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(gè)地理區(qū)域的發(fā)射機(jī)數(shù)量也有所增加。微波使用的增加引發(fā)了生物學(xué)影響的問題，多項(xiàng)研究報(bào)告了微波對動(dòng)植物的影響。微波對植物的影響是復(fù)雜的，即使在一個(gè)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(rèn)為是由于偶極分子（即H2O）和帶電離子（K+、Ca2+、Na+、Cl-）的快速振動(dòng)吸收輻射能量造成的。電磁波電場（介電活動(dòng)）或擾亂細(xì)胞外空間之間的離子平衡]。當(dāng)微波功率強(qiáng)度足夠高以對偶極分子和帶電離子產(chǎn)生強(qiáng)烈影響時(shí)，介電活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生熱量（介電加熱）。植物中的電信號(hào)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(dòng)很有可能影響植物的電信號(hào)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(hào)傳導(dǎo)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(hào)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(hào)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(shí)驗(yàn)植物。此外，蘆薈植物含水量較高，整個(gè)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(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(dá)內(nèi)部葉髓。使用連接到顯微操作器支架（重型實(shí)驗(yàn)室顯微操作器支架，Unisense）的三軸顯微操作器（MM33，Unisense）進(jìn)行電極操作。將另一個(gè)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(shí)穩(wěn)定期。所有研究的葉子都盡可能放置在一個(gè)共同的方向（室內(nèi)7點(diǎn)鐘和8點(diǎn)鐘位置之間），以避免微波極性效應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究證實(shí)，受傷引起的信號(hào)受到功率密度遠(yuǎn)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(hào)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(shí)驗(yàn)需要進(jìn)一步研究改變的電信號(hào)特性對傷害信息傳遞和觸發(fā)植物遠(yuǎn)端傷害反應(yīng)的影響。此外研究結(jié)果證實(shí)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(zhǔn)則時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)化靜息電位。針對a的整個(gè)數(shù)據(jù)集計(jì)算每個(gè)相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的電勢差。并與時(shí)間密謀。橫軸表示時(shí)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(shí)驗(yàn)，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(dǎo)電信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)誤差。符號(hào)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(jìn)行火焰損傷，并通過在葉漿中插入Ag/AgCl玻璃微電極來恢復(fù)其繁殖EPs。研究了電勢的傳播和電勢波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間內(nèi)暫時(shí)反轉(zhuǎn)電勢來為信號(hào)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(hào)的復(fù)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(hào)造成的，這應(yīng)該進(jìn)一步研究。傷口信號(hào)的復(fù)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。