Электромаг. 3. Экспериментальные исследования процессов облучения биологических объектов сельскохозяйственного назначения

• Название: 3. Экспериментальные исследования процессов облучения биологических объектов сельскохозяйственного назначения
• Дата: 02.04.2019
• Размер: 61 Kb.
• Имя файла: Электромаг.doc
• Тип: Документы; #72431

3. Экспериментальные исследования процессов облучения биологических объектов сельскохозяйственного назначения

Устойчивые в статистическом смысле экспериментальные данные многочисленных экспериментов облучения миллиметровыми волнами различных биологических объектов позволяют говорить о применении миллиметрового облучения биологических объектов в качестве экологически чистой биотехнологии для стимуляции выхода биомассы и ускорения роста. Этот метод наиболее перспективен для фотобиотехнологии. Разработанная микроволновая аппаратура имеет следующие преимущества:
низкое собственное энергопотребление, малый вес и габариты, простота и надежность в эксплуатации, пригодность для многоцелевого использования , быстрая окупаемость затрат на приобретение аппаратуры

3.1. Технология и аппаратура биостимуляции и обеззараживания семян растений

В настоящее время обнаружена и экспериментально подтверждена возможность одновременного получения эффектов биостимуляции, дезинфекции и дезинсекции при микроволновом воздействии на семена различных сельскохозяйственных культур. Последние результаты в этой области способны помочь созданию новых микроволновых технологий предпосевной обработки зерна и обеззараживания сельскохозяйственной продукции, а также оборудования для их практического применения.

Ожидаемые эффекты: увеличение биомассы урожая с сохранением качеств продукции, сокращение сроков денофаз, уничтожение насекомых-вредителей, обеззараживание продукции.

В период 1992 – 2004 годы проведены лабораторно-полевые исследования с целью определения рабочих режимов микроволнового воздействия на семена основных культур, районированных в Украине, Молдове, России. При этом получены данные о проявлении эффектов обеззараживания семян в условиях переработки и хранения, а также прямых результатов о воздействии микроволнового (МВ) электромагнитного поля на биохимические свойства продукции. Полученные результаты являются основой для разработки и создания МВ-аппаратуры целевого назначения для обработки семян в стационарных и полевых условиях. Исполнителями данной работы были 4 доктора наук, 5 кандидатов наук, 20 специалистов высокого класса.

Микроволновая обработка семян предлагается как один из способов повышения качественных характеристик сельскохозяйственных культур и, в конечном счете - повышения урожайности. Преимуществами МВ-обработки являются экономичность и простота. Так, на обработку одной тонны зерна затрачивается около 200 кДж электроэнергии. Но главное достоинство МВ-обработки заключается в возможности улучшения показателей роста и развития за счет мобилизации внутренних резервов самих семян, без химической обработки или методов генной инженерии.

Экспериментально определены режимы обработки, которые позволяют добиться максимального эффекта на ряде зерновых культур. В настоящее время можно отметить следующие ответные реакции семян на МВ-обработку:
1.При правильном подборе параметров обработки семян (частота колебаний электромагнитного поля, время, мощность) улучшаются качественные характеристики растений, развивающихся из этих семян.
2.МВ-поле способно повысить жизнеспособность посевного материала.
3.Реакция семян разных культур и сортов различна.
4.Полевые сравнительные испытания показали возможность сокращения фенофаз развития (сроков созревания) и рост количества урожая (увеличение зеленой массы) у обработанных семян по отношению к контрольным.

После обработки семян в режиме биостимуляции с помощью биохимических анализов установлено, что в них происходит заметная стимуляция синтеза белка и активности фермента кислая фосфатаза.

В то же время установлено, что превышение оптимальных параметров обработки ведет к угнетению роста семян.

Попытки объяснить явления, происходящие в биологических объектах под воздействием МВ ЭМП, предпринимаются давно. Однако, ввиду функциональной сложности живых клеток, невозможности непосредственного контроля физико-химических показателей метаболической активности в биологической ткани, а также - сложности проведения точных измерений параметров МВ ЭМП и локальных значений физических параметров обрабатываемого материала (таких как температура, давление, влагосодержание), однозначные ответы до настоящего времени не получены.

Основные результаты воздействия МВ-поля на растительную ткань:
- лабораторная всхожесть и энергия прорастания значительно повышаются при обработке некондиционного зерна;
- полевая всхожесть семян после высева в грунт во всех случаях превышает этот же показатель для контрольных образцов (в абсолютных показателях от 2,4 до 12, 5% в зависимости от сорта и исходного качества семян);
- сроки прохождения фенофаз растений сокращаются.

Были исследованы эффекты воздействия микроволнового электромагнитного поля на биологическую ткань растительной клетки с целью определения причин усиления роста и выносливости растений, получаемых из обработанных семян. Основой для определения механизмов влияния микроволнового поля на биологические объекты служили следующие факты: электромагнитное поле может воздействовать только на электрически заряженные частицы либо полярные молекулы, в биологической ткани высокая полярность зарядов присуща только молекулам воды; преобразование электромагнитной энергии МВ-диапазона происходит в основном за счет процесса взаимодействия полярных молекул; изменения, произошедшие в зерне, не мешают длительному консервативному хранению. Анализ имеющихся данных привел к предположению, что наиболее вероятной причиной биостимуляции является механическая "расчистка" молекулами воды капиллярной системы растительной ткани (межклеточные структуры, поры плазматических мембран и т.д.). Проведенные эксперименты на семенах пшеницы твердых и мягких сортов, а также на отрезках ножек гриба Pleurotus ostreatus., на ряде режимов подтверждают эту гипотезу. Однако, увеличение экспозиции в конечном счете приводило к исчезновению эффекта, что скорее всего связано с явлениями, вызываемыми ростом энергетического воздействия.

. Впервые проведена комплексная работа по изучению влияния МВ-поля на выделенные штаммы фитопатогенов (7 видов). Путем варьирования дозы воздействия МВ-поля определены режимы обработки, которые ведут к угнетению фитопатогенов или их гибели.

Прямые эксперименты показали эффективность воздействия МВ-поля на фитопатогены, причем во многих вариантах (сочетание сорта семян и вида фитопатогена) режимы биостимуляции семян и угнетения фитопатогена совпадают.

В настоящее время для повышения всхожести семян и защиты растений от вредителей производят химическую обработку семян и почвы. Для коренного изменения состояния экологии почвы и воздушной среды предлагается прибор предпосевной обработки семян, в котором засыпанные семена облучаются электромагнитными полями различных частот малой мощности в течение короткого времени..

Проведенные эксперименты показали , что после высева облученные семена быстрее всходят на 15–20%, и при созревании выросшие растения из облученных семян на 10 – 15% меньше болеют и погибают от вредителей, что дает прибавку урожая ( например, пшеницы до 14 420 – 16 200 кг на 1 га ).

Прибор может быть использован для обработки семян в начале и во время их хранения.

От существующих устройств подготовки семян к посеву данная разработка отличается применением нерадиоактивного электромагнитного излучения низкой интенсивности, малой стоимостью, увеличением биомассы урожая с сохранением качеств продукции (зерен) , сокращением сроков фенофаз, уничтожением насекомых – вредителей, обеззараживанием продукции (зерен), экологической чистотой облучаемых семян и выращиваемых растений, а также экономией электроэнергии при обработке семян до 30 – 40% и воды при поливе растений на 23 – 35%, меньшей себестоимостью получаемого урожая.

Лабораторные и полунатурные испытания макетов приставки проведены в России, Украине и в Израиле. Прибор (устройство ) состоит из типовых элементов микроэлектроники и стандартных узлов электромеханики и гидравлики .В конструкцию производственной установки входят:
1. Ленточный транспортер, с помощью которого зерно подается в загрузочный бункер машины, и на поверхности которого происходит облучение семян,
2. Источник нерадиоактивного электромагнитного излучения,
3. Блок электропитания,
4. Стойка размещения радиоэлектронной аппаратуры, которая расположена над средней частью ленточного транспортера.

Облучение семян происходит при излучении электромагнитной энергии источника через рупорную антенну непосредственно в процессе работы транспортера по загрузке машины. Режимы облучения определяются геометрическими размерами семян, скоростью движения транспортера и мощностью источника.

Прибор прост и удобен в эксплуатации. Обслуживает прибор один - два оператора . В зависимости от количества облучаемых семян, сорта растений ориентировочная цена домашнего прибора для предпосевной подготовки семян малых объемов равна 500 - 700 долларов и производственного прибора для предпосевной обработки семян больших объемов – 6 000 - 9 000 долларов. Срок окупаемости домашнего прибора - 1,4 – 1,9 года и производственного прибора – 0,8 – 1,2 года.

3.2. Технология и аппаратура стимуляции подвижности спермиев животных и птицы

В настоящее время низка эффективность искусственного осеменения животных и птиц. Поэтому искусственное осеменение повторно выполняют 2 -3 раза, что увеличивает время получения нового потомства и удорожает выходную продукцию. Для повышения подвижности спермиев при искусственном осеменении разработан прибор стимуляции подвижности спермиев, с помощью которого выполняют в течение определенного времени облучение спермиев нерадиоактивным электромагнитными излучением низкой интенсивности на определенных частотах .

Имеется макет прибора , который может быть использован для испытаний. Сам прибор состоит из стандартных элементов механики и электроники. Проведенные эксперименты в Израиле и Украине показали, что при облучении спермиев нерадиоактивным электромагнитным излучением подвижность спермиев возрастает в 1,8 – 2,1 раза, время существования спермиев возрастает в 1,5 – 1,7 раза. Это повышает эффективность искусственного осеменения с 18% до 63%.

От существующих устройств стимуляции подвижности спермиев данная разработка отличается применением нерадиоактивного электромагнитного излучения низкой интенсивности, малой стоимостью, экологической чистотой процесса облучения спермиев, а также экономией электроэнергии, меньшей себестоимостью проведения искусственного осеменения.

Лабораторные и полунатурные испытания макетов приставки проведены в России, Украине и в Израиле.

Прибор (устройство) состоит из типовых элементов микроэлектроники и стандартных узлов электромеханики и гидравлики .В конструкцию производственной установки входят:
1. Пост размораживания (замораживания) спермы
2. Источник нерадиоактивного электромагнитного излучения
3. Блок электропитания
4. Стойка размещения радиоэлектронной аппаратуры

Облучение спермы производят через рупорную антенну при излучении электромагнитной энергии источника непосредственно в процессе работы со спермой (по размораживанию или по замораживанию) . Режимы облучения определяются видом животного, объемом спермы животного и мощностью источника.

Прибор прост и удобен в эксплуатации. Обслуживает прибор один - два оператора . В зависимости от количества облучаемых доз спермы , вида животных ориентировочная цена лабораторного ( домашнего ) прибора для обработки малого числа доз равна 500 - 700 долларов и производственного прибора для обработки большого числа доз – 6 000 - 9 000 долларов. Срок окупаемости домашнего прибора - 1,4 – 1,9 года и производственного прибора – 0,8 – 1,2 года.

3.3. Технология и аппаратура стимуляции подвижности спермиев животных и птицы

В настоящее время для обеззараживания инкубационных яиц применяют химические препараты поверхностно – активного действия. В ряде инкубаторов для уменьшения бактериальной обсемененности слизистой оболочки ротовой полости суточных цыплят производят однократное облучения суточных цыплят ультрафиолетовым или радиоактивным излучением. Предлагаемый прибор один выполняет эти две функции: увеличение выхода товарного мяса и сокращение числа погибающих суточных цыплят . При этом прибор облучает инкубационные яйца нерадиоактивным электромагнитным излучением малой мощности в различные периоды инкубации на разных частотах, а также в определенные часы первых суток жизни цыплят. Это обеспечивает сокращение задохнувшихся цыплят на 2,5 – 6,0% и увеличение выживаемости суточных цыплят на 2,8 – 5,5% , рост веса выживших цыплят на 8 – 12%. Кроме того, установка позволяет увеличить срок хранения яиц перед инкубацией с 10 суток до 70 суток.

От существующих устройств повышения качества инкубации яиц (уменьшение числа задохнувшихся цыплят, увеличение числа выживших суточных цыплят) предлагаемая разаботка отличается применением электромагнитного излучения низкой интенсивности, лучшими показателями качества процесса инкубации яиц различных видов птицы ( кур, уток , гусей), экологической чистотой операции стимулирования процесса инкубации яиц и дезинфекции суточных цыплят выходных продуктов , а также сокращением в 1,5 – 1.8 раза потребления электроэнергии для содержания суточных цыплят.

Лабораторные и полунатурные испытания макетов прибора проведены в России, Украине.

Прибор состоит из типовых элементов микроэлектроники и стандартных узлов электромеханики . Прибор прост и удобен в эксплуатации. Обслуживает прибор один оператор. В зависимости от количества инкубационных яиц , их вида стоимость прибора для инкубатора малых объемов ( 10 – 100 яиц ) равна 500 -800 долларов и для инкубатора больших объемов ( 30 000 и более яиц ) – 10 000 - 18 000 долларов. Срок окупаемости прибора для владельца инкубатора малого объема - 1,4 – 1,9 года и прибора для владельца инкубатора большого объема – 0,8 – 1,2 года.

3.4. Технология и волновая аппаратура для лечения животных.

В ветеринарной практике КВЧ-терапия является новым методом, который принципиально и выгодно отличается от существующих ранее физиотерапевтических процедур. В ряде случаев она заменяет медикаментозный и даже хирургический методы лечения.

В ветеринарной практике для лечения животных предложен модернизированный прибор «Модель-401» .

Техническая характеристика прибора: длительность сеанса облучения 30— 60 мин, один раз в сутки; курс лечения 10—20 сеансов; потребляемая мощность 25 Вт. Воздействие на патологический очаг контактное или через центральную нервную систему при приложении КВЧ-излучателя в области между 3—4-м грудными или поясничными позвонками при его нахождении соответственно в области плечевого пояса и грудных конечностей или тазовой области и тазовых конечностей.

Исследования проводили на лошадях, крупном рогатом скоте и мелких домашних животных. В коневодстве положительные результаты получены при лечении миозитов, артритов, энтероколитов, эмфиземы и переутомлениях, связанных с большой физической нагрузкой.

У крупного рогатого скота прибор «Модель-401» применяли при болезнях желудочно-кишечного тракта.

Также лечили 8 телят айрширской породы в возрасте 3—4 мес, больных бронхопневмонией. Диагноз был поставлен на основании клинических признаков: кашель, повышенная температура, угнетенное общее состояние, временами отказ от корма. При аускультации легких прослушивались сухие и влажные хрипы. Длительность заболевания колебалась от 5 до 10 сут. У 7 телят было состояние средней тяжести, у одного — очень тяжелое.

В первые 3 дня лечение продолжалось 40 мин, в последующем — 30 мин. Другие методы терапии не применяли. После 6 сеансов у всех животных значительно улучшилось общее состояние: прекратился кашель, исчезла одышка, нормализовалась температура, повысился аппетит. Через 8 сеансов клиническое выздоровление наступило у 7 телят.

Электромагнитное излучение КВЧ использовали для отделения последа у 15 коров. Излучатель прилагали в области 3—4-го поясничных позвонков на 30 мин. После лечения послед отделился только у 4 животных (26,6 %). Установили, что низкий терапевтический эффект КВЧ-излучения при задержании последа обусловлен приращением плаценты к матке.

У собак КВЧ-терапию применяли при следующих патологиях: ушибы, растяжение связок и мышц, костно-суставная недостаточность, отит, гастроэнтерит.

Кроме того, КВЧ-терапия является высокорентабельной. Так, ориентировочная стоимость прибора составляет 100 тыс. руб., но при современных высоких ценах на медикаменты он окупится при излечении нескольких десятков животных.

Крайне важно, что многие лекарственные препараты обладают кумулятивными свойствами, накапливаются в тканях и органах животного. Метод КВЧ-терапии позволяет получать экологически чистые продукты питания животного происхождения: молоко, мясо.

Таким образом, прибор , действующий в диапазоне крайне высоких частот, является не только высокоэффективным, но и экономически выгодным для ветеринарных целей. Особенно он нужен ветеринарным врачам городских служб и конезаводов.

3.5. Технология и аппаратура волновой стимуляции молочной продуктивности коров

В настоящее время для повышения молочной продуктивности коров проводят генетические разработки новых пород, разрабатывают новые составы кормов, способы и аппаратуру доения и содержания коров. Также ведутся интенсивные работы по генетическому отбору быков-производителей, по разработке новых способов и средств искусственного осеменения коров и получения квчественной спермы быков. Сейчас на фермах применяют вентиляционные установки и ультрафиолетовые лампы.

Для увеличения надоев молока и повышения половой активности спермиев быков разработан стимулятор, который выполняет облучение помещений фермы слабыми нерадиоактивными электромагнитными полями определенных частот. Стимулятор размещается в помещении отстоя животных. При этом излучение электромагнитных полей влияет на физиологическую активность, реакцию, организма животных: животные становятся более активными , лучше поедают корма, увеличивают вес и надои молока. Излучение стимулятора определяет стабилизацию гематологических и биохимических показателей крови животных. ,так, прирост надоя молока у коров летом составляет 0,63 кг/сутки ,и зимой 0,42 кг/сутки. Также у быков – производителей увеличивается содержание альбуминов на 8 – 12 %, улучшается качество спермы.

Стимулятор состоит из типовых элементов микроэлектроники и стандартных узлов электромеханики . Стимулятор прост и удобен в эксплуатации. Обслуживает стимулятор один оператор. В зависимости от размера помещения, количества животных в стаде, породы ориентировочная цена стимулятора для помещений малых объемов равна 5 000 -7 000 долларов и для помещений больших объемов – 130 000 - 180 000 долларов. Срок окупаемости стимулятора для владельца помещений малых объемов - 1,4 – 1,9 года и для владельца помещений больших объемов – 0,8 – 1,2 года.

3.6. Технология и аппаратура волновой стимуляции роста растений в теплицах

Для повышения всхожести семян и защиты растений от вредителей в настоящее время производят химическую обработку семян и химическую обработку посевов в поле и растений в теплицах.

Для получения экологически чистых продуктов , улучшения экологии почвы и воздушной среды разработан прибор биостимуляции роста растений. Указанный прибор по сигналам программно-командного устройства облучает растения в течение определенных интервалов времени нерадиоактивными электромагнитными полями различных частот. При этом параметры электромагнитных полей изменяются в зависимости от фазы развития растений по заранее заложенной программе информации датчиков теплицы.

Проведенные эксперименты показали что облучение растений определяет сокращение денофаз развития растений, увеличение всхожести, уменьшение гибели растений и повышение урожайности до 30 -40 %.

Прибор состоит из типовых элементов микроэлектроники и стандартных узлов электромеханики . Прибор прост и удобен в эксплуатации. Обслуживает прибор один оператор. В зависимости от размера теплицы ( помещения ) , вида выращиваемых растений ориентировочная цена стимулятора для теплиц ( помещений ) малых объемов равна 4 000 -6 000 долларов и для теплиц ( помещений ) больших объемов – 110 000 - 140 000 долларов. Срок окупаемости стимулятора для владельца помещений малых объемов - 1,6 – 1,8 года и для владельца помещений больших объемов – 0,9 – 1,3 года. .

3.7. Технология и аппаратура волновой стимуляции роста микроводорослей

В наших исследованиях впервые показана перспективность использования КВЧ-излучения для стимуляции роста микроводорослей и цианобактерий (про- и эукариотов), в том числе у таких объектов фотобиотехнологии, как Spirulina platensis и Platymonas viridis. Для этого в первую очередь нами была разработана методика непрерывного облучения цианобактерий и микроводорослей и проведена оптимизация параметров облучения. Был получен статистически достоверный стимулирующий эффект при однократном облучении, имеющий временную, частотную и мощностную зависимость, который сопровождался интенсивным накоплением биомассы. Взаимодействие КВЧ-излучения с цианобактериями и микроводорослями имело выраженный резонансный характер.

Обнаружен эффект интенсификации фотосинтетических процессов в облученных клетках, заключающийся в повышении выделения кислорода и содержания пигментов, который можно рассматривать как один из первичных механизмов стимулирующего действия КВЧ-излучения.

Механизмы первичного взаимодействия КВЧ-излучения с биологическими объектами еще не расшифрованы, но на основании наших данных и литературных источников можно предположить, что в основе стимулирующего рост цианобактерий и микроводорослей воздействия лежат изменения в состоянии клеточных мембран, в первую очередь, их липидной фазы.

Как показали опыты в России и в Израиле, возможно применение КВЧ-излучения в качестве нового экологически чистого биотехнологического метода физиологической регуляции метаболизма клеток фотосинтетезирующих организмов, в том числе стимуляции выхода биомассы и ускорения роста, что является перспективным для фотобиотехнологии. При этом следует отметить, что масштабы продвижения этого метода в фотобиотехнологию будут зависеть от уровня технических разработок и тенденции развития аппаратуры для КВЧ-излучения.

Предлагаемая разработка есть приставка для биореакторов и ферментеров, в которых культивируются фотосинтезируюшие биологические объекты ( микроводоросли, дрожжи, бактерии, вирусы ) .

Для увеличения выходной биомассы микроводорослей и продуцентов , а также сокращения времени биотехнологического процесса разработано устройство, которое по заранее заложенной программе выполняет облучение в определенные моменты времени цикла культивирования микроводорослей . При этом параметры низко интенсивного электромагнитного излучения автоматически изменяются в зависимости от времени культивирования. Проведенные эксперименты в Израиле и России показали, что биомасса микроводорослей устойчиво возрастает на 250 – 400% и биомасса продуцентов возрастает на 180 – 300%. При этом окислительная способность ( активность ) культуральной среды облученных микроводорослей составляет 264%, а у необлученных микроводорослей – всего 110%.

От существующих устройств стимулирования развития биомассы культивируемого биологического объекта данная разработка отличается применением электромагнитного излучения низкой интенсивности, увеличением в 2-4 раза производительности биореактора ( ферментера ), лучшим качеством выходных продуктов, экологической чистотой выходных продуктов , а также экономией электроэнергии и воды до 30 – 40 %, меньшей себестоимостью выходных продуктов биотехнологического процесса.

Лабораторные и полунатурные испытания макетов приставки проведены в России, Украине и в Израиле.

Приставка ( устройство ) состоит из типовых элементов микроэлектроники и стандартных узлов электромеханики и гидравлики. Приставка проста и удобна в эксплуатации. Обслуживает приставку один оператор. В зависимости от объема культивируемой среды, вида микроводоросли ориентировочная цена приставки для биореактора малых объемов равна 5 000 -7 000 долларов и для биореактора больших объемов – 130 000 - 180 000 долларов. Срок окупаемости приставки для владельца биореактора малых объемов - 1,4 – 1,9 года и приставки для владельца биореактора больших объемов – 0,8 – 1,2 года.

4.Заключение.

Представлены экспериментальные результаты изучения влияния микроволнового поля на биологические объекты (семена сельскохозяйственных культур, инкубационные яйца, микроводоросли, спермии животных ), исследования механизмов взаимодействия микроволнового поля с растительной клеткой, а также новые технологии и аппаратура микроволнового поля для облучения биологических систем в ряде биотехнологических процессах ( в растениеводстве, животноводстве, в культивировании микроводорослей ) .. Научными основами указанных биотехнологий являются теоретические и экспериментальные исследования , которые выполнены в России, Украине и Израиле в течение 30 лет . Серийные элементы и блоки микроэлектроники, радиотехники и механики являются конструкторскими основами разработанных приборов. В настоящее время имеются опытно - промышленные и лабораторные образцы отдельных приборов ( как-то, прибор для стимуляции роста семян растений, прибор для активизации спермиев животных, устройство для биостимуляции инкубационных яиц , прибор для увеличения биомассы микроводорослей ).

Маркетинговая оценка разработанной аппаратуры показала высокую доходность инвестиций в проекты, быструю окупаемость вложений ( для покупателя аппаратуры ) и большую емкость мирового рынка сбыта и прибыльность выпуска аппаратуры ( для производителя аппаратуры)