CC BY
38физико-химическая Биология physical-chemical biol ogy
DOI: 10.12731/wsd-2016-12-67-77 УДК 577:574.24
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СВЧ-ДИАПАЗОНА НА СВЕТЯЩИЕСЯ МОРСКИЕ БАКТЕРИИ PHOTOBACTERIUM PHOSPHOREUM
Рожко Т.В., ПьянковВ.Ф., Крюкова О.В.
Для объективной оценки загрязнения окружающей среды физическими факторами необходимы адекватные тест-системы и биоиндикаторы. Предлагается использовать морские бактерии Photobacterium phosphoreum в качестве индикаторов низкоинтенсивного воздействия электромагнитного поля в диапазоне частот работы источников беспроводной связи. Регистрацию изменения физиологической активности бактерий проводили по интенсивности свечения. В работе показано, что бактерии Ph. phosphoreum являются чувствительными к действию низкоинтенсивного электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона (1ГГц, 70 мкВт/см2).
Ключевые слова: электромагнитное излучение; биомониторинг; биолюминесценция; светящиеся бактерии; Photobacterium phosphoreum.
THE EFFECTS OF MICROWAVE ELECTROMAGNETIC RADIATION ON THE LUMINESCENCE INTENSITY OF PHOTOBACTERIUM PHOSPHOREUM
Rozhko T.V., Pyankov V.F., Kryukova O.V.
For an objective assessment of environment pollution by physical factors the adequate test systems and bio-indicators are necessary. It is used bacteria
Photobacterium phosphoreum as indicator of exposure to low-intensity microwave electromagnetic field. Registration of the bacteria physiological activity changes was carried out by luminescence intensity. It has been shown that Ph. phosphoreum have sensitive to the effects of low-intensity microwave electromagnetic field (1 GHz, 70 mW/cm2).
Keywords: microwave electromagnetic radiation; biomonitoring; bioluminescence; Photobacterium phosphoreum.
Введение
Известно, что низкоинтенсивные воздействия природного и антропогенного происхождения способны как активировать, так и подавлять физиологические функции живых организмов. В последнее десятилетие появился и быстро развивается дополнительный антропогенный фактор -электромагнитное излучение СВЧ-диапазона. В условиях мегаполиса, возможность прогнозировать результаты воздействия физических и химических факторов окружающей среды на организм чрезвычайно низка из-за возникающих эффектов синергизма/антагонизма (т.е. когда эффект суммы факторов оказывается больше/меньше, чем сумма эффектов факторов, определенных раздельно) [1-7]. Решение проблемы оценки степени влияния антропогенных факторов является социально значимым, требует разработки новых подходов в экологическом мониторинге [8, 9].
Одними из важнейших компонентов окружающей среды являются микроорганизмы. Исходя из их состояния, можно судить об изменениях, происходящих в экосистеме в целом. В данной работе в качестве биологической тестовой системы были выбраны морские люминесцентные бактерии (rh. phosphoreum). Эти бактерии имеют ряд преимуществ, позволяющих использовать их в качестве тестовой системы для изучения закономерностей воздействия физических и химических факторов внешней среды на организмы. Маркером их активности является интенсивность биолюминесценции, отличающаяся легкостью и быстротой приборной регистрации, что дает возможность большого числа измерений для обеспечения достоверности выявления низкодозовых эффектов [10-14].
Цель работы - выявление особенностей действия электромагнитного поля СВЧ-диапазона на люминесценцию бактерий Ph. phosphoreum.
Материалы и методы
В работе использовали интактные светящиеся бактерии Photobac-terium phosphoreum 1883 IBSO из коллекции Института биофизики СО РАН (Красноярск) и препарат Микробиотест 677F, изготовленный на основе лиофилизированных светящихся бактерий Р. phosphoreum 1883 IBSO.
Для исследования влияния электромагнитного излучения (ЭМИ) СВЧ была использована установка, разработанная совместно СФУ и ФИЦ КНЦ СО РАН (частота 1 ГГц, плотность потока энергии 70 мкВт/см2) [15].
Воздействие электромагнитного поля СВЧ-диапазона на интенсивность люминесценции бактерий измеряли в течение 50 часов, до падения интенсивности свечения контроля на 80%.
Для изучения кинетики биолюминесценции интактных и лиофилизи-рованных бактерий, образцы помещали в микропланшеты (Microplate) и через определенные промежутки времени измеряли интенсивность свечения с помощью прибора «TriStar Multimode Microplate Reader LB 941» (Berthold Technologies, Германия). Регистрировали интенсивность свечения контрольных (Icontr) и облученных (Irad) образцов. Для оценки влияния электромагнитного излучения на биолюминесцентные системы использовали величину относительной интенсивности свечения Irel, равную отношению указанных величин. Вычисляли среднее значение величины Irel. Ошибка определения Irel не превышала 15%. Далее строили зависимости Irel от времени воздействия.
Результаты и обсуждение
Исследовано влияние ЭМИ низкой интенсивности в диапазоне СВЧ на люминесценцию бактерий Ph. phosphoreum. В кинетике свечения бактерий наблюдали две стадии воздействия - задержку эффекта и активацию биолюминесценции (рис. 1-2).
I
15000000 -
10000000 -
5000000 -
0 1000 2000 3000
Время, мин
Рис. 1. Зависимость интенсивности биолюминесценции интактных бактерий, I, от времени воздействия электромагнитного излучения на частоте 1 ГГц. (А), контроль (Б)
100000 80000 60000 40000
0 1000 2000 3000
Время, мин
Рис. 2. Зависимость интенсивности биолюминесценции лиофилизированных бактерий, I, от времени воздействия электромагнитного излучения на частоте 1 ГГц (А), контроль (Б)
Как видно из рисунков 1 и 2, изменения кинетики люминесценции бактерий, находящихся в условиях постоянного действия ЭМИ по сравнению
с контролем для различных бактериальных систем схоже по характеру -наблюдаются две аналогичные стадии. Отличие между представленными зависимостями состоит лишь в уровне активации люминесценции.
На рис. 3 представлена зависимость относительной интенсивности биолюминесценции интактных (А) и лиофилизированных (Б) бактерий подвергнутых воздействию ЭМИ на частоте 1 ГГц, плотность потока энергии 70 мкВт/см2.
1ге1
Рис. 3. Относительная интенсивность биолюминесценции интактных (А) и лиофилизированных (Б) бактерий под действием ЭМИ на частоте 1 ГГц, плотность потока энергии 70 мкВт/см2.
Из рисунка видно, интенсивность активации зависела от вида бактериальной системы: активация люминесценции лиофильно высушенных бактерий была слабо выражена и не превышала 20%, в то время как активация интактных бактерий достигла 80%. Известно, что развитие ответных процессов в клетках на действие ЭМИ СВЧ связано с изменением структуры клеточной мембраны, приводящим к перераспределению метаболических потоков и изменению энергетического гомеостаза клеток [16-18]. В свою очередь, процесс лиофилизации бактерий во время приготовления препарата сопровождается повреждением клеточных мембран. Вероятно, активация биолюминесценции связана с адаптационными внутриклеточными процессами, которые в большей степени проявляются у неповрежденных клеток.
Таким образом, в модельных экспериментах показаны достоверные различия в откликах лиофилизированных и интактных люминесцентных бактерий при действии электромагнитного излучения СВЧ-диапазона. Полученные результаты указывают на принципиальную возможность разработки биотестов на основе люминесцентных бактерий для мониторинга комплекса низкоинтенсивных антропогенных воздействий. Физические, биохимические и клеточные процессы, лежащие в основе реакции светящихся бактерий на воздействие ЭМИ СВЧ, требуют дальнейшего изучения.
Список литературы
1. Blank M., Goodman R. Electromagnetic fields stress living cells. Pathophysiology. 2009. №16(2-3), pp. 71-8.
2. Григорьев Ю.Г. Принципиально новое электромагнитное загрязнение окружающей среды и отсутствие адекватной нормативной базы - к оценке риска (анализ современных отечественных и зарубежных данных). Гигиена и санитария. 2014. № 3. С. 11-16.
3. Григорьев Ю.Г., Бирюков А.П. Мобильная связь и здоровье населения: к оценке риска при техногенном электромагнитном загрязнении экосре-ды. Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2013. № 12. С. 44-61.
4. Григорьев Ю.Г., Бирюков А.П. Радиобиология мобильной связи: современные аспекты фундаментальных и прикладных исследований. Медико-биологические проблемы жизнедеятельности. 2014. № 1 (11). С. 6-16.
5. Markov M., Grigoriev Y.G. WI-FI technology - an uncontrolled global experiment on the health of mankind. Electromagnetic Biology and Medicine. 2013. Т. 32. № 2. С. 200-208.
6. Григорьев Ю.Г., Григорьев О.А. Мобильная связи и здоровье населения: оценка опасности, социальные и этические проблемы. Радиационная биология. Радиоэкология. 2011.Т.51, №3. С. 357-368.
7. Кочемарова Е.В., Кочемарова Ю.В., Круглик О.В., Моргулис И.И. Электромагнитная нагрузка на человека и природу. Инженерная экология. 2012. № 6. С. 35-46.
8. Оказова З.П., Макиев А.Д., Кусова Н.Х. Биомониторинг как способ контроля качества окружающей среды. В мире научных открытий. 2012. № 9. С. 167.
9. Burlakova, E.B., Konradov, A.A., Maltseva, E.X., Effect of extremely weak chemical and physical stimuli on biological systems. Biophys. Mosc. 2004. Vol.49, 522-534.
10. Girotti S., Bolelli L., Roda A. Gentilomi G., Musiani M. Improved detection of toxic chemicals using bioluminescent bacteria. Anal. Chim. Acta. 2002. Vol. 471, pp. 113-120.
11. Roda A., Pasini P., Mirasoni M., Michchelini E., Guardigli M. Biotechnological application of bioluminescence and chemiluminescence. Trends in Biotechnology. 2004. Vol. 22, pp. 295-303.
12. Girotti S., Ferri E. N., Fumo M. G., Maiolini E. Monitoring of environmental pollutants by bioluminescent bacteria. Ibid. 2008. Vol. 608. P. 229.
13. Kudryasheva N.S., Tarasova A.S. Pollutant toxicity and detoxification by hu-mic substances: mechanisms and quantitative assessment via luminescent biomonitoring. Environ. Sci. Pollut. Res. 2015. Vol. 22., pp. 155-167
14. Александрова М.А., Рожко Т.В., Бадун Г.А., Бондарева Л.Г., Выдрякова Г.А., Кудряшева Н.С. Влияние трития на рост и биолюминесценцию бактерий P. phosphoreum. Радиационная биология. Радиоэкология. 2010. Т. 50. № 6. С. 613-618.
15. Kopylov A.F., Kruglik O.V., Khlebopros R.G. Microwave system for research biological effects on laboratory animals. Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. 2014. № 1-2. С. 8-12.
16. Winterhalter M. Lipid membranes in external electric fields: Kinetics of large pore formation causing rupture. Advances in Colloid and Interface Science. 2014. Vol. 208, pp. 121-128.
17. Zakhvataev V.E., Khlebopros R.G.The Kupershtokh-Medvedev electrostrictive instability as possible mechanism of initiation of phase transitions, domains and pores in lipid membranes and influence of microwave irradiation on cell. Biophysics. 2012. Т. 57. № 1. С. 61-67.
18. Антонов В.Ф. Мембранный'транспорт. Соросовский образовательный журнал. 1997. №6. С. 6-14.
References
1. Blank M., Goodman R. Electromagnetic fields stress living cells. Pathophysiology. 2009. №16(2-3), pp. 71-8.
2. Grigor'ev Ju.G. Principial'no novoe jelektromagnitnoe zagrjaznenie okruzha-jushhej sredy i otsutstvie adekvatnoj normativnoj bazy - k ocenke riska (anal-iz sovremennyh otechestvennyh i zarubezhnyh dannyh) [Fundamentally new electromagnetic pollution and the lack of adequate regulatory framework - on the risk assessment (analysis of modern domestic and foreign data)]. Gigiena i sanitariya [Hygiene and sanitation]. 2014. № 3, pp. 11-16.
3. Grigor'ev Ju.G., Birjukov A.P. Mobil'naja svjaz' i zdorov'e naselenija: k ocenke riska pri tehnogennom jelektromagnitnom zagrjaznenii jekosredy [Mobile Communications and Public Health: a Risk Assessment of the Man-Caused Electromagnetic Ecological Pollution on Environmental Quality]. Meditsinskaya radiologiya i radiatsionnaya bezopasnost' [Medical Radiology and Radiation Safety]. 2013. № 12, pp. 44-61.
4. Grigor'ev Ju.G., Birjukov A.P. Radiobiologija mobil'noj svjazi: sovremennye aspekty fundamental'nyh i prikladnyh issledovanij. [Radiobiology of mobile communication: Modern aspects of fundamental and applied research]. Mediko-biologicheskie problemy zhiznedeyatel'nosti [Medical and biological problems of life]. 2014. № 1 (11), pp. 6-16.
5. Markov M., Grigoriev Y.G. WI-FI technology - an uncontrolled global experiment on the health of mankind. Electromagnetic Biology and Medicine. 2013. V. 32. № 2, pp. 200-208.
6. Grigoriev Y. Mobile communications and health of population: the risk assessment, social and ethical problems. The Environmentalist. 2012. V. 32. № 2, pp. 193-200.
7. Kochemarova E.V., Kochemarova Ju.V., Kruglik O.V., Morgulis I.I. Jelektro-magnitnaja nagruzka na cheloveka i prirodu [The effect of electromagnetic fields on biological objects]. Inzhenernaya ekologiya [Engineering Ecology]. 2012. № 6, pp. 35-46.
8. Okazova Z.P., Makiev A.D., Kusova N.H. Biomonitoring kak sposob kon-trolja kachestva okruzhajushhej sredy [Biomonitoring as way of quality con-
trol of environment]. V mire nauchnykh otkrytiy [In the World of Scientific Discoveries]. 2012. № 9. P. 167.
9. Burlakova E.B., Konradov A.A., Maltseva E.X. Effect of extremely weak chemical and physical stimuli on biological systems. Biophys. Mosc. 2004. Vol.49, 522-534.
10. Girotti S., Bolelli L., Roda A. Gentilomi G., Musiani M. Improved detection of toxic chemicals using bioluminescent bacteria. Anal. Chim. Acta. 2002. Vol. 471, pp. 113-120.
11. Roda A., Pasini P., Mirasoni M., Michchelini E., Guardigli M. Biotechnological application ofbioluminescence and chemiluminescence. Trends in Biotechnology. 2004. Vol. 22, pp. 295-303.
12. Girotti S., Ferri E. N., Fumo M. G., Maiolini E. Monitoring of environmental pollutants by bioluminescent bacteria. Ibid. 2008. Vol. 608. P. 229.
13. Kudryasheva, N.S., Tarasova, A.S., Pollutant toxicity and detoxification by humic substances: mechanisms and quantitative assessment via luminescent biomonitoring. Environ. Sci. Pollut. Res. 2015. Vol. 22, pp. 155-167.
14. Aleksandrova M.A., Rozhko T.V., Badun G.A., Bondareva L.G., Vydrjakova G.A., Kudrjasheva N.S. Vlijanie tritija na rost i bioljuminescenciju bakterij P. Phosphoreum [Influence of tritium on the growth and bioluminescence bacteria P. phosphoreum.]. Radiacionnaja biologija. Radiojekologija. 2010. V. 50. №2 6, pp. 613-618.
15. Kopylov A.F., Kruglik O.V., Khlebopros R.G. Microwave system for research biological effects on laboratory animals. Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. 2014. № 1-2, pp. 8-12.
16. Winterhalter M. Lipid membranes in external electric fields: Kinetics of large pore formation causing rupture. Advances in Colloid and Interface Science. 2014. Vol. 208, pp. 121-128.
17. Zakhvataev V.E., Khlebopros R.G.The Kupershtokh-Medvedev electrostrictive instability as possible mechanism of initiation of phase transitions, domains and pores in lipid membranes and influence of microwave irradiation on cell. Biophysics. 2012. Vol. 57. № 1, pp. 61-67.
18. Antonov V.F. Membrannyj transport [Membrane transport]. Sorosovskij obra-zovatel'nyj zhurnal. 1997. №6, pp. 6-14.
ДАННЫЕ ОБ АВТОРАХ Рожко Татьяна Владимировна, кандидат биологических наук, доцент; ведущий научный сотрудник
Красноярский государственный медицинский университет имени профессора В.Ф. Войно-Ясенецкого МЗ РФ; Федеральное государственное автономное образовательное учреждение Высшего образования «Сибирский федеральный университет» ул. П. Железняка, 1, г. Красноярск, Красноярский край, 660022, Российская Федерация; пр. Свободный, 79, г. Красноярск, Красноярский край, 660041, Российская Федерация [email protected]
Пьянков Владимир Федорович, лаборант; аспирант кафедры Экологии и природопользования Института Экологии и географии
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»; Федеральное государственное автономное образовательное учреждение Высшего образования «Сибирский федеральный университет»
ул. Академгородок, 50, г. Красноярск, Красноярский край, 660036, Российская Федерация; пр. Свободный, 79, г. Красноярск, Красноярский край, 660041, Российская Федерация [email protected]
Крюкова Ольга Витальевна, кандидат биологических наук, научный сотрудник
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение
«Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный
центр Сибирского отделения Российской академии наук»
ул. Академгородок, 50, г. Красноярск, Красноярский край, 660036,
Российская Федерация
DATA ABOUT THE AUTORS Rozhko Tatyana Vladimirovna, Candidate of Biological Science, Associate Professor; Leading Researcher
Krasnoyarsk State Medical University named after Prof. VF. Voino-Yasenetsky; Siberian Federal University
1, Partizan Zeleznyak str., Krasnoyarsk, 660022, Russian Federation; 79, Svobodny pr., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation [email protected] SPIN-code: 3405-9730
Pyankov Vladimir Fedorovich, Research Worker, PhD student
Federal Research Center 'Krasnoyarsk Science Center'; Siberian Federal University
50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation; 79, Svobodny pr., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation [email protected]
Kryukova Olga Vitalevna, Candidate of Biological Science, Research Scientist
Federal Research Center 'Krasnoyarsk Science Center' 50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation [email protected] SPIN-code: 5882-0170
