Экспериментальная оценка значимости влияния переменного низкочастотного магнитного поля на образование кристаллов льда применительно к биологическим субстанциям

Введение: При замораживании биологических образцов, особенно животных, часто наблюдаются потери их жизнеспособности и функциональных характеристик. Основной причиной повреждений клеток является формирование ледяных кристаллов, растущих в направлении острых углов при замерзании воды. Предполагается, что воздействие на дипольный момент молекул воды может ослабить межмолекулярные связи, способствуя уменьшению размеров структур, которые служат ядрами будущих кристаллов льда, и увеличивая их количество в замороженной воде, что влияет на размеры острых углов кристаллов. В качестве метода воздействия рассматривается использование переменного магнитного поля, эффективность которого в данном контексте ещё не была полностью изучена.

Цель: Путем воздействия на воду до и во время замораживания выявить наличие влияния низкочастотного магнитного поля на величину и конфигурацию образовавшихся кристаллов и кристаллических соединений льда.

Материалы и методы: В рамках исследования была использована дистиллированная вода, исключая присутствие внешних примесей для обеспечения чистоты эксперимента. Основным методом оценки эффекта магнитного поля на процесс кристаллизации воды стало сравнение микрофотографий образцов льда, полученных в проходящем поляризованном свете. Отбор критериев для анализа изображений основывался на характеристиках, связанных с размерами кристаллов. На основании этих признаков опытные образцы классифицировались как подвергшиеся воздействию, слабо реагирующие или не реагирующие на воздействие. Микроснимки льда делались при помощи микроскопа с видеокамерой и простейшим поляризатором непосредственно в морозильной камере при температуре –7,2ºС. Использовалось переменное магнитное поле с периодическими импульсами длительностью 1 секунда и паузой 50 секунд, индукцией 50 мТл и частотой тока 600 Гц. Устройство для удержания воды и замораживания льда представляло собой проволочную рамку диаметром 3 мм. В ходе экспериментов условия замораживания для контрольного и опытного образцов (за исключением магнитного воздействия) были одинаковыми.

Результаты: В проделанных опытах (38 микроснимков) положительность физического воздействия переменного магнитного поля проявилась в 70% опытов, слабо проявилась в 20% и не проявилась в 10%. На основании этого методику выявления влияния можно считать приемлемой для использования, а воздействие переменного магнитного поля способствующим уменьшению кристаллов и заострений на них.

Заключение: Полученный результат позволяет считать необходимым продолжение дальнейших исследований физических воздействий на кристаллизацию воды с приближением к практическому использованию замораживания в технологиях селекционных работ и при хранении пищевого сырья и продуктов.

1. Андреев, А.А., Садикова Д.Г., Ивличева, Н.А., & Борода, А.В. (2017). Формирование микрочастиц льда в криозащитных растворах. Биофизика, 62(2), 213–220.

2. Балаболин, Д. Н., Иванов В.С., & Сидоренко Ю.И. (2019). Перспективы использования акустической заморозки для криобиоза рыбы с возможностью её реанимации после холодильного хранения. В Церевитиновские чтения — 2019: Материалы VI Международной научнопрактической конференции. Москва: РЭУ им. Г.В. Плеханова.

3. Барышев, М.Г., Лисицын, А.Б., Половодов, Ю.А., & Половодова, А.Ю. (2019). Влияние низкочастотного магнитного поля на процесс образования монокристаллов льда в охлаждённых мышечных тканях. Все о мясе, 3, 32–35.

4. Белая, М.М., Красильникова, А.А., & Пономарева, Е.Н. (2018). Разработки Южного научного центра РАН в области криоконсервации репродуктивных клеток рыб. Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 20(5–2), 280–286.

5. Головкин, Н.А., Маслова, Г.В., & Скоморовская, И.Р. (1987). Консервирование продуктов животного происхождения при субкриоскопических температурах. Москва: Агропромиздат

6. Далецкая, Т.В., & Полякова, Е.Н. (1994). Влияние криоконсервации на прорастание семян и некоторые стадии метаболизма. В Биофизика живой клетки. Криоконсервация генетических ресурсов в проблеме сохранения биоразнообразия: Сборник статей. М.- Пущино: Институт биофизики клетки РАН.

7. Дибирасулаев, М.А., Белозеров, Г.А., Архипов, Л.О. (2017). Разработка спектрофотометрического метода ускоренной идентификации замороженных блоков, выработанных из парного или охлажденного мяса, для обоснования выбора технологических режимов их размораживания. Все о мясе, 5, 48–52.

8. Дибирасулаев, М.А., Белозеров, Г.А., Дибирасулаев, Д.М., Орловский, Д.Е. (2016). Влияние субкриоскопической температуры хранения на количество вымороженной воды в NOR и DFD говядине. Теория и практика переработки мяса, 1(2), 18–25.

9. Жмакин, А.И. (2008). Физические основы криобиологии. Успехи физических наук, 178(3), 243–266.

10. Зырянов, А. А., Шереметьев, М. В., Пронин, С. П., & Зрюмова, А. Г. (2012). Визуальное исследование кристаллизации водных растворов. Ползуновский альманах, 2, 140–141.

11. Зацепина, Г.И. (1974). Свойства и структура воды. Москва: Издательство Московского университета.

12. Красильникова, А. А. (2021). Криоконсервация репродуктивных клеток рыб при сверхвысоких скоростях охлаждения. Труды Южного научного центра Российской академии наук, 9, 44–51.

13. Коляда, М.Н., Осипова, В.П., & Пономарева, Е. Н. (2022). Роль антиоксидантов в повышении криорезистентности спермы осетровых. В Изучение водных и наземных экосистем: история и современность: Тезисы докладов II Международной научно-практической конференции. Севастополь.

14. Красильникова, А. А. (2019). Оптимизация процесса подготовки репродуктивных клеток самцов рыб к криоконсервации. Вестник рыбохозяйственной науки, 6(4), 63–69.

15. Максименко, В.А., & Буханцов, К.Н. (2022). Расчет и выбор параметров электромагнита для обеззараживающего устройства зерна и семян. Тракторы и сельхозмашины, 89(3), 223–232.

16. Пахомов, А.И., Максименко, В.А., Буханцов, К.Н., & Ватутина, Н.П. (2021). Исследование обеззараживающих свойств низкочастотных электромагнитных колебаний. Техника и оборудование для села, 9, 9–11.

17. Пиментел, Д.К., & Мак-Клеллан О.Л. (1964). Водородная связь. Москва: Мир. Pimentel, D.K., & McClellan, O.L. (1964).

18. Пономарева Е.Н., Красильникова А.А., Белая М.М., & Коваленко М.В. (2022). Сохранение биологического разнообразия методами криоконсервации: Опыт Южного научного центра РАН. Морской биологический журнал, 7(3), 80–87.

19. Пономарева, Е.Н., Неваленный, А.Н., Белая, М.М., & Красильникова, А.А. (2017). Использование криоконсервированной спермы для формирования маточного стада стерляди. Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Рыбное хозяйство, 4, 118–127. https://doi. org/10.24143/2073-5529-2017-4-118-127

20. Сторожева, Н.Н. (2006). Влияние длительного хранения семян сельскохозяйственных культур в условиях толщи многолетнемерзлых грунтов на жизнеспособность и фенотипическую изменчивость [Дис. канд. с.-х. наук]. Якутский НИИ сельского хозяйства.

21. Чебанов, М.С., Галич, Е.В., & Чмырь, Ю.Н. (2004). Руководство по разведению и выращиванию осетровых рыб. Москва: ФГБНУ «Росинформагротех».

22. Шавлов, А.В., Рябцева, А.А., & Шавлова, В.А. (2007). "Сверхскользкий" лед для конькобежного спорта. Криосфера Земли, 11(2), 49–59.

23. Шавлов, А.В. (2005) Электрический потенциал кристаллизации воды и растворов. Ионная модель. Журнал физической химии, 79(8), 1437–1441.

24. Шац, М.М. (2019). Хранение семенного материала в низкотемпературных условиях. Аграрная наука, 6, 42–49. https://doi.org/10.32634/0869–8155-2019–329-6–42-49

25. Шибков, А.А., Желтов, М.А., & Королев, А.А. (2001). Растущий лед — источник электромагнитного излучения. Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки, 6(2), 162–169.

26. Andreev, A.A., Sadikova, D.G., Gakhova, E.N., Pashovkin, T.N., & Tikhomirov, A.M. (2009). Congelation of cryoprotective solutions and cryopreservation of fish sperm. Biophysics, 54(5), 612–616. https://doi.org/10.1134/S0006350909050108

27. Andreev, A.A., Sadikova, D.G., Labbe, C., Ananiev V.I., & Kurchikov, A.L. (2008). Influence of lipids on ice formation in cryoprotective media. Biophysics, 53(4), 283–285. https://doi.org/ 10.1134/S0006350908040076

28. Chetverikova, E. P. (2008). Dehydration in cryopreservation of moist plant tissues and seed maturation. Biophysics, 53 (4). 304–307. https://doi.org/10.1134/S0006350908040131

29. Firsova, A., Ponomareva E., Krasilnikova, A., & Belaya, M. (2021). Study of the properties of the ovarian fluid of the Russian sturgeon (Acipenser gueldenstaedtii Brandt, 1833) during freezing. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. International Scientific Conference "Fundamental and Applied Scientific Research in the Development of Agriculture in the Far East" (AFE-2021) (vol. 937, 022012). IOP Publishing Ltd. https://doi.org/10.1088/1755-1315/937/2/022012

30. Kobelev, A.V., Shishova, N.V., Ugraitskaya, S.V., Zalomova, L.V., Yashin, V.A., Penkov, N.V., & Fesenko, E.E. (2021). The effect of gases on the structural integrity of ice that forms when water and cryoprotective solutions are frozen: An optical-microscope study. Biophysics, 66 (5), 716–725. https://doi.org/10.1134/S0006350921050092

31. Ponomareva E., Firsova A., Kovalenko M., Polovinkina M., Kuzov A., Alexandrova U., & Pakhomov V. (2023). Application of piezoactuators in the technology of low-temperature preservation of fish reproductive cells. In E3S Web of Conferences: International Scientific and Practical Conference «Development and Modern Problems of Aquaculture» (AQUACULTURE 2022) (vol. 381, p. 01074). EDP Sciences. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202338101074

32. Ponomareva, E. N., Firsova, A.V., Tikhomirov, A.M., & Andreev, A.A. (2020). Formation of ice microparticles in the ovarian fluid and homogenates of unfertilized Russian sturgeon eggs during cooling to –196°c. Biophysics, 65(3), 468–471. https://doi.org/10.1134/S0006350920030173

33. Rusco, G., Iorio, M.D., Iaffaldano, N., Gibertoni, P.P., Esposito, S., Penserini, M., Roncarati, A., & Cerolini, S. (2019). Optimization of sperm cryopreservation protocol for mediterranean brown trout: A comparative study of non-permeating cryoprotectants and thawing rates in vitro and in vivo. Animals, 9(6), 304. https://doi.org/10.3390/ani9060304