Μελέτη της επίδρασης ηλεκτρομαγνητικών πεδίων χαμηλών συχνοτήτων στις φυσικοχημικές ιδιότητες του νερού: σχεδιασμός και δημιουργία πρωτότυπων διατάξεων ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβόλησης του νερού: χρήση του παραγόμενου νερού σε βιομηχανικές εφαρμογές

Abstract

Water is the principal constituent of biological systems, and its physicochemical properties play a fundamental role in numerous physical, chemical, and biological processes. The investigation of the effects of Extremely Low Frequency Electromagnetic Fields (ELF-EMFs) on water and living organisms has attracted considerable scientific interest in recent years. Nevertheless, the mechanisms through which these fields influence the physicochemical properties of water and the biological responses of living systems have not yet been fully elucidated. The aim of the present doctoral dissertation was to investigate the effects of Extremely Low Frequency Electromagnetic Fields on the physicochemical properties of water and to evaluate the biological activity of electromagnetically treated water on photosynthetic microorganisms. Within the framework of this research, novel electromagnetic liquid treatment devices (φ-water devices) were designed and constructed. In addition, an electronic control system was developed to regulate their operation, while a computational simulation model was implemented to characterize the generated electromagnetic fields. The originality of the developed technology was recognized through the filing of a Greek patent application. The experimental study included the investigation of the effects of the developed devices on the evaporation rate and electrical conductivity of water, preliminary seed germination experiments, and cultivation studies involving the microalga Chlorella vulgaris and the cyanobacteria Arthrospira fusiformis and Arthrospira maxima. Microbial growth was monitored through optical density measurements, while photosynthetic pigments and dry biomass production were determined. The experimental data were evaluated using appropriate parametric and non-parametric statistical analyses. The results demonstrated that electromagnetic treatment affected both the evaporation rate and the electrical conductivity of water, with the observed responses depending on frequency, temperature, and exposure duration. Furthermore, electromagnetically treated water accelerated seed germination and early seedling development. Distinct biological responses were observed among the investigated microorganisms and exposure frequencies. Chlorella vulgaris exhibited a significant increase in chlorophyll-a concentration, whereas both Arthrospira species showed enhanced growth, increased photosynthetic pigment production, and higher dry biomass yields, with each organism exhibiting a different optimal exposure frequency. Overall, this doctoral dissertation integrates the design and development of novel electromagnetic water treatment devices with the systematic investigation of physicochemical modifications in water and their biological effects on different photosynthetic microorganisms. The findings support the existence of frequency - dependentphysicochemical and biological responses, contribute to a better understanding of the interactions among electromagnetic fields, water, and living organisms, and highlight the potential application of φ-water technology in biotechnology, agriculture, and water treatment technologies.

Το νερό αποτελεί το κυριότερο συστατικό των βιολογικών συστημάτων και οι φυσικοχημικές του ιδιότητες διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο σε πλήθος φυσικών, χημικών και βιολογικών διεργασιών. Η διερεύνηση της επίδρασης ηλεκτρομαγνητικών πεδίων εξαιρετικά χαμηλών συχνοτήτων (Extremely Low Frequency Electromagnetic Fields – ELF-EMFs) στο νερό και στους ζωντανούς οργανισμούς έχει προσελκύσει σημαντικό ερευνητικό ενδιαφέρον, χωρίς ωστόσο να έχουν αποσαφηνιστεί πλήρως οι υποκείμενοι μηχανισμοί δράσης τους. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η διερεύνηση της επίδρασης ηλεκτρομαγνητικών πεδίων εξαιρετικά χαμηλών συχνοτήτων στις φυσικοχημικές ιδιότητες του νερού και η αξιολόγηση της βιολογικής δράσης του επεξεργασμένου νερού σε φωτοσυνθετικούς μικροοργανισμούς. Στο πλαίσιο της έρευνας σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν πρωτότυπες διατάξεις ηλεκτρομαγνητικής επεξεργασίας υγρών (φ-water), αναπτύχθηκε ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου της λειτουργίας τους, καθώς και υπολογιστικό μοντέλο προσομοίωσης για τον χαρακτηρισμό των παραγόμενων ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Η πρωτοτυπία της σχεδίασης των διατάξεων αναγνωρίστηκε με την κατάθεση ελληνικού διπλώματος ευρεσιτεχνίας. Η πειραματική μελέτη περιλάμβανε τη διερεύνηση της επίδρασης των διατάξεων στον ρυθμό εξάτμισης και στην ηλεκτρική αγωγιμότητα του νερού, προκαταρκτικά πειράματα βλάστησης σπόρων, καθώς και καλλιέργειες των μικροφυκών Chlorella vulgaris και των κυανοβακτηρίων Arthrospira fusiformis και Arthrospira maxima. Η ανάπτυξη των καλλιεργειών παρακολουθήθηκε με μετρήσεις οπτικής πυκνότητας, ενώ προσδιορίστηκαν οι φωτοσυνθετικές χρωστικές και η παραγόμενη ξηρή βιομάζα. Η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων πραγματοποιήθηκε με κατάλληλες παραμετρικές και μη παραμετρικές στατιστικές δοκιμές. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ηλεκτρομαγνητική επεξεργασία επηρέασε τόσο τον ρυθμό εξάτμισης όσο και την ηλεκτρική αγωγιμότητα του νερού, με την απόκριση να εξαρτάται από τη συχνότητα, τη θερμοκρασία και τη διάρκεια έκθεσης. Επιπλέον, το επεξεργασμένο νερό επιτάχυνε τη βλάστηση και την αρχική ανάπτυξη των σποροφύτων. Στις καλλιέργειες μικροοργανισμών παρατηρήθηκαν διαφοροποιημένες αποκρίσεις μεταξύ των ειδών και των συχνοτήτων έκθεσης. Η Chlorella vulgaris παρουσίασε σημαντική αύξηση της συγκέντρωσης της χλωροφύλλης-a, ενώ τα στελέχη του γένους Arthrospira εμφάνισαν σημαντική ενίσχυση της ανάπτυξης, της παραγωγής φωτοσυνθετικών χρωστικών και της ξηρής βιομάζας, με διαφορετική βέλτιστη συχνότητα απόκρισης για κάθε οργανισμό. Η παρούσα διατριβή συνδυάζει τον σχεδιασμό και την ανάπτυξη πρωτότυπων διατάξεων ηλεκτρομαγνητικής επεξεργασίας νερού με τη συστηματική διερεύνηση των φυσικοχημικών μεταβολών του νερού και της επίδρασής τους σε διαφορετικά φωτοσυνθετικά βιολογικά συστήματα. Τα ευρήματα υποστηρίζουν την ύπαρξη συχνοεξαρτώμενων φυσικοχημικών και βιολογικών αποκρίσεων, συμβάλλουν στην κατανόηση της αλληλεπίδρασης ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, νερού και ζωντανών οργανισμών και αναδεικνύουν τις δυνατότητες αξιοποίησης της τεχνολογίας φ-water στη βιοτεχνολογία, στη γεωργία και στις τεχνολογίες επεξεργασίας νερού.