TRATAMIENTO MAGNETICO EN SEMILLAS COMO HERRAMIENTA DE LA BIOINGENIERÍA APLICADA EN LA AGROINDUSTRIA
Ing. JAVIER IGNACIO TORRES OSORIO.
MAESTRIA EN INGENIERÍA ELÉCTRICA UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA
PEREIRA Febrero de 2017
TRATAMIENTO MAGNETICO EN SEMILLAS COMO HERRAMIENTA DE LA BIOINGENIERÍA APLICADA EN LA AGROINDUSTRIA
Ing. JAVIER IGNACIO TORRES OSORIO.
Tesis para optar al título de Magister en Ingeniería Eléctrica
Director
Ph. D Oscar Alberto Henao Codirector
M.Sc. Eduard Alexis Hincapié Ladino.
MAESTRIA EN INSTRUMENTACION FISICA UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA
PEREIRA Febrero 2017
Nota de aceptación: _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ Firma del jurado
_________________________________ Firma del jurado
CONTENIDO
RESUMEN ... 6
OBJETIVOS ... 10
MARCO TEORICO. ¿QUë SABES DEL TRATAMEINTO MAGNÉTICO DE SEMILLAS? ... 1
RESUMEN ... 1
INTRODUCCIÓN ... 2
GENERALIDADES DE LA ESTIMULACIÓN MAGNÉTICA VEGETAL ... 4
VARIABLES BIOLÓGICAS ESTUDIADAS ... 6
VARIABLES BIOQUÍMICAS ESTUDIADAS ... 8
VARIABLES BIOFÍSICAS ESTUDIADAS ... 8
INTERPRETACIÓN DEL FENOMENO ... 9
ANÁLISIS DE LAS DOSIS MAGNÉTICAS REPORTADAS. ... 10
DENSIDAD DE FLUJO MAGNÉTICO ... 10
TIEMPOS DE EXPOSICIÓN ... 13
DISCUSIÓN ... 16
CONCLUSIONES ... 19
MARCO CONCEPTUAL. ... 20
CAMPO ELECTROMAGNÉTICO ... 20
CAMPO MAGNÉTICO ESTÁTICO. ... 20
FORMA DE GENERACIÓN DE CAMPO MAGNÉTICO ... 25
MATERIALES Y METODOS ... 29
CARACTERIZACIÓN DE LAS FUENTES MAGNÉTICAS. ... 29
EXPERIMENTOS DE GERMINACIÓN DE SEMILLAS TRATADAS MAGNETICAMENTE. ... 30
Material vegetal. ... 30
Estimulación magnética. ... 30
Siembra. ... 31
Pruebas de germinación. ... 33
Análisis estadístico de datos. ... 34
RESULTADOS ... 35
CARACTERIZACIÓN DE IMANES PERMANENTES ... 35
CARACTERIZACIÓN DE UN ELECTROIMÁN ... 37
Experimento I. Tratamiento de semillas de maíz (Zea mays L.) con campo magnético estático
homogéneo. ... 43
Experimento II. Tratamiento de semillas de maíz (Zea mays L.) con campo magnético estático homogéneo. ... 44
EXPERIMENTO III. TRATAMIENTO DE SEMILLAS DE MAÍZ (ZEA MAYS L.) CON CAMPO MAGNÉTICO ESTÁTICO CON GRADIENTE. USANDO OPTIMIZACIÓN BAYESIANA. ... 47
DISCUSIÓN GENERAL. ... 50
CONCLUSIONES ... 54
TRABAJO PROYECTADO ... 55
INDISE DE FIGURAS
INDICE DE FIGURAS
Figura 1 Tendencia de las publicaciones sobre tratamiento magnético de semillas por años. ... 3
Figura 2. Resultados más representativos de inducción magnética en las repuestas de variables biológicas, bioquímicas y biofísicas en vegetales. ... 12
Figura 3. Valores de Inducción Magnética eficientes en: a. Fabaceae. b. Poaceae. c. Solanacea ... 12
Figura 4 Tiempos de exposición significativos en vegetales ... 14
Figura 5 Tiempos de exposición efectivos en: Fabaceae, Poacea, y Solanaceae... 15
Figura 6 Representación de los momentos magnéticos netos en el ferromagnetismo y ferrimagnetismo. ... 24
Figura 7 Detalle del solenoide. ... 26
Figura 8 Descripción de la bobina de Helmholtz. ... 26
Figura 9. Imagen de electroimán de núcleos circulares. ... 28
Figura 10. a. Sistema de estimulación magnética de la muestra en el electroimán. b Gráfica de contorno de la variación de la densidad de flujo magnético en z = 0, con separación de 40.0 mm entre los núcleos del electroimán, operando con B nominal de 100.0 mT ... 31
Figura 11 a. Sistema de estimulación magnética de la muestra en imán toroidal radio externo de 5.00 cm y radio interno de 2.50 cm. b Distribución espacial de B en imanes circulares ... 31
Figura 12 Imagen del sistema de siembra de las semillas. ... 32
Figura 13. Distribución espacial de B en imanes cilindricos 𝑅𝑚=4.0 mm. a) B, b) 𝐵 (θ). ... 36
Figura 14. Distribución de B en un imán toroidal, B nominal 100.0 mT, con Rm=50.0 mm, rm = 20.0 mm y lm = 20.0 mm. a) 𝐵𝜌, b) 𝐵𝑧, c) B d) 𝐵. ... 36
Figura 15 Tendencia de la densidad de flujo magnético en función de la intensidad de corriente para el electroimán, variando la distancia de separación entre los núcleos. ... 37
Figura 16 Detalle de la distribución espacial de la densidad de flujo magnético para un electroimán, con separación de los núcleos de 6.0 cm y B = 100.0 mT en el centro. ... 38
Figura 18. Tendencia del volumen de trabajo en función de la separación de los núcleos para una homogeneidad de 98 % y una variación menor que 1.0 mT. ... 40 Figura 19. Tendencia de la temperatura en función del tiempo para un electroimán GMW 5403 operando a 400 mT, con diferentes métodos de refrigeración. ... 40 Figura 20. Distribución espacial de B. para una bobina de Helmholtz. a. Por mediciones. b. Por simulación. ... 41 Figura 21. Bobina de Helmholtz en 3D. Izquierda. Descripción de la distribución espacial de la densidad de flujo magnético. Derecha, volumen de trabajo. Elaboración propia. .. 41 Figura 22. Tendencia del volumen de trabajo en función del porcentaje de homogeneidad en un par de Helmholtz. ... 42 Figura 23. TMG en horas de los tratamientos magnéticos menores al del control. El asterisco indica diferencias con el control: **** (P<0,001) muy fuertemente significativo, *** (0,001<P<0,01) fuertemente significativo, ** (0,01<P<0,05) significativo y * (0,05<P<0,1) diferencias. ... 44 Figura 25. Respuestas de TMG y 𝐺𝑚𝑎𝑥 en función de la dosis de exposición magnética... 46
INDICE DE TABLAS
INDICE DE TABLAS.
Tabla 1. Características de los experimentos de tratamiento magnético de semillas maíz. N.I (no informado) ... 5 Tabla 2 Clasificación simple de los materiales. ... 24 Tabla 3. Valores de las dosis de estimulación magnética relacionando la densidad de flujo
magnético y el tiempo de exposición, para el experimento tipo I. ... 32 Tabla 4 Porcentaje de homogeneidad y variación absoluta de B en un volumen de 22.5 cm3 para
diferentes densidades de flujo magnético en un electroimán. ... 38 Tabla 5. Valores iniciales para optimización, seleccionados por el método de la latina. ... 48 Tabla 6. Tabla. Resultados de experimento optimizado, por optimización bayesiana. ... 49
RESUMEN
En este trabajo se presenta un análisis del sobre el tratamiento magnético de semillas, este análisis se da como base para plantear consideraciones que permitan fundamentar esta técnica como una herramienta de la bioingeniería aplicada a la producción agroindustrial. Para alcanzar este fin se estructuraron tres áreas de trabajo: en la primera se ha realizado una revisión del tratamiento magnético de semillas, tendiente a determinar cómo se definen las dosis de exposición magnética de material vegetal y la identificación de las falencias que esta técnica presenta en la actualidad. En la segunda se presenta un análisis experimental de las fuentes de campo magnético más usadas en la exposición magnética de semillas. Para contrastar la forma en la que se seleccionan las dosis de exposición magnética y cómo se están realizando las experiencias reportadas se efectuaron tres experimentos de tratamiento magnético de semillas, dos de estos se realizaron de la manera clásica y el tercero se desarrolló utilizando una herramienta bioinformática, fundamentada en optimización bayesiana. Se usaron semillas de maíz (Zea mays L.) variedad ICA V305 y siguieron los preceptos de la Organización Internacional para Investigación en Semillas (ISTA, por sus siglas en inglés).
Con el desarrollo las tres áreas de trabajo se determinaron cinco aspectos muy importantes: primero, que la selección de las dosis de exposición no presenta un sustento científico. Segundo, que un porcentaje muy alto de los trabajos reportados se han ejecutado con campos magnético con gradiente, y en el caso de los imanes toroidales son gradientes hasta de decenas de mT/mm. Tercero, que estos reportes presentan una relación causa efecto herrada, falencia generada por el desconocimiento de la distribución espacial del campo magnético. Cuarto, que con la aplicación de campo DC el factor que activa los mecanismos biofísicos y bioquímicos responsables de la activación de proceso biológicos es el gradiente de campo magnético. Y en última instancia se determinó que la aplicación de herramientas bioinformáticas permitirá definir dosis de exposición magnética en las que se tengan combinaciones de parámetros de entrada físicos y ambientales. Estos resultados permiten proponer que el tratamiento magnético de semillas es una herramienta con un alto potencial de uso en el mejoramiento de las condiciones de germinación establecimiento y producción de sistemas agroindustriales.
Los experimentos se realizaron en el laboratorio de campos electromagnéticos medioambiente y salud pública de la Universidad de Caldas. La estructuración y financiación del laboratorio y de todas las pruebas realizadas fue aportada por la Universidad de Caldas.
OBJETIVOS
Objetivo general.
Analizar la aplicación del tratamiento magnético de semillas como una herramienta de la bioingeniería con potencial uso en la agroindustria.
Objetivos específicos.
1. Analizar las formas en que se definen las dosis de tratamiento magnético para mejoramiento de semillas.
2. Analizar la viabilidad de los métodos actuales de tratamiento magnético de semillas como herramienta con uso agroindustrial.
3. Proponer herramientas para la determinación de dosis de tratamiento magnético de semillas basadas en aplicaciones de bioingeniería.
JUSTIFICACIÓN
A partir de investigaciones realizadas por diversos referentes teórico experimentales, se ha determinado que el tratamiento magnético de semillas puede generar: mayores tasas de germinación en menor tiempo, mejores condiciones de establecimiento de plántulas, mejoras en resistencia a condiciones adversas y aumentos en producción. Pero al analizar con detalle la manera en que se presentan los reportes, se encuentra que las condiciones experimentales han sido definidas de manera básica, sin considerar de forma apropiada el manejo de todas las variables que pueden afectar el experimento. Los diferentes experimentos reportados comparten la naturaleza de experimentación bajo el método de ensayo y error para la selección de los parámetros de entrada, perdiendo la capacidad de reproducibilidad de los resultados desde un enfoque de bioingeniería.
En la teoría sobre estimulación magnética a material biológico se plantean siete parámetros de entrada, que presentan 24 subdivisiones, para realizar las exposiciones y estas se pueden combinar entre si hasta formar 224 tratamientos, generando un conjunto de variables de entrada muy alto para investigar. Además, está el conjunto de variables de salida, que puede albergar parámetros de tipo bioquímico, biofísico y biológico, de los que el último grupo depende de cómo se comportan los parámetros de los dos primeros grupos.
La mayoría de los reportes solo se enfocan en la combinación de dos parámetros de entrada que son manejados en forma muy general, los dos parámetros son seleccionados de los tres siguientes: densidad de flujo magnético, tiempo de exposición o frecuencia del campo magnético. Dejando de lado en la mayoría de los experimentos la definición de características relevantes del campo magnético: el valor de la homogeneidad, de los gradientes, la polaridad, el contenido armónico, entre otros. Adicional a estos se descuidan consideraciones biológicas como el contenido de humedad de las semillas y ambientales como la humedad relativa, siendo estos dos últimos factores interdependientes. La superposición de estas condiciones de manera “inconsciente” hace que esta técnica tenga baja repetitividad y reproducibilidad y, que la explicación de los efectos observados no tenga una relación causa efecto apropiado.
La proposición de una metodología para la selección de las dosis de tratamiento magnético, aportará a la estructuración del tratamiento magnético de semillas como una herramienta de la bioingeniería al desarrollo de la agrotecnología y posicionará al grupo de investigación en Campos Electromagnéticos Medio Ambiente y Salud Pública y a las Universidades de Caldas y Tecnológica de Pereira como referentes en el tema de estudio a nivel nacional e internacional.
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1. MARCO TEÓRICO. ¿QUÉ SABES DEL TRATAMEINTO MAGNÉTICO DE SEMILLAS?
RESUMEN
Se presenta una revisión sobre el tratamiento magnético de semillas con el objetico de conocer el alcance o potencialidad que esta técnica de cebado de semilla tiene. Para esto se identificaron las variables de entrada y los parámetros que se miden como salidas del sistema tratado. Se analizaron los valores de dosis usados buscando determinar si hay una metodología de selección de dosis de tratamiento. La selección de artículos se definió en primera instancia por los que provienen de las revistas con mayor impacto sobre el tema de estudio, luego siguiendo las publicaciones que tuvieran los autores con mayor producción académica y por ultimo algunos que tuvieran información relevante. Las familias Fabaceae, Poaceae, Solanaceae, Asteraceae, Brassicaceae, Cucurbitaceae y Orchidaceae han sido estudiadas, buscando determinar el efecto de la estimulación magnética mediante la valoración de variables biológicas, bioquímicas y biofísicas. Las formas de aplicación del campo magnético (CM) han sido investigadas bajo la influencia de dos factores; densidad de flujo magnético (B) y tiempo de exposición. En variables biológicas se incluye la valoración de parámetros de germinación, desarrollo radicular, plántula, estructura foliar y productividad de la planta. En las variables bioquímicas se han analizado enzimas, metabolitos secundarios, proteínas, azucares, clorofilas y compuestos reductores u oxidantes. El estudio de las variables biofísicas se ha centrado en la absorción y adsorción de agua, conductividad de lixiviados y propiedades del pericarpio. Los resultados obtenidos han establecido respuestas favorables y significativas de la estimulación en un extenso grupo de variables respecto a los grupos control, pero se evidencian varias falencias que limitan la capacidad de definición de una herramienta de la bioingeniería tal como está siendo usada.
Key words: estimulación magnética, bioquímica, biofísica, densidad de flujo magnético, tiempo de exposición.
2
1.1 INTRODUCCIÓN
Para el 2014 el 80 % de los alimentos consumidos en Colombia era importado [1], contrastando con esta situación, la Organización de las Naciones Unidas para la agricultura, ubica a Colombia como uno de los siete países que conformarán la “canasta de pan” a nivel mundial para el 2050, cuando en el mundo se alcancen nueve mil millones de habitantes [2] [3], momento en el que la producción global de alimento debe aumentar en un 70 % y específicamente, en países en desarrollo como Colombia tendrá que duplicarse [4]. Este panorama condiciona a los profesionales que se desempeñan en investigación sobre ciencia e ingeniería a proponer nuevas técnicas de producción de alimentos o al menos potenciar las existentes. En este sentido se debe tener en cuenta el concepto de seguridad alimentaria y específicamente dos de sus siete pilares, planteados en la conferencia de Nyéléni en 2007, donde se propone en uno de ellos: se debe construir conocimientos y desarrollar habilidades con la comunidad y el otro pilar plantea que se efectué trabajo con la naturaleza. Se requieren sistemas de producción y distribución que protejan los recursos naturales y el medioambiente [1]. En esta línea la utilización de técnicas que involucran factores físicos es una alternativa importante para el desarrollo de la agricultura [5] [6] [7], dado que estos no generan contaminación ambiental, contrariamente a lo que sucede con los productos agroquímicos que son utilizados para fertilizar las cosechas, controlar las plagas y contribuir al desarrollo de sistemas agrícolas, pero con un costo ambiental muy alto [5], además, la configuración del tratamiento magnético de semillas por sus potenciales alcances cumple con varias de las metas sustentables de la Organización Mundial de las Naciones Unidas (ONU) [8].
De todos los organismos estudiados con la magnetobiología (estudio de los efectos del campo magnético en sistemas biológicos) las plantas tienen una representación significativa, dada la importancia económica y social de estas a nivel mundial. La utilización de técnicas que involucran factores físicos, comprenden la exposición de los sistemas vegetales a: láser [9, 10], ultrasonido, microondas, rayos gama [5] [7] [11], campo eléctrico [12], radiación ultravioleta-B y la combinación con campo magnético (CM) [13]. El estudio del efecto de la estimulación magnética en los sistemas vegetales, ha llamado la atención de una parte de la comunidad científica mundial relacionada con diversas disciplinas, desarrollando cientos experimentos y reportes que datan desde finales del siglo 19 [14], esto perfila el tratamiento magnético de semillas como una técnica con potencial capacidad de ser aplicada en sistemas de producción agroindustrial, esta idea está claramente sustentada en varias revisiones que se han publicado en los últimos 12 años [5] [6] [7] [15] [16] [17] [18] [14] [19]. El principal objetivo del tratamiento magnético de semillas es incrementar la producción o calidad en los cultivos, para esto se debe cuantificar su respuesta en especies vegetales y esa respuesta se reflejará en el desarrollo vegetativo. Actualmente el TMS es un tema que presenta auge para la investigación en varios países entre los que sobresalen por producción académica sobre TSM: España, India, Bulgaria, Irán, México, Polonia, Cuba, Turquía, Rusia, Pakistán, Egipto y en los últimos 10 años Colombia [20] [21] [22] [23] [24] [25]. En la Figura 1 se presenta el número de publicaciones por año, información que permite entender el interés que ha generado este tipo de tratamiento físico.
3
Figura 1 Tendencia de las publicaciones sobre tratamiento magnético de semillas por años.
Elaboración propia.
Respecto a la forma en la que se afronta el diseño de los experimentos de TMS, hay autores como Pfutzner y Valberg que plantearon, que para avanzar en la estandarización de los experimentos de estimulación magnética se debe detallar en la metodología la homogeneidad o el gradiente de la densidad de flujo magnético, entre otros parámetros [26] [27]; además, hay investigadores que proponen que la respuesta de los sistemas biológicos es dependiente de la homogeneidad del CM [28] [29], así como de la polaridad (norte o sur) [30, 31, 15]. Por ejemplo, en experimentos con phalaenopsis realizados con imanes de barra de sección transversal rectangular magnetizados a través del espesor, se halló que el polo norte tiene mayor efecto que el polo sur en la masa fresca total sin importar la densidad de flujo magnético y el tiempo de exposición [31], indicando que la respuesta de los sistemas expuestos es dependiente de la dirección del vector de campo magnético. Por otro lado, no se conoce hasta el momento cual es el grado de magnetosensibilidad de cada uno de los sistemas, lo que significa que aún no se puede especificar cuál es la mínima variación en la densidad de flujo magnético suficiente para generar cambios en las variables dependientes. Al respecto se encuentran reportes en los que cambios en la B, entre tratamientos de 0.8 mT, 3.0 mT y 6.0 mT, presentan diferencias significativas en las variables dependientes para semillas tratadas [32] [33] [34].
Adicional a lo propuesto por Pfutzner y Valberg, en 1996 Pietruszewski hace referencia a parámetros ambientales y a aspectos biológicos [35], luego él en 2007 incluye unos parámetros para la estimulación magnética, adicionando la presentación de variables fisiológicas y propiedades bioquímicas de las semillas [30].
Por lo mencionado anteriormente en este capítulo se presentará una revisión y análisis de los reportes sobre el tratamiento magnético de semillas (TMS), enfocándose en dos tópicos
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 N ° d e a rtículos p or añ o Años
Total
4
fundamentales que este tema alberga, ¿cuál es metodología con que se están definiendo las dosis para el tratamiento de material vegetal alimenticio? y ¿cuáles son los mecanismos de acción biofísicos y bioquímicos activados por la interacción onda-materia, para generar los efectos biológicos que se evidencian en las plantas germinadas de semillas expuestas?
1.1 GENERALIDADES DE LA ESTIMULACIÓN MAGNÉTICA
VEGETAL
El estudio del efecto del tratamiento magnético en vegetales se ha llevado a cabo, mayoritariamente in-vitro. Las familias Fabaceae, Poaceae, Solanaceae, Asteraceae,
Brassicaceae, Cucurbitaceae y Orchidaceae han sido objeto de análisis para determinar el
alcance que este tipo de estimulación física tiene en las semillas y para entender el efecto de su aplicación. Esto mediante la cuantificación de variables biológicas, bioquímicas y biofísicas. Estableciéndose respuestas favorables y significativas de la estimulación magnética en un extenso grupo de variables con respecto a los grupos control. Estos efectos se han estudiado en una amplia variedad de especies agrícolas destacando los estudios realizados con maíz, soja, tomate, trigo, plantas medicinales y ornamentales entre otras, ver [5] [6] [7] [14] [16] [17] [18] [19]. Dado que una de las especies que más se ha tratado es el maíz y que es tomado como un modelo en agronomía, en la Tabla 1 se presentarán las características de los reportes, en la que se evidencian algunas de las falencias que se presentan en el diseño experimental y en los informes que los investigadores presentan. El comportamiento que se evidencia para esta especie es similar al que se da para las otras.
En sistemas vegetales se ha evaluado el efecto del tratamiento magnético con campo magnético estático (DC), sea activo (bobinas, solenoides o electroimanes) [28] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50, 51] o pasivo (imanes permanentes) [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] y con campo magnético alterno (AC) [32] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70], siguiéndose tres formas generales de aplicación: I) Estimulación de semillas antes de la siembra (pre-tratamiento) [37] [62] [45] [56]; II) Estimulación de plántulas después de la germinación [71] [72];
III) Tratamiento magnético de agua de imbibición [73] [74] [75].
Sin embargo, existen algunas variaciones adicionales en estas formas de aplicación: estimulación de semillas imbibidas [45] [76], estimulación magnética del agua para riego de plantas [68] [77] [78], estimulación de pigmentos extraídos de hojas [79] y material vegetal sometido a estrés salino y después de estimulado [70]. Además, se han encontrado otras aplicaciones como la utilización del campo electromagnético para modificar el sabor de ciertos vegetales reduciendo su acidez [80]. Es importante resaltar que los reportes analizados en este trabajo corresponden mayoritariamente a pretratamiento magnético DC, siendo proporcionalmente menor el número publicaciones sobre el efecto de la estimulación magnética AC; a pesar que en los trabajos si se obtengan efectos significativos con esta forma de estimulación.
5
Tabla 1. Características de los experimentos de tratamiento magnético de semillas maíz. N.I (no informado) Variety Bfav (mT) f (Hz) texp (min) Source B Variation (%) Improvement Reference 11 CL-12 160 560 0 30
60 Coil N.I In germination processes [44]
N.I 150 0 10 N.I N.I
In germination processes and establishment of
seedling
[81]
N.I 50 0 Continuous Magnet N.I In the first ontogenetic
states [82] Ramda 125, 250 0 1, 10, 20, 60, 1440 Magnet NI In germination processes and establishment of seedling [83] Ganga Safed-2 100, 200 0 60, 120 Electromagnet 0.6% horizontal axis, 1.6% vertical axis In germination processes, root characteristics and establishment of seedling [84] Ganga Safed-2 100, 200 0 60, 120 Electromagnet 0.6% horizontal axis, 1.6% vertical axis
In the viability of stored
seeds [42] Ganga Safed-2 100, 200 0 60 Electromagnet 0.6% horizontal axis 1.6% vertical axis In germination processes and vigour of seedlings,
improvement in water absorption in phases II and
II of germination [41] HQPM-1 200 0 60 Electromagnet 0.8% horizontal axis 1.5% vertical axis In seedling characteristics
and chlorophyll content [51] San Jeronimo, San Jose, San Juan 480 0 3, 6, 9, 112, 15 Solenoid N.I
In the establishment of the
seedlings [43] AS722, HS2, CAZ 480 0 5, 10, 15 Solenoid N.I Changes in the characteristics of exposed seed [46]
San Jose 4 0 3 Solenoid N.I In the establishment of the
seedlings [45] 11, CL-12, CL-13, 1, CL-4, 60 60 7.5 Electromagnet N.I
In the vigour of the plant. The response depends on the genotype of the seed
[66] Golden cross Bantam T51 5 (r.m.s) 5, 10, 20, 40
2400 Electromagnet N.I In the growth of the root [85]
6
Las formas de aplicación del CM han sido abarcadas mayoritariamente tomando como parámetros de entrada para el tratamiento, densidad de flujo magnético y tiempo de exposición. Para los trabajos revisados, la efectividad de la estimulación magnética ha sido estudiada para rangos de B que van desde décimas de microtesla (nivel de campo geomagnético) [45] [65, 70] hasta cientos de militesla [36] [43] [44] [46] [86]. Identificándose cinco rangos principales de densidad de los campos magnéticos usados, estos los han propuestos entre otros Galland y Pazur [16] y Belyavskaya [15].
Campos magnéticos súper débiles o vacío magnético ( B < 100 nT) [15]
Campos magnéticos débiles estáticos homogéneos (100 nT -500 µT) [16, 15, 87] Campos magnéticos intensos estáticos homogéneos (mT a T).
Campos magnéticos intensos estáticos con gradientes (mT a T) [88] [89]
Campos magnéticos de frecuencia extremada baja (FEB) con densidad de flujo magnético bajo y moderado (cientos de µT) [63] [64].
Mientras los tiempos de exposición magnética han variado desde los segundos [38], minutos [32, 38] [45] [46] [47] [49] [61] [66] [69, 90, 91], horas [28] [32] [41] [44] [50, 56] [65, 84, 92], hasta exposiciones continuas o crónicas [31] [33] [54, 58] [93, 94, 95, 96].
A partir de estudios con CM súper débil y débil se ha demostrado que el campo geomagnético tiene un importante rol en el funcionamiento normal de las células de las plantas [52], deduciendo que los organismos biológicos son por naturaleza mayoritariamente diamagnéticos y el efecto de la estimulación magnética es reflejado en forma de estrés Broz
et al., 1980, citado por [97].
Las variables de salida pueden dividirse en tres grandes grupos: variables biológicas, biofísicas y bioquímicas, estando las dos últimas relacionadas con las biológicas como las precursoras de los cambios perceptibles. Cada uno de estos tres grupos está integrado por otras variables. Las respuestas significativas del efecto del TMS sobre las variables biológicas, bioquímicas y biofísicas obedecen en su conjunto, a una forma de visualizar los tratamientos idóneos. En los apartes siguientes se presentan las respuestas más relevantes para cada grupo revisado.
1.2 VARIABLES BIOLÓGICAS ESTUDIADAS
El estudio de variables las biológicas abarca cinco componentes de análisis, que han sido valoradas para la determinación del efecto en TMS. Estos son: parámetros de germinación, estructura radicular, estructura plántula, estructura foliar y las variables de la productividad de la planta
1.2.1 Parámetros de germinación
Estos parámetros están indicando como se da el proceso de emergencia de la radícula, es el factor que más se ha estudiado con relación al TMS. Las variables relacionadas con la germinación tienen mucha importancia si se analizan para especies que presentan bajas tasas de germinación, tardan mucho en germinar o para semillas viejas o que han sido almacenadas en frio. Al respecto la tasa de germinación (Gmax) ha sido estudiada en [32, 33] [36] [38] [39]
[40] [42] [43] [44] [45] [47] [50] [54] [56] [58] [65] [66] [76] [86] [90] [84] [94] [96] [98], índice de germinación [49], energía de germinación [49] [90, 98], velocidad de germinación
7
[36] [42, 84], el tiempo medio de germinación (TMG) [49] [54] [58] [61] [93, 94, 96] [99, 83, 100] y tiempos de germinación de las semillas: T1, T10, T25, T50, T75, T90, que indican en que momento ha geminado el (1, 10, 25, 50, 75, y 90) %, de las semillas respectivamente [49] [58] [93] [94] [96] [99, 83, 100], factor que está relacionado con el desarrollo de la semilla en cada una de las fases de germinación y que puede dar información acerca del proceso endógeno especifico que está siendo afectado.
1.2.2 Parámetros de las estructuras radicular, foliar y plántula
Las variables relacionadas con el efecto sobre la estructura radicular de las plantas que han sido estudiadas, se pueden segmentar así: longitud de raíz [33] [39, 42] [47] [61, 65, 69] [84] [99], masa seca de raíz [42, 69], masa fresca de raíz [69], número de raíces laterales [32]. En plantulas las variables analizadas son: longitud de la planta, plántula [32] [42] [49, 50] [59] [93] [61] [69] [90, 84] [94, 95] [101, 102, 103], al respecto Van et al., proponen que el mejoramiento en el crecimiento de la planta, cuando las semillas son tratadas magnéticamente, tiene como uno de los factores de regulación, la emisión de oxígeno (O2). Siendo esta emisión incrementada por la exposición a polaridad magnética sur [31]. Para masa seca de la planta [37] [31, 39, 42, 44, 47, 50, 66, 69, 84, 95] [102], masa fresca de planta [31, 47, 48, 57, 59, 69, 90, 81] diámetro del brote [91], longitud tallo [39, 59, 76, 94, 103], diámetro del tallo [47], índices de vigor [36, 39, 42, 45, 61, 84].
En la estructura foliar de las plantas se ha establecido el efecto de la estimulación magnética con la evaluación de variables como masa seca foliar [36, 43], área foliar [37, 38, 47] y acumulación de materia seca aérea [21].
1.2.3 Productividad
Finalmente, dentro de las variables biológicas, también se han publicado estudios validando los efectos de los campos magnéticos en el establecimiento de las plantas y productividad de las mismas. Para ello se han evaluado la proporción de plántulas establecidas [43, 44], número de vainas [37, 38], y rendimiento o productividad de semillas [37, 38, 91].
Ahora, buscando determinar qué mecanismos se han activado por la interacción del CM con la semilla, que permitan explicar porque se han dado los cambios biológicos presentados en el aparte anterior, los investigadores realizan diferentes mediciones de parámetros biofísicos o bioquímicos, que permitan indicar cuál es la causa subyacente generadora de los cambios biológicos. Es notorio que el estudio del efecto del tratamiento magnético de semillas, se ha direccionado principalmente a cuantificar variables generales del área de la biología y en menor proporción al análisis de variables biofísicas o bioquímicas, situación debida a que comparativamente las mediciones biológicas son menos exigentes que la valoración de parámetros biofísicos o bioquímicos. Estos últimos están direccionados a aportar en el entendimiento de que mecanismos de activación se han dado en las semillas tratadas.
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1.3 VARIABLES BIOQUÍMICAS ESTUDIADAS
Las variables bioquímicas valoradas en plantas, después de exponer las semillas a estimulación magnética, se han analizado para metabolitos primarios (azucares y proteínas) y metabolitos secundarios (pigmentos vegetales, compuestos reductores u oxidantes, aceites y minerales). Dichas variables se han estudiado en las familias Fabaceae [36, 48, 90, 104],
Poaceae [105, 39, 41, 45, 102], Asteraceae [42, 49, 91] y Cucurbitaceae [50].
Para Gemishev et al., el efecto del CM sobre iones como el Fe2+ y Cu2+ afecta los posibles precursores de los cambios en la actividad enzimática que regulan el metabolismo celular, mensajes funcionales y crecimiento celular. Estas afectaciones sobre enlaces de hierro con grupos SH son sugeridas por Aristarchov y colaboradores citado por Gemishev et al., en [28]. Para Majd et al., el hierro tiene un rol en el crecimiento de algunas plantas, como lentejas, debido a la presencia de células de ferritina en su estructura radicular dado que cada célula contiene de 4.500 átomos de hierro [32]. Además es sabido que este elemento ayuda a la formación de clorofila, mejorando el proceso fotosintético por aumento de la absorción de luz y reacciones químicas [21].
Otros autores, indican que respuestas de tipo químico se puede establecer por la implicación de las enzimas en reacciones de óxido-reducción con centros paramagnéticos, que eventualmente podrían justificar otros cambios bioquímicos [35], por ejemplo incremento de enzimas hidrolíticas que mejoran los procesos de germinación de semillas tratadas magnéticamente [42] o los cambios en la actividad de la citocromo oxidasa sugiriendo variaciones en la cadena respiratoria por acción magnética [28]. Indudablemente las alteraciones en las enzimas por acción magnética; ya sea por fenómenos de resonancia [32, 84], polarización química, propiedades paramagnéticas, entre otras; conducen a incremento en el desarrollo y crecimiento de los conductos vasculares (xilema y floema) [86], que conducirían a incrementos en índices de vigor y longitud de la plántula [45] y modificaciones en el contenido de clorofila [52, 55]. Entonces, dado que en semillas envejecidas artificialmente, por alteraciones de humedad y temperatura, disminuye la concentración de proteínas y la actividad enzimática; esta es una buena herramienta para semillas envejecidas y luego estimuladas, dado que Shine et al., reportaron que las proteínas se incrementan entre el 18-22% [48] de manera similar que para semillas no envejecidas [39]. Ahora, si se busca alterar la actividad enzimática en las plantas se debe tener en cuenta que para la definición de las condiciones experimentales Belyavskaya propone que esta activación depende de las diferentes orientaciones del CM [15], adicionalmente, Gemishev y colaboradores sugieren que posiblemente sea dependiente de la homogeneidad del CM [28].
1.4 VARIABLES BIOFÍSICAS ESTUDIADAS
El estudio de las variables biofísicas se ha centrado en valorar la absorción y adsorción de agua, conductividad en lixiviados, propiedades del pericarpio, entre otras; en las familias
Fabaceae [36, 92, 25], Poaceae [40, 41, 46, 81, 106, 107].
Respecto absorción y contenido de agua, en maíz, soja, lechuga y albaca blanca se observó que las semillas experimentan un leve aumento en la velocidad de absorción [41, 25, 107, 108]. Pero se debe resaltar que respecto a este aumento solo se han planteado diferencias significativas en los resultados de García y Arza [106, 107]. También, Vashisth y Nagarajan
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midieron la conductividad en lixiviados y variaciones favorables en la adsorción [40] de manera similar Majd et al., encontraron mejoras en la dinámica y estados de las moléculas de agua en la semillas tratadas en la etapa I de la germinación [32] resultados similares obtuvo Bhardwaj et al., con Cucurbitaceae [50].
Por otro lado, en relación a la activación de partículas de importancia biológica, hay reportes que se orientan a indicar que el estímulo magnético se puede relacionar con la activación iónica, polarización de dipolos en las células como lo proponen Johnson y Guy citados por Dhawi et al., en [18]. Estos efectos, pueden alterar las corrientes iónicas [32, 109], según simulaciones del efecto del CM estático homogéneo sobre las corrientes iónicas transmembrana en células, arrojando que estas son alteradas, promoviendo una variación en el potencial osmótico de la célula y acelerando un poco el transporte de agua hacia la célula [110].
Respecto a la alteración iónica, el 𝐶𝑎2+ es una de las partículas que más se reporta en la literatura, por efectos del CM sobre su comportamiento. Para Vashisth & Nagarajan una mayor concentración de calcio libre es generada por la interferencia en la captación de este ion, creando una señal del inicio del índice mitótico en la división celular [84] proceso que al aumentar, entre otras actividades desencadenadas posteriormente se manifiestan mediante los mecanismos de división celular que incrementan la masa de estructuras vegetales [31], también para Vásquez et al., este incremento en la concentración de calcio se asocia a la estimulación del desarrollo de tejido meristemático y en mejorar la rigidez de la membrana celular [104]. En tanto para Majd y colaboradores la exposición a CM presenta la capacidad de remover enlaces de calcio de la membrana celular, lo cual es esencial para el establecimiento de la membrana, así remociones significativas inducen, temporalmente la formación de poros bajo estrés mecánico establecido por la diferencia de presión a través de la membrana y abrasión por su movimiento [32]. Estas variaciones en las características de la membrana celular y funciones celulares como la expresión genética, la cuantificación del RNA mensajero, la biosíntesis proteica y la actividad enzimática son responsables de cambios fisiológicos inducidos por el CM se generan por variaciones [111].
1.5 INTERPRETACIÓN DEL FENOMENO
Algunos autores interpretan el tratamiento magnético de semilla de diversas maneras, química o física, pero algunos lo asumen como un fenómeno de transferencia de energía. Para esto se sustentan en varios modelos entre los que sobresale el planteamiento de Libof sobre la resonancia de ciclotrón del ion y el modelo de resonancia paramétrica propuesto por Ledney, como ha sido planteado en la revisión de Galland y Pazur en la que proponen que se podría considerar que los principales efectos de los campos electromagnéticos se generan por los mecanismos de resonancia mencionados y que tienen una probable acción en los cambios celulares de los organismos debida a alteraciones de la membrana, asociado con el transporte de iones de calcio [16] esto se da posiblemente porque la interacción incrementa la energía interna de las estructuras estimuladas en los sistemas biológicos [84], por lo que la transferencia de energía del campo magnético dentro de los tejidos vivos puede producirse cuando la frecuencia del campo es similar a la frecuencia de movimiento de resonancia de ciclotrón del ion [32]. Igualmente puede estar relacionada con el comportamiento del último momento magnético del spin de algunos átomos como el hierro que presenta un campo magnético externo y su composición crea un oscilador en el sistema el cual ejerce energía,
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luego amortigua y se localiza en la dirección del campo, la energía de relajación incrementa la temperatura interna [86]. Pero se debe hacer claridad en que estas interpretaciones solo aplican para tratamientos con campos alternos, no se debe asociar a experimentos con campo estático.
Para estructurar un panorama sobre cómo se han dado los experimentos serán presentados los valores de B, tiempo de exposición (texp) y frecuencia (f), con los que se tuvieron
respuestas favorables para las variables de salida presentadas en los apartes anteriores, dado que las variables biológicas se miden para valorar la favorabilidad del tratamiento y las otras para poder plantear una explicación sobre qué mecanismos se activaron, lo que plantea que las bioquímicas, biofísicas están relacionadas con las biológicas.
1.6 ANÁLISIS DE LAS DOSIS MAGNÉTICAS REPORTADAS.
Teniendo en cuenta que la dosis de exposición magnética de sistemas biológicos se configura por la interacción de B y texp y .que la densidad de flujo magnético presenta mayor influencia que el tiempo de exposición [23]. Se hizo una selección de los valores de densidad de flujo magnético usados y de estos los que fueron eficientes y se efectuó el mismo procedimiento para los valores de tiempo que se han reportado, buscando información para determinar cuál es la metodología de definición de estos dos factores que configuran la dosis.
1.6.1 DENSIDAD DE FLUJO MAGNÉTICO
Los valores de inducción magnética con resultados significativos en vegetales, según los reportes revisados presentan un rango de aplicación muy amplio (0.004 - 560) mT, Figura 2. Siendo los valores (250, 125 y 100) mT los que tienen un porcentajes de aparición mayor 17,7%, 16,5% y 12,7% respectivamente Figura 2. Pero es notorio que se presentan resultados positivos para especies de la misma familia con valores muy distantes y que niveles de inducción magnética se repiten para generar efectos positivos en familias diferentes. En Poaceae se encuentra un rango muy amplio desde 4 µT hasta 560 mT. En esta familia,
Zea may a 100 mT [39, 40, 41] registra los mejores resultados, seguido por 125 mT [54], 200
mT [39, 40, 41], 250 mT [54]. De manera similar en la familia Solanaceae, Solanum
lycopersicon L., también presenta un rango amplio de exposición con valores desde 3 mT
hasta 250 mT, con respuestas efectivas respecto a las variables analizadas, siendo las inducciones más representativas 5 mT y 10 mT [92], 125 mT y 250 mT [93] y específicamente plantas de arveja generadas de semillas estimuladas magnéticamente, presentando respuestas a dosis eficientes, con valores muy distantes, las densidades 125 mT y 250 mT [57, 59] resultan las más eficientes, mientras que con sólo un reporte se registran las densidades de (30 y 85) mT [38], (120 y 180) mT [69] ver Figura 3.
En Asteracea se establece que 100 mT es eficiente en caléndula sp [49] y Helianthus annuus L. presenta respuestas significativas con respecto al control son (50 y 200) mT [42] y 250 mT [42, 96].
En la familia fabáceae, con representación significativa en la estimulación de semillas, la especie Glycine max L. concentra la mayor frecuencia de dosis eficiente a 150 mT [36, 48, 90]. 200 mT [48] resulta ser eficiente, sólo se reportó en un estudio. Después de Glycine max
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L., Lens culinaris Med., presenta dosis eficientes de 125 mT [101], 150 mT [76] y 250 mT, con dos frecuencias para cada una. Mientras que 180 mT [86].
Respecto a la repetición de valores de inducción magnética igual para diferentes especies, se puede tomar como ejemplo la densidad de 125 mT con respuestas positivas sobre: Zea may L, Lens culinaris Med, Oriza sativa L. triticum aestivum, L. avena sativa L. y solanum
12 0.004 mT1.41 mT 2.7 mT 3 mT 4.5 mT 5 mT 7 mT 10 mT 25 mT 30 mT 45 mT 50 mT 60 mT 80 mT 85 mT 100 mT 120 mT 125 mT 150 mT 160 mT 180 mT 200 mT 250 mT 480 mT 560 mT 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 P orcentaj e Densidad magética
Figura 2. Resultados más representativos de inducción magnética en las repuestas de variables biológicas, bioquímicas y biofísicas en vegetales.
30 mT 50 mT 85 mT 100 mT 120 mT 125 mT 150 mT 180 mT 200 mT 250 mT 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Fr ecu en cia Flujo Magnético Arveja Glycine max L. Haba Lens culinaris, Med. Cicer arietinum L. Fabaceae 0.004 mT 5 mT 10 mT 50 mT 100 mT 125 mT 150 mT 200 mT 250 mT 480 mT 560 mT 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Fr ecu en cia Flujo Magnético Zea mays Oryza sativa, L. Triticum aestivum, L. Avena sativa, L. Poaceae 3 mT 5 mT 10 mT 25 mT 100 mT 125 mT 150 mT 250 mT 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 F r e c u e n c ia Flujo Magnético
Tomate (Lycopersicon Solanum L.) Tabaco (Nicotiana tabacum, L.)
Solanaceae
a. b. c.
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1.6.2 TIEMPOS DE EXPOSICIÓN
Los tiempos de exposición que han sido combinados con diferentes valores de inducción magnética en TMS han influido de manera relevante en las respuestas de las variables de análisis desde segundos hasta exposición continua. La bibliografía propone que los texp
magnética continúa y 24 h son los más efectivos en las respuestas de las variables biofísicas, bioquímicas y biológicas estimadas en diferentes plantas. Teniéndose que el 21.8% de los resultados positivos reportados con respuestas significativas en diferentes plantas corresponde a exposición continua y el 16.7% a tiempos de 24 h. Sin embargo un amplio rango de tiempos de exposición son determinados relevantes en respuestas efectivas del efecto del CM en especies de diferentes familias estudiadas en vegetales. El comportamiento de esta variable es similar al que se expuso sobre la densidad de flujo magnético, respecto a los rangos amplios para la misma familia y a la repetición de valores favorables para diferentes especies.
Los rangos de tiempos de exposición efectivos en fabáceas abarcan el rango desde los segundos (15 s) hasta exposición crónica, en Poaceae de manera igual que en Solanaceae, las respuestas de las variables de análisis se encuentran entre 1 min hasta exposición continua,. Para Asteracea los tiempos de exposición reportados como efectivos son 3 min en Calendula sp. [49], en girasol (Helianthus annuus L.) 120 min [42] y 1.440 min (24 h) [96].
En arveja (Pisum sativum L.) los texp de mayor representatividad son 1.440 min y continuo
[57, 59]. Este mismo comportamiento se presenta en soja (Glycine max L.), pero con tiempo efectivo 60 min [36, 48]. En frijol (Phaseolus vulgaris L.), respuestas significantes se presentan con tiempos de exposición de 10 min [104] y continua [33], mientras que en Garbanzo (Cicer arietinum L.) tiempos eficientes son de 60 min y 120 min [84]. Para las plantas de lenteja (Lens culinaris, Medik.) tiempos de exposición magnética eficientes en las respuestas de las variables valoradas se presentan con 5 min [84], 6 min, 9 min [76], 1.440 min y continua [101]. En Medicago sativa L. los mejores tiempos para exponer material vegetal a inducción magnética son 1440 min y continua [83], mientas que en haba (Vicia
faba L.) solo se registra el tiempo de 15 s [37].
En Poaceae los tiempos de exposición significativos en las respuestas de las variables de análisis se encuentran entre 1 min hasta exposición continua. En maíz (Zea mays L.) los tiempos eficientes se pueden consultar en la tabla1 y Figura 5, siendo los tiempos de 15 min, 60 min, 120 min, y continua los que registran mayores porcentajes (3,85% para 60 y 120 min y 2,56% para 15 min y continua) para todos los tiempos eficientes reportados en el presente estudio en diferentes especies.
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0.25 min 1 min 3 min 5 min 6 min 7.5 min 9 min 10 min 15 min 20 min 30 min 60 min 120 min 360 min 480 min 1440 min2880 min Continua 0 5 10 15 20 P orcentaj e Tiempo de Exposicion Figura 4 Tiempos de exposición significativos en vegetales
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0.25 min 5 min 6 min 9 min 10 min 15 min 60 min 120 min 360 min 1440 min Continua
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Porc ent aje Tiempo de Exposiciَ n
Arveja (Pisum sativum L.) Frijol (Phaseolus vulgaris L.) Garbanzo (Cicer arietinum L. ) Haba (Vicia faba L.) Lenteja (Lens culinaris, Medik.) Medicago sativa L. Soja (Glycine max L.)
Fabaceae
1 min 3 min 7.5 min 10 min 15 min 20 min 30 min 60 min 120 min 480 min 1440 min 2880 min Continua 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Porc ent aje Tiempos de Exposicion
Arroz (Oryza sativa L.) Avena (Avena sativa,L.) Cebada (Hordeum vulgare L.) Lolium perenne (Schreb.) Maiz (Zea mays L.)
Pasto (Festuca arundinacea Schreb.) Trigo (Triticum aestivum L.)
Poaceae
1 min 5 min 10 min 15 min 20 min 30 min 1440 min 2880 min Continua
0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 Porc ent aje Tiempo Exposicion
Tabaco (Nicotiana tabacum, L.) Tomate (Solanum lycopersicum L.)
Solanaceae
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1.7 DISCUSIÓN
Para avanzar en el entendimiento de la forma de aplicación del tratamiento magnético de semillas (TMS), en primera instancia se abordó el análisis de las revisiones más referenciadas, encontrando que para tener una apreciación del desarrollo cronológico del TMS, los documentos de Maffei [17] y, Pietruszewusky y Martínez [14] son buenos referentes.
Por otro lado, varios autores abordan el análisis del tema planteando una división de los resultados dependiendo de los niveles de densidad de flujo magnético; así, Galland y Pazur [16], presentan una trabajo en el que los resultados son divididos en cuatro grupos dependiendo de los niveles de densidad de flujo magnético y adicionan un grupo para los experimentos en AC con frecuencia extremadamente baja (FEB), de manera muy similar Maffei agrupa los reportes, realizando una diferenciación muy clara de los efectos del CM dependiendo de la densidad de flujo magnético, pero no la hace en función de la frecuencia. Estas dos revisiones toman rangos en los que predominan los campos magnéticos intensos, pero Belyavskaya en 2004 [15] realiza un análisis del efecto del campo magnético dedil sobre el desarrollo de las plantas. Pero en términos generales todas las revisiones apuntan a agrupar las respuestas biológicas, biofísicas y bioquímicas en función de los niveles de inducción magnética. También se busca estructurar una idea de porqué el estímulo magnético puede mejorar el desarrollo de las plantas, respecto a esa motivación todas las revisiones aportan algo, pero en este sentido Dhawi en 2014 [18] realiza de manera clara un acercamiento diferente a este cuestionamiento.
En el trabajo de Pietruszewski y Martínez [14] se aborda un factor de suma importancia para configurar esta técnica como herramienta de la bioingeniería; la dosis de exposición magnética, ellos plantean la forma en la que se deben presentar las dosis de exposición pero no ahondan mucho en este factor que es preponderante a la hora de diseñar y reportar los experimentos. También plantean que el efecto del TMS puede ser estudiado usando la cinética de germinación por medio de la función logística y la ecuación de Malthus-Verhulst. Se analizan diferentes resultados expuestos relacionados haciendo dos divisiones principales, experimentos con CM DC y con AC, para de diferentes variables biológicas de salida. Varias de estas revisiones presentan poca discusión que sobre las deficiencias metodológicas se presentan en la mayoría de los reportes existentes. Pero, Galland y Pazur más allá de presentar los resultados expone una discusión en la que plantean algunas deficiencias que ellos encuentran en el manejo de la exposición magnética: “dada la heterogeneidad de especies y de material vegetal, además de los variados protocolos citados en la literatura, no es ninguna sorpresa que algunas de estas investigaciones han producido resultados contradictorios, además de esa heterogeneidad, la falta de un modelo físico así como de protocolos estandarizados para el tratamiento del material vegetal, hacen prácticamente imposible encontrar un denominador común que no sea el deseo de mejorar la cosecha”. En este sentido al contextualizar el análisis de las publicaciones estudiadas en función de los dos cuestionamientos principales que esta revisión plantea, es evidente que un número representativo de investigaciones dirigidas al estudio del efecto de la estimulación magnética en vegetales es certero respecto a la existencia de respuestas positivas de carácter biológico, biofísico y bioquímico generado por la interacción del CM con los sistemas vegetales, en función del tiempo de exposición y densidad de flujo magnético, principalmente. Aunque los efectos generales por la estimulación magnética son bien definidos, es frecuente encontrar en
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las publicaciones desconocimiento sobre las características espaciales del CM según la fuente usada, como se evidencia en la tabla 1, además de la exactitud de la forma de interacción de las ondas magnéticas en los sistemas biológicos, debido tanto por la novedad del tema como por su complejidad en el seguimiento y análisis. Dado esto, Teixeira Da Silva y Dobránszki [19], proponen que: “los efectos generados por el tratamiento magnético de semillas depende del tipo de imán, la intensidad, la polaridad y la orientación del CM, además del tiempo de exposición”, pero pierden de vista que todas los parámetros mencionados son dependientes del tipo de fuente magnética y de la forma de manejo que el experimentador realice, cuestiones que repercuten en el valor de dosis de exposición. Respecto a la forma en que el campo magnético se caracteriza espacialmente, este tema se desarrollará en el capítulo cuarto.
Es notorio el esfuerzo que se ha realizado en el sentido de valorar el comportamiento de diferentes variables de tipo biofísico y bioquímico, dado que la mayoría requieren de equipo muy especializado y son pruebas costosas. Pero estos resultados en su mayoría carecen de relación causa efecto, pues dado el precario manejo del campo magnético para las diversas fuentes, no se conoce de manera fehaciente el valor de la dosis de exposición; pues en imanes y electroimanes los gradientes de campo magnético llegan a superar el 100 % (ver capítulo 4). El desconocimiento de los fuertes gradientes de campo magnético que se presentan en los imanes, especialmente en los toroidales, es una limitante notoria que se visualiza en los reportes revisados, dado que esta puede ser la variable que está generando la activación de los mecanismos biofísicos y bioquímicos que inicial las respuestas biológicas perceptibles. También es desestimado el calentamiento generado por los electroimanes, factor de ruido adicional al experimento, solo en dos artículos se presenta el valor de la temperatura pero no se define un mecanismo para atenuar esta variable adicional sobre las semillas.
Una de las cuestiones más delicadas al momento de valorar los efectos de la exposición de material biológico al CM, tiene que ver con la definición de tratamiento o dosis. En términos fisiológicos, una dosis es una cantidad de un agente o producto que recibe un organismo en un tiempo determinado; esto está perfectamente definido para algunas sustancias químicas, pero con los CM no es tan simple, por lo que su determinación plantea uno de los principales retos de la agrofísica. La dosis es el factor más importante en el diseño de este tipo de experimentos a la hora de producir un efecto benéfico sobre las plantas ya que la densidad de flujo magnético tiene una gran importancia en las respuestas del sistema biológico. Respecto a cómo se ha realizado la selección de la dosis de exposición en la literatura revisada, es notorio un denominador común: no haya un patrón científicamente soportado respecto a la forma en la que los experimentadores han realizado la selección de los parámetros de entrada (dosis), esta selección se realiza por la efectividad en las respuestas encontradas en los reportes revisados por los experimentadores y adicionalmente, a la facilidad que tenga cada investigador para adquirir las fuentes de CM con que se aplica el tratamiento. Excepto para los trabajos en los que el factor prioritario es la frecuencia y el valor de esta se define por medio de la frecuencia natural del ion que se desee afectar siguiendo el modelo de la resonancia de ciclotrón del ion [63]. Y un solo trabajo en el que se define el valor de la densidad de flujo magnético realizando el cálculo que determina el valor de B que al superponerse al campo geomagnético genera la oscilación de una molécula de ferritina, por medio del modelo para un oscilador armónico [112].
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Al analizar los valores de B y de tiempo de exposición más eficientes, es notorio que no existe una relación lineal del efecto inducido por la estimulación magnética y el periodo de exposición de la misma, además de la deficiente estructuración metodológica en la que generalmente desconocen factores de exposición o son reportados de manera incompleta, aunado esto da como resultado que el patrón de comportamiento del fenómeno esté oculto. También es notorio que el mismo valor puede afectar diferentes familias o especies, cobrando gran importancia el resultado encontrado por el grupo de Hernandez et al., adscritos al politécnico nacional de México, que al realizar experimentos con diferentes genotipos de maíz, encontraron que hay respuestas favorables para muchas especies y propusieron que la respuesta del tratamiento magnético no solo depende del valor de la dosis determinada sino del genotipo de la planta, [113] y de la estructura química de la semilla [114]. Planteando esto que no solo es importante el valor de la dosis de exposición magnética, además se deben considerar otros parámetros endógenos y exógenos al sistema biológico, pues la respuesta del sistema a cada dosis cambia dependiendo de factores propios de las semillas, además de que existen variaciones en las características del CM y la forma en la cual se aplica el tratamiento, pues debe existir una o varias combinaciones de parámetros de exposición, específicas para las cuales se advierte un efecto positivo.
Otra falencia que se evidencia en muchos casos, es que se realizan análisis de los resultados con tratamientos en DC soportándolos con explicaciones de otros reportes de experimentos realizados con AC. Desconociendo que la densidad de energía del campo magnético en AC es el doble de la densidad de energía en DC.
Por lo anterior, es evidente que el tratamiento magnético de semillas es una técnica que más allá de todos los reportes favorables para las variables estudiadas presenta, se encuentra en etapa de investigación, dado que hay falencias que no permiten que los experimentos permitan repetibilidad y reproducibilidad. Estas limitaciones son:
• Se evidencia en la mayoría de los experimentadores que no hay un conocimiento claro de las características inherentes al campo magnético generadas por cada tipo de fuente magnética.
• No hay una propuesta de metodología de exposición magnética unificada, que asegure el control de los parámetros relacionados con el proceso.
• Se desconoce la forma de seleccionar la o las dosis óptimas para el tratamiento de semillas.
• No hay una identificación amplia de los factores físicos, exógenos y endógenos que afectan el fenómeno y la relación entre estos.
• Los experimentos que se reportan son de tamaño muy pequeño la mayoría no llegan a 12 dosis.
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1.8 CONCLUSIONES
El desconocimiento de las características espaciales del campo magnético hace que se cometan errores determinantes en análisis de los resultados, conduciendo esto a faltas en el análisis de la relación causa efecto. Lo que plantea errores en los futuros trabajos que se basan en los trabajos anteriores en los que la metodología fue deficiente o mal reportada.
La continuidad de los experimentos de la manera clásica, en la que solo se tienen en cuenta dos parámetros de entrada (𝐵 𝑦 𝑡𝑒𝑥𝑝), para una frecuencia fija sea DC o AC, desconociendo que puede haber combinaciones de estas variables con otras que optimicen la respuesta de la semilla para volúmenes de agua y temperatura de siembra, no es una forma dinámica de trabajo. Se deben asociar herramientas bioinformáticas, para realizar experimentos que amplíen la evaluación para más de dos parámetros de entrada y de salida.
Los efectos de la estimulación magnética, regulados principalmente por la densidad de flujo magnético y el tiempo de exposición no presentan un patrón de comportamiento determinado. Por lo que se deben diseñar experimentos con procedimientos sistemáticos que presenten conocimiento de las características espaciales del campo magnético para cada fuente seleccionada y con barridos amplio de densidad de flujo magnético.
El pretatamiento de semillas con estimulación magnética presenta un alto potencial en el mejoramiento productivo y del desarrollo de las plantas, principalmente de interés comercial. Para que este tratamiento se configure como una herramienta aplicable a la producción agroindustrial se debe trabajar en el fortalecimiento de las debilidades experimentales existentes.
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2. MARCO CONCEPTUAL.
2.1 CAMPO ELECTROMAGNÉTICO
En el universo que percibimos, conocemos la existencia de cuatro variedades de fuerzas básicas: gravedad, electromagnetismo y dos tipos de fuerzas nucleares la débil y la fuerte.
“En el nivel atómico, la fuerza dominante es el electromagnetismo, que retiene a los electrones junto al núcleo y permite que los átomos se combinen entre sí para formar moléculas. La mayor parte de las fuerzas ¨cotidianas¨, como la tensión de un cable o la presión de un objeto contra otro, son ejemplos a gran escala de las fuerzas electromagnéticas” [115]. Por esto todas las manifestaciones de la vida sobre el planeta tienen su origen en la fuerza electromagnética.
Desde un enfoque matemático resumido y generalizado de los trabajos experimentales de Faraday, Gauss. Ampere y Lorenz las ecuaciones (1) a (4) describen la teoría electromagnética y se denominan como las ecuaciones de Maxwell, en forma diferencial. En las que 𝑬 es la intensidad de campo eléctrico dada en volt por metro (𝑉 𝑚⁄ ) y 𝑩 es la inducción magnética, dada en tesla (𝑇), estas son magnitudes vectoriales reales que se expresan en función de las tres variables espaciales y de la variable temporal; es decir 𝑬 = 𝐸(𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡) 𝑦 𝑩 = 𝐵 (𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡).
∇ ∙ 𝐸 = 𝜌 𝜀0 (1) ∇ × 𝑬 = −𝜕𝑩 𝜕𝑡 (2) ∇ ∙ 𝐁 = 0 (3) ∇ × 𝐁 = 𝜇0𝜖0 𝜕𝑬 𝜕𝑡 + 𝜇0 𝑱 (4)
En las que 𝜀0 es la permitividad del vacío dada en (F/m), la constate 𝜇0 es denominada permeabilidad magnética del vacío y tiene valor de 4𝜋 ∗ 10−7 𝑉𝑠 𝐴𝑚⁄ y 𝑱 es la densidad de corriente [𝐴 𝑚⁄ 2], la cual debe ser constante para que se produzca un campo magnetostáticos. Se debe tener en cuenta que 𝑉𝑠 𝐴𝑚 ≡ 𝑇 𝑚 𝐴⁄ ⁄ .
2.2 CAMPO MAGNÉTICO ESTÁTICO.
La fuente del campo vectorial magnetostáticos es una carga eléctrica en movimiento sin aceleración (corriente eléctrica constante). Para explicar el fenómeno magnetostático se utilizan dos de estas ecuaciones (3) y (4), correspondientes a la ley Gauss para el magnetismo y la ley de Ampère-Maxwell, dadas en forma diferencial para el espacio vacío, se configuran como esta en (5) y (6).
∇ ∙ B = 0 (5)
∇ × 𝐁 = 𝜇0 𝑱 (6)
La ecuación (5) expone la no existencia de monopolos magnéticos aislados, debido a que la densidad de flujo magnético a través de una superficie cerrada es igual a cero, la ecuación (6) establece que una corriente constante genera una circulación de campo magnético estático.
21
Se debe realizar una distinción entre tres variables que describen el campo magnético: intensidad de campo magnético (𝑯), densidad de flujo magnético (𝑩) y magnetización (𝑴); las cuales pueden llegar a crear confusión en la comprensión de los fenómenos magnéticos.
La intensidad de campo magnético tiene unidades de A/m en el sistema internacional de unidades o de Oersted (Oe) en el sistema CGS (1 𝐴 𝑚⁄ ≡ 4𝜋 ∗ 10−3 𝑂𝑒) y se puede definir como:
1 𝑂𝑒 = 1 𝑙í𝑛𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑐𝑚2
esta se puede tomar como una fuerza magnetizante y se le considera como “fundamental”, pues el efecto de este campo en un material magnético es producir una magnetización 𝑀, que presenta una relación lineal con la intensidad de campo magnético, 𝑀 = 𝜒𝑚𝐻, donde la magnitud 𝜒𝑚 es la susceptibilidad magnética del material.
La magnetización también se puede expresar en función del momento magnético (𝑚) por unidad de volumen como:
𝑀 = 𝑚
𝑣 (7)
Cuando un material es situado en la presencia de un campo magnético este se magnetiza y la fuerza de esta magnetización depende de la intensidad del campo magnético y de las características del material. La densidad de flujo magnético es el resultado de la adición de las líneas de fuerza debidas al campo aplicado 𝐻, y la magnetización 𝑀 que es creada por 𝐻 en el material; el resultado es un campo inducido 𝐵, útil dado que cambios en este generan voltajes según la ley de Faraday [116]. La densidad de flujo magnético se expresa mediante la siguiente ecuación.
𝐵 = 𝜇0(𝐻 + 𝑀) (8)
𝑩 = 𝜇0(𝑯 + 𝜇0 𝜒𝑚 𝑯) (9)
𝑩 = 𝜇0(1 + 𝜒𝑚) 𝑯 (10)
De la ecuación (10) se desprenden dos elementos importantes, la permeabilidad propia de los materiales (𝜇) y la permeabilidad relativa entre esta última y la del vacío (𝜇𝑟).
𝜇 = 𝜇0(1 + 𝜒𝑚) (11)
Donde 𝜇𝑟 = (1 + 𝜒𝑚), entonces la relación queda como en (12).
𝜇 = 𝜇𝑟 𝜇0 (12)
Para el espacio vacío la expresión puede plantearse como: 𝑩 = 𝜇0𝑯
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2.2.1 Energía asociada al campo magnético
Un importante parámetro relacionado con el campo magnético, es la densidad de energía que este presenta en un espacio determinado, medida en 𝐽 𝑚⁄ 3. Se puede llegar a una expresión para la densidad de energía de un campo magnético estático en medios lineales, a través de la ecuación (13).
𝜌𝐷𝐶 = 𝐵 𝐻
2 (13)
Para medios lineales e isótropos, la ecuación (13) se reescribe como [117]:
𝜌𝐷𝐶 = 𝜇0𝐻2 2 =
𝐵2 2 𝜇0
(14)
En tanto para campos oscilatorios, se debe tener en cuenta que el valor medido por el teslámetro 𝐵𝑚 es un valor r.m.s, por lo que el valor pico es √2 𝐵𝑚 generando que la densidad de energía magnética en AC (𝜌𝐴𝐶) sea el doble de la DC como se expresa en (15):
𝜌𝐴𝐶 = 𝐵2
𝜇0 (15)
Para acercarse al entendimiento de donde surge el campo magnético y la interacción de este con la materia, es vital el concepto de momento magnético.
2.2.2 Momento magnético (m)
Los electrones tienen dos comportamientos asociados, el orbital y el de spin, y cada uno tiene un momento magnético relacionado. Desde un punto de vista semiclásico, se puede tomar que los electrones tienen una órbita circular alrededor del núcleo atómico, teniendo asociado un momento magnético orbital, el cual se define como:
𝑚 = (𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒) ∗ (Área del circuito)
el termino de corriente, se entiende como la magnitud producida por el movimiento del electrón en una órbita circular (circuito). Donde 𝑚 es una cantidad vectorial dada en 𝐴𝑚2, cuya dirección es perpendicular al plano de la órbita. Utilizando la teoría atómica de Bohr y su definición del momento angular, se llega a la expresión para el momento magnético orbital, dada para la primera órbita de Bohr, (16):
𝑚0= 𝑒ℎ
4𝜋𝑚𝑒 (16)
siendo 𝑒, 𝑚𝑒 𝑦 ℎ, la carga, la masa electrónica y la constante de Planck, respectivamente. El spin, se puede visualizar como si los electrones estuvieran girando sobre su propio eje en algún sentido, y asociado a esta rotación, está definido el momento magnético de spin (𝑚𝑠), con dirección paralela al eje de rotación; se ha encontrado teórica y experimentalmente que se expresa por medio de la relación:
𝑚𝑆 = 𝑒ℎ
