Experimental Evaluation of the Significance of the Influence of Variable Low-Frequency Magnetic Field on Ice Crystal Formation in Relation to Biological Substances

Introduction: During the freezing of biological samples, especially animals, there are often losses in their viability and functional characteristics. The main cause of cell damage is the formation of ice crystals growing in the direction of sharp angles when water freezes. It is assumed that influencing the dipole moment of water molecules can weaken intermolecular bonds, helping to reduce the sizes of structures that serve as nuclei for future ice crystals, and increasing their number in frozen water, which affects the sizes of sharp angles of crystals. As a method of influence, the use of an alternating magnetic field is considered, the effectiveness of which in this context has not yet been fully studied.

Purpose: To determine the influence of low-frequency magnetic fields on the size and configuration of formed crystals and crystalline compounds of ice by affecting water before and during freezing.

Materials and Methods: Distilled water was used as a material, excluding the presence of external impurities to ensure the purity of the experiment. The main method of assessing the effect of a magnetic field on the process of water crystallization was a comparison of microphotographs of ice samples obtained in transmitted polarized light. The selection of criteria for image analysis was based on characteristics related to the sizes of crystals. Based on these features, experimental samples were classified as affected, weakly responsive, or non-responsive to influence. Micrographs of ice were taken using a microscope with a video camera and a simple polarizer directly in the freezer at a temperature of –7.2ºC. A variable magnetic field with periodic pulses of 1 second duration and a pause of 50 seconds, an induction of 50 mT, and a current frequency of 600 Hz was used. The device for holding water and freezing ice consisted of a wire frame with a diameter of 3 mm. During the experiments, freezing conditions for control and experimental samples (except for magnetic influence) were identical.

Results:  In the conducted experiments (38 microphotographs), the positivity of the physical effect of the variable magnetic field was manifested in 70% of experiments, weakly manifested in 20%, and not manifested in 10%. Based on this, the method for detecting influence can be considered acceptable for use, and the effect of a variable magnetic field contributes to reducing crystals and sharpness on them. 

Conclusions: The obtained result suggests the necessity of continuing further research on physical effects on water crystallization, approaching practical application in freezing technologies in selective works and storage of food raw materials and products.

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