脉冲电场介导的植物空气负离子发射的倍增效应及其意义

脉冲电场介导的植物空气负离子发射的倍

增效应及其意义

第28卷第l2期

2009年12月

大学物理

C0LLEGEPHYSICS

V0l_28No.12

Dec.2009

脉冲电场介导的植物空气负离子发射的倍增效应及其意义

杨运经,习岗,张社奇

(1.西北农林科技大学应用物理系,陕西杨凌712100;2.西安理工大学应用物理系,陕西西安710048)

摘要:介绍了空气负离子(NAI)的物理概念及其在空气净化中的作用,讨论了正常生态条件下空气中NAI的来源.通过实

验结果说明了脉冲电场可以使植物产生NAI发射的倍增效应,分析了其产生的机理.

关键词:脉冲电场;植物;空气负离子;倍增效应

中图分类号:Q6-3文献标识码:A文章编号:1000—0712(2009)12—0039—04

1空气负离子(NAI)的物理概念和意义

NAI(negativeairion)是空气中带负电的离子或

离子团的总称.按照大地测量学和地理物理学国际联

盟大气联合委员会的定义,NAI是指0;(H:O),OH一

(H:0)或co:(H:o).在通常情况下,空气中的

正,负离子数保持一定的动态平衡,空气分子整体呈

中性.当空气被污染时,NAI会与污染物中的阳离子

结合,从而降低空气中NAI的浓度.因此,NAI浓度的

大小在一定程度上综合反映了空气被污染的情况.

自1976年Kreuger和Reed在着名刊物Science

上首次报道NAI的生物学效应以来,大量研究证实,NAI对人体有保健和辅助治疗作用.当NAI浓度达到700个/cm以上时有益于人体健康,达到10000 个/cm时可以治病.但是,由于近年来空气遭到日

益严重的污染,城市室内的NAI浓度一般在500个/ cm以下.在我国污染较重的北方地区,甚至为0.因此,室内空气质量很差.在空气污染治理上,NAI能吸附,聚集和沉降空气中的悬浮颗粒和污染物,净化空气.由于NAI具有和超氧化物自由基0,相似的结构,因而具有相似的生物活性,可以有效的杀灭细菌和病毒.NAI还可以和空气中的有机物发生氧化反应,从而有效去除室内建筑材料挥发出的甲醛,苯,氨等有害气体和日常生活中剩饭剩菜的酸臭味,香烟味等异味'.因此,NAI被称为"长寿素"或"空气维生素".

作

实际测量结果表明,在地球表面附近,NAI浓度

随地域环境发生显着变化.在山林和瀑布地方,NAI 浓度可达到10～10个/cm,使人有心情舒畅,心旷

神怡之感.而在人口密集的大城市及其建筑物内,由于空气受到各种工业及民用废气与现代化电气,建筑装饰材料的严重污染,NAI浓度一般降到200个/em 左右甚至更低的程度,导致了长期工作和生活在其中的人出现了"病态建筑物综合症",使人容易感到身

体疲倦,心烦气躁.由此可见,NAI和空气质量密切相关,已成为评价环境和空气质量的重要指标之一,它对增进人体健康具有十分重要的实际意义.

2正常生态条件下NAI的产生

一

般认为,产生NAI的原因主要有物理和生物

两种机理.物理作用有多种渠道,瀑布的"喷筒效

应",海浪的"推卷效应",暴雨的跌落效应以及大气

中的放射性,紫外辐射和雷电等都会使空气分子解

离,产生负离子;生物机理主要是土壤和植物在生理

过程中会产生出负离子.

在正常的生态环境中,植物是产生NAI的主要

来源….生物电磁学的研究表明,生物体系在分子,细

胞,组织和个体的各个层次发生着大量的电活动,特

别是在光照下叶片的光合作用和细胞代谢过程中水

分子的分解,电子传递和细胞电位的变化尤为强烈.

而地球是一个带负电的导体球,植物是富含水分的良

导体,植物中的电子和离子有可能在环境电场的作用

收稿日期:2009—04—03;修回日期:2009—06—26

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50177010)

作者简介:杨运经(1957一),男,陕西富平人,西北农林科技大学应用物理系副教授,主要从事大学物理教学与电子技术及生物物理研究工

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下,通过叶片的气孔蒸腾发射出来,或者由于电荷在

叶片上的集聚分布,通过尖端放电产生NAI.

我们认为,在正常情况下植物一方面在光合作用

等生理活动中吸收空气中的阳离子;另一方面,通过

叶片的尖端放电在叶片周围大气中产生低温等离子

体,其中的高能电子和大气中以及叶片气孔蒸腾中发

出的0,和H,0分子碰撞产生NAI.这个理论解释了

森林中富含NAI的成因,也说明了植物是提供原生

态清洁空气的最佳来源.

然而,在正常情况下,单一的植物叶片通过尖端

放电产生等离子体和NAI的现象较弱,不易观察,由此引起的生态效应极为有限.但是,如果设法使植物产生NAI的能力倍增,就有可能开发出高效率,低能耗和绿色环保的空气污染治理新技术,在空气污染治理,特别是对室内空气污染的净化方面取得突破.

3脉冲电场介导的植物NAI发射的倍增效应Tikhonov(2004)指出,正常情况下植物产生NAI

的能力较弱.对植物施加适当的电磁场刺激会使植物产生NAI.但是,施加什么样的电磁场效果最好,很

少有人提及.近年来,电磁生物学理论和技术获得了一

系列进展,研究发现,细胞膜内外离子不对称分布

形成了细胞膜电势差,即细胞电位,其幅度约为50～100mV.细胞在静止状态下,膜两边的电位是恒定

的,称为静息电位.在生命过程中,离子通过细胞膜的输运使得细胞的静息电位发生变化,细胞之间的电偶.联作用使得这种变化可以通过细胞传递,形成了电位波动,这种电位波动形成了所谓的电信号.近年来,大量实验已经证实了植物电信号的存在,内部生理活动和外部刺激都可能造成细胞电位的变化,特别是非伤害性刺激如电击,冷击和机械刺激等会通过细胞膜的去极化一极化作用而使植物产生短暂的,遵守"全或无"经典规律的,可再生的动作电位'.

研究表明,植物电信号是微弱信号,不同植物的

电位变化都有自己特定的时域关系.我们设想.如果能够找到植物电位波动的特征频率,通过施加相近频率的脉冲电场,使植物发生电场共振,就可能在植物叶片上产生较强的电场波动,使植物产生NAI的能力倍增.