ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПОКАЗАТЕЛЬ КИСЛОТНО-ЩЁЛОЧНОГО РАВНОВЕСИЯ ВОДЫ PH

рН = - lg [Н+] или [Н+] = 10-рН

Величина водородного показателя имеет важнейшее значение для кислотного баланса человеческого организма. Допустимые значения рН составляют от 7,38

до 7,42. Отклонение более чем на 10% от этого диапазона может иметь летальный исход.

- рН < 7 — кислая среда;

- рН = 7 — нейтральная среда;

- рН > 7 — щелочная среда.
Биологическое значение водородного показателя

При активации воды, независимо от способа, помимо изменения кластерной структуры происходит смещение кислотно-щелочного баланса, т.е. превалирование положительной или отрицательной, по биологическому действию, энергетики воды.

Положительной энергетикой обладает вода, обогащённая ионами гидроксила ОН-. Такая активированная вода стимулирует протекание биологических процессов: прорастание семян и вегетацию растений, регенерации клеток и т.д. [1].

Гидроксилированная вода, попадая в организм человека (ОН-), обогащает клетки и ткани электронами, что резко усиливает электронно-протонный транспорт, лежащий в основе обмена веществ. Увеличивается скорость синтеза АТФ, белков, нуклеиновых кислот и других компонентов клетки. С этим связаны некоторые механизмы лечебно-профилактического действия активированной воды. Подщелачивание воды ‒ обогащение её ионами гидроксилов ОН- приводит к активизации клеточных мембран нормальных клеток и усилению в них обменных процессов. Усиление обменных процессов в клетках одинаково заряженные ионы НО- на мембране отталкиваются друг от друга, способствуя открытию мембранных каналов для микро- и макроэлементов и других соединений, участвующих в обменных процессах [2].Такая вода обладает антиканцерогенным эффектом.

Отрицательным эффектом по отношению к биологическим организмам обладает протонированная вода (рН 5.5) ,т.е. вода с избытком протонов Н+. Протонированная вода уменьшает текучесть мембран клеток приводит к образования кластеров белков клеточных мембран, тормозит обменные процессов в клетке и тканях, клетки практически выключаются из обменных процессов [1].

У активированной воды структурная сетка водородных связей разрыхляется, повышается её текучесть и растворяющая способность.

Водородной называют связь между атомами молекулы через посредство атома водорода. Водородная связь образуется при положении атома водорода между двумя электроотрицательными атомами. Электрон в атоме Н относительно слабо связан с протоном, поэтому максимум электронной плотности смещается к более электроотрицательному атому, а протон оголяется и начинает взаимодействовать с другим электроотрицательным атомом. При этом электроотрицательные атомы сближаются на такое расстояние, что имелось бы и при отсутствии атома водорода [3]. Водородная связь определяет не только структуру воды, но и чрезвычайно важна для биомолекул: белков, углеводов, нуклеиновых кислот.

Молекула H2O образована двумя атомами водорода и одним атомом кислорода, Ионы водорода и кислорода занимают положения в вершинах равнобедренного треугольника с углом между водородными связями 104,50 (рисунок 1). Так как электронная плотность в области расположения иона O- значительно выше, чем в области ионов H+ и центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают, то молекула воды является диполем. Наличие водородных связей и дипольной структуры позволяет молекулам воды образовывать разнообразные, электрически активные пространственные структуры - кластеры. В противоположность в дистиллированной воде в результате фазового перехода кластеры разрушились, водородные связи между молекулами практически отсутствуют, вода электронейтральна и биологически неактивна [4].

Рис. 1 - Схема водородных связей в молекулах воды

Облучение однократное. Измерения водородного показателя производились на рН-метре при температуре t = 270С, ежедневно в течение 20 суток, с периодом в 24 часа

Источник излучения - полупроводниковый лазер на арсениде галлия мощностью

Р = 3 Вт, с длиной волны λ = 808,8 нм, ν = 3 кГц.

Рис. 2 - Полупроводниковый лазер на арсениде галлия

Рис. 3 - Временна́я зависимость величины водородного показателя рН при действии лазерного излучения

Выводы

2. Действие лазерного излучения повышает основные свойства воды: от рН = 7,3 до рН = 7,7, совершая «колебания» относительно среднего значения рН = 7,5. Повышается положительная энергетика, вода обогащается ионами гидроксила ОН-, активирует протекание биологических процессов на клеточном уровне.

Литература

1. Саргаева, Н.П., Цибин, О.Ю. Особенности структуры и методы исследования масс-спектроскопией биомакромолекул. / Н.П. Саргаева [и др.] // Материалы межвузовской научно-технической конференции, г. Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Ч. VI: 2004. - С. 73-75.

2. Золотухин, И.В. Фракталы в физике твердого тела // Соросовский Образовательный Журнал. - 1998. - № 7. - С. 108 - 113.

3. Sargaeva, N. Electron energy scale calibration in the electron capture dissociation Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry / N. Sargaeva, P. Hakansson, Yu. O. Tsybin // Desorption. Scientific Program and Abstracts: papers of the 10-th International Conference. - Saint-Petersburg, Russia. - 2004. - P. 58.

4. Веприков, В.И. Активация воды лазерным излучением / В.И. Веприков, Ю.В. Веприков, А.А. Михеев // Научный потенциал молодежи – будущему России: материалы и докл. межрег. науч.- практ. конф., 23 апреля 2010 г., г. Волгодонск, Волгодонский ин-т сервиса (филиал) ГОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса». – Шахты: ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2010. - С. 55 - 57.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛАЗЕРНОЙ АКТИВАЦИИ ВОДЫ
Ю.В. Веприков, А.Ю. Конев, Ю.В. Веприкова, В.И. Веприков (рук.)
Активированной называют воду, у которой в результате внешних воздействий уменьшается энергия водородных связей (на разрыв каждой связи расходуется 0,26-0,5 эВ), молекулы воды обретают дополнительные степени свободы, что облегчает усвоение такой активированной воды клетками живых организмов и ускоряет удаление биологических шлаков.

Рис. 1 - Схема водородных связей между молекулами воды

Здесь: ● – кислород; ○ – водород; — химические связи; - - - - водородные связи.
Суть активации воды, независимо от способа, заключается в уменьшении размеров кластерных структур. Кластер обычной воды состоит из 13-16 молекул, кластер активированной воды содержит 5-6 молекул. Вода с измельченными кластерами обладает более высокими реактивными и растворяющими свойствами, биологически более активна.

Активированная вода, независимо от способа получения имеет повышенную текучесть и растворяющую способность. Может эффективно использоваться в физиотерапии для нейтрализации и выведение шлаков, токсинов, канцерогенов и радионуклидов [1].

Исследование производилось с природной водой, которая всегда содержит примеси, то есть представляет собой водный раствор, в котором межмолекулярное взаимодействие усложняется взаимодействием между компонентами раствора. Но даже при всём многообразии межмолекулярных сил определяющим фактором состояния водного раствора является объёмная структура воды. Объёмная структура воды образована упорядоченными ассоциатами из молекул воды - кластерами [2].

Рис. 2 - Возможные структуры кластеров воды, полученные математическим моделированием

Рис. 3 - Изображение кластера, полученное в результате Рамановой электроскопии при анализе движения молекул воды. Гейслер, Сейкали, Смит; Berkeley University, USA [4]

Известны технологии активации воды посредством магнитного поля, лазерного излучения, акустическими полями, вакууммированием, электрохимическая активация. Каждый из методов помимо общей активизации по биофизическим и биологическим показателям имеет свои особенности. Так, в результате электрохимической активации вода переходит в метастабильное состояние, при котором наблюдается значительное изменение окислительно-восстановительного потенциала, повышается реакционная способность водного раствора. Недостатком указанных методов активации воды является сложность определения оптимальных режимов в производственных условиях и количественных параметров активации водной среды [4].

В данном эксперименте исследовалась зависимость электрической проводимости электролита от длины волны лазерного излучения. В основу эксперимента положено предположение о зависимости кластерной структуры волы от энергии (длины волны) лазерного излучения. Размеры кластеров влияют на такие параметры раствора как вязкость, электропроводность, показатель кислотно-щелочного равновесия воды pH.

Измерения проводились в термостабилизированной двухэлектродной ячейке с медными электродами, применялся контактный метод измерения, при котором исследуемый раствор находится в гальваническом контакте с электродами измерительной ячейки. Через ячейку пропускался переменный ток от блока питания STM 9V/2,2А/02, измерение силы тока производилось мультиметром DT980C+. Всего было проведено 4 серии по 10 измерений, с шагом напряжения в 0,2 В. В первой, контрольной, серии исследовалась неактивированная водопроводная вода без облучения. Объем облучаемой воды в одной серии составлял 100 мл. Исследования проводились при темпе­ратуре +22°С. Время облучения в каждой серии равно 1 мин.

В эксперименте применялись 3 вида излучений диодных лазеров: красный Р = 100 мВт, λ = 650 нм; зелёный Р = 50 мВт, λ = 532 нм; синий Р = 100 мВт, λ = 405 нм. Облучаемая ячейка с водой оборачивалась алюминиевой фольгой.

Таблица 1 - Зависимость электропроводности воды от длины волны лазерного излучения

Рис. 4 - Кривые зависимости силы тока от напряжения для активирующих излучений разной длины волны сине-зелёной области спектра

Здесь: 1 - график контрольной зависимости; 2 - график зависимости для λ = 532 нм;

3 - график зависимости для λ = 405 нм.

Рис. 5 - Кривые зависимости силы тока от напряжения для активирующего излучения красной области спектра с длиной волны λ = 650 нм

Здесь: 1 - график контрольной зависимости; 2 - график зависимости для λ = 650 нм.

Анализ результатов

Наблюдаемое уменьшение проводимости активированной воды для λ = 405 нм ~ в 1,2 раза, для λ = 532 нм ~ в 2,1 раза (таблица 1) можно объяснить только увеличением плотности проводящей среды при уменьшении размеров активированных кластеров ~ в 2 раза. По предположению С. Зенина, вода на 80% состоит из кластерных элементов, 15% - кластерные тетраэдры и 3% - классические молекулы воды [5]. Электролиты, как проводящая среда, являются проводниками второго рода и относятся к классу ионных проводников, носителем заряда в которых являются ионы, а прохождение тока сопровождается переносом вещества. В работе наблюдается явная спектральная зависимость степени активации со сдвигом в сине-зелёную часть спектра. Энергии квантов излучения с длиной волны λ = 650 нм красной области спектра, явно недостаточно для активации воды. Наблюдаемые отклонения лежат в пределах ошибки погрешностей.

1. Прилуцкий, В.И. Электрохимически активированная вода: аномальные свойства, механизм биологического действия / В.И. Прилуцкий, В.М. Бахир. - М.: ВНИИИМТ, 1997. -228 с.: ил.

2. Антонченко, В.Я. Основы физики воды / В.Я. Антонченко, А. С. Давыдов, В. В. Ильин. – Киев: Наук. думка, 1991. – 672 с.

3. Игнатов, И. «Информативность» воды и зарождение жизни и живой материи [Электронный ресурс] / И. Игнатов. –www. medicalbiophysics.dir.bg/ru/water_memory.html, свободный. – Загл. с экрана.

4. Веприков, В.И. Активация процессов выращивания сельскохозяйственных культур лазерным излучением / В.И. Веприков [и др.] // Научный потенциал молодежи – будущему России: материалы и докл. межрег. науч.- практ. конф., 23 апреля 2010 г., г. Волгодонск, Волгодонский ин-т сервиса (филиал) ГОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса». – Шахты: ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2010. - С. 57 - 59.

6. Зенин, С.В. Структурированное состояние воды как основа управления поведением и безопасностью живых систем: автореф. … д-ра биолог. наук : 05.26.02 / С.В. Зенин. - М., 1999.

Комплексным решением ряда взаимосвязанных задач мелиорации является также точный контроль влажности почвы. Это позволяет исключить потери воды на глубинную фильтрацию, ухудшение структуры почвы, обеспечить оптимальные условия развития растений. Однако отсутствие в настоящее время датчиков, позволяющих получать точную информацию об интегральной влажности слоев почвы и всего активного слоя почвы, изменение водно-физических параметров почвы во время вегетационного периода, вызывающее необходимость постоянной тарировки показаний датчиков и их высокая стоимость делает проблематичным их применение в орошаемом земледелии.

Поэтому одним из решений по сохранению плодородия почвы является периодический отказ на несколько лет от орошения сельскохозяйственных земель. В это время происходит восстановление природной структуры почвы.

Однако этот вариант может быть использован только при избытке сельскохозяйственных земель.

Вторым вариантом является проведение орошения сельскохозяйственных культур меньшими, по сравнению с проектными оросительными и поливными нормами. Это поливы малыми и дробными поливными нормами.

В настоящее время для Ростовской области при поливах овощей рекомендуются средние поливные нормы 400 – 450 м3/га с межполивным периодом 9 -10 дней.

Преимущество поливов малыми нормами: отсутствие потерь воды на глубинную фильтрацию и переувлажнение почвы, что позволяет сохранить структуру почвы от разрушения, предотвратить ее засоления и осолонцевание. В то же время эти поливы позволяют поддерживать оптимальный водно-воздушный режим почвы в верхней наиболее плодородной части активного слоя почвы, где наиболее активна жизнедеятельность почвенных микроорганизмов.

В условиях недостатка финансирования, внедрение новых технологий на больших площадях вызывает значительные сложности, поэтому, отмечает ректор Новочеркасской государственной мелиоративной академии, профессор П.А. Михеев, «большая» мелиорация пока может уступить место локальной, применяемой на малых сельхозугодиях. Локальные мелиорации могут быть также одним из первых шагов к так называемому «точному» орошаемому земледелию [2].

Технологии полива малыми нормами наиболее перспективна для применения в малых фермерских, приусадебных, дачных участках.

В настоящее время площадь этих участков составляет 14% возделываемых в России сельхозугодий, где производится более 83% овощей, 85% плодов и ягод, около 90% картофеля. В этой сфере занято производством сельскохозяйственной продукции 15,9 млн. семей. [2].

Исследования технологии полива малыми нормами проводились вблизи города Волгодонска. Почвы участка глинистые. Почвы участка десять лет не подвергались вспашке, на них не выращивали культурные растения. Поэтому плотность почвы была близка к природной.

Поливы проводились стационарными дождевальными аппаратами.

Изменение влажности почвы контролировалось тензиометрами, расположенными на глубине 15, 30, 45 и 60 см, так как в слое почвы 0 – 60 см расположена основная часть корневой системы растений. Тензиометры производства США были поставлены компанией ООО «Юг-Полив».

Соответствие показаний тензиометров водному режиму почвы:

1. От 0 до 10 сентибар. Такая почва насыщена или близка к насыщению. При таком уровне насыщенности почвы влагой корни растений могут страдать от нехватки кислорода. 

2. От 10 до 20 сентибар. Почва практически в состоянии нормальной насыщенности влагой. Для песчаных почв состояние нормальной насыщенности влагой будет зарегистрировано в нижней части данного диапазона, для глинистых – в его верхней части.

3. От 20 до 30 сентибар. Нормальные показания для начала полива. Полив в этот момент гарантирует абсолютно доступную почвенную влагу.

4. Свыше 40 сентибар. Данные показания приборов свидетельствуют о том, что на почвах со средним и грубым гранулометрическим составами растения ощущают недостаток влаги.

На рисунке 1 показан процесс увлажнения почвы после проведения первого полива малой нормой 200 м3/га. Из рисунка видно, что почва увлажнилась на глубину меньше 30 см. Стабилизация влажности почвы на этой глубине наступила после 250 минуты после начала полива.

Рис. 1 - Первый полив нормой 200 м3/га

Рис. 2 - Второй полив нормой 200 м3/га

Рис. 3 - Третий полив нормой 430 м3/га

Рис. 4 - Четвертый полив нормой 200 м3/га

В слое 15 – 30 см скорость фильтрации оставалась прежней. Почва в активном слое почвы 0 – 60 см была увлажнена до влагоёмкости, близкой к НВ.

Выводы

Полив малыми нормами позволяет поддерживать оптимальную влажность почвы в слое 0 – 15 см, где наиболее развита корневая система растений и наиболее активна жизнедеятельность почвенной флоры и фауны. В то же время возможно и поддержание оптимальной влажности в слое почвы 0 – 60 см, где сосредоточена основная масса корневой системы растений без потерь воды за пределы метрового активного слоя почвы.

Литература

1. Голованов, А. И. О целях и сущности мелиорации земель / А. И. Голованов // Вестник сельскохозяйственной науки. – 1991. - № 12.

2. Рыбаков, А. Развитие мелиорации – стратегическая задача / А. Рыбаков // Сельская жизнь. – 2010. – 14 октября.

3. Веприков, Ю. В. Информационно-управляющая система орошаемого массива / Ю. В. Веприков [и др.]. // Научный потенциал молодежи – будущему России: материалы и доклады межрег. науч.- практ. конф. 23 апреля 2010г., г.Волгодонск / редкол.: Ю.Г. Никоноров [и др.]; Волгодонский ин-т сервиса (филиал) ГОУ ВПО «Южно-Рос.гос.ун-т экономики и сервиса». – Шахты: ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2010. С. 60 - 62.