Влияние ультразвука и электромагнитных полей на живые объекты

       Выявлены положительные результаты  дезинфекции воды посредством  ультразвуковых колебаний; в течение 5 минут удается достигнуть полной стерилизации воды без применения каких-либо химических реагентов. Отмечается также положительный эффект применения ультразвуковых колебаний для стерилизации консервов и соков.

       Выяснено, что при действии ультразвука повышается чувствительность микроорганизмов к дезинфицирующим веществам. Стерилизующий эффект при обработке водных взвесей бактерий кишечной палочки (Escherichia coli), которые предварительно подвергались действию ультразвука, был достигнут при значительно меньших концентрациях хлора, формалина и других дезинфицирующих веществ. Это обусловлено изменением («расшатыванием») макромолекулярных структур, входящих в состав оболочки озвучиваемых микроорганизмов, что приводит к нарушению проницаемости оболочек и мембран живых клеток.

       Почти все микроскопические растения  и организмы погибают, если подвергнуть  их действию ультразвука высокой  интенсивности. Этот факт в  настоящее время рассматривается  как альтернативный, безопасный  путь к очищению воды и продуктов питания.

       Разрушаются ультразвуком кишечная (Escherichia coli), брюшнотифозная (Salmonella typhi), дифтерийная (Corynebacterium diphtheriae), сенная (Bacillus subtilis) палочки, столбняка (Tetanus bacillus), сальмонеллы (Salmonella), кокки  (Staphylococcus), трипаносомы (Trypanosoma bacillus), трихомонады (Trichomonas), возбудитель тифа (Typhus recurrens) и др. Ультразвук высокой интенсивности оказывает разрушающее действие на вирусы табачной мозаики (Tobaco mosaic virus), энцефалита (Encephalitis virus), сыпнотифозные, гриппа (Influentia). Бактериофаги больших размеров также чувствительны к действию ультразвука. Из патогенных микроорганизмов наибольшую устойчивость к воздействию ультразвука проявляют различные штаммы туберкулезных палочек (Tuberculum bacillus).

      Cтерилизующее действие ультразвука  на микроорганизмы проявляется  на частотах 20 кГц и выше, при  интенсивности более 0,5 Вт/см2 в  кавитационном режиме облучения.

       Применение ультразвука возможно  для стерилизации лекарственных  препаратов, приготовленных как в заводских, так и в аптечных условиях. В аптечных условиях, применяя ультразвук частотой до 490 кГц и интенсивностью до 20 Вт/см2 в течение 5 минут, достигали полной стерилизации глазных капель: 0,25%-ного раствора сульфата цинка, 1%-ных растворов дионина, платифиллина гидротартрата, солянокислого пилокарпина. Анализ приготовленных растворов показал сохранение подлинности и количественного содержания лекарственных веществ в растворах до и после ультразвукового воздействия.[12] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1.2 Влияние электромагнитных полей на живые организмы

       « … электромагнитное излучение миллиметрового диапазона волн (ЭМИ) весьма малой (нетепловой) мощности может оказывать существенное воздействие на различные живые организмы <…>. Многолетние экспериментальные исследования позволили установить основные закономерности воздействия ЭМИ: его резонансный характер <…> и начиная с некоторого порогового значения, практически не зависимость от интенсивности ЭМИ; высокая воспроизводимость резонансных частот при повторных опытах; «запоминание» организмом воздействия ЭМИ на более или  менее длительный срок, если облучение продолжалось достаточно долго <…>;  некритичность наблюдаемого биологического эффекта к облучаемому участку тела животного и т.п.

     <…> в живом организме и при отсутствии внешнего воздействия все или некоторая часть колебательных степеней свободы определенных биоструктур находятся в режиме когерентных автоколебаний, поддерживаемом энергией метаболизма. Действие внешнего ЭМИ связано  <…> с изменением тех или иных характеристик уже существующих в живом организме автоколебаний, в частности с изменением их спектра.

     Простейшей  моделью такой структуры может  служить совокупность большого числа  элементарных автогенераторов (осцилляторов), слабо связанных между собой.  Всю совокупность можно разбить на несколько групп, в каждой из которых автогенераторы почти идентичны. В пределах каждой группы в принципе возможна взаимная синхронизация осцилляторов, однако, вследствие быстрого ослабления с расстоянием связей между элементами структуры и некоторого различия частот синхронные режимы, если они и существуют, локализуются в небольших участках, между которыми синхронизация отсутствует. Поэтому можно ожидать, что в обычных условиях фазы автоколебаний различных осцилляторов, в том числе осцилляторов данной группы с близкими частотами, распределены хаотически , так что среднее значение суммы фаз всех автоколебаний близко к нулю. Соответственно близок к нулю и макроскопический <…> эффект таких колебаний – они оказывают минимальное воздействие на другие клеточные структуры <…>. Если частота внешнего воздействия приблизится достаточно близко к частоте автоколебаний одной из упомянутых групп почти идентичных осцилляторов <…>, произойдет «захват» (синхронизация) автоколебаний внешним сигналом. <…>. Синхронизация сопровождается фазировкой колебаний всех элементарных автогенераторов – фазы этих колебаний совпадают с фазой внешнего сигнала в данном участке структуры. <…>.

     Характерная особенность явления синхронизации автоколебаний – малая мощность требуемого для синхронизации внешнего сигнала, пороговое значение которого зависит от уровня шумов в системе и разброса парциальных частот отдельных автогенераторов данной группы. Увеличение мощности внешнего сигнала над порогом не меняет характера синхронизируемых колебаний.

     Фазировка колебаний при синхронизации  может сопровождаться конформационными перестройками клеточных структур, так как автоколебания влияют на на устойчивость механических систем. <…> Фазировка автоколебаний клеточных структур может, по-видимому, возникать <…> и в результате взаимной синхронизации осцилляторов, обусловленной их перестройкой <…>.

     … автоколебания, даже не синхронные, должны оказывать существенное влияние  на ионный и молекулярный транспорт через мембраны <…>».[13]

     Учеными Казанского Технологического университета было проведено исследование влияния КВЧ-излучения на дрожжи Saccharomyces cerevisiae.[14] Выявлен острорезонансный характер отклика культуры на электромагнитное излучение (ЭМИ). Обнаружена оптимальная частота облучения f=54,17 ГГц, при которой происходит улучшение всех показателей роста S. cerevisiae, включая концентрацию биомассы, эффективность ее образования. Кроме того, улучшились основные технологические показатели культуры. Выбор диапазона частот был обусловлен литературными данными. Известно, что существует несколько областей в миллиметровом частотном диапазоне, которые оказывают наибольшее влияние на живые объекты. Именно в этих областях наблюдается явление острого резонанса . Наиболее часто положительный эффект проявляется в области 54 ГГц.

     Облучение культуры проводили с участием генератора электромагнитного излучения Г4-142 соответствующего частотного диапазона  с выходной мощностью 100 мВт/см2. Расстояние между рупором облучателя и объектом составляло 15 см и не изменялось в течение эксперимента. Время экспозиции так же постоянно поддерживалось во всех случаях – 5 минут. Облучение проводили в диапазоне частот от 53,77 ГГц до 54,57 ГГц с шагом 0,2 ГГц, что обеспечивало устойчивую работу прибора.

     Облученную  культуру пересевали на жидкую питательную  среду в количестве 2% от объема среды. Процесс ферментации проводили  на водяных встряхивателях при температуре 32°С в течение суток.

     Концентрацию  биомассы определяли перед началом  и по окончании процесса культивирования турбидиметрическим методом. Для определения технологических показателей культуральную жидкость подвергали центрифугированию при 3000 об/мин  в течение 10 минут.

     Из  органолептических показателей учитывали цвет, запах, консистенцию дрожжей. Подъемную силу дрожжей определяли ускоренным методом. Осмочувствительность, зимазную и мальтазную активности определяли согласно общепринятым в данной области методикам .

      Способность дрожжей сбраживать глюкозу и фруктозу определяется по величине подъемной силы и зимазной активности. Опыты по определению этих показателей проводились с использованием культуры, облученной ЭМИ с оптимальной частотой (54,17ГГц) и на контрольном образце, то есть на дрожжах, не подвергшихся действию ЭМИ. Подъемная сила опытных дрожжей увеличилась практически в два раза по сравнению с контролем.

     Следует отметить, что подъемная сила определяет активность ферментных  систем не только дрожжей, но и муки, используемой в  этих анализах. Поэтому, возникла объективная необходимость в проведении экспериментов по определению ферментной активности собственно дрожжей. Для этого были проведены опыты по определению зимазной и мальтазной активностей дрожжей. Эти показатели характеризуют уровень потребления сахаров – глюкозы и мальтозы  из питательной среды и характеризуют в целом деятельность ферментных систем, ответственных за утилизацию глюкозы и мальтозы.

     Результаты  показали, что происходит увеличение зимазной активности на 37%, а мальтазной на 35% по отношению к соответствующим показателям контрольных дрожжей.

     Способность дрожжей сбраживать сахара в среде  с повышенным содержанием соли определяется показателем осмочувствительности. Результаты определения  опытного и  контрольного образцов не различаются. Таким образом, влияния ЭМИ КВЧ на этот показатель не наблюдается.

     Подводя итог проведенной работы, можно сделать  следующие заключения. Учеными было обнаружено, что воздействие ЭМИ КВЧ в диапазоне частот 53,77-54,57 ГГц приводит к изменению процессов метаболизма в клетках дрожжей Saccharomyces cerevisiae LK 14. В исследуемом диапазоне обнаружена оптимальная частота облучения – 54,17 ГГц. При действии этой частотой происходит улучшение показателей роста дрожжей, включая концентрацию биомассы, подъемную силу, зимазную и мальтазную активности.

     Исходя  из того, что исследуемая культура дрожжей S. cer. является неотъемлемым компонентом  технологии хлебопечения, такое стимулирующее  действие имеет большое практическое значение. 
 
 

     2 Объект исследования

     2.1 Saccharomyces cerevisiae

     Одним из самых интересных объектов исследования в области микробиологии являются дрожжи. Они имеют достаточно высокие  скорости роста, а процессы их метаболизма  уже довольно хорошо изучены. В нашей  работе объектом исследования выбраны дрожжи Saccharomyces cerevisiae . Этот род дрожжей широко применяется в пищевой промышленности, в частности, в хлебопечении и пивоварении. Исходя из этого, улучшение технологических показателей роста данной культуры имеет огромное практическое значение.

     Дрожжи  были первыми микроорганизмами, которые  человек стал использовать для удовлетворения своих потребностей. Основное свойство дрожжей, которое всегда было привлекательным  для человека - это способность  к образованию довольно больших  количеств спирта из сахара.

     Виноделие, пивоварение и хлебопечение существуют уже несколько тысячелетий. Естественно, что за это время были отселекционированы сотни видов заквасок, которые  используются для приготовления  самых различных сортов вина и  пива. Однако лишь в начале XIX в. были высказаны предположения, что за спиртовое брожение, вызываемое этими заквасками, ответственны присутствующие в них дрожжи. Увиденные впервые в 1680 г. Антони ван Левенгуком. Эти дрожжи были описаны в 1837 г. Мейеном, который дал им название Saccharomyces. Окончательным доказательством роли дрожжей в сбраживании сахаров считается работа Пастера, опубликованная им в 1866 г. К концу ХIХ в. стало известно, что сахаромицеты, выделенные из различных заквасок и различных сортов вина и пива, различаются по физиологическим свойствам, например, по способности к сбраживанию различных сахаров. В дальнейшем на основании таких физиологических различий в роде Saccharomyces было описано несколько десятков видов. Однако, в последние годы методами молекулярной и генетической таксономии было показано, что большинство этих «видов» на самом деле представляют собой различные физиологические расы нескольких близких биологических видов, главным образом Saccharomyces cerevisiae. Это такие «виды», как, например, Saccharomyces vini, Saccharomyces ellipsoides, Saccharomyces oviformis, Saccharomyces cheresiensis, Saccharomyces chevalieri и десятки других, которые сейчас переведены в разряд синонимов Saccharomyces cerevisiae. Дрожжи Saccharomyces cerevisiae широко используются для ликвидации дефицита белка в организме человека, в хлебопечении, в производстве этанола. Производство хлебопекарных дрожжей в России составляет свыше 100 тыс.тонн.

     В данной работе, в качестве биологического агента были выбраны пивные  дрожжи Saccharomyces cereviseae.