研究簡介:無線通信技術(shù)正逐漸向更高的微波頻率遷移，以滿足日益增長的帶寬需求。此外，全球基站數(shù)量以及覆蓋單個地理區(qū)域的發(fā)射機數(shù)量也有所增加。微波使用的增加引發(fā)了生物學影響的問題，多項研究報告了微波對動植物的影響。微波對植物的影響是復雜的，即使在一個物種內(nèi)也不一致。因此，需要研究各種物種對微波暴露的反應(yīng)。微波的生物影響被認為是由于偶極分子（即H2O）和帶電離子（K+、Ca2+、Na+、Cl-）的快速振動吸收輻射能量造成的。電磁波電場（介電活動）或擾亂細胞外空間之間的離子平衡]。當微波功率強度足夠高以對偶極分子和帶電離子產(chǎn)生強烈影響時，介電活動會產(chǎn)生熱量（介電加熱）。植物中的電信號傳輸需要帶電離子和分子的通量以及水介質(zhì)中存在的電解質(zhì)，微波介電活動很有可能影響植物的電信號傳輸。之前的研究證明了本塞姆氏煙草燒傷引起的傷口信號傳導存在這種可能性，其中VP幅度由于2.45 GHz微波暴露而降低。尚無研究證據(jù)表明電磁輻射暴露對植物電信號的影響。由于微波（微波頻率、入射功率密度）和植物（生長階段、物種）的多種因素參與植物對微波暴露的反應(yīng)，微波對褲子電信號的影響尚不清楚。本研究旨在檢查相同功率密度的不同微波頻率對單一植物物種的EP的影響。

在本研究中，由于電解質(zhì)含量較高且具有用作生物能源的潛力，選擇蘆薈植物作為實驗植物。此外，蘆薈植物含水量較高，整個植物含水量為98.5%，葉凝膠介質(zhì)含水量為99.5%澆水良好的植物。由于組織中的水分和電解質(zhì)含量較高，蘆薈植物可能對電磁輻射暴露具有較高的敏感性?；谶@種垂體，我們在受控實驗室研究中研究了不同頻率微波對蘆薈植物靜息電位和受傷（火焰燃燒）誘導的VP的影響。

Unisense微電極測定系統(tǒng)的應(yīng)用

使用尖端直徑小于25μm的凝膠穩(wěn)定玻璃體Ag/AgCl微電極（REF-20，Unisense，奧胡斯，丹麥）記錄電勢。將讀取電極插入葉片內(nèi)部2毫米，以確保電極到達內(nèi)部葉髓。使用連接到顯微操作器支架（重型實驗室顯微操作器支架，Unisense）的三軸顯微操作器（MM33，Unisense）進行電極操作。將另一個尖端直徑小于50μm的凝膠穩(wěn)定玻璃Ag/AgCl微電極（REF-50，Unisense）插入植物基質(zhì)（植物土壤混合物）作為參比電極。使用帶有集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器的mV放大器（Uniamp、pH/mV放大器、Unisense）記錄EP。使用pH/mV放大器專用軟件以1 Hz采樣率記錄EP。插入電極后，在開始數(shù)據(jù)記錄之前將植物保持1.5小時穩(wěn)定期。所有研究的葉子都盡可能放置在一個共同的方向（室內(nèi)7點鐘和8點鐘位置之間），以避免微波極性效應(yīng)。

實驗結(jié)果

研究證實，受傷引起的信號受到功率密度遠低于最大公眾暴露指南的微波的影響。主要觀察結(jié)果是微波暴露下受傷VP信號的附加特征。此外這些特性下的EP傳播速率隨著微波頻率的增加而增加。這是第一次觀察到這樣的反應(yīng)。本實驗需要進一步研究改變的電信號特性對傷害信息傳遞和觸發(fā)植物遠端傷害反應(yīng)的影響。此外研究結(jié)果證實了微波對蘆薈植物的非熱效應(yīng)。射頻電磁輻射的公眾暴露指南僅根據(jù)微波的熱效應(yīng)來確定；然而在決定射頻電磁輻射發(fā)射準則時，必須考慮非熱效應(yīng)。即使在單一微波頻率內(nèi)，數(shù)據(jù)的顯著變化也可能是由于葉子之間的形態(tài)異質(zhì)性和入射功率密度變化造成的，這在未來的研究中應(yīng)予以考慮。

圖1、實驗裝置的代表性照片和示意圖。左圖表示微電極定位、微電極位置和傳輸(Tx)天線位置。右圖是說明微波傳輸系統(tǒng)、功率密度測量系統(tǒng)和電位測量系統(tǒng)的示意圖。Rx天線代表接收天線。

圖2.木立蘆薈葉尖暴露于火焰5秒后的代表性圖像。

圖3、連續(xù)記錄3小時的木立蘆薈葉靜息電位的代表性圖像通過將起始靜息電位值設(shè)為0來標準化靜息電位。針對a的整個數(shù)據(jù)集計算每個相鄰數(shù)據(jù)點之間的電勢差。并與時間密謀。橫軸表示時間，縱軸表示電位。

圖4、火焰?zhèn)σl(fā)了木立蘆薈葉子的電位。板“a”是沒有微波暴露的傷口感應(yīng)電勢的對照實驗，板b、c和d分別是2.45 GHz、3.5 GHz和5.5 GHz微波暴露下的傷口感應(yīng)電勢。

圖5、在2.45 GHz、3.5 GHz和5.5 GHz暴露下，木立蘆薈葉片火焰損傷誘導電信號中觀察到的特征電位反轉(zhuǎn)峰處的電位極化率。誤差線代表標準誤差。符號Δ和□有顯著差異。

結(jié)論與展望

本論文研究了射頻電磁輻射對木立蘆薈植物損傷誘發(fā)電位（EP）的影響。在入射功率密度為1.5±0.2 W m?2的2.45 GHz、3.5 GHz和5.5 GHz微波下，觀察到成熟木立植物燒傷誘發(fā)的電位變化。對蘆薈葉尖進行火焰損傷，并通過在葉漿中插入Ag/AgCl玻璃微電極來恢復其繁殖EPs。研究了電勢的傳播和電勢波動的標準偏差（SDEF）?；鹧鎿p傷產(chǎn)生傳播特征電勢，而微波的暴露通過在更短的時間內(nèi)暫時反轉(zhuǎn)電勢來為信號添加額外的特征。該特征出現(xiàn)在2.45 GHz和3.5 GHz暴露下信號的復極化階段；對于5.5 GHz暴露，六分之三的特征出現(xiàn)在去極化階段。特征的平均極化率隨著微波頻率的增加而增加。電勢的附加特性可能是由于微波暴露而觸發(fā)的二次信號造成的，這應(yīng)該進一步研究。傷口信號的復極化和去極化率在對照和微波暴露之間沒有差異。SDEF也不受微波暴露的影響。