Известные биологические эффекты КВЧ-излучения
Действие КВЧ-излучения (электромагнитное излучение миллиметрового диапазона нетепловой интенсивности) активно изучается в последние 25 лет на различных биологических объектах и модельных системах. Основные особенности биологических эффектов миллиметровых волн таковы:
1. Биологические эффекты КВЧ-излучения практически не зависят от его интенсивности, начиная с некоторой небольшой «пороговой» величины вплоть до интенсивности, при которой становится заметным нагрев тканей.
2. Биологический эффект носит резонансный характер, т.е. наблюдается в узких интервалах частот, причем относительная ширина полос не превышает единиц
процентов, а чаще составляет десятые и сотые доли процента от значения центральной частоты.
3. Наблюдается «запоминание» организмом КВЧ воздействия на более или менее длительное время.
4. При облучении экспериментальных животных эффект проявляется в физиологических системах и органах, непосредственно не связанных с зоной обл учения
(Зеленцов, Перельмутер, Ча, 2007).
Рассмотрим современные представления о механизмах воздействия низкоинтенсивных миллиметровых волн на биологические объекты. Основные события, связанные с воздействием миллиметровых волн на живые клетки, происходят в клеточных мембранах. Считается, что именно мембрана и мембранные процессы обусловливают высокую чувствительность биологических объектов к электромагнитным взаимодействиям ММ-волн (Бецкий, Кислов, Лебедев, 2004). Как известно, мембраны состоят из липидов и белков. Благодаря своему строению эти молекулы способны к конформационным (пространственным) перестройкам, что и позволяет мембранным структурам быть столь чувствительным к воздействию КВЧизлучением. В мембранах клеток электромагнитная энергия преобразуется в энергию акустоэлектрических волн при сохранении частоты колебаний в КВЧ-диапазоне (Голант, 1991). Миллиметровые волны, воздействуя на мембраны клеток, могут возбудить в них, словно в диэлектрических резонаторах, акустоэлектрические колебания. Эту мысль можно пояснить с помощью рис. 14.1, на котором показано схематичное изображение живой клетки.
Акустоэлектрические колебания инициируют синтез белков и другие метаболические процессы внутри клетки, что приводит к нормализации жизнедеятельности клетки (Голант, 1989; Кузьменко, 1989; Девятков и др., 1991; Гончарова, Лукьянов, 1991; Девятков и др., 1994). Кроме того, при воздействии ММ-излучения на рецепторы клеточной мембраны происходит увеличение их активности.
В целом в последние годы появилось множество публикаций, в которых приводятся все новые данные о роли воды и водных растворов в реализации биологических механизмов ММ-волн. Впервые гипотеза о важной роли воды была высказана в 1979 г. в работе Ильина С.А., Бакаушина Г.Ф., Гайдук В. И. и др.
Фесенко, Гелетюк, Казаченко и Чемерис (1995 г.) показали, что вода (или водный раствор) после облучения ММ-волнами способна менять свои структурно-динамические свойства и сохранять информацию («память») об этом длительное время (десятки минут). Эта информация проявляется в сохранении биохимической активности воды после прекращения облучения (Бецкий, Лебедева, 2001).
Очень популярна также идея о резонансном взаимодействии ЭМИ КВЧ с живыми системами (Смолянская, Гельвич, Голант, Махов,1979, Grundler, Jentzsch, Keilmann, Putterlik, 1988). Изменение определённого биологического параметра (например, активности какого-то фермента) после воздействия на организм ЭМИ проявляется лишь в узких полосах реально воздействующих на него частот, составляющих нередко 10-3 -10-4 средней частоты; данное явление получило название острорезонансного эффекта действия. Таких полос, чередующихся с полосами, в которых сколько-нибудь существенного изменения этого параметра не наблюдается, может быть довольно много
(Grundler, Keilmann, 1983; Девятков, Голант, Реброва, 1982).
Результаты опытов с заменой воздуха аргоном свидетельствуют также о важной роли кислорода, присутствие которого при КВЧ-облучении ответственно за развитие цепных реакций перекисного окисления, идущих в липидной фазе мембран. Это приводит
к накоплению конечных продуктов, вызывающих изменения функционального состояния мембран и клеток. В отсутствие кислорода невозможны конформационные изменения белков мембран, а также окисление сульфгидрильных и иных групп, что может влиять на изменения проницаемости мембран.
Исследование влияния ММ-волн на процессы перекисного окисления липидов (ПОЛ) в моделях биологических мембран (суспензия липосом в водном растворе) принесли важную информацию о механизмах действия КВЧ-излучения на биологические объекты. В работе Владимирова и Арчакова (1972 г.) для диапазона волн 4,0–7,1 мм обнаружено ускорение процессов ПОЛ в суспензии липосом при нетепловых мощностях излучения (не более 0,5 мВт/см2 при λ = 6,5 мм). Так как скорость ПОЛ в мембранных системах сильно зависит от их структурного состояния (Казаринов, 1990), можно предположить, что эффект связан со структурными изменениями мембран липосом и окружающей их воды при поглощении КВЧ-излучения.
Принципиально важно несоответствие между малой величиной поглощенной энергии при однократном КВЧ-облучении и величиной «ответа», выражающейся, например, в ускорении роста, увеличении выхода биомассы в 2-2,5 раза, увеличения количества пигментов в клетке до 3,5 раз и уровня экскреции органических соединений в среду. Налицо изменения транспортной функции мембран, связанные с самоускоряющимися процессами в липидной фазе.
Суммируя все сказанное о роли цепных реакций в клетке, можно предложить следующий механизм действия КВЧ-излучения на процессы жизнедеятельности (рис.14.2):
Рис.14.2. Механизм действия КВЧ-излучения на процессы жизнедеятельности (Синицын и др., 1999).
Полученные данные свидетельствуют о едином механизме действия ЭМИ КВЧ на растительные и животные клетки. Открытие Н.И.Синицыным и др. (1998) у водных кластеров собственных резонансных частот в диапазоне 50–70 ГГц (50.3, 51.8, 64.5 и 65.5 ГГц) во многом объясняет высокую чувствительность биологических объектов к воздействиям ЭМИ КВЧ. Первичной мишенью в этом случае при воздействии ЭМИ КВЧ на биологические системы являются молекулы примембранной воды.
Воздействие ЭМИ КВЧ на тонкий структурированный водных слой приводит к диссоциации молекул воды на противоположно заряженные ионы Н+ и ОН–. Энергия волны преобразуется в кинетическую энергию молекул. Такие молекулы воды играют принципиальную роль в гидратации белковых молекул биологических мембран, переводя их из функционально пассивного в активное состояние. Далее срабатывают механизмы, запускающие биохимические реакции, за которые отвечают белковые молекулы. При этом происходит увеличение проницаемости биологических мембран, что приводит к усилению транспорта веществ из окружающей среды в клетку и, как следствие, изменению биологической активности. Эффективность действия ЭМИ КВЧ на биологические системы зависит от функционального состояния клеток и физических параметров излучения – частоты и др. Стимул усиливает выделение энергии в клетке за счет дополнительного гидролиза АТФ.
Вопросы пролонгированности действия КВЧ-излучения многократно обсуждались в литературе, но не получили окончательного толкования. Их пробовали связывать как с «памятью воды», так и с некими неизвестными свойствами клетки.
В работе Искина и др. (1987) отмечается, что время последействия КВЧ-излучения на микроорганизмы даже при их постоянных пересевах может достигать нескольких месяцев, причем возвращение к исходным свойствам совершается постоянно (Девятков и др., 1981; Поцелуева и др., 1998). Вряд ли пролонгированный характер действия однократного КВЧ-облучения можно связывать с его мутагенным действием, которое исследовалось, но не подтвердилось у других объектов, и что можно объяснить низкой поглощаемой энергией миллиметровых волн. Также не наблюдалось каких-либо морфологических изменений в клетках облученных культур. Пролонгирование можно было бы объяснить, по нашему мнению, с одной стороны, — затуханием самоускоряющихся механизмов развития стимуляции, а с другой — возвращением к норме функционального состояния мембран клеток.
Практическое применение электромагнитных излучений миллиметрового диапазона
Все более перспективным представляется использование миллиметровых волн в областях, связанных с сельским хозяйством и биотехнологией (Бецкий др., 2000; Тамбиев, Кирикова, 1997). В настоящее время обнаружена и экспериментально подтверждена возможность одновременного получения эффектов биостимуляции, дезинфекции и дезинсекции при микроволновом воздействии на семена различных сельскохозяйственных культур. Последние результаты в этой области способны помочь созданию новых микроволновых технологий предпосевной обработки зерна и обеззараживания сельскохозяйственной продукции, а также оборудования для их практического применения. Ожидаемые эффекты – увеличение биомассы урожая с сохранением качеств продукции, сокращение сроков созревания, уничтожение насекомых-вредителей, обеззараживание продукции.
В комплексе возбудителей болезней, поражающих культуры злаковых одними из наиболее вредоносных являются возбудители корневых гнилей рода Fusarium и альтернариоза рода Alternaria. Грибы этих родов вызывают болезни проростков, корневые гнили, деструктивные изменения и интоксикацию семян. Они снижают посевные качества семян, развиваются при хранении и перезаражают семена, вызывая их порчу. Изучалось влияние КВЧ-излучения на данные возбудители болезней. Как показали эксперименты, обработка семян КВЧ-излучением оказывала достоверно стимулирующий эффект, всхожесть семян повышалась, снижалась инфицированность семян (Васко, Ермолович, Карпович, Михаленко, Новикова, 2004).
В пионерских работах отечественных ученых с фотосинтезирующими объектами (цианобактерии, водоросли, проростки огурцов) выявлена важная роль КВЧ-излучений в растениеводстве: зарегистрированы увеличение показателей роста, биомассы, количество пигментов и т.д. (Тамбиев и др., 2000).
Целенаправленное воздействие КВЧ-излучений на организм позволит управлять многими процессами жизнедеятельности, влиять на параметры роста и развития растений и животных, бороться с болезнями и т.д. (Тамбиев и др., 1987).
Использование ФРИ для борьбы с патогенными и вредными микроскопическими грибами
Микроскопические грибы развиваются повсюду, где только есть минимальные условия для их метаболизма. Им требуются только влага, тепло и немного связанного углерода. Большинство плесневых грибов являются в высшей степени неприхотливыми формами жизни. Они способны осуществить окисление любого природного органического соединения, в том числе различные нефтепродукты, воск, парафин, сложные эфиры, полиэтилен и многие другие. Органические соединения, которые являются пищей для гриба, входят в состав многих строительных материалов. Кроме того, источником органических веществ могут служить различного рода загрязнения, попадающие на материалы.
О масштабах влияния микроскопических грибов на строительные сооружения можно судить по следующим примерам. Эксплуатация железобетонных и металлических коллекторов и сооружений канализации нередко ограничивается 10-12 годами против нормативных в результате деятельности микроскопических грибов. По опубликованным данным в 14 развитых странах, где ведется активная борьба с биологической коррозией, потери от биодеградации составляют более 2 % совокупной произведенной продукции. По далеко не последним данным в России ежегодные потери от биоразрушений превышают 2 миллиарда долларов. Только учтенные ежегодные потери железобетона составляют 4-6 млн. кубических метров.
Наличие богатого набора ферментов позволяет грибам приспособиться к различным условиям существования: разные виды их могут расти в темноте и при ярком солнечном свете, в диапазонах показателя pH среды от 3 до 8 и температуры от 1 до 60°С, выдерживать замораживание в жидком азоте и прогревание до температуры свыше 100° С, а высушенные споры грибов сохраняют свою жизнеспособность свыше 10 лет.
При недостаточной гидроизоляции почвенные воды по капиллярным системам строительных материалов поднимаются из фундамента в стены зданий. Они несут с собой соли и сложные органические вещества, служащие питательной средой для микромицетов, которые тоже поднимаются до первых этажей зданий и там образуют колонии в толще стен и на их поверхности. Продукты жизнедеятельности микромицетов изменяют среду в материалах, приводя к изменению их прочностных характеристик. Следовательно, жилище, вместо защиты жителя города, может стать аккумулятором возбудителей инфекционных заболеваний, а значит и причиной их возникновения, а также причиной развития аллергий.
Поскольку увлажнение построек может происходить снизу – из почвы, и сверху – из-за неисправной кровли, наиболее уязвимыми для микозов и микогенной аллергии являются жители первых и последних этажей зданий. Но и на других этажах зданий с признаками увлажнения их конструкций, повышается вероятность развития микозов у жителей, особенно в случаях неисправности водопроводных, отопительных и канализационных коммуникаций. От проникновения спор грибов в жилища и другие помещения не спасают даже современные способы жизнеобеспечения, такие как вентиляция и кондиционирование воздуха. Больше того, в вентиляционных системах и влагосборниках кондиционеров тоже образуются колонии плесневых грибов, с поверхности которых прямо в места обитания или работы человека направляется воздух, содержащий споры грибов. Заболевания, возникающие по этому пути передачи возбудителя, так и называются “болезнями пользователей кондиционерами”.
Рис. 14.3. Плесень в жилых помещениях.
Неблагоприятные влияния биоповреждений на людей обусловлены способностью микроорганизмов взаимодействовать с организмом человека. В частности, грибы, развивающиеся в толще и на поверхности строительных материалов, не являясь по своей природе болезнетворными, могут в организме человека приобретать паразитарные свойства и вызывать инфекционные поражения – микозы, а у людей, склонных к аллергическим реакциям – микогенные аллергии в виде астматического бронхита, бронхиальной астмы, крапивницы и других.
Долгое время предполагали, что следствием интенсивного контакта с плесенью в домах с нарушенным температурно-влажностным режимом являются либо инфекции, либо аллергия. Действительно, самая частая форма аллергии, зависящей от влияния биоповреждений зданий – бронхиальная астма. В России пока нет статистики этого заболевания, а в других странах Европы и Американских континентов от 50 до 80% больных бронхиальной астмой положительно реагируют на пробы с антигенами плесневых грибов. Это означает, что грибы являются основной причиной возникновения и развития заболевания. По данным НИИ медицинской микологии им. П.Н. Кашкина в С.-Петербурге 42% детей страдающих бронхиальной астмой, проживает на первых этажах зданий с признаками биоповреждений. Кроме бронхиальной астмы, развиваются микогенные конъюктивиты, риниты, назофарингиты. Они могут быть самостоятельными или сопровождать бронхиальную астму.
Однако гораздо меньше внимания уделялось тому факту, что высокотоксичные продукты обмена веществ грибов – микотоксины – также могут угрожать здоровью. Эти отравляющие вещества являются возбудителями микотоксикоза, долгое время считавшегося загадочным заболеванием. Симптомы микотоксикоза разнообразны: от астмы, воспаления глаз, гриппозного состояния, болей в мышцах, хронического упадка сил до нарушений в центральной нервной системе (нарушения памяти, концентрации внимания или головокружение и проблемы с равновесием).
Кроме этого, плесневые грибы наносят колоссальный урон сельскому хозяйству, размножаясь в зерно- и овощехранилищах.
Рис. 14.4. Взаимосвязь между биоповреждениями жилых зданий и здоровьем людей.
Как следует из вышеизложенного, проблема борьбы с микроскопическими грибами в промышленности, сельском хозяйстве, медицинских учреждениях и в быту чрезвычайно актуальна. Каковы же основные методы этой борьбы? Можно выделить два основных метода инактивации патогенных и вредных микроорганизмов:
1. Обработка ультрафиолетом. В последние годы является малоэффективной, вследствие появления большого количества резистентных к ультрафиолетовому облучению штаммов микроскопических грибов и бактерий.
2. Использование различных дезинфектантов. Опыт многолетнего использования данных средств показывает, что микроорганизмы, и в особенности микроскопические грибы, достаточно быстро (в течение 3-5 лет) вырабатывают устойчивость к тому или иному препарату. Кроме того, эти средства очень токсичны для человека.
Подобная ситуация ставит перед специалистами в области технической микробиологии задачу разработки и реализации безопасных и высоко эффективных технологических санитарных мероприятий по снижению заселенности микроорганизмами жилья человека, а также применения меры защиты персонала в наиболее микробиологически загрязненных рабочих местах; а также постоянно вести поиск новых дезинфицирующих средств и способов повышения их активности.
Наиболее ощутимых результатов в этой области в последние годы добился совместный творческий коллектив Отдела биологических исследований НИИ Химии Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского (рук. отдела д.б.н., проф. В.Ф. Смирнов) и биотехнологического отдела компании Cпинор (рук. направления – к.б.н. Д.В. Кряжев).
Исследования проводились в следующих направлениях:
- воздействие КВЧ-излучения на мицелий и споры микромицетов
- воздействие ФРИ на мицелий и споры микромицетов
- воздействие ФРИ на биоцидные препараты и стимуляторы роста.
Источником КВЧ и ФРИ излучений служил аппарат СПИНОР Активатор .
Воздействие КВЧ-излучения на мицелий и споры микромицетов.
В качестве основных объектов испытаний были взяты два вида микромицетов: Alternaria alternata и Penicillium chrysogenum. Выбор грибов был обусловлен тем, что Alternaria alternata является тёмноокрашенным (в клетках данного гриба повышенное содержание пигмента меланина), а Penicillium chrysogenum – светлоокрашенным грибом. Известно, что ряд авторов считает, что меланин выполняет протекторную функцию при воздействии на грибы различных физических факторов, в том числе электромагнитного излучения.
Результаты эксперимента по обработке КВЧ-излучением водных суспензий спор подтвердили негативное воздействие КВЧ-излучения на развитие и рост тест-грибов. Причём наиболее эффективным в инактивации спор грибов проявил себя желтый излучатель, вызывающий гибель не менее 50% титра колониеобразующих единиц (КОЕ) у обоих тест-грибов. Действие остальных излучателей следует считать недостаточно эффективным.
Эксперименты с другими видами микромицетов позволяют с уверенностью утверждать, что КВЧ излучение, генерируемое желтым излучателем, способно вызывать гибель значительных количеств спор микромицетов – агентов биоповреждения; а при увеличении времени экспозиции в 2–2,5 раза (до 10–12,5 часов) можно добиться гибели всего объёма спор.
Также представляло интерес исследовать рост мицелия вышеуказанных грибов, развивающегося из спор, облученных КВЧ в период 3–14 суток.
Рис. 14.5. Рост мицелия, развивающегося из облученных КВЧ спор Aspergillus niger («черная плесень»). 1 – контроль без облучения; 2 – опыт с облучением.
В данной серии экспериментов были использованы водорастворимые биоцидные препараты:
1. Антисептик для пропитки древесины «Асан». Использовался водный раствор данного препарата в концентрации 6,5% (рабочая концентрация).
2. Антимикробный препарат-дезинфектант «Тефлекс». Препарат широко используется для профилактики и уничтожения плесени на деревянных, бетонных и других пористых поверхностях, рекомендуется для дезинфекции и мытья поверхностей, помещений и оборудования лабораторий, косметических салонов, лечебно-профилактических и детских учреждений; для применения населением в быту для обработки поверхностей квартир и домов в т.ч. в местах с повышенной влажностью.
3. Биоцидный препарат «БК–1» («Бакцид»). Данный препарат широко используется для защиты от микробного поражения различных водно-эмульсионных органических продуктов. Использовался водный раствор данного препарата в концентрации 0,5% (рабочая концентрация).
Имело место значительное повышение биоцидного эффекта (см. таблицы 14.1 –14.3).
Таблица 14.1
Рис. 14.6. Ингибирование роста гриба Alternaria alternata при действии фунгицида «БК-1» (1) и при действии фунгицида «БК-1» после его обработки ФРИ (2).
Таким образом, при воздействии ФРИ на раствор фунгицида наблюдалось практически четырёхкратное увеличение его активности по отношению к Alternaria alternata и трехкратное к культуре Penicillium chrysogenum. Также следует отметить, что при отсутствии фунгицидного эффекта в контрольной группе по отношению к грибу Fusarium moniliforme воздействие ФРИ на биоцид в опыте не приводит к его появлению. Это может быть связано с тем, что данный вид гриба является устойчивым к препарату «БК-1». Следовательно, можно предположить, что эффект с действием ФРИ проявляется на биоцидный препарат только в том случае, если последний оказывает фунгицидное действие.
Также нами была сделана попытка проследить изменение фунгицидной активности водорастворимого препарата в зависимости от его концентрации при действии ФРИ. Предварительные результаты показали, что с увеличением концентрации вещества (с уменьшением доли воды) биоцидный эффект не исчезает, но ослабевает, что позволяет нам ещё раз предположить, что усиление биоцидной активности исследованных препаратов в определённой степени зависит от концентрации (количества) водной фазы.
С целью проверки данного предположения нами была проведена серия экспериментов по воздействию ФРИ на изменение фунгицидной активности препарата «БК-1» к грибу Alternaria alternata. Результаты опыта представлены в табл. 14.4.
Таблица 14.4
Рис. 14.7. Зависимость возрастания фунгицидной активности при действии ФРИ на препарат «БК–1» по отношению к Alternaria alternata от концентрации препарата.
Анализ результатов показал, что имеет место чётко выраженная зависимость фунгицидной эффективности препарата от его концентрации, а именно – со снижением концентрации препарата после его обработки ФРИ фунгицидное действие его возрастает (Рис. 14.7). С другими фунгицидами получены аналогичные результаты.
Таким образом, обработка фунгицидных растворов ФРИ позволяет не только увеличить их активность, но и снизить рабочие концентрации токсических веществ.
Влияние ФРИ на активность индолилуксусной кислоты (ИУК).
Окончательным подтверждением универсальности активирующего влияния ФРИ на физиологически активные вещества, растворенные в воде, служат опыты по воздействию на ИУК – классический стимулятор роста грибов и растений.
В качестве объектов испытаний были взяты три вида микромицетов: Alternaria alternata, Fusarium moniliforme и Penicillium chrysogenum. Согласно данным литературы действие фитогормонов способно в определенной степени стимулировать рост данных грибов.
В ходе эксперимента установлено, что ИУК в стандартной концентрации 20 мг/л оказывала стимулирующее действие на рост всех исследованных тест-культур грибов в период экспозиции 3–10 суток от 19 до 63%. В эксперименте при воздействии ФРИ на раствор ИУК наблюдалось увеличение роста по сравнению с культурами микромиицетов, обработанными ИУК без облучения. Так для Alternaria alternata это увеличение составляло до 56%, для Fusarium moniliforme до 43%, для Penicillium chrysogenum – до 30%.
Следовательно, по итогам всего цикла исследований нам удалось убедительно показать, что ФРИ способно повышать активность не только биоингибиторов, но и биостимуляторов. Полученные результаты могут быть успешно использованы в биотехнологии для усиления биологической активности различных биостимуляторов роста. Технической реализацией выявленного эффекта послужит аппарат СПИНОР®-Активатор, специально разработанный для повышения активности любых физиологически активных водорастворимых веществ, используемых в сельском хозяйстве, дезинфектологии и в быту.
Если у Вас уже есть аппарат СПИНОР , то можно использовать и его. Только очень важно избегать попадания жидкости внутрь самого аппарата и внутрь излучателя. Обрабатывать водные растворы биоцидных препаратов и стимуляторов роста можно, расположив желтый излучатель на поверхности стеклянного флакона с раствором. Либо нужно обернуть излучатель и место контакта с проводом двумя слоями тонкой пищевой пленки, и после этого осторожно погрузить его в раствор. Но и в этом случае есть большая опасность повреждения излучателя. Поэтому мы рекомендуем использовать только специализированный аппарат СПИНОР-Активатор.