CC BY
29УДК 579.22:57.043
DOI: 10.24412/2308-720Х-2020-1 -36-44
Лаврский Алексей Юрьевич
Кандидат биологических наук, доцент кафедры биологии и географии
Калугина Наталья Юрьевна Магистрант 1-го курса естественнонаучного факультета
ФГБОУ ВПО «Пермский государственный гуманитарно-педагогический университет», г. Пермь, Россия 614990, г. Пермь, ул. Пушкина, 42, (342) 2151952, доб. 485, e-mail: Lavrsky@pspu.ru, 63798@pspu.ru
ВЛИЯНИЕ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ЧАСТОТ НА РОСТ КУЛЬТУР ESCHERICHIA COLI
Aleksei Yu. Lavrskii
Candidate of Biological Sciences, Docent of Chair of Biology and Geography
Natal'ya Yu. Kalugina
1 years magistrand of Natural Science Faculty
Federal State Budget Educational Institution of Higher Education «Perm State Humanitarian Pedagogical University» 42, Pushkina, 614990, Perm, Russia, e-mail: Lavrsky@pspu.ru, 63798@pspu.ru
INFLUENCE OF MICROWAVE RADIATION OF DIFFERENT FREQUENCIES ON THE GROWTH OF ESCHERICHIA COLI
Аннотация. Приводятся результаты исследования влияния немодулированного микроволнового излучения в диапазоне 0,3-2,4 ГГц на рост колоний Escherichia coli на агаризованной среде, а также в суспензии. Установлено, что есть участки спектра, стимулирующие рост бактерий, и участки, подавляющие его. Приводится сравнение результатов при использовании двух способов культивирования Escherichia coli.
Ключевые слова: немодулированное СВЧ-излучение, суспензионная культура, Escherichia coli.
Abstract. The article presents the results of a study of the effect of unmodulated microwave radiation in the range of 0.3-2.4 GHz on the growth of Escherichia coli colonies on agar nutrient medium, as well as in suspension. It was found that there are areas of the spectrum that stimulate and areas that inhibit the growth of bacteria. Comparison of the results using two methods of Escherichia coli cultivation is presented.
Key words: unmodulated microwave radiation, suspension culture, Escherichia coli, growth.
© Лаврский А.Ю., Калугина Н.Ю., 2020
Действие электромагнитных колебаний на живые объекты - достаточно интересный вопрос для изучения.
Как известно, космическое пространство заполнено электромагнитными излучениями практически во всем спектральном диапазоне, испускаемыми различными космическими объектами, преимущественно звездами. За пределами видимого участка спектра эти излучения для нас зачастую неочевидны, поскольку невидимы.
Многие из них проникают через атмосферу, их можно зарегистрировать радиоэлектронной аппаратурой, в простейшем случае услышать с помощью аналогового радиоприемника как характерный шум.
Эти излучения и переменные поля, создаваемые ими, так или иначе воздействуют на живые объекты, от бактерий до крупных позвоночных. Этому есть масса подтверждений [1-3, 6].
Характер этих воздействий во многом остается неясным и неоднозначным. Есть данные об изменении проницаемости мембран, усилении роста микроорганизмов, наоборот, угнетении и пр. [1, 4].
Этот вопрос становится всё более актуальным с развитием технологий беспроводной связи. Человечество создает вокруг себя уникальную среду обитания с нетипичными характеристиками и новыми факторами воздействия.
Хотелось бы обратить особое внимание на критический взгляд авторов статьи на данную проблему, поскольку в современных источниках информации активно транслируются разного рода заблуждения и фобии.
Живые системы, несомненно, определенным образом реагируют на переменные электрические и магнитные поля, поскольку в структуре клеток и их компартментов изобилуют носители электрических зарядов, но это воздействие не является исключительно полезным или, напротив, вредным и зависит от многих сопутствующих факторов [5, 6].
Воздействие электромагнитных излучений (ЭМИ) на живую материю довольно очевидно, один из самых ярких примеров - процесс фотосинтеза, но характер индуцируемых процессов для ЭМИ разных длин волн, несомненно, отличается [5]. Прежде всего, это связанно с резонансными структурами, если для светового излучения ими могут служить молекулы и атомные группы, то для СВЧ-диапазона даже целые клетки, органы и мелкие организмы значительно уступают по размерам длине волны. По этим причинам воздействие на клетки и ткани, вероятно, следует расценивать как воздействие переменных электрического и магнитного полей.
На сегодняшний день чрезвычайно широко распространены различные виды беспроводной связи, такие как 3G, 4G, Wi-Fi, Bluetooth, а также проприетарные протоколы беспроводных устройств, работающие в диапазоне 1,8-2,5 ГГц, в меньшей степени 5 ГГц.
Формируемое распределение энергии по спектру отличается от естественного фона, но механизмы его влияния на живые организмы, как эукариот, так и прокариот, изучены недостаточно. Именно поэтому данный вопрос чрезвычайно актуален.
В качестве модельного организма удобно использовать прокариот, поскольку они обладают быстрыми темпами роста, а характеристики отдельных штаммов хорошо известны [2]. Кроме того, культуры удобно сохранять в течение длительного времени, и опыты легковоспроизводимы.
Именно по этим причинам в данной работе использовался один из наиболее изученных микроорганизмов - кишечная палочка (Escherichia coli).
Цель - изучить влияние микроволнового излучения различных частот на рост культур Escherichia coli на агаризованной среде и в суспензии.
Задачи:
1. Установить степень влияния немодулированного микроволнового излучения мощностью 700 мВт/см в пределах 2,4 ГГц на рост E. coli.
2. Оценить отличия во влиянии на рост изучаемых бактерий колебаний константной мощности, но различных частот.
3. Выявить участки спектра, оказывающие наиболее значительное воздействие на рост E. coli.
Материалы и методы
В качестве модельного биологического объекта использовался широко распространенный референсный штамм кишечной палочки (Escherichia coli) ATCC 25922.
В работе брали два типа культур - на твердой агаризованной среде (ГРМ-агаре), а также суспензионную культуру на ГРМ-бульоне.
В качестве источника сигнала использовался электронный перестраиваемый генератор с диапазоном от 0,1 МГц до 3 ГГц, сигнал которого подавался на усилитель для достижения необходимой мощности (рис. 1).
т Анализатор спектра ??
Термостатируемый облучатель
^ СВЧ-генератор
|свч -
усилитель
I
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
С усилителя сигнал подавался на облучатель из СВЧ-стеклотекстолита, в непосредственной близости от которого находились растущие колонии бактерий.
Мощность сигнала устанавливалась на необходимый уровень по анализатору спектра с диапазоном входных частот от 10 МГц до 40 ГГц.
Планиметрическая методика учета
Для культур на твердой агаризованной среде в опытах использовались четыре чашки Петри, в каждую из которых осуществлялся матричный посев микроорганизмов (МО) из суспензии загнутой иглой по шаблону в форме квадрата 25^25 колоний (рис. 2).
Рис. 2. Шаблон для матричного посева и колонии на агаризованной питательной среде
Две чашки (контроль) помещались в термостат, соединенный с заземлением здания, сам по себе являющийся экранирующим кожухом, так как имеет толстый металлический корпус.
Другие две чашки размещали в термостате-облучателе, представляющем собой водяной термостат, оснащенный излучательной антенной, при этом каждой колонии матричного посева соответствовал отдельный ее элемент. Термостат-облучатель также защищен заземленным экранирующим металлическим кожухом.
Культуры инкубировались 24 ч при температуре 37 °С. После этого сканировались в планшетном сканере, и их относительный рост учитывался планиметрическим методом с использованием свободно распространяемого программного обеспечения Image-J.
Данный метод учета сам по себе не дает информации о точном количестве клеток (КОЕ), но позволяет оценить относительный прирост биомассы МО. Принципиально такие данные могут быть получены при
измерении оптической плотности бульона с ресуспендированными колониями разного диаметра.
Фотометрическая методика учета
При использовании суспензионной культуры инкубация производилась одновременно в двух стерильных, изолированных друг от друга 92-луночных полимерных ИФА-планшетах, опыт и контроль соответственно. В каждой из них засевалось по 24 лунки в три ряда с чередованием через один.
Для облучения суспензий использовался модифицированный ИФА-термошейкер Elmi ST3, в который была встроена антенна, изготовленная из СВЧ-стеклотекстолита. Каждой лунке с суспензией соответствовал индивидуальный элемент излучателя. Обе планшеты закрывались отдельными заземленными экранирующими крышками. Дном двух образованных таким образом экранированных камер служила платформа шейкера, выполненная из алюминия толщиной около 10 мм, являющаяся также нагревателем термостата.
После инкубации суспензии инактивировались, переносились автоматическим дозатором в фотометрическую планшету с П-образным дном лунок, и производился замер их оптической плотности на планшетном фотометре Tecan SunRise с предварительным шейкированием средствами данного прибора.
Все полученные данные обрабатывались в Microsoft Excel c использованием стандартных методов статистики.
Результаты и их обсуждение
Результаты, полученные методом планиметрического учета роста колоний при матричном посеве, представлены ниже, жирным шрифтом выделены статистически достоверные отклонения в сравнении с контролем (табл. 1).
Таблица 1
Зависимость средней площади колоний E. coli от частоты _СВЧ-излучения (p < 0,05)_
Частотаf МГц Средняя площадь колоний (X ± m), мм Разность c контролем (d) t
абс. %
0 (К) 41,30 ± 2,75 — —
301 38,55 ± 1,41 — —
601 41,68 ± 1,84 — —
881 28,26 ± 1,47 13,04 32 4,2
1200 15,58 ± 0,72 -25,72 62 9,1
1620 42,57 ± 17,39 — —
1776 73,45 ± 11,52 32,15 78 2,7
2250 35,90 ± 1,83 - —
Из таблицы 1 видно, что при некоторых частотах рост микроорганизмов значительно отличается от такового в контрольной группы. Примечательно, что влияние в некоторых случаях угнетающее, так, при 1200 МГц рост подавляется на 62 %, а при 1776 МГц - напротив, усиливается на 78 %.
В графическом виде зависимость можно оценить на гистограмме (рис. 3).
90 !-80 70 60 50 40 30 20 10 0
контроль301 601 881 1200 1 620 1 776 2250
Рис. 3. Зависимость средней площади колонии E. coli от частоты СВЧ-излучения
Суспензионная бактериальная культура, как и культура любых клеток, отличается равномерностью воздействия факторов на них, кроме того, позволяет более точно оценивать прирост клеточной биомассы фотометрическим методом, поэтому предполагалось, что характер роста в ней может несколько отличаться от культуры на агаре.
Перемешивание среды в лунках планшет достигается шейкированием с частотой около 20 Гц, что препятствует формированию в лунках градиентов каких-либо факторов, кроме того, разные клетки попеременно попадают в зону, максимально приближенную к излучателю.
Данные о характере роста суспензий представлены в табл. 2.
Таблица 2
Зависимость плотности суспензий E. coli от частоты _СВЧ-излучения (p < 0,05)_
Частота f МГц Контроль, К0Е106 /см3 Опыт, К0Е106 /см3 Разность d t
абс. %
311 72,09 ± 2,33 83,39 ± 3,05 11,3 16 2,9
620 72,64 ± 2,48 91,56 ± 2,01 18,92 26 5,9
881 83,16 ± 1,70 94,25 ± 1,45 11,09 13 5
1200 57,95 ± 1,23 56,29 ± 1,96 - - 0,7
1620 65,80 ± 0,96 15,42 ± 4,23 -50,38 -77 11,6
1842 75,31 ± 1,45 76,98 ± 1,37 - - 0,8
1776 58,04 ± 1,67 64,50 ± 1,15 6,46 11 3,2
1950 63,23 ± 2,00 58,62 ± 3,99 - - 1
2005 56,15 ± 4,64 67,60 ± 0,66 11,45 20 2,4
г(! г>
о*
<Ъ ч" л. д t / ,<э
4 V у 4
Из полученных результатов видно, что в интервале от 311 до 1200 МГц облучение положительно сказывается на приросте численности бактерий, в целом аналогичная картина наблюдается и при воздействии более 1620 МГц.
Но самое значительное зафиксированное влияние наблюдается при частоте 1620 МГц - при этих условиях плотность культуры относительно контроля уменьшается на 77 %.
Динамику роста суспензий E. coli при различных частотах СВЧ-излучения в установке можно оценить на графике (рис. 4, а).
1 20
311 620 881 120016201842177619502005
а
40 20 0
20 10
311
620
1620j
1776
881 1200 б Г
Рис. 4. Зависимость плотности суспензий E. coli (К0Е106 /см3) от частоты СВЧ-излучения (а). Сравнения данных планиметрической и фотометрической методик
учета роста бактериальной культуры (б)
Как и предполагалось, характер роста двух использованных типов культур несколько отличается. Это может быть обусловлено различными биологическими, а также физико-химическими причинами. Так,
в суспензионной культуре практически не выражены градиенты условий благодаря постоянному перемешиванию среды. В то же время поверхностная культура бактерий на твердой агаризованной среде, напротив, представляет собой популяцию клеток, с одной стороны, конкурирующих за питательные вещества, с другой - растущих при некотором градиенте концентрации кислорода.
Несмотря на перечисленные отличия, закономерности влияния частоты излучения на рост сходны на некотором участке спектра (см. рис. 4, б). В диапазоне от 311 до 1200 МГц кривые явно коррелируют, что видно на графике. Коэффициент линейной корреляции Пирсона на этом участке принимает значение 0,77, что близко к единице, и указывает на сходную динамику.
Выводы
1. В результате работы было установлено, что в некоторых участках спектра микроволновое излучение до 2400 МГц достоверно влияет на рост Escherichia coli как на твердой агаризованной среде (ГРМ-агар), так в жидкой суспензионной культуре.
2. В некотором диапазоне (от 311 до 1630 МГц) отмечено сходное влияние излучения на рост культур обоих типов. Этот факт может свидетельствовать о существовании некоторой закономерности и требует дальнейшего более подробного рассмотрения.
3. Установлено, что СВЧ-излучения различных частот по-разному влияют на рост кишечной палочки, на некоторых участках спектра рост подавляется (1200-1620 МГц), на других - напротив, стимулируется (311-881 и 17762005 МГц).
4. Наиболее значимое стимулирующее влияние зафиксировано на частотах 620 мГц (26 %) для суспензионных культур, 1776 МГц (78 %) - для культуры на агаризованной среде.
Самое значительное влияние, угнетающее рост бактерий, отмечено на частотах 1200 МГц (ГРМ-агар) и 1620 МГц (суспензионная культура).
Список литературы
1. Гордеева Т. Х., Гаврицкова Н. Н. Изменение численности и структуры комплекса целлюлозоразрушающих микроорганизмов под воздействием СВЧ-излучения // Вестник ПГТУ. Серия: Лес. Экология. Природопользование. -2012. - № 2 (16). - С. 86-91.
2. Влияние радиоволн на лизогенные клетки кишечной палочки и бактериофаг X / С. Л. Малиновская, В.А. Монич [и др.] // Вестник ННГУ. -2011. - № 2. - С. 90-93.
3. Кретова Ю.И. Мицелиальная контаминация пищевого сырья и пути ее устранения // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Пищевые и биотехнологии. - 2014. - № 3. - С. 5-12.
4. Особенности воздействия низкоинтенсивных электромагнитных излучений различных диапазонов на микроорганизмы / В. А. Монич, С. Л. Малиновская [и др.] // Вестник ННГУ. - 2010. - № 2. - С. 435-438.
5. Особенности воздействия широкополосных низкоинтенсивных электромагнитных сигналов на семена растений и коринебактерии / О.И. Коваленко, Ф. В. Кивва [и др.] // Радиоэлектроника и информатика. - 2007. - № 2. - С. 111-120.
6. Соболева О.М. Биотропный характер влияния мощности и экспозиции электромагнитного поля на морфометрические показатели проростков // Вестник АГАУ. - 2017. - № 4 (150). - С. 24-30.
