Избирательность воздействия микроволнового поля на микроорганизмы

УДК 579.222

П. П. Крыницкий, М. А. Поливанов, П. П. Суханов, А. Ю. Крыницкая, С. В. Василенко

ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ МИКРОВОЛНОВОГО ПОЛЯ НА МИКРООРГАНИЗМЫ

Ключевые слова: ЭМП КВЧ, дрожжи, бациллы, метаболизм.

Исследовано влияние электромагнитных полей крайне высоких частот нетепловой интенсивности на характеристики роста хлебопекарных дрожжей Saccharomyces cerevisiae 509 и микробной культуры Bacillus subtilis D26 в широком диапазоне изменения частот (от 56,2 до 61,2 ГГц). Определены характеристические частоты, позволяющие значительно повысить физиологическую активность дрожжей и бацилл, а также рассмотрены закономерности их отклика на электромагнитное воздействие в изученном диапазоне частот. На основе сравнительного анализа действия ЭМП на микробные культуры, принадлежащие к различным таксономическим группам, сделан вывод о каскадном характере отклика микробных клеток на действие КВЧ. Большое значение в формировании отклика имеет вода

Keywords: EMF EHF, yeast, bacilli, metabolism.

The influence of electromagnetic fields of extremely high frequencies of non-thermal intensity on the growth characteristics of Baker's yeast Saccharomyces cerevisiae 509 and microbial culture of Bacillus subtilis in a broad frequency range (from 56,2 to 61,2 GHz). Determined the characteristic frequency, can significantly increase the physiological activity of yeast and bacilli, as well as the patterns of their response to the electromagnetic effect in the studied frequency range. Determined the characteristic frequency, can significantly increase the physiological activity of yeast and bacilli, as well as the patterns of their response to the electromagnetic effect in the studied frequency range. Based on the comparative analysis of the effect of EMFs on microbial cultures belonging to different taxonomic groups, the conclusion about the cascading nature of the response of microbial cells to the action of EHF. Great importance in shaping the response

Введение

Традиционно для повышения физиологической активности микроорганизмов используются стимуляторы, прежде всего, химической природы. В то же время исследования последних лет продемонстрировали высокую эффективность воздействия отдельных частот электромагнитного поля (ЭМП) мм диапазона (крайне высоких частот (КВЧ)) нетепловой интенсивности на рост и выделение продуктов метаболизма микроорганизмами [1]. В этой связи в данной работе рассматривается влияние низкоэнергетического микроволнового поля на метаболизм бактерий и дрожжей в широком диапазоне электромагнитных полей крайне высоких частот. Бактерии и дрожжи относятся к различным таксономическим группам, в первую очередь, на основе различия их строения. Дрожжи относятся к эукариотическим организмам, в то время как бациллы - прокариоты. Целью работы являлось сравнение полученных экспериментальных данных для этих организмов для выявления особенностей и общих закономерностей действия на них ЭМИ КВЧ. Это может позволить сформулировать общую модель влияния ЭМП КВЧ диапазона на микроорганизмы.

Экспериментальная часть

В качестве объектов исследования были использованы хлебопекарные дрожжи Saccharomyces cerevisiae 509 и бактерии Bacillus subtilis D26.

Погружное культивирование микроорганизмов осуществляли периодическим способом, а также непрерывным бистатным методом [2]. Исследования проводились как с использованием модельных систем на основе среды Сабуро, так и на производственных средах, содержащих мелассу.

Концентрацию биомассы анализировали турби-диметрическим методом и методом мембранных фильтров. Содержание глюкозы определяли глюко-зооксидазным и сернокислотным методами. Активность ферментных систем микроорганизмов проводили с использованием описанных ранее методик

[3].

Обработка исследуемых культур ЭМП КВЧ проводилась с помощью генератора электромагнитного поля Г4-142 с выходной мощностью 100 мВт/см2. Расстояние между рупором генератора и объектом составляло 15 см. Обработка культуры проходила в диапазоне от 56,2 до 61,2 ГГц с шагом 0,2 ГГц. Время экспозиции составляло 5 минут.

Результаты и их обсуждение

На рис. 1 представлены данные, характеризующие прирост биомассы дрожжей Saccharomyces cerevisiae от частоты ЭМП.

* 140

S

о 80

о

* s й' й' й' й's й' й' 00 00 1/1 стГ стГ О О 10 «Ч «Ч IN IN 10 ГО lg g J 10 [J Частота, ГГц S S § ^

Рис. 1 - Влияние частоты ЭМП КВЧ (ГГц) на выход биомассы Saccharomyces cerevisiae 509 (% к контролю); 100% - контрольный уровень

Как можно видеть, зависимость носит сложный полиномиальный характер и имеет несколько выраженных экстремумов.

Частота выявления экстремумов повышается по мере продвижения в более высокочастотную область. Однако величина экстремумов снижается. Максимум наблюдается в области 60-61 ГГц.

Оптимальные частоты, при которых наблюдается наибольший прирост биомассы дрожжей, лежат в диапазоне 60-61 ГГц. Следует отметить, они довольно близки к собственным частотам поглощения ЭМП КВЧ водой, хотя и несколько отличаются от них. Вероятно, это логично, учитывая, что биологические организмы до 90 % состоят из воды.

Для бацилл сглаженная зависимость концентрации биомассы от частоты обработки в диапазоне 56,2 ^ 61 ГГц (рис. 2) имеет не только резонансопо-добную, как у дрожжей, но и синусоподобную форму. При этом абсолютный максимум прироста биомассы через 24 часа наблюдается при частоте 60,8 ГГц и составляет 150% от контрольного уровня [4].

* 140

S

о 80

о

Частота, ГГц

Рис. 2 - Влияние частоты ЭМП КВЧ (ГГц) на выход биомассы Bacillus subtilis (% к контролю) через 24 часа культивирования; 100 % - контрольный уровень

В исследуемом частотном диапазоне абсолютный минимум наблюдается при частотах 57,6 и 61,6 ГГц и составляет 71% от контроля. Однако, если осуществить аппроксимацию полученных данных, игнорируя резонансный характер зависимости от частоты, то можно получить достаточно сложную полиномиальную кривую с асимптотами по АХ (концентрация биомассы) выше и ниже контрольного уровня [4].

Движение по оси абсцисс в сторону высоких частот относительно абсолютного максимума при 60,8 ГГц приводит к увеличению количественных характеристик максимумов. При этом величина минимумов (59,6; 60,4; 61,0 ГГц) в этой области практически совпадает с их величиной в области с меньшими 60,8 ГГц частотами (57,6; 56,6 ГГц). Возможно, это связано с наложением собственных частот микробных клеток на привнесенные извне, что и вызывает наблюдаемые резонансные явления [5 - 6]. Последние проявляются в виде значительных экстремумов зависимости концентрации биомассы от частоты ЭМП.

Анализ показывает, что оптимальные частоты стимулирования и ингибирования для дрожжей и бацилл близки. Особенно хорошо это видно для стимулирующих частот. Кроме того, следует принять во внимание, что эти частоты близки к частотам поглощения миллиметровых волн водой.

Исходя из этого, можно сделать вывод, что основное действие ЭМИ КВЧ на микроорганизмы

происходит через воду. Поскольку вода является основным растворителем в клетках, то это подтверждает ее существенную роль в развитии механизма отклика микробных клеток на электромагнитное воздействие [7 - 9].

Изменения в концентрации биомассы, зарегистрированные к концу процесса культивирования, явились следствием усиления активности метаболи-тических процессов в клетках микроорганизмов. Представленные на рис. 3 и 4 данные демонстрируют изменение удельной скорости роста и метаболического коэффициента по субстрату (глюкозе) в процессе ферментации.

Рис. 3 - Зависимость удельной скорости роста от времени культивирования

Рис. 4 - Изменение метаболитического коэффициента в процессе культивирования

Как можно видеть, при обработке инокулята как дрожжевой культуры, так и бациллярной культуры стимулирующей частотой происходит повышение удельной скорости микробного роста и значений метаболического коэффициента (рис. 3, 4). Вместе с тем действие ингибирующей частоты проявляется в снижении значений этих показателей.

Изменение метаболической активности связано с лабильностью ферментных систем клетки. В связи с этим нами были проведены эксперименты по изучению активности трех ключевых ферментов микробного метаболизма В-фруктофуранозидазы, гексо-киназы и фумарат - гидратазы (табл. 1).

Таблица 1

Фермент Ферментативная активность

Дрожжи Бациллы

Контр. Опыт Контр. Опыт

ß-фруктофура-нозидаза 0,013 0,02 0,024 0,036

Гексокиназа 83 87 78 85,8

Фумарат-гидратаза 1,45 1,38 1,3 1,29

Анализ данных таблицы позволяет сделать вывод о том, что практически сразу после воздействия ЭМИ КВЧ резко повышается активность В-фруктофуранозидазы. Известно, что синтез этого фермента непосредственно связан с цитоплазмати-ческой мембраной. В меньшей степени изменяется активность гексокиназы, локализованной в цитозо-ле. Практически не подвергается изменению активность фумарат-гидратазы, деятельность которой связана с митохондриями. Через сутки культивирования практически не обнаруживается отличий в опытном и контрольном вариантах. Можно предположить. что энергия ЭМП оказывает непосредственное воздействие на мембрану дрожжей. Определение мембраны в качестве первичного акцептора энергии электромагнитного излучения было высказано ранее Бецким О.В. с соавт. [7], которые разработали теорию мембраны как колебательного контура с собственной частотой. Эта теория может рассматриваться как физическая модель воздействия ЭМИ КВЧ на микробную клетку. Вместе с тем, анализируя ситуацию, необходимо иметь в виду теорию физико-химической трансформации внешнего сигнала во внутриклеточных структурах [6]. Последнее

обстоятельство предполагает не только доступность специальных рецепторов внешней мембраны, но и существование комплексной системы преобразования и усиления этого сигнала. Однако, рецепторы и функционирование «предусилителя», в основном, зависят от состояния плазмолеммы. Следовательно основными факторами, определяющими результаты воздействия миллиметровых волн на микроорганизмы, являются структурно-динамические (кон-формационные) механизмы функционирования клеточных и(или) ферментных структур. При этом вода играет роль конденсатора и переносчика энергии, оказывающих влияние на цитоплазматическую мембрану.

Литература

1. Г.А. Морозов, О.Г. Морозов П.И. Таланов [и др.]. Низкоинтенсивные микроволновые биотехнологии: Крайне-высокачастотные эффекты в производстве сельскохозяйственной продукции. - Казань: Изд-во КНИТУ-КАИ, 2016 - 180 с.

2. Minkevich, I.G., Krynitskaya A.Yu, Eroshin V.K. Bistat -a novel method of continuous cultivation// Biotechnology and Bioengineering, 1989, V.33, № 9, P. 1157- 1161.

3. Полыгалина Г.В., Чередниченко B.C., Римарева Л.В. Определение активности ферментов: справочник. - М.: ДеЛи принт, 2003-376с.

4. Крыницкая, А.Ю., Гамаюрова В.С., Суханов П.П. [и др.]. Влияние ЭМИ КВЧ на активность препарата «Фи-тоспорин» // Вестник КГТУ, 2011. - № 7. - С. 181-184.

5. Суханов, П.П., Крыницкий П.П., Крыницкая А.Ю., Морозов Г.А., Петухова Е.В. Изучение структурно-динамического состояния дрожжевого препарата методом ЯМР релаксометрии. Сообщение 3. Массоперенос во внутреннем пространстве нитрат-целлюлозного аналога клеточной стенки // Вестник КТУ, 2014.- Т.17, № 15.- С.155- 16

6. Тарчевский , И.А. 2002. «Сигнальные системы клеток растений при стрессе» - М.: Наука.

7. Бецкий, О.В., Кислов, В.В., Лебедева, Н.Н. Миллиметровые волны и живые системы - М.: САИН-ПРЕСС, 2004.

8. Миллиметровые волны и фотосинтезирующие организмы / Под ред. Ю.В. Гуляева и А.Х. Тамиева. - М.: Радиотехника, 2003.

9. Гапеев, А.Б., Чемерис, Н.К. Механизмы биологического действия электромагнитного излучения крайне высоких частот на клеточном уровне // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника, 2007, № 2-4, с.44.

© П. П. Крыницкий - студент каф. ПИМП КНИТУ, pavel211@yandex.ru; М. А. Поливанов - к.т.н., проф., зав. каф. ПИМП КНИТУ, polivanov@kstu.ru; П. П. Суханов - д.х.н., проф. каф. ПАХТ КНИТУ, paulpost3@yandex.ru; А. Ю. Крыницкая -к.б.н., доцент каф. ПБТ КНИТУ, paulalla@yandex.ru; С. В. Василенко - к.б.н., доцент каф. ПИМП КНИТУ.

© P. P. Krynitskiy - student of the Department of Food engineering of small enterprises KNRTU, pavel211@yandex.ru; M. A. Poly-vanov - Head of the Department of Food engineering of small enterprises KNRTU, polivanov@kstu.ru; P. P. Suchanov - Professor of the Department of Processes and devices of chemical technology KNRTU, paulpost3@yandex.ru; A. Y. Krynitskaya - Associate Professor of the Department of Food Biotechnology KNRTU, paulalla@yandex.ru; S.V. Vasilenko - Associate Professor of the Department of Food engineering of small enterprises KNRTU.