研究简介:无线通信技术正逐渐向更高的微波频率迁移，以满足日益增长的带宽需求。此外，全球基站数量以及覆盖单个地理区域的发射机数量也有所增加。微波使用的增加引发了生物学影响的问题，多项研究报告了微波对动植物的影响。微波对植物的影响是复杂的，即使在一个物种内也不一致。因此，需要研究各种物种对微波暴露的反应。微波的生物影响被认为是由于偶极分子（即H2O）和带电离子（K+、Ca2+、Na+、Cl-）的快速振动吸收辐射能量造成的。电磁波电场（介电活动）或扰乱细胞外空间之间的离子平衡]。当微波功率强度足够高以对偶极分子和带电离子产生强烈影响时，介电活动会产生热量（介电加热）。植物中的电信号传输需要带电离子和分子的通量以及水介质中存在的电解质，微波介电活动很有可能影响植物的电信号传输。之前的研究证明了本塞姆氏烟草烧伤引起的伤口信号传导存在这种可能性，其中VP幅度由于2.45 GHz微波暴露而降低。尚无研究证据表明电磁辐射暴露对植物电信号的影响。由于微波（微波频率、入射功率密度）和植物（生长阶段、物种）的多种因素参与植物对微波暴露的反应，微波对裤子电信号的影响尚不清楚。本研究旨在检查相同功率密度的不同微波频率对单一植物物种的EP的影响。


在本研究中，由于电解质含量较高且具有用作生物能源的潜力，选择芦荟植物作为实验植物。此外，芦荟植物含水量较高，整个植物含水量为98.5%，叶凝胶介质含水量为99.5%浇水良好的植物。由于组织中的水分和电解质含量较高，芦荟植物可能对电磁辐射暴露具有较高的敏感性。基于这种垂体，我们在受控实验室研究中研究了不同频率微波对芦荟植物静息电位和受伤（火焰燃烧）诱导的VP的影响。


Unisense微电极测定系统的应用


使用尖端直径小于25μm的凝胶稳定玻璃体Ag/AgCl微电极（REF-20，Unisense，奥胡斯，丹麦）记录电势。将读取电极插入叶片内部2毫米，以确保电极到达内部叶髓。使用连接到显微操作器支架（重型实验室显微操作器支架，Unisense）的三轴显微操作器（MM33，Unisense）进行电极操作。将另一个尖端直径小于50μm的凝胶稳定玻璃Ag/AgCl微电极（REF-50，Unisense）插入植物基质（植物土壤混合物）作为参比电极。使用带有集成模数转换器的mV放大器（Uniamp、pH/mV放大器、Unisense）记录EP。使用pH/mV放大器专用软件以1 Hz采样率记录EP。插入电极后，在开始数据记录之前将植物保持1.5小时稳定期。所有研究的叶子都尽可能放置在一个共同的方向（室内7点钟和8点钟位置之间），以避免微波极性效应。


实验结果


研究证实，受伤引起的信号受到功率密度远低于最大公众暴露指南的微波的影响。主要观察结果是微波暴露下受伤VP信号的附加特征。此外这些特性下的EP传播速率随着微波频率的增加而增加。这是第一次观察到这样的反应。本实验需要进一步研究改变的电信号特性对伤害信息传递和触发植物远端伤害反应的影响。此外研究结果证实了微波对芦荟植物的非热效应。射频电磁辐射的公众暴露指南仅根据微波的热效应来确定；然而在决定射频电磁辐射发射准则时，必须考虑非热效应。即使在单一微波频率内，数据的显着变化也可能是由于叶子之间的形态异质性和入射功率密度变化造成的，这在未来的研究中应予以考虑。

图1、实验装置的代表性照片和示意图。左图表示微电极定位、微电极位置和传输(Tx)天线位置。右图是说明微波传输系统、功率密度测量系统和电位测量系统的示意图。Rx天线代表接收天线。

图2.木立芦荟叶尖暴露于火焰5秒后的代表性图像。

图3、连续记录3小时的木立芦荟叶静息电位的代表性图像通过将起始静息电位值设为0来标准化静息电位。针对a的整个数据集计算每个相邻数据点之间的电势差。并与时间密谋。横轴表示时间，纵轴表示电位。

图4、火焰伤害引发了木立芦荟叶子的电位。板“a”是没有微波暴露的伤口感应电势的对照实验，板b、c和d分别是2.45 GHz、3.5 GHz和5.5 GHz微波暴露下的伤口感应电势。

图5、在2.45 GHz、3.5 GHz和5.5 GHz暴露下，木立芦荟叶片火焰损伤诱导电信号中观察到的特征电位反转峰处的电位极化率。误差线代表标准误差。符号Δ和□有显著差异。


结论与展望


本论文研究了射频电磁辐射对木立芦荟植物损伤诱发电位（EP）的影响。在入射功率密度为1.5±0.2 W m−2的2.45 GHz、3.5 GHz和5.5 GHz微波下，观察到成熟木立植物烧伤诱发的电位变化。对芦荟叶尖进行火焰损伤，并通过在叶浆中插入Ag/AgCl玻璃微电极来恢复其繁殖EPs。研究了电势的传播和电势波动的标准偏差（SDEF）。火焰损伤产生传播特征电势，而微波的暴露通过在更短的时间内暂时反转电势来为信号添加额外的特征。该特征出现在2.45 GHz和3.5 GHz暴露下信号的复极化阶段；对于5.5 GHz暴露，六分之三的特征出现在去极化阶段。特征的平均极化率随着微波频率的增加而增加。电势的附加特性可能是由于微波暴露而触发的二次信号造成的，这应该进一步研究。伤口信号的复极化和去极化率在对照和微波暴露之间没有差异。SDEF也不受微波暴露的影响。