Gas chromatographic analysis of agricultural soils and seeds treated with weak non-ionizing non-thermal electromagnetic fields (EMFs)

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The effect of weak non-ionizing non-thermal electromagnetic fields (EMFs) on the biological processes in soils and seeds was accessed by the method of gas chromatography. We identified daily rhythms of carbon dioxide emission and oxygen absorption in sealed samples of seeds and soils depending on the humidity and time of treatment. The method of chromatography is a promising method for identifying EMF stimulation of soil microorganisms and optimizing EMF priming of seed crops.

Full Text

Влияние обработки сельскохозяйственных культур известно давно [1-3]. Эти исследования подтвердили эффективность ЭМП для улучшения качества растений, увеличения урожая и его сохранности. В настоящее время слабые ЭМП привлекают внимание многих лабораторий, тесно связанных с новыми технологиями в сельском хозяйстве [4–16].

Авторы настоящего исследования применили дистанционный метод неинвазивной электромагнитной терапии «ТОР» (аппарат «ТОР», сертифицированный Росздравнадзором для лечения больных SarsCov-2 от 29 сентября 2021 г. (№ 2021/15459), успешно показал себя во время пандемии COVID-19 2021-2023 гг. [17]) в сельскохозяйственных целях [12-16]. Эти публикации подтвердили положительный опыт стимулирования роста растений методом ЭМП, что уже наблюдалось в последние три десятилетия разными группами исследователей [1–11].

Однако есть мало публикаций, касающихся обработки ЭМП сельскохозяйственных почв. Более того, авторам данного исследования не удалось найти надежных исследований по газохроматографическим измерениям концентраций CO2, NOх и т. д. для изучения семян и почв, обработанных ЭМП.

Стоит отметить, что газовая и жидкостная хроматография является признанным методом точных измерений в физике, химии и иных технических исследованиях [19]. В настоящей работе демонстрируются перспективы использования междисциплинарных методов для применения слабых ЭМП в технологиях сельского хозяйства.

Материалы и методы

Обработку семян и почвы проводили аппартом «ТОР»тм (АО «Концерн ГРАНИТ» [17]). Время воздействия составило 10 мин. Выбраны: частота импульсов ЭМП – 58 Гц, мощность излучателя – 9 Вт, расстояние между излучателем установки «ТОР» и образцами – 5 м.

Обработанные и необработанные (контрольные) образцы упаковывали в контейнеры с мембраной объемом 20 мл, обеспечивая герметичность и готовность проб к газовой хроматографии.

Анализы основных газообразных продуктов метаболизма сухих семян и почвенной микробиоты проводили на хроматографе ЦВЕТ-800 с детектором теплопроводности по методике, описанной в [19]. Типичная хроматограмма представлена на рис. 1.

 

Рисунок 1. Хроматограмма газообразных продуктов метаболизма семян. Центральный пик соответствует кислороду O2, левый – водороду H2, правый – углекислому газу CO2.

Figure 1. Chromatogram of seed metabolism gaseous products. The central peak corresponds to oxygen O2, the left peak corresponds to hydrogen H2, the right peak corresponds to carbon dioxide gas CO2.

 

Были отобраны образцы почвы и семян следующих культур: 1 – горох «Немчиновский 50»; 2 – пшеница «Сократ»; 3 – пшеница «Злата»; 4 – яровой ячмень «Владимир»; 5 – подсолнечник «Кречет»; 6 – почвенный материал из Ненецкого автономного округа Российской Федерации, г. Нарьян-Мар; 7 – почва Московской области, г. Одинцово.

Почвы г. Нарьян-Мара: почва супесчаная, окультуренная, слабокислой реакции, не отличается высокими показателями плодородия. Агрохимические характеристики: рНводн. 6,6–6,8; рН солевой 5,8-6,0; С орг. 1,40-1,45 %; Nорг 0,6–0,7 %, Р2О5 – 0,18–0,21 %.

Почвы Московской области (ВНИИССОК, г. Одинцово): почвы опытно-производственной базы ФГБНУ ФНЦО дерново-подзолистые среднесуглинистые. По содержанию гумуса в пахотном слое почвы относятся к слабогумусным, с низкой обогащенностью гумуса азотом и невысоким содержанием лабильного органического вещества. В составе гумуса преобладают фульвокислоты, тип гумуса – гуматнофульватный. По комплексу физико-химических свойств и составу поглощающего комплекса почвы характеризуются реакцией среды от близкой к нейтральной до нейтральной и не требуют первоочередного известкования. Гидролитическая кислотность очень низкая, сумма поглощенных оснований повышенная. Содержание подвижных форм азота, определяемого по Корнфилду, очень низкое. Подвижный фосфор в изучаемых почвах характеризуется очень высокой обеспеченностью по Кирсанову (более 250 мг/кг почвы). Содержание обменного калия характеризуется обеспеченностью от средней до повышенной.

Пробы взяты в осеннее время (сентябрь 2024 г.), после вегетации овощи/картофель (Нарьян-Мар), сидераты (викоовсяная смесь) (Московская область, ВНИИССОК). Обработка грунтов Аппаратом «ТОР» проводилась 16 января 2024 г., влажность грунтов при обработке: 9 %.

Вес семян и почвы во всех емкостях составил 5 г. Упакованные образцы хранились в герметичных емкостях с мембраной при комнатной температуре в течение семи суток, после чего отбирались и анализировались пробы газовой фазы.

Результаты и их обсуждение

Результаты представлены в табл. 1.

 

Таблица 1

Результаты газовой хроматографии образцов сухих семян и почв, обработанных аппаратом «ТОР» в течение 10 мин. с расстояния 5 м, проведенной через семь суток с момента обработки

Table 1

Gas chromatography results of samples of dry seeds and soils treated with the TOR apparatus for 10 minutes from a distance of 5 m measured in seven days after treatment

Образец

Опыт, мкл

Контроль (необработанный), мкл

О2

СО2

О2

СО2

1. Горох «Немчиновский 50»

1332

0,7

1407

0,44

2. Пшеница «Сократ»

1461

1,58

1498

1,05

3. Пшеница «Злата»

1531

0,95

1501

0,8

4. Яровой ячмень «Владимир»

1494

0,52

1423

0,63

5. Подсолнечник «Кречет»

1470

2,08

1449

1,67

6. Грунт «Нарьян Мар»

1384

32,6

1428

1,41

7. Грунт «Одинцово»

1294

8,34

1423

7,66

 

Как следует из табл. 1, имеются заметные различия между количеством кислорода и углекислого газа в контрольных и ЭМП-обработанных образцах. Во всех контрольных образцах уровень кислорода практически не изменился и соответствует его примерному содержанию в атмосфере. Однако в ЭМП-обработанных образцах заметно потребление кислорода с одновременным увеличением содержания СО2. Таким образом, слабое неонизирующее нетепловое ЭМП активировало биологические процессы как в семенах, так и в почве. Это особенно заметно для образцов 1, 2, 5 и 6.

На примере образцов «1-обработанный» и «1-контроль» решалась следующая задача: проследить за изменением состава газовой фазы в контейнерах с семенами гороха со временем. Для этого в контейнеры сначала вносили воду (1 мл ежедневно), затем по мере снижения содержания кислорода вместе с водой вводили воздух (от 2 до 4 мл, каждые восьмые сутки).

Было установлено, что содержание кислорода при всех сроках воздействия для ЭМП-обработанного образца заметно ниже, чем у контрольного образца (рис. 2). Следует отметить, что кривые для обоих образцов идентичны. Очевидно, что процессы прорастания семян следуют одному и тому же механизму, заметная разница заключается только в скорости процессов.

 

Рисунок 2. Кинетические графики изменения содержания кислорода.

Figure 2. Kinetic plots of oxygen content change.

 

В связи с уменьшением количества кислорода практически до нуля для предотвращения гибели семян на восьмые сутки процесса в контейнеры кроме воды был добавлен воздух (резкое увеличение кислорода на графике). Из рис. 2 следует, что ЭМП-обработанный образец оказался более активным.

Ход кривых образования углекислого газа подтверждает положительное влияние ЭМП-воздействия на метаболизм семян (рис. 3).

 

Рисунок 3. Кинетические графики образования углекислого газа.

Figure 3. Kinetic plots of carbon dioxide formation.

 

Снижение содержания СО2 после восьми суток также связано с введением воздуха в контейнеры. Появление водорода, достигающего максимума к 8-10 суткам (рис. 4), очевидно, связано с расходованием собственных запасов АТФ клетками семян.

 

Рисунок 4. Кинетические графики образования водорода.

Figure 4. Kinetic plots of hydrogen formation.

 

Здесь стоит отметить, что общее количество молекулярного водорода составляет около 30 % от общей газовой фазы (объемные проценты).

Возникает естественный вопрос: являются ли указанные выше эффекты биостимуляции универсальными или связаны со спецификой дистанционного воздействия импульсными ЭМП со сверхширокополосными спектрами [20]? Биостимулирующие эффекты дистанционной ЭМП-обработки были надежно обнаружены на расстояниях до 900 м [12]. Для ответа на поставленный вопрос авторы сконструировали плоский конденсатор (две металлические параллельные пластины 100x100 мм на расстоянии 60 мм, аналогичные использованным в работе [21]), в котором обрабатывали почвы и семена в течение 10 мин прямоугольными импульсами с частотой 58 Гц и с той же скважностью импульсов, что и в статье [21]. Результаты ЭМП-обработки семян и почв конденсатором не были столь выражены и «оркестрированы», как под воздействием аппарата «ТОР» (табл. 1), но тем не менее влияние ЭМП было ощутимо уже через 48 ч после обработки (табл. 2).

 

Таблица 2

Результаты газовой хроматографии сухих семян и почв, обработанных конденсатором, через двое суток после 10-минутной экспозиции

Table 2

Gas chromatography results of condenser-treated dry seeds and soils measured in two days after a 10-minute exposure

Образец

Опыт, мкл

Контроль (необработанный), мкл

H2

О2

СО2

H2

О2

СО2

1. Горох «Немчиновский 50»

0,02

1491

1,36

0,01

1576

2,11

2. Пшеница «Сократ»

0,01

1571

1,39

0,01

1558

0,97

3. Грунт «Нарьян Мар»

0,02

1340

121,2

0,02

1254

115,8

4. Грунт «Одинцово»

0,02

1311

31,3

0,01б

1278

27,8

 

Из табл. 2 отчетливо видно, что микробиота почвы менее чувствительна к ЭМП конденсатора, чем семена, и в целом более чувствительна к ЭМП Аппарата «TOР». Для лучшей воспроизводимости результатов методом газовой хроматографии необходимо учитывать внутрисуточные и циркадные ритмы метаболизма биостимулированных семян [15] и микробиоты почвы.

Выводы

  1. Разработан междисциплинарный метод изучения влияния слабого неионизирующего нетеплового электромагнитного поля (ЭМП) на семена и почвы с помощью метода газовой хроматографии.
  2. Установлено влияние ЭМП на биостимуляцию семян и почв путем обнаружения заметных количеств эманаций водорода, углекислого газа и потребляемого кислорода в герметичных образцах ЭМП-обработанных семян и почв.
  3. Технология «TOР» имеет потенциал для непосредственной биоактивации как засеянных, так и находящихся под паром сельскохозяйственных угодий больших площадей.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

×

About the authors

Svetlana Yu. Khashirova

Kabardino-Balkarian State University named after Kh.M. Berbekov

Author for correspondence.
Email: new-kompozit@mail.ru

Professor, Doctor of Sciences (Chemistry), Vice-Rector for Science 

Russian Federation, 173 Chernyshevskogo str., Nalchik, 360004

Albert S. Shabaev

Kabardino-Balkarian State University named after Kh.M. Berbekov

Email: albertshabaev53@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4188-8881

Candidate of Sciences (Chemistry), Senior Researcher, Center for Advanced Materials and Additive Technologies 

Russian Federation, 173 Chernyshevskogo str., Nalchik, 360004

Elena V. Bondarchuk

JSC Concern GRANIT

Email: info@granit-concern.ru

Vice-President 

Russian Federation, 31 Gogolevsky blvd., bld. 2 Moscow, 119019

Igor F. Turkanov

JSC Concern GRANIT

Email: info@granit-concern.ru

Head 

Russian Federation, 31 Gogolevsky blvd., bld. 2 Moscow, 119019

Valery G. Gryaznov

JSC Concern GRANIT

Email: info@granit-concern.ru
ORCID iD: 0000-0001-5751-6815

Candidate of Sciences (Phys.-Math.), Deputy Head 

Russian Federation, 31 Gogolevsky blvd., bld. 2 Moscow, 119019

Ekaterina A. Galkina

JSC Concern GRANIT

Email: info@granit-concern.ru
ORCID iD: 0000-0003-3824-2577

Head of the electro-biophysical and chemical research laboratory 

Russian Federation, 31 Gogolevsky blvd., bld. 2 Moscow, 119019

Irina M. Kaigorodova

JSC Concern GRANIT; Federal Scientific Vegetable Center

Email: kaigorodova-i@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5048-8417

Candidate of Sciences (Agriculture), Senior Researcher, Federal Publicly Funded Institution of Science «Federal Scientific Center for Vegetable Growing»

Russian Federation, 31 Gogolevsky blvd., bld. 2 Moscow, 119019; 14 Selektsionnaya str., VNIISSOK settlement, Odintsovsky urban district, Moscow region, 143080

Vladimir G. Zainullin

Komi Research Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: zainullin.v.g@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-9378-1170

Institute of Agrobiotechnology named after A.V. Zhuravsky; Doctor of Sciences (Biology), Leading Researcher 

Russian Federation, 27 Rucheinaya str., Syktyvkar, Komi Republic

References

  1. Kutis, S. D. Elektromagnitnaya ustanovka dlya predposevnoj obrabotki semyan [Electromagnetic installation for pre-sowing seed treatment] / S. D. Kutis, T. L. Kutis, E. Z. Gak // Mekhanizaciya i avtomatizaciya tekhnologicheskih processov v APK [Mechanisation and Automation of Technological Processes in Agro-Industrial Complex]. – 1989. – № 2. – P. 35–36.
  2. Betsky, O. V. Millimetrovye volny i zhivye sistemy [Millimetre waves and living systems] / O. V. Betsky, V. V. Kislov, N. N. Lebedeva // Science Press. – 2004. – 272 p.
  3. Bhardwaj, J. Biochemical and biophysical changes associated with magnetopriming in germinating cucumber seeds / J. Bhardwaj, A. Anand, S. Nagarajan // Plant Phys. Biochem. – 2012. – 57. – P. 67–73.
  4. Bilalis, D. J. Pulsed electromagnetic field: an organic compatible method to promote plant growth and yield in two corn types / D. J. Bilalis, N. Katsenios, A. Efthimiadou [et al.] // Electromagn. Biol. Med. –2012. – № 31 (4). – P. 333–343.
  5. Ksenz, N. V. Vliyanie predposevnoj obrabotki semyan gradientnymi magnitnymi polyami i elektroaktivirovannoj vodoj na ih startovye harakteristiki, razvitie rastenij i urozhajnost zernovyh kultur [Effect of pre-sowing treatment of seeds with gradient magnetic fields and electroactivated water on their starting characteristics, plant development and grain yield] / N. V. Ksenz, V. B. Khronyuk, A. S. Ereshko [et al.] // Don Agrarian Scientific Bulletin. – 2019. – № 3. – P. 47.
  6. Mildažienė, V. Treatment of common sunflower (Helianthus annus L.) seeds with radio-frequency electromagnetic field and cold plasma induces changes in seed phytohormone balance / V. Mildažienė, V. Aleknavičiūtė, R. Žūkienė [et al.] // Seedling Development and Leaf Protein Expression. – Sci. Rep. – 2019. – № 9 (1). – P. 6437.
  7. Pushkina, N. V. Osobennosti nakopleniya zhirnyh kislot i oksilipinov v prorostkah kukuruzy L. pod vozdejstviem sverhvysokochastotnogo elektromagnitnogo polya [Accumulation features of fatty acids and oxylipins in maize seedlings under the influence of ultra-high frequency electromagnetic field] / N. V. Pushkina // Chemistry of Plant Raw Materials. – 2020. – № 2. – P. 93–99.
  8. Kovra, Y. The effect of the electromagnetic field of extremely low frequencies on the quality of wheat grain / Y. Kovra, G. Stankevych, A. Borta // Food Science & Technology. – 2022. – № 16 (1).
  9. Dziwulska-Hunek, A. Stimulation of soy seeds using environmentally friendly magnetic and electric fields / A. Dziwulska-Hunek, A. Niemczynowicz, R. A. Kycia [et al.] // Sci. Rep. – 2023. – № 13. – 18085.
  10. Radil, R. Exploring non-thermal mechanisms of biological reactions to extremely low-frequency magnetic field exposure / R. Radil, L. Carnecka, Z. Judakova // Appl.Sci. – 2024. – № 14. – P. 9409.
  11. Đukić, V. Pulsed electromagnetic field - a cultivation practice used to increase soybean seed germination and yield / V. Đukić, Z. Miladinov, G. Dozet [et al.] // Zemdirbyste-Agriculture. – 2017. – 104(4). – P. 345-352.
  12. Bondarchuk, E. V. Slabye impul’snye elektromagnitnye polya povyshayut urozhajnost’ i immunitet kartofelya [Weak pulsed electromagnetic fields increase potato yield and immunity] / E. V. Bondarchuk, O. V. Ovchinnikov, I. F. Turkanov [et al.] // Potato and Vegetables. – 2023. – 4. – P. 35-40.
  13. Zainullin, V. G. Vliyanie predposevnoj obrabotki slabymi neioniziruyushchimi impul’snymi polyami na urozhajnost’ i kachestvo urozhaya sortov kartofelya [Effect of pre-sowing treatment with weak non-ionising pulsed fields on yield and quality of potato varieties] / V. G. Zainullin, A. N. Pozhiritskaya, A. M. Turlakova [et al.] // Agricultural Science Euro-North-East. – 2024. – 25 (5). – P. 794-804.
  14. Kaigorodova, I. M. Vliyanie distancionnoj elektromagnitnoj obrabotki posevov Appartom «TOR» na urozhajnost’ Pisum Sativum L. [Effect of remote electromagnetic treatment of crops by Appart ‘TOR’ on the yield of Pisum Sativum L.] / I. M. Kaigorodova, E. G. Kozar, V. A. Ushakov [et al.] // Scientific Proceedings of the IX International Congress ‘Low and ultra-low fields and radiation in biology and medicine’. – St. Petersburg, 2024. – P. 1-3.
  15. Turkanov, I. F. Vliyanie distancionnoj obrabotki slabymi neteplovymi impul’snymi elektromagnitnymi polyami na rost i urozhajnost’ zernovyh kul’tur [Influence of remote processing by weak non-thermal pulsed electromagnetic fields on growth and yield of grain crops] / I. F. Turkanov, E. A. Galkina, V. G. Zainullin [et al.] // Bulletin of Orenburg Agrarian University. – 2024. – 110 (6). – P. 158-164.
  16. Kaigorodova, I. M. Ispytanie novoj tekhnologii «TOR» na sortah ovoshchnyh bobovyh kul’tur selekcii FGBNU FSVC Zapolyar’ya [Testing of the new technology ‘TOR’ on varieties of vegetable leguminous crops of selection of FSBSI Federal Service of Military-Technical Cooperation in the Arctic Circle] / I. M. Kaigorodova, E. G. Kozar, V. A. Ushakov [et al.] // Vegetables of Russia. – 2025 (1). – P. 70-81.
  17. Fatenkov, O. V. Effektivnost’ apparata neinvazivnoj elektromagnitnoj terapii «Tor» dlya distancionnogo lecheniya bol’nyh s COVID-19: rezul’taty II fazy klinicheskih issledovanij [Effectiveness of the device of non-invasive electromagnetic therapy ‘Tor’ for remote treatment of patients with COVID-19: results of phase II clinical trials] / O. V. Fatenkov, I. L. Davydkin, A. V. Yashkov [et al.] // Bull. Med. Inst. Continued edu. – 2024. – 4 (4). – P. 25-34.
  18. Berezkin, V. G. Himicheskie metody v gazovoj hromatografii [Chemical methods in gas chromatography] / V. G. Berezkin. – Elsevier, 2000. – 312 p.
  19. Shabaev, A. S. Novyj metod issledovaniya termodestrukcii polisul’fona Polymer Science [A new method to study the thermal degradation of polysulfone Polymer Science] / A. S. Shabaev, A. A. Zhansitov, Z. I. Kurdanova [et al.] // Series B. – 2017. – Т. 59, № 2. – P. 216-224.
  20. Ustrojstvo dlya podavleniya zhiznedeyatel’nosti patogennyh mikroorganizmov i virusov elektromagnitnym izlucheniem [Device for suppressing the vital activity of pathogenic microorganisms and viruses by electromagnetic radiation] / Patent RU2765973 from 07.02.2022.
  21. Bunkin, N. F. Stochastic ultra-low-frequency fluctuations in luminescence intensity from the surface of a polymer membrane swelling in water-salt solutions / N. F. Bunkin, P. N. Bolotskova, E. V. Bondarchuk [et al.] // Polymers. –2022. – 14(4). – 688.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Figure 1. Chromatogram of seed metabolism gaseous products. The central peak corresponds to oxygen O2, the left peak corresponds to hydrogen H2, the right peak corresponds to carbon dioxide gas CO2.

Download (149KB)
Indexing metadata
3. Figure 2. Kinetic plots of oxygen content change.

Download (92KB)
Indexing metadata
4. Figure 3. Kinetic plots of carbon dioxide formation.

Download (54KB)
Indexing metadata
5. Figure 4. Kinetic plots of hydrogen formation.

Download (90KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2026 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).