздействия сменялись 6 часами отсутствия облучения, затем вновь 3 часа воздействия и 12 часов его отсутствия (3 В:6Н :ЗВ:12 Н).

В таблицах 1 и 2 представлены результаты исследований зависимости всхожести семян ячменяй горохаотрежимовСВЧоблучения.

По характеру влияния можно отметить следующие особенности воздействия примененных режимов СВЧ облучения: 1) длиннодневное облучение в течение 12 ч (режим 1) было стимулирующим в отношении интенсивности прорастания у семян ячменя БЭ (И) = 11,9 ± 1,2 % и всхожести для гороха БЭ (В) = 12,1 ±

10,1 %; 2) такое же по длительности ночное облучение (режим 2) было наиболее благоприятным для семян ячменя БЭ (В) = 23,8 ± 12,3 %. Таким образом оказалось, что наибольшее стимулирование всхожести семян ячменя происходит при ночном 12-часовом СВЧ облучении, а повышение интенсивности ростовых процессов - при дневном 12-часовом СВЧ облучении. Короткодневное облучение (режим 3) стимулировало пусковой показатель у семян гороха БЭ (В) = 27,6 ± 14,2 %, у семян ячменя БЭ (В) = 11,7 ± 8,6 %, и подавляло интенсивность ростовых процессов у ячменя БЭ (И) = -1,6 ± 0,8 %; 4) прерывистое облучение подавляло пусковой показатель обоих видов растений, а ускорение протекания ростовых процессов происходило при этом лишь у семян ячменя БЭ (И) = 10,4 ± 1,1 %.

В биотестировании качества водной средыпри оценке степени загрязнения природных юд, токсичносто сточных вод, при оценке санитарного состояния питьевых водоисточник)в и т. д. часто используют мелких беспозвоночных: инфузорий, ракообразных, личинок насеюэмых, моллюсков и других

гидробионто в (Орлов Б. H., Постное И. E., 2010; Моисеева В. П., Моисеева Е. А., 2008; Hirabayashi K. et al., 2003; Zdzislaw Kajak, Pawel Prus, 2004). Большой интерес к водным животным как биотестам обусловлен тем, что они могут быть

Таблица 1

БЭ всхожести (БЭ (Е()) семян ячменя и гороха при различных режимах их облучения ______ ____________________-

Режим № ре- жи- ма Ячмень Горох

шах значения ср. по режиму шах значения ср. по режиму

12 В : 12 Н, день 1 10,6 ± 8,2* 4,8 ±5,8 12,1 ±10,1* 6,8 ±7,2

12 В : 12 Н, ночь 2 23.8 ±12,3* 16.6 ±8,8* -2,6 ±7,5 -5,2 ± 5,4

6 В : 18 Н 3 11,7 ±8,6* 9.8 ±6,1* 27.6 ±14,2* 20,2 ±10,1*

3 В : 6 Н : 3 В : 12 Н 4 -7,3 ±7,9 -7,7 ±5,6* -2,7 ±7,7 -4,4 ± 5,5

Таблица 2

Интенсивность ростовых процессов (БЭ (И)) семян ячменя и гороха при ________________различных режимах их облучения _______________________

Режим № ре- жи- ма Ячмень Горох

шах значения ср. по режиму шах значения ср. по режиму

12 В: 12 Н, день 1 11,9± 1,2* 10.7 ±0,9* 1,1 ±2,1 -1,3 ±1,5

12В: 12 Н, ночь 2 8,5 ±0,9* 3,7 ±0,6* 3,7 ±2,3* 3,3 ± 1,6*

, 6 В : 18 Н 3 -1^6 ±0,8* -2,5 ±0,6* 1,5 ±2,3 -2,3 ±1,6*

3 В : 6 Н : 3 В : 12 Н 4 10,4 ± 1,1* 10,3 ±0,8* 1,6± 2,2 -2,0 ±1,6*

* БЭ (И) достоверны с Р > 0,95, если значения доверительных интервалов превышают их абсолютные значения.

использованыдлябиотестарования прежде всего той феды, обитателями иэторой они являются. В качестве объекта исследования выбраны личинки хирономид. Во всех опытных группах личинок хирономид совершавших «восьмеркообразные» движения было больше, чем в контроле: в интервале 24 ч БЭ (К) = 63,7 ± 47,2 %, в интервале 48 ч 90,4 ± 65,1 %, а в интервале 72 ч 94,8 ±

76,2 % (рис. 3). Возбужденные движения тест-объектов были зарегистрированы с интервалом 24 часа уже в первые 10 минут после помещения личинок в чашку

Петри и включения генератора. По частоте и амплитуде колебаний наибольшая разница наблюдалась у личинок в интервале 24 ч в среднем 44,5 ± 3,77 мин'1 и 5,5 ± 0,38 мм. С ростом возраста амплитуда движений опытных личинок уменьшалась.

Показатели двигательной активности

138

а«

Ос а а

Рис. 3. Действие СВЧ излучения на показатели двигательной активности хирономид: 8 - «восьмеркообразное» движение, Б - «змееобразное» движение, V - частота движений, А - амплитуда (Р > 0,95).

Скорость движения личинок в опытных группах была выше, чем в контрольных. В возрасте 24 часа в среднем этот показатель по опытной выборке составил 8,04 ± 2,25 см/мин, в возрасте 48 ч - 10,35 ± 4,03 см/мин, а в возрасте 72 ч - 8,51 ± 3,09 см/мин. Биологический эффект данного показателя с увеличением возраста личинок снижается.

Насекомые СаШрЬога VIста К.-Б. и Охупа рапеипа Ь. подвергались СВЧ облучению с частотой 2400 МГц. Сдвиги цирканнуальных ритмов у одиночных насекомых СаШрЬога У1ста Я.-В. и Охупа рапейпа Ь. определяли по образованию пупария при прекращении личиночной диапаузы и переходе к активному развитию. Были использованы следующие режимы облучения: длиннодневный -16:8ч, короткодневный - 7 : 17 ч и прерывистый — 7/9 : 8ч.

Активная реактивация диапаузирующих личинок у одиночных насекомых СаШрЬога уюта Я.-О. и Охупа рапе1та Ь. наблюдалась при длиннодневном режиме (16:8 ч.) СВЧ облучения: у СаШрЬога угспа Я.-Э. в этом режиме

реактивировалось 57,14 ±3^0 % личинок, а при облучении юротюдневным СВЧ облучением (7:1 7 ч.) реактивировалось 40,71 ±4^62 % личинок;у других одиночных насекомых Охупа рапейпа Ь. при длиннодневном режиме также достоверно увеличивается число реактивирующихся личинок 84^9 ±251 %, а при облучении юротюдневным СВЧ облучением (7:17 ч.) реактивировалось 7095 ±3,13%.

Активная деятельность медоносных пчел также связана с сезонными ритмами, что обусловило выбор режимов воздействия. Насекомые подвергались СВЧ облучению с частотой 2580 МГц, длительность облучения составляла при длиннодневном режиме -16:8ч, при короткодневном -7:17

ч. Изменения морфофизиологических показателей, отражающих сдвиги цир канну ал ьных ритмов у рабочих пчел под действием низюэинтенсивного СВЧ излучения, оценивали по сырой массе, размерам крыла, содержанию гигроскопической воды в теле пчелы (по абсолютно сухой массе), липидов и общего азота (рис. 4).

100 •

80 -60 -40 -

20 -0 •

М, мг Ь / Жир, % Вода, % А'»от, %

М, мг/мм

Морфофдопологоческпе показатели

Рис. 4. Влияние длиннодневного (16:8 ч) и короткодневного (7: 17 ч) режимов СВЧ облучения на основные морфофизиологические показатели пчел (Р > 0,95).

Приведенные данные показывают, что у пчел, развивавшихся при коротюдневном искусственном СВЧ облучении, запускаются физиологические

процессы, направленные на подготовку к зимовке: повышенное содержание запасных питательны* веществ, замедленный метаболизм, слабо развитый летательный аппарат. Пчелы, которые развивались при длиннодневном искусственном СВЧ облучении, приобретают морфофизиологические изменения, хфакгфные для весенних или позднелетаих пчел с активными физиологическими процессами, небольшим количеством запасных питательных веществ, и хорошо развитым летательным аппаратом.

3. Влияние КВЧ излучения нетепловой интенсивности на морфофизиологические, биохимические и поведенческие показатели модельных биообъектов ...

Как известно, основным поглощательным компонентом электромагнитных волн миллиметрового диапазона в теле человека или животного является вода (Хургин Ю. И., 1991). Проникновение этих волн ограничивается кожным покрытием, т. к. практически полностью затухает в покровных тканях организма на глубине 0,5 - 0,7 мм (Казаринов К. Д., 1990; Родштат И. В., 1991). Об особенностях воздействия КВЧ излучений на организм растений известно довольно мало’. В связи сэтамбыли проведены две Сфии опытов с семенами растений. В пфвой из них семена подвфгали КВЧ облучению сухими, во второй сфии семена пфед облучением замачивали в течение <уток в дистиллированной воде. В качестве модельных объектов бьши взяты семена ячменя сорта Эльф. Частота КВЧ излучения в первой серии 53,57 ГГц,во второй-65,00 ГГц. Облучение проводилось при различном расстоянии генфатора КВЧ-волн от биологического объекта (23 или 35 см) и в течение различного времени (15 и 30 мин).

Кривые зависимости БЭ (Вл) от дозы КВЧ - излучения имеют два максимума в области доз 4 мДж/см2 и 14 - 16 мДж/см2. Проведенные исследования показывают, что облучённые семена потощают болыие влаги чем контрольные в результате увеличения интенсивности метаболических процесоов внутри семян, по сю л ьку прироста массы не можетиз-заотсутствия фотосинтеза.

В процессе дыхания растений большую роль ифает пероксидаза.

Окисление каких-либо соединений этот фермент осуществляет с помощью перекиси водорода (Ермаков А. И., 1987). В ряде исследований показано КВЧ волны могут изменять состояние кислорода в воде, и привести к образованию перекиси (Гарибов Р. Э., Островский А. В., 1990). Изменение активности пероксидазы проростков ячменя в зависимости от длительности КВЧ воздействия (времяоблучения5,10,15,20,30,45,60 минут.) проводили на 80 семенах ячменя сорта Эльф.

ВІ начале (5 минут) наблюдается резмэе снижение активности фермента, затем пероксидазная активность проростков, облученных в течение 10 мин, не отличается от юнтролыюго знамения. После 10 мин воздействия идет увеличение активности фермента и с увеличением времени воздействия КВЧ-излучения эта активность мало изменяется.

В качестве животных модельных объектов в данных исследованиях были выбраны личинки хирономид. Возбужденные движения мотыля были зарегистрированы впервые через 70 мин - 80 мин. В опыте большая часть личинок, совершала «змееобразные» движения, и лишь одна треть «восьмеризобразиые» (62,5 ± 8Д % против 37,5 ± 80 % соответственно). Средняя частота личинок, совершавших «восьмер юобразные» движения выше, чему личинок, совершавших «змееобразные»движения:БЭ V (8) =48,7 ±7$ %, а БЭ V (Б) = 36,0 ±53 %. Амплитуда опьпных личинок, совершавших «восьмерюобразные» движения выше, юэнтролшых на 200 ± 6,4 %. Таким образом, КВЧ воздействие существенно влияет на индивидуальную двигательную активность личинок хирономид, до сто вф но изменяя как вид актииіоста таки его интенсивность.

Наименьшая ее активность пероксидазы у личинок хирономид проявляется при 15 - 20 минутах КВЧ воздействия. После 30 минут, в течение которых развивается ответная реакция организма на КВЧ воздействие, наблюдается увеличение активности пероксидазы с максимумом при 45 минутах. Возможно, что воздействие миллиметровых волн около 45 минут повышает интенсивность обменных процессов.

ВЫВОДЫ

1. Морфофизиологические показатели роста и развития проростков, выращенных из озонированных семян, знамительно отличаются от конт-ролшых растений по всем показателям массе, длине, апагоемкости, энфгии прорастания, всхожести и скорости роста. Биологический эффект -стимулирование или подавление жизненных функций, зависитотдозыоэонаи физиологического сосгоянияорганизма.

2. Состояние семенной оболочки играет существенную роль в отклике на воздействие озона. Озонирование нескарифицированных сухих семян в диапазоне доз 12,5 - 600 мгмин/м3повышает эффективность воздействия: БЭ (Е) = 18,8 ±5Д %;БЭ(Ь) = 20£ ±2,4 %.

3. При замачивании семян в течение 6 ч озонированной юдой (концентрацией озона в ОВС 150-900 мг/м3, время барботирования 10-30 мин) энергия прорастания семян пшеницы повышается на 6 - 16 %, семян ячменя -на 3 - 9 %, процессы прорастания сокращаются в 1,5 - 2 раза.

3. Результат действия озона на семена зависит от стадии развитая проростка и сроков хранения семенного материала. При дозах озона от 25 до 225 мгмин/^3 происходит ускорение интенсивности ростовых процессов набухающих семян БЭ (М) = -24,4± 9,1 %. Эффективность обработки озоном старых семян выше: при озонировании нескарифицированных семян со сроюм хранения 3 года БЭ (В) повышается 27,9 ±11/) %; подавляется бактериальная микробиота БЭ (И) = - 95 %; при обработке озонированной водой семян с 5летним сроком хранения БЭ (Е) =28,1 %.

4.0зонированиесемян и клубней растений приводит кизменению.многих биохимических показателей обмена веществ: содержания белков, ферментов, общих липидов, углеводов, витамина С, минеральных элементов - калия, натрия, фосфора. Увеличение или уменьшение эффекта воздействия зависитот дозы озона и физиологического состояния организма. Содержание жира при озонировании семян и клубней растений возрастало от 10 до30 %.

5. Разработана математическая модель реакции организма растений на действие озона, в соответствии с которой озон окисляет структуры тканей и «включает» развитие ростовых процессов и защитные механизмы, связанные с антиоксидантной системой организма.

6. Электромагнитное излучение СВЧ и КВЧ диапазонов сверхслабой интенсивности существенно влияет на поведенческие реакции представителей различных систематических групп животных: личинок хирономид, дафний и рьбок «Гуппи». Чу ветви тел ыю сть данных гидробионтов к указанным факторам воздействия может служить тонким индикатором эиэлогаческого состояния среды обитания.

7. Разработаны способы СВЧ обработки биологических объектов излучением сверхнизкой интенсивности 10'8 - 10 ~12 Вт/м2 с диапазоном частот 2400 - 2580 МГц, сопоставимым с естественной солнечной радиацией, и временем облучения от 6 до 16 ч, что активизирует или подавляет физиологические процессы в живых системах в зависимости от режимов воздействия.

8. Показано, что при длиннодневном (16 ч) режиме СВЧ облучения нетепловой интенсивности скорость реактивации диапаузирующих личинок одиночных насекомых СаНрЬогауюпа 1ЫЭ.иОхупарапейпаЬ.увеличивается, а при горотнэдневном (7 ч) - уменьшается. Установлено, что пчелы, которые развивались при длиннодневном СВЧ облучении, приобретают морфофизиологические изменения, характерные для весенних или позднепетних пчел с активными физиологическими процессами, а при юротюдневном -физиологические изменения, направленные на подготовку к зимовке. Непрерывный короткодневный (6 ч) режим СВЧ облучения природной интенсивности приводит к увеличению всхожести гороха на 202 ± 10,1%, и ячменя - на 93 ± 6,1%. Длинноднеагое (12 ч) СВЧ облучение семян ячменя излучением с теми параметрами приюдиткповышению всхожести на16£ ±83%.

10. При использовании сверхслгбого КВЧ излучения в дозе 4,5 мДж/см2 масса сухого вещества ячменяуменыиаетсяпо сравнению с контролем,что свидетельствует

о стимуляции ростовых процессов. Более продолжительное облучение семян ячменя приюдиткр аз витию подавпяощих процессов.

Практические предложения

1. Чувствительность гидробионтов (личинок хирономид, дафний, рыб) к действию электромагнитного излучения сверхнизкой интенсивности СВЧ и КВЧ диапазона позволяет использовать их в качестве индикаторов экологического состояния среды обитания.

2. Разработанный способ обработки пчёл позволяет регулировать их обменные процессы таким образом, что для подготовки к зимовке пчёлы облучаются СВЧ излучением сверхнизкой интенсивности 10'8 - 10 ~ш Вт/м2 с диапазоном частот 2400 - 2580 МГц в течение 7 ч в сутки, а для формирования пчйл, готовых к интенсивной летней работе, пчёлы облучаются СВЧ излучением сверхнизкой интенсивности 10*8 — 10 10 Вт/м2 с диапазоном частот 2400 - 2580 МГц в течение 16 ч в сутки.

3. Для повышения показателей прорастания семян их облучают СВЧ излучошем сверхнизюй интенсивности Ю'® - Ю’10 Вт/см2 с диапазоном частот 2400 - 2580 МГц втечениеб или 12 ч (дляСемян ячменяБЭ (В) = 23,8 ± 12,3 %, для семян горох а БЭ (В) = 27,6 ± 14,2 %) .

4. С цепью повышения посевных канеств семян — повышения всхожести (для семян ячменя наЗ - 9 %,для семян пшеницынаб - 16 %),и сокращения длительности проращивания (в 1,5 - 2 раза) рекомендуется применять обработьу озонированной водой, полученной при барботаровании озоном с концентрацией 150-900 мг/м3 в течение 10-30 мин.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Резчиков В. Г. Генератор для получения озоно-воздушной смеси и его применение. / А. В. Чурмасов, А. А Гаврилова // Тез докл. Второй Нижегор. сессии молодых ученых (21-25 апреля). - Н. Новгород, 1997. - с. 223.

2. Резчиков В. Г. Влияние озона на прорастание семян гороха и облепихи / А. В. Чурмасов, А. А Гаврилова, Е. А. Соколова // Техника в сельском

хозяйстве. - 1998. - № 3. - с. 14 - 17.

3. Патент РФ №2169177 МКИ 7 С 12 С 1/00, А 01 С 1/00. Способ стимулирования прорастания семян. / А. А. Гаврилова, В. Г. Резчиков, А. В Чурмасов. - опубл. 20.06.2001, Бюл. № 17 - 3 с.

4. Чурмасов А. В. Электрические явления в живых системах. Часть 3. Электрокинетические явления. / А. А Гаврилова / Методическое пособие к лабораторным работам по биофизике. - Н. Новгород, НГСХА, 2001. - с. 36.

5. Чурмасов А. В. Математическая модель реакции на озоновое воздействие / В. Г. Резчиков, А. А Гаврилова // Достижения науки и техники АПК.-2002.-№11.-с. 12-15.

6. Ищенко JI. А. Эффективность озонирования инфицированных микробиотой семян облепихи крушиновидной в зависимости от сроков их хранения / А. А Гаврилова, А. В. Чурмасов, В. Г. Резчиков // Материалы V Всероссийской науч.-практич. конфер. «Озон в биологии и медицине» (Н. Новгород, НГСХА, 21-23 мая 2003 г.). - Нижегородский медицинский журнал, 2003.-с. 294-295.

7. Рябов Е. А. Влияние КВЧ-излучения сверхслабой интенсивности на Прорастание ячменя. / А. В. Чурмасов, А. А Гаврилова // Сб. науч. тр. «Совершенствование технико-эксплуатационных процессов энергетических средств в сельском хозяйстве и на транспорте» - Н. Новгород, НГСХА, 2007. -с. 305 - 309.

8. Патент РФ Кг 66883, А01С 1/00. Устройство для обработки биообъектов низкоинтенсивным СВЧ излучением / Б. Н. Орлов, А. А

Гаврилова, А. В. Чурмасов, М. А. Кревский. -№ 2007111431; опубл. 10.10.2007, Бюл. № 28. -1 с.

9. Патент РФ № 2 344 590, МКИ С2 А01С 1/00. Способ СВЧ-обработки семян / Б. Н. Орлов, А. А Гаврилова, А. В. Чурмасов. - № 2006 13 67 80; опубл.

27.01.2009, Бюл. №3.-3 с.

10. Чурмасов А. В. Собственные электромагнитные излучения биосистем / А. А Гаврилова // Материалы междунар. науч.-практич. конфер. НГСХА «Ресурсосберегающие технологии и технические средства в агропромышленном комплексе» - Н. Новгород, НГСХА, 2010. - с. 353 - 358.

11. Патент РФ № 2 388 220 МКИ С2 А01С 55/00. Способ СВЧ-обработки пчел / Б. Н. Орлов, А. А Гаврилова, А. В. Чурмасов. - № 2008123593/12; опубл.

10.05.2010, Бюл. № 13.-3 с.

12. Гаврилова А. А. Технология озонирования и ее применение в

сельском хозяйстве. / Р. В. Королев, А. В. Чурмасов // Биосистемы: организация, поведение, управление. Материалы 63-й студенческой научной конференции биологического факультета ННГУ 27 апреля 2010 г. - Н. Новгород, ННГУ. - 2010.- с. 54-55. ■

13. Чурмасов А. В. Влияние высоких доз озона на прорастание семян облепихи, инфицированной эндофитной микробиотой / А. А Гаврилова, Ищенко Л. А. // Сб. докл. XXII Мичуринских Чтений, г. Мичуринск, 26-28 октября 2010 г. - Мичуринск-Наукоград, 2010. - с.318 - 321.

14. Гаврилова А. А. Экология воздействия озона на организм растений / А. В. Чурмасов, Т. В. Хохолина // Сб. докл. науч. конфер. «Новое в науке XXI века»: Межвузовский научный сборник. - Н. Новгород, 2010. - вып. 7. - с. 6.

Подписано в печать 13.01.2012 Формат 60x84 1/16. Печать офсетная Печ.л. 1 Тираж 100 экз. Заказ №4 Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия 603107, г. Нижний Новгород, проспект Гагарина, 97

Типография НГСХА

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Гаврилова, Анна Александровна, Нижний Новгород

61 12-3/509

Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия

на правах рукописи

Гаврилова Анна Александровна

Эколого-физиологические особенности действия озона и информационных СВЧ и КВЧ электромагнитных излучений на модельные

биосистемы

Специальность 03.03.01 - физиология Специальность 03.02.08 - экология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители: Доктор биологических наук, профессор Чурмасов А. В.

Доктор биологических наук, профессор Орлов Б. Н.

Нижний Новгород 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................4

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Озон и его влияние на процессы жизнедеятельности.....................10

1. 2. Современные представления о влиянии на организм электромагнитных излучений СВЧ и КВЧ диапазонов...................................19

1. 3. Биоритмы и биоритмическая система организма как фактор адаптации к среде обитания .............................................................................29

Глава 2. Материал и методы исследования............................................36

2. 1. Общая схема исследований и методы воздействия.......................36

2. 2. Объекты исследования ...................................................................36

2. 3. Генератор озона и экспериментальная установка.........................38

2. 4. Методы озонирования и выращивания растительного материала 41

2. 5. Экспериментальные установки для СВЧ и КВЧ облучения

биообъектов.........................................................................................................42

2. 6. Регистрация поведенческих реакций животных ............................43

2. 7. Биохимические и микробиологические методы исследований .... 46

2. 8. Обработка и анализ полученных результатов................................46

РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Глава 3. Влияние озона на развитие ростовых процессов у растений ... 48 3.1. Влияние озона на морфофизиологические и биохимические показатели прорастающих семян и клубней растений при различных условиях озонирования, физиологического состояния и фаз развития биологических

объектов..............................................................................................................48

3.1.1. Влияние озонирования на прорастание семян пшеницы, козлятника восточного, облепихи и гороха. Роль семенной оболочки в процессе озонирования.....................................................................................................48

3. 1.2. Влияние увлажнения и озонированной воды на ростовые процессы............................................................................................................58

3. 1.3. Особенности озонирования на разных стадиях прорастания семян ......................................................................................... 70

3. 1. 4. Влияние сроков хранения и фазы созревания на прорастание озонированных семян облепихи........................................................................74

3. 1.5. Влияние озона на биохимические показатели прорастающих семян и клубни картофеля............................................................................................84

3. 1. 6. Влияние озона на эндофитную микробиоту семян облепихи крушиновидной ................................................................................................96

Глава 4. Влияние СВЧ излучения сверхнизкой интенсивности на морфофизиологические, биохимические и поведенческие показатели модельных биообъектов...................................................................................105

4. 1. Реакция растительного организма на действие электромагнитного излучения СВЧ диапазона...............................................................................105

4. 1. 1. Комбинированное действие озона и СВЧ облучения на прорастание семян козлятника.......................................................................105

4. 1. 2. Влияние СВЧ излучения на пусковые и ростовые показатели прорастания семян ячменя и гороха..............................................................107

4. 2. Поведенческие реакции животных при СВЧ воздействии

4. 2. 1. Влияние СВЧ излучения сверхнизкой интенсивности на личинки хирономид........................................................................................................112

4. 2. 2. Изменение поведенческих реакций и активности дафний и аквариумных рыбок под воздействием СВЧ излучения сверхнизкой интенсивности.................................................................................................118

4. 2. 3. Действие СВЧ излучения низкой интенсивности на цирканнуальные ритмы одиночных насекомых и пчел..............................120

Глава 5. Влияние КВЧ излучения нетепловой интенсивности на морфофизиологические, биохимические и поведенческие показатели модельных биообъектов................................................................................ 126

5. 1. Влияние КВЧ излучения на морфофизиологические и биохимические показатели прорастающих семян ячменя....................................................126

5. 2. Влияние КВЧ излучения на поведение личинок хирономид и их

биохимические показатели.................................................................................131

Глава 6. Обсуждение полученных результатов. К механизму реакции организма на озон и электромагнитные излучения СВЧ и КВЧ диапазона

сверхнизкой интенсивности .............................................................................135

Выводы......................................................................................................140

Предложения производству.....................................................................142

Литература.................................................................................................143

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Космические электромагнитные излучения и озон в процессе биологической эволюции стали тотальными и наиболее стабильными экологическими физическими факторами, к которым адаптировались биологические системы на Земле (Presman A. S. 1970; Шноль С. Э., 1979; Чурмасов А. В., Орлов Б. Н., 1999).

Однако, механизмы и биологическая роль этих физических факторов остается далеко неясной. Известно, что эффективность того или иного воздействия зависит от дозы, физиологического состояния организма, возраста или стадии развития, биоритмов, погодных условий, сезона года, степени развития вторичных процессов и др. (Сытник К. М. др., 1984; Елисеев И. П., 1985; Владимирский Б. М. и др., 1995; Алехина С. П., Щербатюк Т. Г., 2003).

Например, проникшие в организм молекулы озона взаимодействуют с его структурами, порождая множество первичных продуктов взаимодействия. Последние также влияют на биоструктуры, вызывая многочисленные разветвленные цепные реакции, приводящих к появлению новых продуктов взаимодействия и вовлекая в отклик на озоновое воздействие весь организм.

Продукты взаимодействия озона с организмом условно подразделяются на две группы. Одну группу составляют те из них, которые связаны с разрушением (окислением) биологических структур и, следовательно, ухудшением показателей их функционирования. Другую группу образуют биологически активные соединения, выполняющих роль регуляторов различных процессов жизнедеятельности, в том числе и адаптированных к ликвидации последствий произведенных разрушений (Vahala Jorma et al., 2003).

Совместная реакция каждого процесса жизнедеятельности на озоновое воздействие может быть как подавляющей, так и стимулирующей в зависимости от полученной дозы (количества проникших в организм молекул озона). При больших дозах организм погибает, не справляясь с количеством полученных повреждений (Koch Jennifer Reihl et al., 2000; Rao Mulpuri V., Davis Keith R., 2001; Thomas F.M. et al., 2002).

С другой стороны, возможен стимулирующий эффект, так как функционирование действующих (включенных) защитных систем не только компенсирует возникшие повреждения, но и повышает общий уровень обменных процессов в организме (Конторщикова К. Н. и др., 1995; Колесова О. Е. и др., 1992).

На Землю из атмосферы проникают электромагнитные излучения (ЭМИ) в двух окнах прозрачности: оптического 0,29 - 24 мкм и радиоокна 0,01 - Юм (Владимирский Б. М. и др., 1994). По энергетике последние относятся к сверхслабым. Однако именно сверхслабые излучения наиболее интересны для биологической науки, учитывая, что такие интенсивности родственны электрическим процессам, протекающим в организме живых существ.

Предполагается, что биологические эффекты электромагнитных полей неэнергетических интенсивностей обусловлены информационными взаимодействиями ЭМИ с кибернетическими системами организма, воспринимающими информацию из окружающей среды и регулирующие процессы жизнедеятельности организма (Холодов Ю. А., 1982; Казначеев В. П., Михайлова Л. П., 1985).

Среди всего спектра ЭМИ радиоволнового диапазона выраженным биологическим действием обладают СВЧ излучения. При этом наиболее хорошо изучен «тепловой эффект» СВЧ излучений, связанный с повышением температуры облучаемой ткани. Благодаря тепловому действию дециметровые и сантиметровые волны средней и высокой интенсивности широко используются в физиотерапии для лечения различных заболеваний, для борьбы с патогенными микроорганизмами и т. д.

Наряду с тепловыми эффектами СВЧ вызывают в биологических объектах и нетепловые, например, резонансные эффекты, наблюдаемые экспериментально не только на фоне общего повышения температуры облучаемого объекта, но и без нагрева в случае низкоинтенсивных излучений.

Частотный диапазон 1 - 3 ГГц представляется наиболее значимым по отношению к живым системам. Не исключено, что это связано с тем, что

диапазон 0,3 - 2 ГГц является областью сигма дисперсии, обусловленной вращением боковых групп белковых молекул, а также релаксацией белково-связанной воды, влияющими на биологическую основу жизни (Кашпур В. А. и др., 1989).

В настоящее время изучена только общая интегральная реакция организма на электромагнитные излучения СВЧ диапазона. Механизм воздействия СВЧ облучения и характер протекания физиологических процессов под его воздействием неоднозначны и до конца не поняты. Однако общая тенденция показывает, что СВЧ облучение низкой интенсивности оказывает стимулирующее влияние, а при увеличении интенсивности влияет угнетающе (Исмаилов Э. Ш., 1987).

Можно предположить, учитывая подчиненность всех процессов в организме нейрогормональной регуляции и необходимость поддерживать все процессы, протекающие в организме синхронно друг с другом, для поддержания постоянства гомеостаза, что СВЧ облучение сверхнизких интенсивностей может влиять на сезонные биоритмы живых организмов. Вероятно, что СВЧ излучение может улавливаться цирканнуальными нейронами, которые посредством нейрогормональной регуляции оказывают влияние на эндокринные органы, управляющие азотным, водно - солевым, жировым и другими видами обмена, что отражается на физиологических процессах, протекающих в организме.

Особый интерес представляет выявленная закономерность влияния СВЧ

о 1 ^

излучений сверхслабой интенсивности (10"° - 10"" Вт) на цирканнуальные ритмы живых организмов (Б. Н. Орлов, Д. С. Борисов, 2003). Согласно этой закономерности биоритмами можно управлять, что открывает интересные перспективы по использованию СВЧ излучений в различных областях народного хозяйства.

Цель и задачи исследования. Выяснение эколого-физиологических особенностей и некоторых механизмов действия озона и информационного ЭМИ СВЧ и КВЧ диапазона на модельные биообъекты.

Для достижения указанной цели решались задачи:

1. Определить эффективность озона, низкоинтенсивных СВЧ и КВЧ излучений как регуляторов ростовых процессов у растений.

2. Выявить роль семенных оболочек в процессах озонирования.

3. Исследовать влияние озонированной воды на показатели прорастания семян.

4. Изучить влияние СВЧ и КВЧ излучений сверхмалой интенсивности на поведенческие реакции модельных биосистем (личинок хирономид -Chironomus plumosus, дафний - Daphnia и аквариумных рыбок «Гуппи» -Poecilia reticulate).

5. Изучить влияние СВЧ излучения сверхнизких интенсивностей на цирканнуальные ритмы одиночных насекомых (Calliphora vicina R.-D., Oxyna parietina) и пчел (Apis mellifera carnica).

Научная новизна. Впервые выявлено стимулирующее и подавляющее действие озона на ростовые процессы семян в зависимости от их видовой принадлежности, физиологического состояния, условий и способов озонирования. Выявлены некоторые механизмы проникновения озона через семенные оболочки и показаны особенности и перспективы применения озонированной воды. Разработана интегральная схема реакции организма растений на воздействие озона.

Впервые проведено комплексное исследование воздействия СВЧ и КВЧ излучений сверхслабой интенсивности на различные модельные биообъекты и установлены общие закономерности реагирования организмов разной морфофизиологической организации.

Теоретическая и практическая значимость исследований. Полученные результаты по озонированию, КВЧ и СВЧ воздействию на живые организмы могут быть использованы для регулирования всхожести и интенсивности ростовых процессов многих сельскохозяйственных культур, а также для повышения продуктивности пчел и борьбы с их вредителями.

Полученные материалы можно также рекомендовать для включения в программы соответствующих курсов физиологии животных и растений, биофизики и специальных курсов при подготовке специалистов биологического и ветеринарного профилей.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Эффективность регуляторного действия озона, СВЧ и КВЧ излучений нетепловой интенсивности на ростовые процессы сельскохозяйственных культур.

2. Роль семенных оболочек в процессах озонирования растений.

3. Роль озонированной воды в развитии ростовых процессов.

4. Влияние электромагнитных излучений сверхнизкой интенсивности КВЧ и СВЧ диапазонов, а также комбинированного действия СВЧ излучения и озона на модельные биообъекты.

5. Влияние СВЧ излучения сверхнизкой интенсивности на цирканнуальные ритмы одиночных насекомых (Calliphora vicina R.-D., Oxyna parietina) и пчел (Apis mellifera carnica).

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на региональной конференции «Механизмы процессов сельскохозяйственного производства в условиях его структурной перестройки» (Н. Новгород, НГСХА, 1996 г.), на XVII Мичуринских Чтениях (29-30 октября 1996 г., г. Мичуринск Тамбовской обл.), научной конференции «Системы земледелия нечерноземной зоны Российской Федерации и пути их совершенствования» (Н. Новгород, НГСХА, 1997 г.), юбилейной конференции «80 лет - селекционеру-генетику академику И. П. Елисееву» (Н. Новгород, НГСХА, июнь 1998 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Озон в биологии и медицине» (Н. Новгород, НГСХА, 21-23 мая 2003 г.).

Экспериментальные разработки прошли практическую апробацию на Линдовской птицефабрике (г. Линда Нижегородской обл.).

Полученные результаты по теме диссертации легли в основу спецкурсов для студентов факультета агрохимии и агроэкологии, зооинженерного и ветеринарного факультетов НГСХА.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 14 печатных работах, в том числе две статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ. Получены четыре патента на полезную модель и изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 173 страницах компьютерного текста и состоит из введения, обзора литературы, характеристики материалов и методов исследования, результатов собственных исследований и их обсуждения, практических рекомендаций, выводов и приложений. Список цитируемой литературы включает 279 источников (193 отечественных и 86 зарубежных). Работа иллюстрирована 33 рисунками, содержит 6 таблиц и 20 приложений.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Озон и его влияние на процессы жизнедеятельности

Одним из важных климатических факторов биосферы Земли является наличие стратосферного озонового слоя на высоте 10-30 км, где он образуется из кислорода под действием УФ лучей Солнца (Х= 175 нм; X = 242 нм), более длинные волны вызывают распад озона. Таким образом, в атмосфере существует подвижное равновесие между процессами образования и распада озона. Среднее содержание озона в воздухе у земной поверхности в норме составляет от 0,01 до 0,06 мг/м3 и зависит от состояния погоды и других факторов (Степановских А. С., 2009). Предельно допустимая концентрация

л

озона в воздухе 0,1 мг/м (Тарасов В. В. и др., 2008). Озон также образуется из кислорода воздуха во время грозовых разрядов. Следует отметить особую роль выделительной функции растений и ее влияние на воздушный состав атмосферы. В качестве защитной реакции против излишка озона после штормов, электрических разрядов в атмосфере, при избытке ультрафиолета и гамма-радиации растениями выделяются летучие и нелетучие соединения -вещества стресса, к которым относят этилен и изопрен (Melhorn Н. et al., 1990; Velikova V. et al., 2003). Летучие и жидкие растительные выделения ингибируют токсичную активность озона и превращаются под действием свободных радикалов и озонидов в соединения, которые играют защитную роль от болезней и вредителей и принимают участие в аллелохимических связях между растениями (Рощина В. В., Рощина В. Д., 1989). Синтез стрессового этилена зависит от степени повреждения (Ahlfors R. et al., 2004), и по прошествии некоторого времени после воздействия озона количество этилена уменьшается (Ederli L. et al., 2006). Изопрен может способствовать как синтезу озона, так и его снижению в тропосфере (Chameides W. L. et al., 1988; Roshchina V. V. et al, 1996; Zhang Li et al., 2002; Ibrahim M. A. et al., 2010). В природе также существуют биогеохимические процессы при