基于植物电信号的PEF生物学效应及其应用基础研究

针对长期以来静电场生物学效应研究中出现的重复性不好和处理剂量选择困难的突出问题，本项目根据植物细胞的电磁性质提出了用极低频脉冲电场代替静电场，通过脉冲电场和植物细胞电场耦合共振，获得生物学效应的新思路。为此，本项目首先在采集植物电信号的基础上通过小波分析等方法获取植物电信号的频域特征，然后研制基于植物电信号的脉冲电场（PEF）处理系统，通过对极低频脉冲电场作用下植物种子萌发和幼苗生长中活体细胞发出的主动电磁信息自发发光和延迟发光的采集、处理和分析，探索从细胞代谢和细胞生命状态有序程度变化的角度定量评价和诊断极低频脉冲电场生物学效应的新方法，为极低频脉冲电场农业新技术的应用研究奠定基础。.本项目研究有望在电磁生物学效应研究方面取得突破，并由此开发出能够广泛应用的农业物理新技术。

农业物理中电场生物学效应的研究已有大半个世纪的历史，有关研究主要集中在高压静电场。但是，长期以来静电场生物学效应研究中一直存在效果不显著、重复性不好等突出问题。针对这些问题，本项目提出根据植物细胞的电磁性质，用极低频脉冲电场代替静电场，通过脉冲电场和植物细胞电场耦合共振，获得显著生物学效应的新思路。为此，本项目采用贴片电极和微弱信号采集系统采集植物电信号，通过小波分析和功率谱分析，发现植物电位波动的频率分布在5Hz以内，具有极低频信号的特点，同时系统研究了环境胁迫下植物电位波动的变化规律。在此基础上，根据植物电位波动的极低频特征设计了极低频高压脉冲发生器，通过外加脉冲电场与植物自身电位的耦合共振，促进作物的萌发与生长。为了实现对极低频高压脉冲电场生物学效应的灵敏、早期和无损评价，本项目研发了植物超弱光子辐射测量系统，并深入研究了植物超弱光子辐射的生物学意义，通过超弱光子辐射从细胞代谢和细胞生物状态有序程度变化等角度解释了极低频脉冲电场生物学效应的机理。为了阐明基于极低频高压脉冲电场的种子处理技术与基于高压静电场的种子处理技术的有效性及其差异，本项目还对比研究了极低频高压脉冲电场与高压静电场对作物种子萌发与生长的影响。结果发现，相同强度的极低频脉冲电场对种子萌发与生长的影响比高压静电场要显著的多，从氧化代谢和蛋白质代谢角度分析了造成极低频脉冲电场和高压静电场影响差异的原因。. 本项目研究还发现，用极低频负高压脉冲电场刺激植物的根际土壤可以使植物产生高浓度的空气负离子，依据评价空气质量的常用指标对应用负高压脉冲技术提高植物的空气净化能力进行了计算与分析。结果表明，极低频负高压脉冲电场可以有效提高植物的空气净化能力，提出了极低频负高压脉冲电场介导的植物空气净化新技术。. 在项目实施过程中，结合本项目研究共培养博士生1名，硕士生5人，申请实用新型专利3项，发明专利6项，已发表期刊论文18篇，国际会议论文2篇（SCI收录1篇，EI收录10篇）