Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние активирования воды электрическим полем на ранние стадии развития растений

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Влияние активирования воды электрическим полем на ранние стадии развития растений"

:ь ОЛ , Ц ЦЕЛ *»

На правах рукописи

НАРЕНКОВА ТАТЬЯНА МИХАЙЛОВНА

ВЛИЯНИЕ АКТИВИРОВАНИЯ ВОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ НА РАННИЕ СТАДИИ РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ

03.00.16 - Экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Воронеж 1998

- г -

Работа выполнена в Ковровской государственной технологической академии и Институте химической физики РАН (г.Москва).

Научные руководители: Доктор биологических наук,профессор.

Официальные оппоненты: профессор, доктор физико-математи-

Ведущее предприятие: Воронежский педагогический институт

Защита состоится 16 декабря 1998 года в .... час. на заседании диссертационного совета Д 063.48.13 в Воронежском госу дарственном университете по адресу: 396693, Воронеж, Универси тетская площадь, 1, Воронежский государственный университет, кон ференцзал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского Государственного университета.

заслуженный деятель науки и техники РФ Е.К.ЕСЬКОВ

Доктор технических наук, профессор

Н.Н.КРАСИКОВ

ческих наук М. Н. Левин

профессор, доктор биологических наук

А.В.Никулин

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение биологических эффектов электрических полей актуально для понимания принципов адаптации организмов к этому природному фактору. Электрические поля высокой напряженности действовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни. Согласно принятой теории происхождения жизни, её зарождение (период химической эволюции) связано с действием физических факторов, среди которых доминирующая роль отводится электрическим грозовым разрядам и ультрафиолетовому излучению Солнца. Поэтому электрические поля можно рассматривать как первичный экологический фактор.

Сведения о влиянии электрических полей высокой напряженности актуальны в связи с ее биологической ролью. В естественных условиях электризация воды происходит в грозовых и негрозовых облаках. Поэтому дождевая вода, потребляемая растениями, несет на себе электрический заряд. Изменение первичных ростовых процессов под влиянием электризации потребляемой ими воды позволяет оценить биологические эффекты её электроактивации. При этом прорастающие семена являются удобным тест-объектом для исследований. Выявление способов стимуляции начальных ростовых процессов открывает новые перспективы для повышения урожайности сельскохозяйственных культур.

Цель и задачи исследований. Основная цель настоящего исследования заключалась в изучении электризации воды электрическим полем высокой напряженности и выявлении ее действия на первичные ростовые процессы у семян. Достижение поставленной цели предполагало решение следующих вопросов, выносимых на защиту:

1. Разрабатывали способы электризации воды и регистрации ее заряда.

2. Изучали биологические эффекты электризованной воды по интенсивности поглощения ее семенами злаковых культур и начальным фазам прорастания семян. На семенах капусты изучали влияние электризованной воды на энергию их прорастания и развитие растений.

3. Изучали последствия воздействия электрического поля высокой напряженности на сухие семена, находившиеся в состоянии покоя.

4. На основе литературных сведений и собственных исследований предпринята попытка объяснения биологических механизмов действия электроактивированной воды.

Научная новизна. Определены уровни поляризации воды электрическим полем высокой напряженности и некоторые факторы, влияющие на ее деполяризацию после отключения поля. Впервые установлено влияние поляризованной воды на её поглощение семенами, скорость их прорастания и образования первых корешков. На семенах капусты доказано, что электроактивированная вода стимулирует энергию их прорастания и ускоряет развитие растений.

Теоретическая и практическая значимость. Внесена доля ясности в понимание процессов, происходящих в воде под действием электрического поля высокой напряженности. Выявлены некоторые биологические эффекты электризации воды, что важно для определения роли этого явления в естественных условиях, а также в местах техногенных аномалий (в зонах использования высоких напряжений, вдоль линий высоковольтных передач и др.). Разработаны устройства для электризации воды и определения ее заряда после действия электрического поля. На семенах злаковых культур выявлены тест-реакции на электризацию воды электрическим полем. Предложены способы стимуляции прорастания семян, которые являются эффективным средством повышения всхожести и энергии прорастания семян сельскохозяйственных культур и могут найти применения в растениеводстве.

Апробация работы: Материалы диссертации докладывались на: 1-й Российской конференции "Проблемы электромагнитной безопасности человека. Фундаментальные и прикладные исследования." г.Москва, Институт биохимической физики РАН. 28-29 ноября 1996 г.; 4-й Российской научно - технической конференции "Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов" г. Санкт-Петербург, 1996г.; 3-м Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии г.Санкт-Петербург, 23 -27 июня 1997г.; 23-й Всероссийской молодежной научной конференции "Гагаринские чтения"г.Москва, МАТИ, 8-12 апреля 1997 г.; 2-й Всероссийской научно - технической конференции "Методы и средства измерений физических величин" г.Нижний Новгород, 18 - 19 июня 1997 г.; 4-й Международной, 7-й Всероссийской конференции "Экология и охрана окружающей среды" г.Рязань, 29 -

30 сентября 1998г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение и главы,' перечисленнные в реферате, список литературы, включающий 114 названий (из них 8 иностранных) и приложений. Объем работы составляет 164 страницы машинописного текста, включающего 36 рисунков и 29 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние вопроса и задачи исследований. Проанализированы сведения по тематике исследований. На основе этого сформулирована цель и задачи собственных исследований.

Материалы и методы исследований. Для проведения исследований использовали оборудование серийного производства и (статические вольтметры, муфельная печь, термостат) и специально изготовленные (источник высокого напряжения, электродное устройство).

В качестве генератора электрического поля использовали источник высокого напряжения принцип действия которого основан на преобразовании сетевого напряжения. В приборе использован повышающий трансформатор и умножитель напряжения с токоограничивающими сопротивлениями. Напряжение на выходе составляет 16 кВ. Ток при этом не превышает 1-5 микроампер, а потребляемая мощность определяется главным образом потерями в трансформаторе и схеме умножения источника высокого напряжения.

Электродное устройство для обработки воды электрическим полем высокой напряженности включает в себя систему горизонтальных электродов диаметром 6 см, выполненных из металлических пластин (рис.1). Система винтовых креплений позволяет устанавливать расстояние между электродами от 0 до 12 см. что обеспечивает возможность регуляции напряженности при одинаковом напряжении на выходе источника напряжения. Расстояние между электродами изменяли от 5 до 12 см, напряжение (U) равнялось 16 кВ, соответственно этому напряженность электрического поля варьировала от 1,3 х Ю5 до 3,2 х Ю5 В/м.

Для бесконтактной электрообработки воды использовалась экспериментальная установка в диэлектрическую ячейку которой заливалась дистиллированная или водопроводная вода в объеме 100 мл. Электроды соединялись с соответствующими полюсами источника вы-

Рис.1. Схема экспериментальной установки электрообработки жидкости без контакта электрода с жидкостью:

1- диэлектрическая ячейка; 2- жидкость; 3- пластинчать электроды; 4- источник высокого напряжения

сокого напряжения . Расстояние между электродами составляло 5 см. Электрическое поле действовало на воду со стороны верхнего электрода через паровоздушную прослойку. Нижний электрод был отделеь от жидкости диэлектрическим днищем ячейки. Таким образом, поле оказывало поляризующее воздействие в пределах трехслойного конденсатора. Ток не превышал нескольких микроампер.

Заряд воды определяли электростатическим вольтметром тип? С-50 и С-502. Величину заряда q расчитывали в зависимости от показаний вольтметра U и значения электроемкости измерительной системы С.

Динамику роста растений контролировали лазерным интерференционным ауксанометром (ЛИНА - ЕМ2). Прибор измеряет скорость роста растения в импульсах. Один импульс равен приросту растения i 0,12 мкм. Продолжительность одной серии измерений возможна в пре-

делах от 1 до 59 с. В это время происходит суммирование очередной группы импульсов. Показания с прибора поступают на контроллер ЭВМ, затем информация передается на шину данных компьютера.

Отбор воды для исследований производился из системы водоснабжения в соответствии с требованиями ГОСТа N 17.1.3.03 - 77 (CT СЭВ 1924 - 79). Согласно результатам химического анализа, проведенного Ковровским ЦСЭН, водопроводная вода характеризовалась щелочной средой - pH = 7,59. Содержание ионов кальция составило 66,7 мг/дм3. магния - 28,7 мг/дм3. В большом количестве содержался сухой остаток - 406,4 мг/дм3, позволяющий судить о высоком количестве солей и концентрированных примесей в данной воде. Хлориды и сульфаты присутствуют во всех природных водах обычно в виде натриевых, кальциевых и магниевых солей. Их суммарное содержание составляло 122,6 мг/дм3.

Дистиллированная воды характеризовалась водородным показателем pH = 5,8 и электропроводностью К = 4,2х10"4Смхм_1, что соответствует ГОСТу 6709-72. Для приготовления воды использовался дистиллятор серийного производства.

В качестве биообъектов использовали семена овса (Avena sativa L.), озимой ржи (Seeale cereale L.), озимой пшеницы (Trlticum aestivum L.), и капусты (Brassica capitata L.).

Факторы, влияющие на электризацию воды. Вода, прошедшая электрополевую обработку, различалась в зависимости от знака верхнего электрода, и считалась положительно заряженной, если этот электрод нес положительный заряд, и отрицательно заряженной, если над поверхностью воды находился отрицательный электрод. Время релаксации электрообработакной воды составляет несколько часов, причем процесс релаксации в большой степени зависит от внешних условий .

В процессе электрообработки происходит, по-видимому, поляризационное структурирование воды в полях допробойной напряженности. При включении источника поля происходит ориентационная поляризация диполей воды, которая в рассматриваемом масштабе времени практически мгновенна. Затем происходит объемно - зарядовая поляризация, которая ответственна за структурное упорядочение молекул и ион-дипольных ассоциатов. Это согласуется с мнениями других авторов, которые установили, что вода, находясь в метастабильном состоянии в результате тепловой активации, быстро теряет аномаль-

ные свойства от наложенного электрического поля. Т.е. электрическое поле способствует образованию водородных связей между молекулами воды, упорядочивая ее структуру.

Процесс электризации воды, независимо от знака верхнего электрода, изменяется в начале включения электрического поля (рис.2). Рост разности потенциалов происходит до некоторых экстремальных значений. Затем наступает релаксационное снижение потенциалов обоих знаков. Для получения максимального значения величины заряда при бесконтактной обработке воды требуется 270 -300 с. Дальнейшее увеличение экспозиции поля не способствует снижению заряда, т.к. вода разряжается через диэлектрическую ячейку. При прочих равных условиях на величину заряда наибольшее влияние оказывает площадь обрабатываемой поверхности (рис.3).

Вероятно, вода заряжается в результате потери ионов под действием электрического поля. Отрицательный заряд возникает при отрыве иона водорода (Н+), а положительный - гидроксильной группы (ОН"). Ионы водорода (протоны) и гидроксильные группы не являются в воде индивидуальными, а связаны с нейтральными дипольными молекулами воды. При действии на воду положительного электрода из воды извлекаются отрицательно заряженные ионы гидроксильной группы (ОН"), и создается избыток положительно заряженных протонов. Под действием отрицательного электрода из воды удаляются положительно заряженные ионы водорода, придавая воде отрицательный заряд за счет избытка отрицательно заряженных гидроксильных групп.

Приведем в связи с этим некоторые количественные данные о величине заряда воды после электроактивации. Отношение числа ионов Н+ или ОН" к числу недиссоциированных молекул в обычной воде равно Ю~7. Каждый ион несет на себе один элементарный заряд, равный 1,6*10" 19Кл. Таким образом, суммарный заряд ионов Н+ равен суммарному заряду ОН" и составляет 10"6 Кл. Если предположить, что все положительные или отрицательные ионы вылетают из воды под действием электрического поля, то суммарный заряд вылетающих частиц будет составлять 10~6Кл. В этом случае величина заряда воды составит 10"6Кл с противоположным знаком. Следовательно, в процессе электризации участвует около 0,1% ионов. Поэтому можно предположить, что под действием наложенного электрического поля из воды вылетают только те заряженные частицы, которые находятся на поверхности раздела вода - воздух. Подтверждением этого пред-

а. кл*ю~9

н 5

Рис.2. Зависимость величины заряда от времени электрообработки воды без контакта верхнего электрода с жидкостью.

1. Верхний электрод - "+"

2. Верхний электрод - "-"

я, Кл*10~9

5,0 4,0 3,0 2,0 1,0

О ГО 20 30

О2

Рис.3. Зависимость величины заряда от площади поверхности обрабатываемой жидкости

положения служит возрастание заряда с увеличением обрабатываемой поверхности воды.

Вследствие преимущественной ориентации молекул воды ионами кислорода наружу, а двумя ионами водорода внутрь жидкости происходит более активное вырывание ОН" с поверхности по сравнению с Н+-ионами. Поэтому заряд, полученный от положительного электрода имеет более высокое значение по сравнению с отрицательным.

Водопроводная вода, использовавшаяся в исследованиях, содержала большое количество примесей (преимущественно ионов, которые ■влияют на структуру воды, изменяя ее физико - химические свойства). Присутствующие в водопроводной воде в большом количестве ионы кальция и магния способствуют упорядочиванию воды, стабилизации ее структуры, т.к. обладают свойством положительной гидратации. Кроме того, ионы кальция принимают участие в образовании гексааквакомплексов, укрепляя структуру воды. Таким образом, содержание примесей в воде снижает степень ее электризации, что согласуется с литературными сведениями о других способах активации (температурной активации воды, омагничивании водных систем).

Влияние электрического поля на ранние стадии развития растений. Как известно, процесс водопоглощения осуществляется семенами в три этапа. Первый этап набухания осуществляется за счет матричных сил клеточных стенок и субстрата семени. На втором этапе длительностью 2-4 часа, происходит активный гидролиз запасных углеводов и белков, за счет чего начинает возрастать осмотический потенциал, хотя вклад матричного потенциала все еще остается значительным . Третий этап характеризуется началом видимого прорастания, так называемого наклевывания семени и длиться от 4 до 14 часов.

Первый и второй этапы набухания обратимы, т.е. чередование увлажнения и подсушивания в этот период еще сохраняет жизнеспособность семян. Третий этап полностью необратим и контролирует начало синтеза веществ.

Различные части семени проходят через каждый этап набухания с разной скоростью в зависимости от расположения зародыша, размеров семени, условий набухания. Иными словами, семя при набухании индивидуально отвечает за весь комплекс внешних воздействий. В целом процесс водопоглощения контролируют три группы факторов: состав семян, проницаемость оболочек для воды, наличие в субстра-

те семян воды в жидкой фазе.

Статистически значимого стимулирующего либо ингибирующего действия электростатических полей на сухие семена озимой ржи и овса, находящиеся в состоянии покоя не обнаружено. В отличие от этого, электрообработка воды, используемой для замачивания семян, интенсифицирует процесс ее поглощения, начиная с первого этапа, что обеспечивает более быстрое достижение семенами пороговых уровней оводненности, необходимых для запуска процессов метаболизма, характеризующих начало второго этапа прорастания (рис.4).

Электроактивация водных систем сокращает период прорастания семян озимой ржи на 2 - 4 часа (рис 5.), овса на 10 - 22 часа. Применение электроактивированной воды стимулирует также образование корневой системы. В контрольном варианте процесс корнеобразо-вания наблюдается в течение 20 - 60 часов у озимой ржи и 40-96 часов у овса. При использовании электрообработанной воды этот процесс сокращается до 16-56 часов у озимой ржи и до 30-80 часов у овса (табл).

Рост растений обеспечивается меристемами - ограниченными участками тканей, постоянно сохраняющими эмбриональное.состояние. Верхушечные меристемы (апикальные) расположены на концах всех корней и побегов и обеспечивают удлиннение растений. Рост имеет пульсирующий характер, обладает ритмичностью, зависит как от действия внешних факторов, так и внутренних, контролируемых внутренними изменениями и генетически закрепленными в процессе эволюции.

При исследовании действия электроактивированной воды на рост растений установлено, что прирост контрольного проростка за 10 секунд составил в среднем 5 -15 импульсов. После добавления воды, несущей заряд, скорость роста проростков увеличилась и на протяжении 10 - 15 минут составляла 15 - 25 импульсов за 10 с , постепенно возвращаясь к исходным значениям. Следовательно, электроактивированная вода обладает биологической активностью, причем биологическое действие такой воды проявляется на самом раннем этапе прорастания - набухании.

Механизм биологического действия электроактивированной воды на растения. Биологическое действие электроактивированной, другими словами, структурно - упорядоченной, воды на стадии набухания семян, связывается с поляризацией жидкости, включая объемно - за-

ло

Рис.5. Интенсивность наклевывания семян озимой ржи в зависимости от свойств воды: - - контрольный вариант

----- - использование положительно заряженной воды

..... - использование отрицательно заряженной воды

Я г

Рис.4. Количество влаги, поглощенной семенами озимой ржи в зависимости от свойств воды: - - контрольный вариант

----- _ использование положительно заряженной воды

..... - использование отрицательно заряженной воды

П - пороговый уровень оводненности

1- продолжительность 1 этапа при использовании обычной воды

2- продолжительность 2 этапа при использовании обычной воды 1*-продолжительность 1 этапа при использовании заряженной воды 2*-продолжительность 2 этапа при использовании заряженной воды

Таблица

Количество семян озимой ржи, образовавших настоящие корешки.

Повторения

2

3

4

X ср

НСР01

2 22 16

4

30 28

18 48 50

56 64 76

94 94 94

О 20 18

2

34 30

18 50 56

46 62 74

4 12 24

4 32 40

22 46 64

62 66 76

94 100 98 96 100 94

а) через

4 О 20 16 22 16

б) через

6 4 38 36 34 34

в) через 17 38 60 56 60 46

г) через 44 52 68 76 76 70

д) через 100 96 96 94 96 94

20 часов: 4 О 18 14 14 16 24 часа: 8 2 36 28 36 32 36 часов: 40 36 62 56 48 52 48 часов: 48 50 72 74 76 68 60 часов: 98 96 94 94 94 94

2 22 18

6

38 38

40 48 56

54 70 74

96 96 94

2, О 18, О 18,0

4, 5 34,0 34, О

19,0

53, 2

54, О

51,5 69, О 73, 7

96,7 95,2 95, О

-16, О -16.0

-29, 5 -29. 5

-23, 7 -24, 1

-17, 5 -22, 5

1,50 1,75

4,63

3,69

12,40

7,59

2, 87

5

7

8

1

6

рядовую поляризацию релаксационного характера. Поляризация способствует структурированию воды, формированию ассоциатов ион -дипольного типа с упорядочением водородных связей. Таким образом, электроактивированная вода находится в неравновесном, метаста-бильном состоянии, отличном от состояния обычной воды. Соотношение стабильных и метастабильных молекул воды предопределяет изменение ее. физико - химических свойств. Метастабильная фаза электроактивированной воды характеризуется развитой сеткой водородных связей, структурным упорядочением молекул. Именно водородные связи, присущие молекулам воды, позволяют ей проникать в капиллярно - пористые тела, в частности в семя. Наличие водородных связей изменяет капиллярные свойства воды, обусловленные силами взаимодействия между частицами жидкости и твердого тела, в данном случае стенками капилляров и пор семян. Использование электроактивированной воды для проращивания семян способствует интенсификации физического набухания. Более быстрое поглощение семенем воды обеспечивает сокращение периода достижения пороговых уровней оводненности, необходимых для запуска тех или иных процессов метаболизма. Вследствие этого наблюдается более интенсивное прокле-вывания семян, образование ими корневой системы при использовании для проращивания семян электроактивированной воды.

До начала прорастания (первый и второй этапы поглощения воды) семя поглощает воду лишь вследствие набухания имеющихся в нем коллоидов, что приводит к разрыву семенной оболочки. С началом роста корешка и других эмбриональных частей (третий этап) появляются клетки с вакуолями и далее поглощение воды прорастающим семенем обусловливается не только набуханием коллоидов, но и явлением осмоса. Таким образом, электроактивированная вода способствует поступлению воды в вакуоли, обеспечивая тургорное давление.

Изменение скорости роста растений при добавлении в чашку Петри электроактивированной воды связывается с более интенсивным поглощением структурированной воды растениями. Клеточная оболочка растягивается ограниченно: расширяясь от поступления воды, она проявляет эластичное противодавление на содержимое клетки и уравновешивает ее осмотическое давление. При достижении максимального уровня оводненности клеток и органов растений в целом за счет осмотического поступления воды в вакуолярную систему, скорость роста растений постепенно снижалась и достигла первоначальных значений.

В подтверждение сказанному следует отметить, что все эксперименты по проращиванию семян проводились при достаточном для проростков количестве воды, но в отсутствии питательных веществ в растворе. Поэтому рост и развитие растений происходили только за счет собственных резервов семени (питательных веществ, запасенных в эндосперме зерна).

Применение электроактивированной воды для предпосевного замачивания семян. Электроактивированная вода применялась для предпосевного замачивания семян капусты сорта "Подарок" характеризующихся низкой всхожестью. Семена со всхожестью 72% замочили в обычной и электроактивированной воде и посеяли 1 апреля в пленочной теплице в соответствии с принятой технологией. Оказалось, что замачивание семян повлияло на уменьшение периода между их высевом и появлением всходов. Срок наступления спелости рассады для пикирования сократился на 4-5 дней . Выход рассады, пригодной для пикирования, с 1 м2 увеличился на 290-300 штук за счет повышения всхожести семян на 10 - 11 % и энергии их прорастания. На контрольной делянке период появления всходов сильно растянулся во времени, не прослеживалось явно выраженного массового появления всходов, что свидетельствует о низкой энергии прорастания семян.

Таким образом, электроактивация воды позволяет значительно повысить всхожесть и энергию прорастания семян сельскохозяйственных культур.

ВЫВОДЫ

1. В электрическом поле высокой напряженности (не достигающего допробойного напряжения происходит поляризационное структурирование воды, выражающееся в ориентационной и зарядовой поляризации ее молекул. Вода заряжается от положительного электрода интенсивнее, чем от отрицательного. Вероятно, с поляризацией молекул связано структурное упорядочение ее молекул и образование ион-дипольных ассоциатов.

2. Естественное (в грозовых облаках, между ними и поверхностью Земли) и искусственное бесконтактное действие электрического поля высокого напряжения порождает биологическую активацию воды. Продолжительность этого состояния воды ограничивается периодом сохранения поляризации. Существенная деполяризация происходит в течение 1-2 минут после отключения электрического поля, а

полная релаксация до исходного состояния продолжается в течение нескольких часов, что зависит от электрического состояния окружающей среды и диэлектрических особенностей субстрата, удерживающего воду.

3. Биологические эффекты воды, активированной электрическим полем высокой напряженности, выражаются в интенсификации еб поглощения семенами семенами злаковых культур, ускорении их прорастания, образовании настоящих корешков и повышении скорости роста проростков, что является следствием более быстрого достижения семенами пороговых уровней оводненности, необходимого для запуска процессов жизнедеятельности. Использование электроактивированной воды для предпосевного замачивания семян капусты повышает энергию их прорастания и ускоряет развитие растений.

4. Механизм биологического действия электроактивированной воды связан с объемно-зарядовой поляризацией, способствующий ее структуризации и формированию ассоциатов ион-дипольного типа, а также с упорядочением водородных связей. В таком состоянии вода интенсивнее поглощается семенами и активнее участвует в процессах метаболизма на начальных стадиях роста.

5. Не обнаружено последействия электрического поля высокой напряженности на сухие семена, находящиеся в состоянии покоя. Этим подтверждается влияние электроактивированной воды на начальные ростовые процессы у семян.

ПЕРЕЧЕНЬ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Красиков H.H., Маренкова Т.М. К проблеме структурирования поверхности воды при электрическом заряжании. //Колл. журн. 1997, Т. 59, N6, С. 885-886.

2. Красиков Н.Н., Маренкова Т.М. Измерение электрического заряда жидкости при помощи электростатического вольтметра. // Электротехника. 1997. N10, С. 60 - 61.

3. Красиков H.H., Маренкова Т.М. Электрополевое воздействие на воду, потребляемую живыми организмами. 1 Российская конференция "Проблемы электромагнитной безопасности человека. Фундаментальные и прикладные исследования". Тезисы докладов. М.: Институт биохимической физики РАН, 1996, С.103.

4. Красиков H.H., Маренкова Т.М. Активация воды электричес-

ким полем. 2 Международный симпозиум "Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов". Тез. докл. СПб, 1996, С.537.

5. Красиков H.H., Маренкова Т.Н. Физическая модель бесконтактной биоактивации воды. 1 Международный конгресс "Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине". Тез. докл. СПб, 1997, С. 230.

6. Маренкова Т.М. Электрополевая активация воды. 23 Всероссийская молодежная научная конференция "Гагаринские чтения". Тез. ДОКЛ. М. , МАТИ, 1997, Ч. 5, С. 61.

7. Красиков H.H., Маренкова Т.М. Экологические аспекты электрополевого воздействия на воду. Сборник материалов 1 Международной научно - технической конференции "Экология человека и природы". Иваново, 1997, С.117.

8. Красиков Н.Н., Маренкова Т.М.. Рублевский Е.В. Измерение электрического заряжания жидкости. 2 Всероссийская научно - техническая конференция "Методы и средства измерений физических величин". Н-Новгород. 1997. Ч. 2, С. 43.

9. Красиков Н.Н., Маренкова Т. М. Поляризационно - зарядовые процессы при бесконтактном электрополевом воздействии на воду. 3 Международный симпозиум " Электромагнитная совместимость и электромагнитная экология".Сборник научных докладов. СПб., 1997, с.63-64.

10. Красиков H.H. Маренкова Т.М. О действии на живые организмы воды, прошедшей электрополевую активацию. 4 Международная , 7 Всероссийская конференция "Экология и охрана окружающей среды. Рязань. 1998.

11. Маренкова Т.М. Механизм действия электроактивированной воды растения на ранних стадиях их развития. 4 Международная, 7 Всероссийская конференция "Экология и охрана окружающей среды". Рязань. 1998. ¿-¿У-

12. Красиков H.H.. Маренкова Т.М., Рублевский Е.В. Биологические процессы в водных системах. 4 Международная, 7 Всероссийская конференция "Экология и охрана окружающей среды". Рязань. 1998.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Маренкова, Татьяна Михайловна, Ковров

г

Ковровская государственная технологическая академия

на правах рукописи

МАРЕНКОВА ТАТЬЯНА МИХАЙЛОВНА

ВЛИЯНИЕ АКТИВИРОВАНИЯ ВОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ НА РАННИЕ СТАДИИ РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ

Специальность 03.00.16 - экология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

биологических наук

Научные руководители Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор биологических наук, профессор,

Е.К.Еськов Доктор технических наук, профессор,

H.H.Красиков

К-//

ХУ'

г'*}

КОВРОВ - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ................................................................5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ........................8

1.1. Электромагнитное поле как экологический фактор... 8

1.2. Влияние электромагнитных полей на рост, развитие

и жизнеспособность растений..................................................................23

1.3. Роль воды на начальных стадиях прорастания семян. 29

1.4. Факторы, влияющие на изменение свойств воды............41

1.4.1. Структура воды, ее физико-химические, электрические свойства......................................................................................41

1.4.2. Физические воздействия на воду. Активирование воды......................................................................................................51

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................60

2.1. Характеристика используемых материалов и оборудования..........................................................................................................61

2.2. Методика электрообработки воды....................................69

2.3. Методика измерения электрического заряда воды... 70

2.4. Методика исследования действия электроактивированной воды на семена................................................................76

2.5. Постановка экспериментов................................................77

ГЛАВА 3. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЭЛЕКТРИЗАЦИЮ ВОДЫ ..................80

3.1. Зависимость величины заряда от времени обработки воды без контакта верхнего электрода с жидкостью........................80

3.2. Зависимость величины заряда от времени обработки при контакте верхнего электрода с жидкостью..................................88

3.3. Зависимость величины заряда от качества воды.... 89

3.4. Зависимость величины заряда от объема обрабатываемой жидкости............................................. 89

3.5. Зависимость величины заряда от площади обрабатываемой поверхности.......................................... 99

3.6. Обсуждение полученных результатов............... 100

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА РАННИЕ СТАДИИ РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ.............................................. 104

4.1. Прорастание семян, подвергавшихся действию электростатического поля.................................... 107

4.2. Влияние электроактивированной воды на интенсивность набухания семян озимой ржи и овса .................... 107

4.3. Влияние электроактивированной воды на процесс проклевывания семян озимой ржи и овса....................... 123

4.4. Влияние электроактивированной воды на интенсивность образования корневой системы семенами злаков.......... 129

4.5. Влияние электроактивированной воды на скорость роста проростков озимой пшеницы............................. 135

4.6. Механизм биологического действия электроактивированной воды на растения.................................. 140

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОАКТИВИРОВАННОЙ ВОДЫ ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОГО ЗАМАЧИВАНИЯ СЕМЯН................................... 143

ВЫВОДЫ...................................................... 151

Список использованной литературы............................ 153

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость изучения процессов взаимодействия электрического поля и воды и их совокупного действия на биологические объекты обусловлена тем, что эти процессы происходят в естественных условиях. Немаловажная роль принадлежит также мощным техногенным аномалиям электрического поля.

Градиент потенциала электрического поля у поверхности Земли имеет положительное значение порядка 100 - 130 В/м, подверженное суточным, сезонным и другим вариациям. На естественное электромагнитное поле Земли накладываются промышленные электромагнитные поля различной частоты и напряженности. Изучение биологических эффектов электромагнитных полей породило новое направление в экологии - электроэкологию.

Предполагается, что влияние электромагнитных полей на организмы разных уровней организации реализуется через воду. Она входит в состав биообъектов и участвует в процессах их функционирования. Особая роль воды у растительных организмов заключается в том, что при её непосредственном участии осуществляется прорастание семян, выражающееся в быстром переходе зрелого жизнеспособного семени из состояния покоя к состоянию активной деятельности. Он завершается ростом проростка. В этот период важное значение имеют свойства воды, связанные с её структурой: теплоемкость, поверхностное натяжение, растворяющая способность и др.

В задачу настоящего исследования входило, в основном, изучение изменения свойств воды под действием электрического поля и её влияния на прорастание семян некоторых сельскохозяйственных культур.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение биологических эффектов электрических полей актуально для понимания принципов адаптации организмов к этому природному фактору. Электрические поля высокой напряженности действовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни. Согласно принятой теории происхождения жизни, её зарождение (период химической эволюции) связано с действием физических факторов, среди которых доминирующая роль отводится электрическим грозовым разрядам и ультрафиолетовому излучению Солнца. Поэтому электрические поля можно рассматривать как первичный экологический фактор.

Сведения о влиянии электрических полей высокой напряженности актуальны в связи с ИХ биологической ролью. В естественных условиях электризация воды происходит в грозовых и негрозовых облаках. Поэтому дождевая вода, потребляемая растениями, несет на себе электрический заряд. Изменение первичных ростовых процессов под влиянием электризации потребляемой ими воды позволяет оценить биологические эффекты её электроактивации. При этом прорастающие семена являются удобным тест-объектом для исследований. Выявление способов стимуляции начальных ростовых процессов открывает новые перспективы для повышения урожайности сельскохозяйственных культур.

Дель и задачи исследований. Основная цель настоящего исследования заключалась в изучении электризации воды электрическим полем высокой напряженности и выявлении её действия на первичные ростовые процессы у семян. Достижение поставленной цели предполагало решение следующих вопросов, выносимых на защиту:

- б -

1. Разрабатывали способы электризации воды и регистрации её заряда.

2. Изучали биологические эффекты электризованной воды по интенсивности поглощения её семенами злаковых культур и начальным фазам прорастания семян. На семенах капусты изучали влияние электризованной воды на энергию их прорастания и развитие растений.

3. Изучали действие электрического поля высокой напряжености на сухие семена, находившиеся в состоянии покоя.

4. На основе литературных сведений и собственных исследований предпринята попытка объяснения биологических механизмов действия электроактивированной воды.

Научная новизна. Работа позволяет моделировать природные электрические явления и исследовать их действие на биоорганизмы как экологических факторов. Разработана методика бесконтактного электрополевого воздействия допробойных напряжений на водные среды через паровоздушную прослойку. Предложен способ контактной электроактивации воды, отличающийся использованием игольчатого электрода. Установлен эффект заряжания воды при действии электрического поля высокой напряженности. Предложен электрофизический метод характеристики заряжания и поляризации водных систем. Исследовано влияние некоторых факторов на величину заряда воды, а также на процесс её релаксации после отключения поля. Впервые установлено влияние электрообработки воды на её поглощение семенами, скорость их прорастания и образования зародышевых корешков. На семенах капусты выявлено, что электроактивированная вода стимулирует энергию их прорастания и ускоряет развитие растений. Доказано, что электрическое поле на оказывает действия на сухие се-

мена, находящиеся с состоянии покоя.

Теоретическая и практическая значимость. Внесена доля ясности в понимание процессов, происходящих в воде под действием электрического поля высокой напряженности. Выявлены некоторые биологические эффекты электризации воды, что важно для определения роли этого явления в естественных условиях, а также в местах техногенных аномалий (в зонах использования высоких напряжений, вдоль линий высоковольтных передач и др.). Обосновано действие электрического поля на биообъекты опосредствовано через потребляемую ими воду и их водные системы. Разработаны устройства для электризации воды и определения её заряда после действия электрического поля. На семенах злаковых культур выявлены тест - реакции на электризацию воды электрическим полем. Предложены способы стимуляции прорастания семян, которые являются эффективным средством повышения всхожести и энергии прорастания семян сельскохозяйственных культур и могут найти применение в растениеводстве. Разработан режим электроактивации воды, используемой для предпосевного замачивания семян.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1. Электромагнитное поле как экологический фактор

Электрические поля, являясь неотъемлемой частью окружающей природной среды, оказывают существенное влияние на функционирование биоорганизмов. Однозначно установлено, что атмосфера влияет на живые организмы не только своей температурой, влажностью, барометрическим давлением и другими метеофакторами, но и своим электричеством - электрическим полем и электрическими зарядами (Лившиц,1990). Наша планета имеет электрическую структуру. Наиболее значимые слои - магнитосфера, атмосфера, гидросфера и непосредственно твердая часть (земная кора, верхняя и нижняя мантия, ядро)(Яновский,1978).

Магнитосфера - внешняя и наиболее протяженная оболочка планеты, обусловлена электромагнитными свойствами самой внутренней сферы - земного ядра и образует геомагнитное поле. Особую роль в электрическом балансе Земли играет нижняя часть магнитосферы -ионосфера, являющаяся той областью околоземного электрического пространства, в которой энергия солнечной радиации преобразуется в другие виды энергии. Интенсивность текущих здесь электрических токов достигает десятков тысяч ампер и тесно связана с активностью Солнца. Эти токи регистрируются на поверхности Земли как изменения геомагнитного поля, что, в свою очередь, сказывается на состоянии всех биологических объектов в силу использования ими электричества в функционировании клеток, тканей и органов. На поверхности Земли сосредоточены отрицательные электрические заряды. Они уравновешиваются положительными зарядам в проводящем слое атмосферы на высотах 15-30 км. Установлено, что во время солнечных

вспышек возрастает напряженность электрического поля (Гордеев, Шешнев, 1991).

Многолетние исследования электричества безоблачной погоды показали, что напряженность (градиент потенциала) электрического поля Земли состоит из двух компонент: унитарной, изменяющейся синхронно для всего земного шара, и локальной, изменение которой определяется факторами местного характера. В целом суточные и годовые изменения градиента потенциала в конкретном месте (суточный и годовой ход) являются результатом наложения локальной вариации на унитарную.

В спокойные дни, когда отсутствуют грозовые явления, облака, осадки, метели, сильный ветер и т.д. градиент потенциала над морем и в полярных областях определяется в данный момент времени и в данной точке пространства в основном унитарной вариацией, одинаковой для всей Земли. Градиент потенциала электрического поля у поверхности Земли имеет в ясную погоду положительное значение порядка 100-300 В/м. Земля заряжена отрицательно, градиент потенциала уменьшается с высотой, причем на уровне 10 км его значение составляет лишь 3% от значения у поверхности Земли. Потенциал атмосферы относительно Земли возрастает с высотой и его значение остается почти постоянным и равным 4*105 В. Малая величина градиента потенциала электрического поля указывает на высокую проводимость атмосферного воздуха на этих уровнях (Красногорская,1977). Максимум годового хода градиента наблюдается одновременно на всей Земле зимой, минимум - летом (Парамонов,1961).

Переменный ток в атмосфере Земли порождается преимущественно атмосфериками - разрядами облаков. В грозовых облаках напряженность электрического поля может достигать 105 В/м. Возникновению

грозового разряда предшествует повышение напряженности электрического поля до 10б В/м. Медленным разрядам облаков сопутствуют изменения напряженности с частотой следования менее 1 Гц, а быстрым - с частотой в десятки килогерц. В радиусе 250 км от грозового фронта напряженность электрического поля достигает 2,5 В/м, а в радиусе 50 км - 10 В/м.

Значительные локальные аномалии электромагнитного поля порождаются высоковольтными линиями электропередачи (ЛЭП). Чаще всего они используются для передачи тока частотой 50 или 60 Гц. Напряженность электромагнитного поля в зоне таких линий зависит от приложенного к ним напряжения. На высоте 2 м от земли напряженность электромагнитного поля под ЛЭП напряжением 500 кВ составляет (кВ/м): б; под 750 КВ - 11 и под 1500 кВ - 17.

Природные и антропические электрические поля взаимодействуют с электрическими процессами, протекающими в живых организмах по принципу физических закономерностей, что оказывает влияние на их физиологическое состояние. Со специфичностью действия электрического поля сопряжено своеобразие форм реагирования на него животных. Это нередко служит причиной низкой воспроизводимости экспериментов с использованием электрического поля и затрудняет их идентификацию (Еськов,1995).

По электрической напряженности Е (рис.1) вычислены плотность энергии и плотность потока энергии П(у) в интервале частот V = 10~4 - 109 Гц (рис.2). Значения и П(у) определены для спокойной и возмущенной в период солнечной активности составляющих Е. Результаты расчетов показывают, что удельная плотность и плотность потока энергии изменяется в широких пределах (Каме-нир, 1994).

- и-

Е, В/м

V, Гц

Рис.1. Электрическая напряженность поля

1 - область ультранизкочастотных

излучений

2 - область низкочастотных излу-

чений

3 - область радиодиапазона

^ П(у)

Вт/м2

ту(у)

Дж/м3

Возмущенное поле

Рис.2. Распределение плотности потока энергии (П(у)) и удельной плотности энергии.- (№(7)) ЭМП Земли в различных частотных диапазонах

1 - область ультранизкочастот-

ных излучений

2 - область низкочастотных из-

лучений

область радиодиапазона область жестких гамма -излучений

3

4

Наибольшие значения достигаются в области инфранизких частот. Аналогично напряженности поля Е, эти энергетические параметры претерпевают изменения в годы высокой активности Солнца. Низкочастотная область спектра V < 10 Гц соответствует микропульсациям вертикальной компоненты геомагнитного поля Земли, возникающего за счет конвекции проводящего жидкого вещества внешнего ядра и вращения Земли (Яновский, 1978; Короновский, 1996). Микропульсации проявляются в результате магнитосферных возмущений. Эти ультранизкочастотные излучения представляют собой в магнитосфере магнитогидродинамические волны, которые на нижней границе ионосферы преобразуются в электромагнитные волны. Достаточно хорошо эти волны изучены в диапазоне 0,01 - 3 Гц (область 1 на рис.2). Их амплитуда в электрической компоненте составляет 20-50 В/м, в области 0,3 - 3 Гц пульсации Е не превышают обычно 5 В/м.

Наиболее выраженной физиологической активностью обладают инфранизкочастотные и низкочастотные импульсные магнитные и электромагнитные поля при действии на органы и целый организм (Лапаева, 1973; Сидякин, 1983; Реутов, Литвиненко, 1987). Отмечается, что именно область инфранизких частот соответствует частотам биоритмов, связанных с эмоциональной, психической и сердечно-сосудистой деятельностью. Частота 8 Гц является резонансной для волновода магнитосфера - Земля. Низкочастотные излучения в области частот от сотен герц до десятков килогерц обусловлены реальными процессами, происходящими в земном ядре (Короновский, 1996), а также отражают процессы, которые протекают в магнитосфере после солнечных вспышек (область 2 на рис.2.) (Каме-нир, 1994).

Область 3 соответствует радиодиапазону. Здесь происхождение

электромагнитных полей вызвано различными причинами. В отличие от оптического в радиодиапазоне изменения электромагнитного поля, обусловленные солнечной активностью и погодой (атмосферное электричество) , весьма существенны (Владимирский, 1974).

Прямое солнечное излучение на более высоких ча