Экологические аспекты взаимодействия электромагнитных полей миллиметрового диапазона с биологическими объектами

Гапочка, Михаил Германович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Экологические аспекты взаимодействия электромагнитных полей миллиметрового диапазона с биологическими объектами
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологические аспекты взаимодействия электромагнитных полей миллиметрового диапазона с биологическими объектами"

На правах рукописи

Гапочка Михаил Германович

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА С БИОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

г I 2С14

Москва-2013.

005545534

Работа выполнена на кафедре гидробиологии биологического факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова».

Официальные оппоненты: Бецкин Олег Владимирович, доктор

физико-математических наук, профессор. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова» РАН (Фрязинский филиал).

Горюнова Светлана Васильевна, доктор биологических наук, профессор.

Государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования города Москвы «Московский городской педагогический университет». Чуйко Григорий Михайлович, доктор биологических наук, зав. лаб. физиологии и токсикологии водных животных. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт биологии внутренних вод имени И.Д. Папанина» РАН.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского».

Защита состоится «27» марта 2014 г. в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 501.001.55 при ФГБОУ ВПО «Московский Государственный Университет имени М.В. Ломоносова» по адресу: 119991 ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12, биологический факультет МГУ, аудитория 389.

С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д. 27) и в сети Internet по адресу htto://vak2.ed.gov.ru/ и http://www.bio.msu.ru/dissertations/. Автореферат разослан « 7/ v> 20 /У г.

Ученый секретарь |/ /

диссертационного совета М|Й£> Карташева Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема влияния электромагнитных полей на

биологические объекты в настоящее время приобрела особую актуальность,

так как за последние пятьдесят лет электромагнитный фон Земли увеличился

в тысячи раз, что связано с использованием новых искусственных

источников электромагнитных полей (ЭМП) различных частотных

диапазонов. Это привело к усложнению электромагнитной обстановки, как в

непосредственной близости к источникам излучения, так и в местах

проживания населения (Рубцов и др., 2011). По терминологии Всемирной

организации здравоохранения (ВОЗ) возросший электромагнитный фон

Земли называют «электромагнитным загрязнением среды». Поэтому

проблема электромагнитного загрязнения включена в перечень

приоритетных направлений исследований неионизирующих физических

факторов окружающей среды, так как нет полного понимания

закономерностей и механизмов действия ЭМП на биологические объекты и,

прежде всего, на организм человека.

В связи с электромагнитным загрязнением среды остро встали вопросы

комбинированного действия ЭМП с другими факторами среды и, в

особенности, с химическим загрязнением. Взаимодействие этих двух

факторов представляет собой глобальную экологическую проблему,

исследование которой особенно важно для водной среды, подвергающейся

постоянному химическому загрязнению. Однако, несмотря на очевидную

необходимость подобных исследований, работ о влиянии ЭМП на

гидробионты и, особенно, на качество среды их обитания очень мало и

поэтому вопрос биологической безопасности ЭМП для природных водных

экосистем остается открытым.

Для исследования влияния ЭМП на биологические объекты в работе

использовано электромагнитное излучение миллиметрового диапазона,

которое широко применяется для решения научных и практических задач

биологии и медицины. Электромагнитные поля в диапазоне частот от 0 ГГц

з _

до 300 ГГц (куда входит и КВЧ-диапазон) относят к факторам, потенциально опасным для человека, поэтому мы сочли целесообразным исследовать различные тест-объекты для выявления биологического действия ЭМП КВЧ.

В связи с выше сказанным, исследование экологических последствий облучения биологических объектов и среды их обитания представляется актуальной и современной задачей.

Цель и задачи исследования.

Цель работы - изучение закономерностей биологических эффектов действия электромагнитных полей миллиметрового диапазона на различные тест-объекты и среду обитания и оценка их использования в биотехнологии и медицине.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи.

Исследовать:

1. эффекты облучения гидробионтов электромагнитным полем крайне высокой частоты низкой интенсивности в процессе их развития;

2. сходство и отличие ответных реакций гидробионтов на электромагнитное излучение и комбинированного действия облучения и токсического фактора;

3. биологические эффекты облучения водной среды и её компонентов с использованием гидробионтов в качестве тест-объектов;

4. применение бактериального люминесцентного биосенсора тест-системы «Эколюм» для экспрессного выявления биологического действия электромагнитных полей;

5. применение облучения нефтеокисляющих бактерий, используемых для борьбы с нефтяным загрязнением, для увеличения их биомассы и потребления дизельного топлива;

6. применение КВЧ-излучения для выделения из почвы редких родов актиномицетов и их антибиотически активных штаммов;

7. использование крайневысокочастотных электромагнитных полей для нормализации и активизации иммунных процессов человека и животных.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Крайневысокочастотные электромагнитные поля вызывают изменения различных биологических показателей у исследуемых тест-объектов.

2. Крайневысокочастотные электромагнитные поля влияют на микробный состав почв, изменяя количественное соотношение банальных и редких родов актиномицетов в почвенном сообществе.

3. Крайневысокочастотные электромагнитные поля изменяют токсичность водной среды (увеличивают или уменьшают) в результате взаимодействия КВЧ-излучения и компонентов водной среды.

Научная новизна и практическая значимость.

Впервые экспериментально доказано изменение токсичности водной среды для гидробионтов в результате взаимодействия между КВЧ ЭМП и компонентами водной среды, что делает перспективным использование КВЧ ЭМП в практических целях для снижения токсичности водных растворов, в том числе, и сточных вод.

Впервые показана зависимость эффектов облучения гидробионтов от фазы их развития.

Впервые обнаружен скрытый эффект при облучении дафний и водорослей и их среды, проявляющийся при неблагоприятном внешнем воздействии - интоксикации среды.

Показано, что бактериальный люминесцентный биосенсор тест-системы «Эколюм» может быть использован для экспрессного выявления биологического действия ЭМП.

Впервые электромагнитные поля миллиметрового диапазона были использованы для выделения из почвы редких родов актиномицетов и антибиотически активных штаммов.

Впервые облучение КВЧ ЭМП культуры нефтеокисляющих бактерий Rhodococcus erythropolis Е-15 позволило увеличить их биомассу и потребление дизельного топлива, что может найти практическое применение для биоремедиации нефтезагрязненной почвы.

Апробация работы.

Результаты исследования доложены на Всесоюзной конференции «Физика и конверсия». Калининград. 1991 г.; Всесоюзной научно-практической конференции «Применение СВЧ энергии в технологических процессах и научных исследованиях», Саратов, 1991 г.; 1 съезде фтизиатров и пульмонологов Украины», Киев, 1993 г.; Всероссийской конференции «Сверхслабые взаимодействия в природе, технике, обществе». 1993 г.; Всероссийской конференции «Эколого-физиологические проблемы адаптации», 1994 г.; 25-th Europian microwife conference, Bologna, Italy. 1995; International Conference on Laser Methods for Biological and Environmental Applications, 1996; Всероссийской школе-семинаре «Физика и применение микроволн», 1997 г.; 2007 г.,2009 г.; Третьем международном конгрессе «Вода: экология и технология». 1998 г.; Научной конференции «Водные экосистемы и организмы», Москва, 2001 г., 2005 г., 2007 г.; 2 Съезде токсикологов России, Москва, 2003 г.; Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы реабилитации техногенных экосистем», Астрахань, 2005 г., 2006 г.; Всероссийском симпозиуме «Автотрофные микроорганизмы»; 2005 г., 2006 г., 2010 г.; Международной конференции «Водные экосистемы и организмы-7», Москва, 2005 г.; Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы реабилитации техногенных экосистем», Астрахань, 2006 г.; международной конференции «Физиология микроорганизмов в природных и экспериментальных системах, Москва, 2006 г.; IX съезде гидробиологического общества РАН, Тольятти, 2006 г.; Международной конференции «Водные экосистемы и организмы-8», Москва, 2007 г.; Ecology innovation in science and education. Ecological studies, Hards solutions. Moscow,

2009; IV Международной конференции «Актуальные проблемы современной альгологии», Киев, Украина, 2012 г.; Международная конференция «Структура воды: физические и биологические аспекты», Санкт-Петербург, 2013 г.

Личный вклад и участие автора.

Автору принадлежат постановка проблемы и решение её в целом, участие в планировании и постановке экспериментов, обработке результатов, обсуждении и написании статей совместно с соавторами.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, семи глав, обсуждения, заключения, выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Диссертация изложена на 214 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц и 34 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе (обзор литературы), состоящей из трех разделов, даны характеристика и особенности КВЧ-диапазона электромагнитных полей, литературные данные о влиянии и механизмах действия КВЧ ЭМП на биологические системы.

Глава 2. Объекты и методы исследования

Объектами исследования служили культуры зеленой микроводоросли Scenedesmus quadricauda Breb., инфузории Spirostomum ambiguum Ehrem., ракообразного Daphnia magna Straus, нефтеокисляющих бактерий Rhodococcus erythropolis E-15, люминесцентных бактерий Escherichia coli Kl2 TG1, почвенные сообщества, иммунокомпетентные клетки и органы человека и животных.

Главным методом изучения влияния КВЧ ЭМП на биологические объекты в данной работе было биотестирование, позволяющее, в отличие от других, даже самых тонких аналитических методов, получить ответ на основной вопрос - насколько опасен исследуемый фактор для жизнедеятельности биосистем.

В качестве источника КВЧ ЭМП использовали промышленные генераторы Г4-141, Г4-142, Р2-65 и Р2-69. Во всех экспериментах интенсивность миллиметрового излучения была нетепловой (мощность излучения менее 1 мВт/см2). В предварительных экспериментах были выявлены эффективные частоты облучения в миллиметровом диапазоне и был найден частотный интервал ЭМП (37.5 - 46.95 ГГц), наиболее часто используемый в нашей работе, применяемый также в медицине и биотехнологии. Рабочими частотами являются V = 37.5 ГГц, V = 42.25 ГГц, у= 46.95 ГГц, V = 53.57 ГГц.

Все эксперименты ставили в трехкратной повторности. Статистическая обработка полученных результатов проводилась стандартными методами с использованием критерия Стьюдента для проверки гипотезы о значимости различий полученных данных.

Особенности постановки экспериментов и показатели влияния облучения даны отдельно для каждого из семи используемых объектов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Глава 3. Особенности развития гидробионтов: водорослей, простейших и дафний в условиях облучения и токсических воздействий

Водоросли, инфузории и дафнии являются одними из самых используемых тест-объектов при изучении влияния внешних факторов среды на гидробионты, особенно в токсикологических исследованиях. Поэтому их культуры были использованы не только для определения эффективности воздействия КВЧ-излучения на гидробионты, но и для оценки их устойчивости к токсическим воздействиям.

Исследованы эффекты собственно КВЧ-облучения и в сочетании с токсическим фактором на развитие гидробионтов.

Для оценки эффектов облучения в качестве основного критерия влияния КВЧ ЭМП на гидробионты использована устойчивость, как главный интегральный показатель структурно-функционального состояния живых

систем, характеризующих их способность противостоять внешним экстремальным факторам среды (Патин, 1979).

Об изменении устойчивости водорослей и простейших судили по динамике их численности, а дафний — по выживаемости и плодовитости.

Часть 1. Водоросли

Исследовано влияние КВЧ-облучения на развитие водорослей и на их устойчивость к токсическим действиям фенола, меди и кадмия в процессе роста культуры.

Для решения поставленной задачи были проведены 3 серии экспериментов (для каждого из токсикантов) по восемь вариантов в каждой серии. Варьировали облучение трех компонентов культуры водорослей и их комбинаций: питательная среда (С), инокулят (И), токсикант (Т).

1. (С+И+Т) - не облучены (но); 2. С - облучена(о)+Ино; 3. (С+И)0=К0; 4. Т0+(С+И)Н0; 5. (С+Т)о+Ино; 6. (С+И+Т)0; 7.ТН0+(С+И)0; 8. С0+(И+Т)Н0;

К - контрольная культура водорослей (без токсиканта и облучения).

На основании предварительных экспериментов были выбраны следующие условия облучения: время облучения (0 - 30 минут; частота для металлов - V = 42.25 ГГц, для фенола - V = 53.57 ГГц (токсические вещества фенол, кадмий, медь использовали в виде растворов фенола и солей металлов С(1С12) СиС12).

Контролем ко всем экспериментам служила культура водорослей, развивающаяся без токсиканта и без облучения — К.

На рис. 1 представлены варианты и результаты экспериментов из которых видно, что облучение водорослей незначительно, но достоверно увеличивает численность клеток (рис. 1, вар. 3), что относится и ко 2 варианту, в котором облучали только питательную среду. Этот результат наблюдался во всех трех сериях опыта независимо от частоты ЭМП.

Добавление фенола в культуру водорослей значительно ингибирует ее развитие. На протяжении всего эксперимента численность клеток в контрольной культуре в 2-2.5 раза превышает таковую в культуре с фенолом

Рис. 1

Численность клеток в культуре водорослей при комбинированном действии КВЧ-облучения (\>=53.57 ГГц) и млн кл/мл фенола

20,00

18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00

1 2 3 4 5 6 7 8 К _Варианты опыта_

(рис. 1, вар. К и 1).

Увеличение эффекта токсичности фенола получили только в одном варианте: при облучении питательной среды с последующим добавлением в нее необлученных фенола и водорослей (рис. 1, вар. 8).

Облучение только раствора фенола при его последующем добавлении в необлученную среду с водорослями приводит к снижению эффекта токсичности фенола. При этом численность клеток к концу эксперимента почти на 30% больше, чем в культуре с необлученным фенолом (рис. 1, вар. 4). Уменьшение эффекта токсичности фенола наблюдается также при одновременном облучении всех трех компонентов культуры (рис. 1, вар. 6) и среды вместе с фенолом (рис. 1, вар. 5).

Точно такие же эксперименты были поставлены с растворами меди и кадмия.

Добавление меди в культуру водорослей снижает на 30% численность

клеток на протяжении всего эксперимента. Облучение не увеличивает эффект токсичности меди ни в одном из вариантов эксперимента. Более того, найдены условия при которых облучение полностью снимает эффект токсичности меди: облучение питательной среды и раствора меди (0.1 мг/л) перед её добавлением в культуру водорослей.

В экспериментах с кадмием (0.3 мг/л) было показано, что численность клеток в контрольной культуре в течение всего эксперимента в 4 раза превышала их численность в культуре с кадмием. Облучение не увеличивает эффект токсичности кадмия ни в одном из вариантов эксперимента, а снижение эффекта токсичности наблюдается только в тех вариантах, в которых при облучении присутствует кадмий.

Сопоставление результатов восьми вариантов экспериментов свидетельствует о том, что снижение эффекта токсичности фенола, кадмия и меди связано, скорее всего, не с изменением устойчивости водорослей под влиянием облучения, а с изменением эффекта токсичности самих токсикантов.

Из представленных выше результатов следует, что облучение водорослей в лаг-фазе не влияет на токсический эффект фенола, меди и кадмия. Однако известно, что в процессе развития организм изменяет свою чувствительность и устойчивость к воздействию внешних факторов. Поэтому было изучено влияние КВЧ ЭМП на развитие водорослей на разных фазах их роста. Кроме того, изменение устойчивости во время роста является одним из способов оценки действия излучения.

Ранее сообщалось (Гапочка, 1998) о зависимости устойчивости микроводорослей БсепеёеБПшз диас1псаис1а к токсическим воздействиям от фазы развития их культуры и об увеличении устойчивости водорослей к облучению в процессе их роста. Данные этой работы были учтены и выбраны такие же точки по кривой роста для облучения: нулевой день (день постановки эксперимента) - лаг-фаза; 10 день — лог-фаза; 20 день —

стационарная фаза. Это было важно сделать для изучения особенностей действия КВЧ ЭМП на гидробионты.

При облучении микроводорослей в лаг-фазе получали неоднозначные эффекты (стимуляция, отсутствие эффекта) и, как правило, слабо зависимые от дозы облучения. Только к концу эксперимента наблюдается ингибирование при 6-часовом облучении.

Облучение 10 суточных культур не влияет на развитие водорослей, так же, как и время облучения. Облучение 20 - суточных водорослей приводит к ингибированию их роста сразу же после облучения при всех выбранных дозах облучения (рис. 2). В обоих случаях не наблюдалась стимуляции роста водорослей. Самой устойчивой к действию облучения является культура водорослей в лаг-фазе.

Рис. 2

Динамика численности микроводорослей после их облучения на 20 день (42.25 ГГц)

ч I •л в ч ж

-ж-1 час «-2 часа часа ня-6 часов -♦-контроль

Таким образом, изучение влияния облучения на развитие водорослей и на их устойчивость к токсическому воздействию позволило установить зависимость эффектов облучения водорослей от фазы их развития; получить новый и важный результат: изменение (снижение или увеличение) эффекта токсичности среды в результате взаимодействия между КВЧ ЭМП и

компонентами водной среды; показать, что изменение эффекта токсичности среды зависит от облучаемого компонента среды (инокулят, раствор токсиканта, сама среда или их сочетания). При этом облучение питательной среды перед добавлением в нее необлученных водорослей и токсиканта приводит к различным результатам в зависимости от вида токсиканта: токсичность фенола увеличивается, меди - уменьшается, а токсичность кадмия практически не изменяется. Об этом же свидетельствует облучение всех трех компонентов - С+И+Т (вар. 1). Этот вариант представляет собой в упрощенном виде аналог загрязненной природной водной среды. Оказалось, что если в среде имеется фенол или медь, то облучение снижает их токсичность, а если присутствует кадмий - то увеличивает. Другими словами, влияние облучения на токсичность водной среды зависит от химической природы растворенных в ней токсических веществ.

Облучение растворов токсических веществ перед добавлением в культуры водорослей снижает их токсичность независимо от вида вещества. Однако степень этого эффекта зависит от вида токсиканта.

Выявлено уменьшение устойчивости водорослей к облучению в процессе их роста. Следовательно, реакция водорослей на облучение и токсические воздействия в процессе их развития отличаются принципиально: к токсическим - увеличивается, к облучению - уменьшается.

Часть 2. Простейшие

Исследованы эффекты облучения инфузорий на разных фазах их роста и влияние КВЧ-облучения на их устойчивость к токсическому действию меди.

Обнаружено, что облучение инфузорий, в целом, ингибирует их рост, но степень ингибирования и устойчивость простейших к действию КВЧ ЭМП зависит от стадии их развития (рис. 3).

При этом наименьшей устойчивостью обладает пятидневная культура (лог-фаза), а наибольшей - десятидневная и двенадцатидневная (стационарная фаза). Исключение составляет восьмидневные инфузории,

облучение которых приводит, с одной стороны, к увеличению их численности, а с другой - к более быстрому отмиранию (не на 14, а на 12 день роста). Такое же более быстрое отмирание наблюдали для культуры, облученной в лаг-фазе.

Рис.3

Численность инфузорий после облучения (42.25 ГГц)

N. число особей

При добавлении меди (0.25 мг/л) в культуры спиростом так же, как и при их облучении, наблюдается зависимость между фазой развития инфузорий и их устойчивостью к действию токсиканта. Показано, что наименьшей устойчивостью к действию токсиканта обладает культура инфузорий в лаг-фазе, а к действию облучения - в лог-фазе (пятидневная культура), что говорит о наличии специфической чувствительности инфузорий к действию облучения и токсиканта.

Результаты влияния облучения на устойчивость инфузорий к токсическому действию меди представлены на рис. 4. В этой серии экспериментов все опытные культуры были облучены в день постановки эксперимента в лаг-фазе, а токсикант добавляли в указанные на рисунке точки по кривой роста. Этот вариант эксперимента позволяет исследовать влияние облучения в лаг-фазе на развитие и устойчивость инфузорий к токсическому действию меди на последующих стадиях роста. Наиболее

значимый эффект комбинированного действия облучения и токсиканта отмечен в лог-фазе при добавлении меди в восьмидневную культуру инфузорий: наблюдается резкое снижение численности простейших по сравнению с облученной (без токсиканта, рис. 3) восьмидневной культурой. Добавление меди в 12-дневную культуру приводит к её более позднему отмиранию, что также наблюдается при действии только одного фактора -облучения.

Рис. 4

Численность инфузорий при комбинированном действии

сутки

Под влиянием облучения отмечены изменения в характере кривой роста инфузорий. В нормальных условиях кривая роста культуры инфузорий характеризуется 3-дневной лаг-фазой, увеличением численности клеток в лог-фазе, не четко выраженной стационарной фазой (10-14 суток) и резким отмиранием всей культуры (рис. 4). После облучения инфузорий в лаг-фазе и последующем добавлении меди в указанных точках на кривой роста появляется (кроме «пятидневной» культуры) четко выраженная стационарная фаза, отсутствующая и в контрольной культуре и при воздействии только одного фактора — токсиканта, что свидетельствует о торможении роста инфузорий под влиянием облучения.

Таким образом, показана зависимость эффектов облучения инфузорий от фазы их развития и отсутствие принципиальных отличий в реакции простейших на облучение и токсическое воздействие.

Следует отметить, что влияние облучения инфузорий в лаг-фазе проявляется при добавлении меди в их культуру на последующих фазах развития, на протяжении которых сменилось около шести поколений (продолжительность клеточного цикла инфузорий составляет 2-3 суток). Это свидетельствует об отдаленных последствиях облучения инфузорий и о передаче эффектов облучения через поколения.

Часть 3. Дафнии

Исследованы эффекты облучения дафний на разных фазах онтогенеза и влияние КВЧ-облучения на их устойчивость к токсическому действию кадмия.

С этой целью последовательно облучали и подвергали интоксикации суточных, 7-суточных (на стадии половозрелости) и 14-суточных рачков (в период размножения) в условиях одного непрерывного эксперимента.

Суточных дафний рассадили в экспериментальные стаканы и распределили их на 3 параллельные серии. В I серии опыта испытаниям подвергали суточных рачков, разделив их на 3 группы (варианты опытов): одних рачков подвергали влиянию только облучению, других - только кадмия, а третьих - влиянию и облучения и кадмия. При этом кадмий вносили после облучения рачков. Аналогичные действия провели с дафниями из II серии опыта в возрасте 7 суток, а с Ш-й серией - на 14-е сутки от начала эксперимента.

Таким образом, варианты опыта получили следующие обозначения (табл. 1):

Таблица 1. Схема постановки опытов.

серии варианты . I II III

0-е сутки 7-е сутки 14-е сутки

Контроль К К К

1 - Облучение(*) IK* II К* III К*

2-Cd I Cd II Cd III Cd

3 - Облучение(*)+ Cd I *Cd II *Cd III *Cd

Наблюдаемые показатели - выживаемость и плодовитость дафний.

Обнаружено, что облучение на разных стадиях развития интактных дафний не приводит к снижению их выживаемости (рис. 5 (а, б, в)).

Из рисунков также видно, что по выживаемости эффект токсичности кадмия для дафний зависит от фазы онтогенеза. По уменьшению устойчивости к действию кадмия дафнии располагаются следующим образом: 14~*■ 1 -*■ 7-ми суточные рачки, то есть III I II серии опыта.

Облучение и последующая интоксикация рачков увеличивает токсический эффект кадмия, хотя общая динамика численности повторяет таковую у необлученных вариантов и по уменьшению устойчивости к кадмию облученные дафнии так же, как и необлученные располагаются следующим образом: 14-ти суточные - 1-суточные - 7-ми суточные.

Рис. 5а

Выживаемость суточной культуры дафний после облучения и интоксикации

контроль ►-облучение ►-интоксикация 1-облучение+интоксикация

сутки

Рис. 56

Выживаемость семисуточных дафний после облучения и интоксикации

10 ф-

¿6 4

: 4 ■

Т^Т Т Т Т Т Т -

В \

4 в-а с в

•-контроль ►-облучение ь- интоксикация

I- облучение+интокснкация

сутки

Рис. 5в

Выживаемость четырнадцатисуточных дафний после облучения и интоксикации

.. А ■ * а ■ г

-♦-контроль -♦-облучение интоксикация -и- облучение+интоксикация

11 " *1 • !••.. .V" $

Ч .........-

•

сутки

15 20

Данные о влиянии облучения и кадмия на плодовитость дафний представлены на рис. 6., который показывает, что облучение рачков на разных фазах онтогенеза приводит к снижению их плодовитости максимально на 20% от контрольного уровня.

Воздействие кадмия на плодовитость суточных и семисуточных дафний резко снижает суммарную (за весь опыт) плодовитость дафний, (рис. 6 а, б). Их плодовитость составляет 20% и 40% от контрольного уровня

соответственно. На плодовитость 14-ти суточных рачков кадмий практически не влияет (рис. 6 в). По снижению плодовитости под действием кадмия дафнии располагаются следующим образом: \4~*~ 1 суточные рачки, то есть III* И-*" I серии опыта.

При совместном действии облучения и кадмия плодовитость интоксицированных облученных и необлученных суточных рачков одинакова (рис. 6 а), суммарная плодовитость 7-ми суточных рачков превосходит плодовитость дафний в необлученном варианте в два раза и приближается к контрольному, а у 14-суточных облученных рачков суммарная плодовитость возрастает на 30% по сравнению с необлученными рачками и достоверно превосходит контрольный уровень.

Более детальное рассмотрение динамики отрождения молоди и его сопоставление с графиком облучения и интоксикации привело к необходимости разделить весь период размножения дафний на две фазы для того, чтобы учитывать и сравнивать только ту молодь, которая отрождалась непосредственно после облучения:

первая фаза - от 7 суток (половозрелость) до 14 суток; вторая фаза - от 14 до 21 сутки (окончание опыта).

Исходя из этого, данные по плодовитости выглядят следующим образом (табл. 2):

Таблица 2.

Плодовитость дафний непосредственно после облучения.

серии фазы I II III

1 2 1 2 2

Контроль 14.3 10.4 14.3 10.4 10.4

1 - Облучение (*) 12.2 10.3 10.8 8.3 8.3

2-Сс1 1.2 3.7 6.5 3.2 9.2

3 - Облучение(*)+ Сё 1.7 3.1 15.3 3.3 10.0

Из таблицы видно, что по плодовитости эффект снижения токсичности кадмия непосредственно после облучения проявляется только во второй фазе размножения дафний.

Таким образом, исследование воздействия КВЧ ЭМП на развитие дафний не выявило в условиях данного эксперимента значимого влияния облучения дафний на разных стадиях онтогенеза на их выживаемость и плодовитость. Эффекты облучения по выживаемости выявлены в токсикологических опытах при совместном действии облучения и кадмия на всех стадиях развития дафний: облученные рачки при добавлении кадмия гибнут быстрее, чем необлученные.

Следовательно, облучение, не влияя на выживаемость дафний, уменьшает их устойчивость к действию кадмия.

По данным другого показателя - плодовитости - изменение чувствительности дафний к действию кадмия зависит от стадии онтогенеза. Облучение суточных рачков не влияет на их устойчивость к действию кадмия. Облучённые и интоксицированные на стадии половозрелости дафнии, несмотря на их низкую выживаемость, по плодовитости превосходят только интоксицированных суточных рачков. Облучение и интоксикация 14-суточных рачков в период размножения выявило, что по плодовитости (от 14 до 21 суток) эти дафнии не уступают контрольным, как в необлученном, так и в облученном варианте, хотя выживаемость у них по сравнению с контрольными дафниями на 30% ниже.

Таким образом, эффекты облучения дафний выявлены в процессе онтогенеза в токсикологических опытах при совместном действии облучения и кадмия: обнаружено увеличение эффекта токсичности кадмия, зависящее от стадии онтогенеза рачков. Облучение, не влияя на выживаемость дафний, уменьшает их устойчивость к действию кадмия.

Уменьшение устойчивости облученных дафний к действию кадмия только в токсикологических экспериментах свидетельствует о скрытом снижении устойчивости рачков под влиянием облучения, проявляющемся при неблагоприятном внешнем воздействии - интоксикации среды.

Основной и общий итог исследования влияния электромагнитного излучения низкой интенсивности и кадмия на выживаемость и плодовитость дафний в процессе онтогенеза следующий: эффекты облучения четко выражены в токсикологических опытах при совместном действии облучения и кадмия и слабо проявляются при действии собственно облучения.

Обсуждение

Представленные в этой главе экспериментальные данные о влиянии КВЧ-облучения на развитие гидробионтов выявили зависимость эффектов облучения от фазы их развития. Показано, что в процессе роста устойчивость микроводорослей к действию облучения - уменьшается, дафний увеличивайся по плодовитости и не меняется по выживаемости, а у инфузорий устойчивость изменяется периодически по кривой роста.

Эффекты токсического и совместного действия облучения и токсических веществ также зависят от фазы развития гидробионтов.

Найдено сходство и отличие в ответных реакциях гидробионтов на токсическое действие и облучение в процессе роста. У микроводорослей устойчивость к токсическому действию в процессе роста увеличивается, а к облучению - уменьшается. У простейших устойчивость к облучению и токсическому воздействию принципиально не отличается. Устойчивость дафний к облучение практически не изменяется на всех стадиях онтогенеза, а

к токсическому воздействию изменяется в зависимости от фазы онтогенеза.

На всех стадиях развития облучение, не влияя на выживаемость дафний, увеличивает их чувствительность к действию кадмия.

Показано, что влияние облучения инфузорий в лаг-фазе проявляется при добавлении меди в их культуру и на последующих фазах развития, что свидетельствует о передаче эффектов облучения инфузорий к действию токсиканта через поколения.

В заключении этой главы следует отметить важную особенность экспериментов с гидробионтами. В этих исследованиях вода является не только средой их обитания, но и неотъемлемым участником эксперимента. И поэтому, когда мы говорим об эффекте облучения и, в частности, об увеличении устойчивости гидробионтов под влиянием облучения, то должны учитывать то, что это влияние может быть опосредованным через водную среду в результате изменения её свойств.

Глава 4. Опосредованное влияние электромагнитных полей на развитие

культуры водорослей

Увеличение электромагнитного поля Земли несет в себе опасность не только прямого, но и опосредованного влияния на биологические объекты через среду их обитания, в том числе, в результате комбинированного действия ЭМП и химических реагентов.

Исследованы биологические эффекты облучения водной среды и ее компонентов (воды, питательной среды, растворов кадмия, кобальта, фенола и их комбинаций) КВЧ ЭМП разной частоты (37.5, 41.55 и 41.95 ГГц). В качестве тест-объекта использована культура зеленой микроводоросли Зсепеёезшиэ 4иас1псаис1а.

Облучение дистиллированной воды, на которой готовилась питательная среда, и готовой питательной среды на развитие культуры микроводорослей не выявило отличий в развитии и численности клеток в этих двух вариантах, а также по отношению к контрольной культуре.

Такие же опыты, но с добавлением кадмия в культуру водорослей, обнаружили эффекты облучения кадмия (уменьшение или увеличение его

токсичности) и их частотную зависимость. При этом самый значительный эффект - увеличение токсичности кадмия в два раза - наблюдался при облучении воды ЭМП частотой у=41.55 ГТц (рис. 7).

Таким образом, показано, что в зависимости от частоты ЭМП облучение может и уменьшать и увеличивать токсичность кадмия.

Рис.7

Влияние облучения воды и питательной среды на токсичность кадмия для микроводорослей (41.55 ГГц)

-контроль

I-контроль + кадмий

¡-облучена вода+кадмий

»-облучена питательная среда+кадмий

сутки

Следует обратить внимание на то, что влияние облучения на развитие и устойчивость культуры микроводорослей через среду обитания было обнаружено только в токсикологических экспериментах при совместном действии облучения и токсических веществ. Вполне вероятно, что добавление кадмия в облученные среды выявляет скрытое влияние облученной воды на устойчивость микроводорослей, проявляющееся при неблагоприятном внешнем воздействии - интоксикации среды. Эти исследования подтверждают результаты, полученные ранее в подобных опытах на водорослях (глава 3).

При исследовании отдаленных последствий облучения водных растворов кадмия были поставлены эксперименты, в которых в культуры водорослей добавляли облученный раствор кадмия через 1, 3, 5 и 8 суток

после его облучения. По такой же схеме были проведены контрольные опыты с необлучённым кадмием.

В результате было обнаружено, что эффект облучения растворов кадмия не только не исчезает со временем, но усиливается и становится разнонаправленным: эффект токсичности кадмия после облучения незначительно уменьшается; а к концу эксперимента резко увеличивается, что видно на рис. 8.

Рис.8

Численность клеток водорослей после добавления в их культуру кадмия на восьмые сутки после облучения его , , _раствора_

О -I-1-1-1 СУТКИ

О 10 20 30_40_

Такие же опыты были проведены с облученными растворами кобальта и фенола. Эффект токсичности кобальта для водорослей снижается сразу после облучения, а затем увеличивается, хотя не так значительно, как у кадмия и к концу эксперимента сохраняется.

Эффект токсичность фенола сразу после облучения не меняется, затем снижается и к концу эксперимента не проявляется (рис. 9).

Снижение эффекта токсичности среды было обнаружено при исследовании комбинированного действия кадмия и фенола, добавленных в культуру микроводорослей после облучения (у=42.25 ГГц) их растворов (рис. 10). В этих экспериментах были использованы концентрации фенола - 0.1 г/л и кадмия - 0.1 мг/л, каждая из которых не токсична для водорослей. Однако их совместное присутствие в среде в этих концентрациях привело к резкому

увеличению токсичности среды в результате синергизма и почти полному подавлению роста культуры этих соединений. Но несмотря на такой сильный токсический эффект облучение растворов кадмия и фенола, перед добавлением в культуру, полностью снимает их токсичность.

Рис. 9

Численность клеток водорослей после добавления в их культуру фенола на восьмые сутки после облучения его раствора

Рис. 10

Влияние КВЧ-облучения на токсичность кадмия (0.1 мг/л) и фенола (0.1 г/л) при их совместном присутствии для культуры микроводорослей.

кадмий и

фенол

облучены

-кадмий и

фенол

необлучены

Такие же результаты были получены при использовании фенола (0.3 г/л) и кадмия (0.3 мг/л) в токсических концентрациях (рис. 11). Видно, что

облучение, несмотря на токсичность исходных концентраций, полностью снимает их синергетический эффект.

Совместное присутствие в культуре фенола и кобальта в нетоксичных концентрации (0.1 г/л:0.1 мг/л) ингибирует развитие водоросли. В этом случае облучение растворов фенола и кобальта не только полностью снимает их токсичность, но и стимулирует развитие культуры и рост численности клеток микроводорослей.

Проявление синергизма между фенолом и металлами в нетоксических для водорослей концентрациях приводит к появлению эффекта токсичности среды. Но в то же время, облучение растворов металлов и фенола перед их добавлении в культуру водорослей полностью снимает эффект токсичности среды, что может быть связано с изменением взаимодействия между фенолом и металлами под влиянием облучения. Эти данные делают перспективным практическое применение ЭМП для снижения токсичности водных сред, содержащих эти вещества, в том числе, и сточных вод.

Таким образом, облучение водной среды и её компонентов (воды, питательной среды, растворов кадмия и фенола и их комбинаций) ЭМП КВЧ

Рис. 11

Влияние КВЧ-облучения на токсичность кадмия (0.3 мг/мл) и фенола (0.3 г/л) при их совместном присутствии для культуры микроводорослей (35 сутки)

® Контроль и кадмий+фенол ■ кадмий+фенол+облучение

разной частоты изменяет токсичность среды для микроводорослей в результате взаимодействия облучения и компонентов водной среды, но это изменение неоднозначно и зависит от частоты ЭМП и облучаемых компонентов.

Особое внимание и опасения вызывают факты увеличения токсичности кадмия, во-первых, после облучения его растворов и, во-вторых, под влиянием облучения водной среды, что чрезвычайно актуально в мониторинге загрязнения природных объектов тяжелыми металлами с учетом резкого увеличения антропогенного фона ЭМП.

Увеличение токсичности кадмия в результате его взаимодействия с ЭМП может иметь глобальные последствия для всего живого на Земле, тем более, что пока очень мало известно о возможных взаимодействиях соединений кадмия (и не только кадмия) с ЭМП в других диапазонах частот.

Глава 5. Биотестирование эффективности воздействия электромагнитных полей биолюминесцентным методом

Проведена оценка биологического действия электромагнитного поля низкой интенсивности на токсичность сточной воды разной степени очистки экспресс-методом на основе бактериальной люминесценции тест-системы «Эколюм».

Биолюминесцентный метод широко используют для оценки качества воды после всех видов фильтрации, а также воды, полученной в процессе регенерации на специальных установках, например при длительных космических полетах, и др. (ЯаЬЬо\у е1 а1., 2003).

Биотестирование с помощью бактериальной люминесцентной тест-системы позволило (предварительно до облучения ЭМП) оценить качество очистки исследуемых образцов сточной воды: образец №3 наиболее очищен и имеет наименьшую токсичность (Т самой воды около 30, Т — индекс токсичности), наибольшая токсичность у образца воды с наименьшей очисткой - образец № 1 (Т самой воды более 95). Эти данные подтверждают качество очистки сточной воды на Курьяновской станции аэрации.

Особый интерес представляют данные (таблица 3) биотестирования о влиянии ЭМП на воду разной степени очистки: облучение ЭМП сточной воды увеличивает ее токсичность. Установлено, что вклад облучения в интегральную токсичность воды зависит от чистоты воды: чем более загрязнена вода, тем более выражено токсическое действие ЭМП (Т увеличивается до 60). При более высокой степени очистки воды действие ЭМП выражено меньше (Т увеличивается до 20).

Таблица 3.

Вклад ЭМП (у=42,25 ГТц) в интегральную токсичность образцов сточной _воды разной степени очистки

Образцы воды

Вид очистки исследуемых образцов воды

Индекс токсичности (Т)

Вывод о вкладе ЭМП в токсичность образцов воды

г 1 - контрольная вода

Контроль - вода прошла механическую очистку и первичный отстойник

809 отн. ед.

»1 - облученная вода

Облученная ЭМП

вода образца №1_

64 ±4

Очень увеличивает токсичность

»2 - контрольная вода

Контроль - вода очищенная, прошла механическую очистку, первичный отстойник и аэротенк

3307 отн. ед.

22 - облученная вода

Облученная ЭМП вода образца №2_

30 ± 2

Увеличивает токсичность

°3 - контрольная вода

Контроль — вода доочищенная, прошла механическую очистку, первичный отстойник, аэротенк и песчано-гравийные фильтры

3492 отн. ед.

°3 - облученная вода

Облученная ЭМП

вода образца №3

18 ± 3

Пороговая токсичность

Проведенное биотестирование качества очистки сточной воды (трех образцов разной степени очистки) на Курьяновской станции аэрации экспресс-методом на основе люминесцентной бактериальной тест-системы «Эколюм-08» подтвердило качество очистки исследуемых образцов воды: вода, прошедшая три ступени очистки имеет наименьший индекс токсичности (Т около 30); наибольшая токсичность у сточной воды,

прошедшей только механическую очистку и первичный отстойник (Т более 95). Облучение ЭМП низкой интенсивности сточной воды разной степени очистки увеличивает ее токсичность. Обнаружено, что чем выше степень очистки, тем меньше выражено влияние ЭМП на показатель интегральной токсичности исследуемых образцов воды. . Эти данные позволяют рекомендовать бактериальный люминесцентный биосенсор тест-системы «Эколюм» для экспрессного выявления биологического действия ЭМП.

Глава 6. Применение КВЧ-излучения для решения некоторых задач биотехнологии и медицины

Источники электромагнитных полей миллиметрового диапазона низкой интенсивности уже давно используются в различных биотехнологических процессах и медицине (Брюхова и др. 1985; Тамбиев и др. 2003).

Часть 1. Влияние КВЧ-облучения на биомассу углеводородокисляющих бактерий Шюс1ососси8 егу^гороНв Е-15

Наиболее широко в биотехнологии используют микроорганизмы. В настоящее время особое внимание привлекают углеродокисляющие бактерии, способные использовать нефтяные углеводороды в качестве единственных источников углерода и энергии, что позволяет их использовать для снижения или устранения нефтяного загрязнения почв и водных объектов.

В связи с этим исследовано влияние КВЧ ЭМП на выход биомассы и углеводородокисляющую активность штамма углеводородокисляющих бактерий Ююс1ососсш егуИггороИз Е-15. Ранее родококки успешно использовались для биоремедиации нефтезагрязненной почвы в природных условиях при умеренно низких температурах окружающей среды (Коронелли Т.В.идр., 1997).

На первых этапах исследований был проведен поиск оптимальных условий КВЧ-облучения, позволяющий обеспечить максимальный прирост

биомассы этой культуры. В результате были найдены параметры облучения, указанные в таблице 4.

Таблица 4.

Влияние КВЧ ЭМП (у=37,5 ГТц, 45 мин) на выход биомассы и потребление дизельного топлива культурой бактерий Шюйососсиъ _егуМгороШ Е-15. _

Культура Облученная Необлученная

Биомасса, г/л 1,21 0,81

(в % от контроля) 149% 100%

Потребление

углеводородов 71% 42%

Найденные условия облучения позволили увеличить выход биомассы бактерий Якойососст егугкгороИь Е-15 и потребление углеводородов. Облучение инокулята углеводородокисляющих бактерий увеличивает выход биомассы бактерий (до 60%) и потребление ими углеводородов в среднем на 33% и 31% (максимально до 71%) соответственно по сравнению с необлученными бактериями. Прирост биомассы облученных углеводородокисляющих бактерий (по сравнению с необлученными) пропорционален увеличению потребления первыми углеводородов дизельного топлива. Это означает, что увеличение потребления дизельного топлива у облученных бактерий происходит, скорее всего, за счет увеличения скорости их роста (и накопления биомассы бактерий), а не за счет увеличения ферментативной активности бактерий.

Стимулирующее действие КВЧ ЭМП на рост и активность углеводородокисляющих микроорганизмов может найти практическое применение для борьбы с нефтяными загрязнениями окружающей среды.

Часть 2. Применение КВЧ-излучения для селективного выделения

актиномицетов из почвы

В настоящее время проводятся важные исследования по поиску редких

родов актиномицетов, так как они являются перспективными в отношении

получения новых биологически активных веществ — антибиотиков.

К редким родам актиномицетов условно относят все роды порядка

АсИпотусе(а1е.'> за исключением Йгер^отеусе^.Эти роды называются редкими,

поскольку они по сравнению с культурами рода Б^ерЮтусех значительно реже выделяются из почвы традиционными методами и отличаются меньшим видовым разнообразием. Редкие роды являются одним из наиболее перспективных источников получения биологически активных веществ.

Для селективного выделения актиномицетов из естественных мест обитания используют разнообразные приемы, в том числе методы предварительной обработки субстратов. В наших работах впервые использовано КВЧ-излучение для селективной изоляции актиномицетов из природных источников.

На первых этапах исследования был проведен поиск оптимальных длин волн в широком интервале КВЧ-диапазона для использования облучения с целью выделения редких родов актиномицетов из почвенных образцов на основе анализа таксономической принадлежности выделенных культур. В результате были найдены оптимальные интервалы волн КВЧ-излучения для селективного выделения актиномицетов из почвы. Наиболее подходящими для решения поставленной задачи оказались следующие интервалы волн КВЧ диапазона :3.8-4.6 мм, 4.6-5.8 мм и 8-11.5 мм. Применение КВЧ-излучения в указанных интервалах позволило увеличить количество выделяемых из почвы актиномицетов редких родов, а также процент антибиотически активных штаммов.

На следующем этапе работы была проведена оценка возможности использования комбинации сукцессионного метода с КВЧ-излучением для селективного выделения актиномицетов из почвенных образцов. Сукцессионный метод позволяет выявить динамику популяций различных родов актиномицетов, многие из которых не обнаруживаются при посеве исходного природного образца.

В ходе сукцессии, инициированной увлажнением были исследованы динамика численности одноклеточных бактерий и актиномицетов, на протяжении 45 суток (контрольный вариант), а также после КВЧ-обработки почвенных суспензий на разных этапах сукцессии (опытные варианты).

В ходе контрольной и опытных сукцессий наблюдали изменение численности одноклеточных бактерий (рис. 12) и актиномицетов (рис. 13).

Рис. 12

Динамика численности одноклеточных бактерий в ходе контрольной сукцессии и сукцессии в комбинации с обраборткой почвенных суспензий КВЧ- излучением: 1 - контрольная сукцессия;

Рис. 13

Динамика численности актиномицетов в ходе контрольной сукцессии и сукцессии в комбинации с обработкой почвенных суспензий КВЧ-излучением:1- контрольная сукцессия; 2 - сукцессия с обработкой КВЧ-волнами в интервале 4.6-5.8 мм;

В результате были выделены определенные этапы сукцессии в комбинации с КВЧ-обработкой, при которых количество одноклеточных бактерий уменьшалось, а число актиномицетов увеличивалось. Это наблюдалось при КВЧ-обработке в интервале волн от 4.6 до 5.8 мм на 14 и 45-е сутки сукцессии, а в интервале волн от 8 до11.5 мм - на 7-е сутки сукцессии.

Таким образом, комплексный метод в наших опытах оказался полезным для выделения таких редких культур актиномицетов как АсНпосогаШа, Ргот^готопоярога, АсНпор1апе$ и К1Ъс1е1о$рогащшт. Применение сукцессионного метода в комбинации с КВЧ-облучением позволило выявить на ранних стадиях сукцессии интересные редкие культуры актиномицетов, которые не выделялись в ходе обычной сукцессии. Возможно, КВЧ-облучение суспензий служило толчком к прорастанию на питательной среде представителей некоторых редких родов актиномицетов из почвенных образцов, отобранных еще на ранних этапах сукцессии. Таким образом, применение сукцессии в комбинации с КВЧ-излучением дало возможность не только расширить спектр выделяемых культур актиномицетов, но и выявить оптимальные для их выделения периоды сукцессии.

Изучение антибиотической активности культур редких родов актиномицетов, за исключением рода АИсготопоярога, показало, что в ходе сукцессии процент выделяемых антибиотически активных культур уменьшается, несмотря на общее увеличение численности актиномицетов редких родов. Однако, благодаря использованию КВЧ-облучения удалось увеличить долю выделяющихся антибиотически активных культур актиномицетов редких родов из образцов, отобранных не только вначале сукцессии, но и на всем ее протяжении. Наибольший процент антибиотически активных штаммов редких родов был выделен при обработке почвенной суспензии КВЧ-излучением в диапазоне от 4.6 до 5.8 мм. На различных этапах сукцессии с обработкой КВЧ-облучением доля антибиотически активных штаммов редких родов увеличивалась на 10-20 %. Следовательно, использование комбинации сукцессии и КВЧ-излучения увеличивает не только разнообразие выделенных культур актиномицетов, но и процент антибиотически активных штаммов редких родов.

В результате работы был выделен 1041 штамм редких родов актиномицетов и собрана коллекция культур, которые могут служить объектами исследований в различных областях (Ли, 2003).

Для выяснения вопроса о внутри и межродовом взаимодействии банальных и редких родов актиномицетов, влияющим на выделение редких родов актиномицетов, на основе экспериментальных данных была построена модель сукцессии рассматриваемого почвенного сообщества. За основу модели взято классическое уравнение Вольтерра-Лотки.

В качестве примера рассмотрим взаимодействие банального и редкого рода актиномицетов (З&ерШтусез и Мкготопоэрога), выделенных из почвы в ходе сукцессии после обработки почвенных суспензий КВЧ-волнами в интервале длин волн 4.6-5.8 мм (рис. 15), а так же без обработки (рис. 14).

Рис. 14 Контрольная сукцессия

. —ш—Мсгатопофагэ

Рис. 15

Облучение, интервал 4.6-5.8 мм

супш

—•—£*гер1отусе5 —»— Шсготолозрагэ

Из графиков видно, что КВЧ-облучение уменьшает межвидовую и внутривидовую конкуренцию банальных и редких родов актиномицетов, что приводит к увеличению численности редких родов на разных этапах сукцессии и выравнивании численность редких и банальных родов в прогнозе.

Часть 3. Иммунологическая оценка КВЧ-терапии

КВЧ-терапия широко используется в медицинской практике. Известно ее положительное действие на иммунитет. Однако, до сих пор не выяснен механизм действия КВЧ-излучения на иммунную систему. Поэтому мы попытались выяснить влияние этого излучения на иммунный статус человека и животных.

При исследовании иммунного статуса было изучено влияние КВЧ-терапии на розеткообразующую функцию лимфоцитов периферической крови больных. У аллергических больных определяли три параметра: количество Т- и В-клеток и количество малорецепторных клеток, имеющих 3-4 рецептора на лимфоцит.

Показано уменьшение количества рецепторов на поверхности лимфоцитов под влиянием КВЧ-терапии, причем некоторые Т-клетки совершенно теряют рецепторы, и тогда мы отмечаем сокращение числа Т-лимфоцитов. Количество В-клеток также изменяется, но не так явно.

Таким образом, КВЧ-терапия обладает иммунорегулирующей активностью по отношению, как к Т-системам, так и к В-системам иммунитета. Механизм реализации эффекта КВЧ-терапии связан, по-видимому, с воздействием на экспрессию поверхностных рецепторов лимфоцитов.

Ранее было показано, что у облученной воды происходит изменение величин некоторых физико-химических параметров. Новые значения этих параметров сохраняются, по крайней мере, в течение 2-3 суток. Было высказано предположение, что КВЧ-излучение воздействует не столько на

сами биологические объекты, сколько на воду, содержащуюся в них.

В связи с вышесказанным нами были поставлены следующие задачи:

1. Изучить особенности КВЧ-воздействия in vitro на лимфоциты периферической крови больных аллергическими заболеваниями.

2. Исследовать влияние КВЧ-облучения in vitro клеток тимического эпителия, полученного из тимуса человека.

3. Изучить действие КВЧ-облученной воды на уровень гуморального иммунитета в эксперименте на мышах.

Таблица 5.

Влияние КВЧ-облучения in vitro на лимфоциты периферической крови больных аллергическим заболеванием.

CD3 %

CD4 %

CD8 %

В-клегки %

NK-клетки %

онтроль

Я.-5.6мм

Я.-7.1мм

онтроль

2187 клеток в мкл

1481 клеток в мкл

942 клеток в мкл

235 клеток в мкл

202 клеток в мкл

Х-5.6мм

2086

1312

976

235

269

Х-7.1мм

2221

1346

908

135

303

онтроль

100%

Х-5.6мм

95.4

88.6

103.6

100

133.2

Х.-7.1мм

101.5

90.1

96.4

57.4

150

Примечание: СОЗ-Т-лимфоциты, С04-Т-хелперы, СБВ-Т-супрессоры, МС-клетки-натуральные киллеры.

Данные таблицы 5 свидетельствуют о воздействии КВЧ-облучения на экспрессию поверхностных рецепторов лимфоцитов.

КВЧ-облучение оказывает разнонаправленное влияние на выделение гормонов из клеток тимического эпителия. Причем, выделение одного из них, тимулина, супрессировано при использовании двух длин волн, в то время, как количество оц-тимозина в надосадках резко возрастает (табл. 6).

Таблица 6.

Результаты исследования содержания а1-тимозина в надосадках _культур клеток тимического эпителия._

Клеточный состав Концентрация гормона

Контроль клетки тимического эпителия (1*1()4) +тимоциты (1*1()7) 4.23 нг/мл

Я,=5.6мм, 1=15 мин -II- 524.46 нг/мл

^=5.6мм, г=30мин -II- 337.0 нг/мл

Д,=7.1мм, 1т=15мин — — 357.89 нг/мл

Х=7.1 мм, 1=3 Омин -II- 459.80 нг/мл

Уровень активности гуморального иммунитета в группе мышей, употреблявших воду, облученную ЭМП длиной волны Х=5.6 мм более чем в 2 раза превышал уровень активности в контрольной группе (табл. 7).

Таблица 7.

Результаты влияния потребления воды, облученной КВЧ ЭМП, на _антителогенез у мышей.__

количество АОК на

106 клеток

I группа контрольная, иммунизация 57.0 100%

II группа вода-Х,=5.6мм, иммунизация 138.7 243.3% (Р<0.01)

III группа вода-А,=7.1мм, иммунизация 50.0 87.7% (Р>0.01)

Результаты исследований показывают, что КВЧ-излучение оказывает существенное влияние на состояние иммунитета как на уровне конкретных субпопуляций лимфоцитов периферической крови человека (воздействие на экспрессию поверхностных рецепторов лимфоцитов), так и на уровне первичных и вторичных лимфоидных органов.

Изменение экспрессии поверхностных рецепторов лимфоцитов мы связываем с появлением сетки маломолекулярных кластерных структур воды и уменьшением вследствие этого рабочей поверхности рецепторов лимфоцитов.

Заключение

Проведенные в работе исследования обнаружили эффекты облучения КВЧ ЭМП семи биологических объектов и их экологические последствия. Показано влияние КВЧ-излучения на представителей водной среды (микроводоросли, инфузории, дафнии) и почвенной (актиномицеты и нефтеокисляющие бактерии), на иммунную систему человека и животных. Установлено, что эффекты облучения гидробионтов по таким показателям, как динамика численности, выживаемость и плодовитость, изменение характера кривой роста, устойчивость и чувствительность к действию собственно КВЧ-излучения и в сочетании с токсическим действием зависят от фазы развития гидробионтов и видовой специфики их отклика на облучение. Выявлено изменение токсичности водной среды в результате взаимодействия между КВЧ ЭМП и компонентами водной среды, которое зависит от условий облучения, вида и концентрации токсических веществ и их комбинированного действия. Обнаружено скрытое уменьшение устойчивости дафний и водорослей под влиянием облучения, проявляющееся при неблагоприятном внешнем воздействии — интоксикации среды. Выявлены отдаленные последствия облучения загрязнителей водной среды (растворов кадмия, кобальта и фенола) для микроводорослей: эффект токсичности кадмия сразу после облучения незначительно уменьшается, а затем резко увеличивается; изменение токсичности кобальта после облучения принципиально не отличается от таковой у кадмия, эффект токсичности фенола уменьшается со временем и к концу эксперимента не проявляется.

Особое внимание и опасения вызывают факты увеличения токсичности металлов, во-первых, после облучения их растворов и, во-вторых, под влиянием облучения водной среды, что чрезвычайно актуально в мониторинге загрязнения природных объектов тяжелыми металлами с учетом резкого увеличения антропогенного фона ЭМП. Кроме того, оценка влияния КВЧ-облучения на токсичность сточной воды разной степени

очистки экспресс-методом на основе бактериальной люминесценции тест-системы «Эколюм» показало, что облучение увеличивает ее токсичность. Чем ниже степень очистки, тем больше выражено влияние КВЧ ЭМП на показатель интегральной токсичности исследуемых образцов воды.

В связи с этим очень важно подчеркнуть, что наличие в настоящее время в биосфере мощных источников ЭМП искусственного происхождения может повышать токсичность объектов окружающей среды, в частности загрязненных водоемов, что диктует необходимость экспрессного мониторинга их состояния методами биотестирования.

Полученные результаты могут найти применение для снижения токсичности водных растворов, в том числе, и сточных вод. Бактериальный люминесцентный биосенсор тест-системы «Эколюм» может быть использован для экспрессного выявления биологического действия ЭМП. КВЧ-излучение может найти практическое применение для биоремедиации нефтезагрязненной почвы. Созданная коллекция из выделенных редких родов акгиномицетов и антибиотически активных штаммов позволит получить новые антибиотики.

Выводы

1. Обнаружены стимулирующие и ингибирующие эффекты облучения крайневысокочастотным электромагнитным полем семи биологических объектов: у представителей гидробионтов — культуры зеленой микроводоросли Scenedesmus quadricauda Breb., инфузории Spirostomum ambiguum Ehrem., ракообразных Daphnia magna Straus; представителей бактерий - нефтеокисляющих Rhodococcus erythropolis Е-15 и люминесцентных бактерий генно-инженерного пггамма Escherichia coli К12 TG1, акгиномицетов, а также субпопуляций лимфоцитов периферической крови человека.

2. Впервые на гидробионтах экспериментально выявлено, что устойчивость и чувствительность к действию собственно КВЧ-излучения и в

сочетании с токсикантами зависят от видовой специфики гидробионтов, от фазы их развития, и проявляется по таким показателям, как динамика численности, выживаемость и плодовитость. При этом устойчивость микроводорослей в процессе роста - уменьшается, устойчивость дафний (по выживаемости) на всех стадиях онтогенеза практически одинакова. Обнаружено скрытое уменьшение устойчивости дафний и водорослей под влиянием облучения, проявляющееся при неблагоприятном внешнем воздействии — интоксикации среды.

3. Экспериментально доказано изменение токсичности загрязненной водной среды для гидробионтов в результате взаимодействия между КВЧ ЭМП и компонентами водной среды, которое зависит от условий облучения, химической природы и концентрации токсических веществ и их комбинированного действия. Облучение снижает эффект токсичности комбинированного действия фенола с кадмием и кобальтом; увеличивает токсичность фенола и уменьшает токсичность меди; уменьшает и увеличивает эффект токсичности кадмия в зависимости от частоты ЭМП.

4. Выявлены особенности отклика гидробионтов на отдаленные последствия облучения токсических водных растворов. Для микроводорослей токсичность кадмия и кобальта непосредственно после облучения незначительно уменьшается, а затем увеличивается, токсичность фенола уменьшается со временем после облучения и к концу эксперимента не проявляется.

5. Облучение инфузорий в лаг-фазе проявляется при интоксикации их культуры на последующих фазах развития, что свидетельствует о передаче эффектов облучения инфузорий к действию токсиканта через поколения.

6. Облучение сточной воды электромагнитным излучением низкой интенсивности влияет на интегральную токсичность воды разной степени очистки, выявленную экспресс-методом на основе бактериальной люминесценции тест-системы «Эколюм-08». Показано, что чем меньше степень очистки воды, тем больше токсическое действие ЭМИ. Это

позволяет предложить бактериальный люминесцентный биосенсор тест-системы «Эколюм» для первичной оценки действия ЭМИ.

7. Облучение КВЧ ЭМП культуры нефтеокисляющих бактерий Шгойососсш егугкгороШ Е-15 увеличивает их биомассу и потребление дизельного топлива, что может найти практическое применение для биоремедиации нефтезагрязненной почвы.

8. Найдены оптимальные интервалы КВЧ-диапазона ЭМП для селективного выделения актиномицетов из почвы. Крайневысокочастотные электромагнитные поля влияют на микробный состав почв, изменяя количественное соотношение банальных и редких родов актиномицетов в почвенном сообществе.

9. КВЧ ЭМП нормализует и активизирует иммунную реакцию организма (в зависимости от условий облучения) как на уровне конкретных субпопуляций лимфоцитов периферической крови человека, что связано с воздействием облучения на экспрессию поверхностных рецепторов лимфоцитов, так и на уровне первичных и вторичных лимфоидных органов.

10. Возможность использования «батареи» тестов (водоросли, беспозвоночные животные, биолюминесцентные бактерии), для экспрессной и пролонгированной во времени оценки изменения токсичности металлов и других химических соединений под влиянием ЭМП представляется перспективной инновационной методикой с экологической точки зрения для научных и практических целей.

Благодарности

Выражаю сердечную признательность заведующему кафедрой гидробиологии В.Д. Фёдорову, сотрудникам кафедры гидробиологии Г.А.

Карауш, |Т.С. Дрожжиной], Т.И. Белой, О.Б. Шавыриной, Л.Д. Тапочке, Н.В. Карташовой за участие и поддержку в работе, а также всем сотрудникам кафедры за ценные замечания и советы при обсуждении диссертации на

заседании кафедры. Выражаю особую благодарность моим наставникам и учителям Костиенко А.И. и Гапочке Г.Щ

Список публикаций по теме диссертации Статьи в российских рецензируемых научных журналах из перечня ВАК

1.Гапочка Л.Д., Тапочка М.Г., Королев А.Ф., Костиенко А.И., Сухоруков А.П., Тимошкин И.В. Воздействие электромагнитного излучения КВЧ и СВЧ диапазонов на жидкую воду // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 3, Физика. Астрономия. 1994. Т. 35, № 4, С. 71-75.

2. Белая Т.И., Тапочка Л.Д., Тапочка М.Г., Дрожжина Т.С., Карауш Г. А., Сухоруков А.П. Комбинированное действие электромагнитного излучения оптического и миллиметрового диапазона на рост одноклеточных // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 3, Физика. Астрономия. 1994. Т. 35, № 4, С. 68-71.

3. Белая Т.И., Тапочка Л.Д., Тапочка М.Г., Дрожжина Т.С., Карауш Г.А. Влияние электромагнитного излучения низкой интенсивности на токсичность среды для микроводорослей // Вестник МГУ. Серия 16. Биология. № 3.1996. С. 25-31.

4. Белая Т.И., Гапочка Л.Д., Тапочка М.Г., Сухоруков А.П., Шавырина О.Б. Влияние миллиметрового облучения низкой интенсивности на токсичность водной среды для культуры одноклеточных организмов // Известия РАН. Сер. Физическая. 1997. №12. С. 2439-2444.

5. Гапочка Л.Д., Гапочка М.Г., Королёв А.Ф. Механизмы функционирования водных биосенсоров электромагнитного излучения // Биомедицинская радиоэлектроника. 2000. № 3. С. 48-55.

6. Ли Ю.В., Терехова Л.П., Гапочка М.Г. Выделение актиномицетов из почвы с использованием КВЧ-излучения // Микробиология. 2002. Т. 71. №1. С. 119-122.

7. Ли Ю.В., Терехова Л.П., Алферова И.В., Гапочка М.Г. Использование КВЧ-излучения в различных диапазонах волн для

селективного выделения актиномицетов из почвы // Биомедицинская радиоэлектроника. 2002. № 5-6. С. 23-29.

8. Галочка Л.Д., Гапочка М.Г., Королёв А.Ф., Кочерженко H.H. Опосредованное воздействие электромагнитного излучения на рост микроводорослей//Биомедицинская радиоэлектроника. 2003. № 1. С. 33-39.

9.Ли Ю.В., Тереховой Л.П., Алферовой И.В., Галатенко O.A., Гапочка М.Г. Применение сукцессионного анализа в комбинации с КВЧ-излучением для селективного выделения актиномицетов из почвы // Микробиология. 2003. Т. 72. №1. С. 83-87.

10. Гапочка М.Г. Особенности биологического действия электромагнитного излучения низкой интенсивности (популяционные аспекты) // Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 2008. № 6. С. 33-38.

11. Гапочка М.Г. Влияние электромагнитного излучения низкой интенсивности на токсичность водной среды // Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 2009. №.1. С. 67-74.

12. Гапочка Л.Д., Гапочка М.Г., Дрожжина Т.С., Шавырина О.Б. Использование культуры микроводорослей в качестве биотеста для оценки эффективности воздействия электромагнитного излучения низкой интенсивности на жидкую воду и водные растворы // Бюллетень МОИП. Москва. 2009. С. 203-207.

13. Гапочка Л.Д., Гапочка М.Г., Дрожжина Т.С., Шавырина О.Б. Влияние электромагнитного облучения компонентов водной среды миллиметровым диапазоном низкой интенсивности на токсичность кадмия для микроводорослей // Биомедицинская радиоэлектроника. Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. № 9. 2011. С. 51-56.

14. Гапочка Л.Д., Гапочка М.Г., Дрожжина Т.С., Исакова Е.Ф., Павлова A.C., Шавырина О.Б. Эффекты облучения культуры Daphnia magna на разных стадиях развития электромагнитным полем миллиметрового диапазона низкой интенсивности // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 16. Биология. 2012. №2. С.43-48.

15. Зарубина А.П., Гапочка М.Г., Новоселова Л.А., Гапочка Л.Д. Биотестирование тест-системой «Эколюм» влияния электромагнитного поля низкой интенсивности на токсичность бытовых стоков. // Вестник Моск. Унта. Сер. 16. Биология. 2012. №3. С. 39-43.

16. Комарова Т.И., Гапочка Л.Д., Ильинский В.В., Гапочка М.Г. Применение КВЧ-излучения для увеличения биомассы углеводородокисляющих бактерий КЬос1ососсиз егуЛгороПз Е-15 // Экологические системы и приборы, № 4, 2013. С. 47-51.

Статьи в журналах и сборниках, наиболее важные тезисы конференций

1. Гапочка М.Г., Королев А.Ф., Костиенко А.И., Мир-Касимов О.Р., Тимошкин И. В. Экспериментальные исследования воздействия электромагнитных волн низкой интенсивности миллиметрового диапазона на жидкую воду. // Сборник трудов «Сверхслабые взаимодействия в природе, технике, обществе». 1993. С. 116-118.

2. Богова А.В., Гапочка М.Г., Орлов С.М., Полковникова Т.Н., Обручикова Н. К. Клиническая и иммунологическая оценка применения электромагнитного излучения низкой интенсивности у больных бронхолегочными заболеваниями. // В книге: I съезд фтизиаторов и пульмонологов Украины, Киев. 1993. С. 197-201.

3. Гапочка М.Г., Королев А.Ф., Костиенко А.И., Сухоруков А.П., Тимошкин И.В. Реакция жидкой воды на микроволновое воздействие. // Труды Всероссийской конференции «Эколого-физиологические проблемы адаптации». 1994. Прил. С. 2-5.

4. Сухоруков А.П., Гапочка М.Г., Тимошкин И.В., Гапочка Л. Д., Белая Т.И., Дрожжина Т.С., Карауш Г.А. Изменение токсичности водной среды под воздействием электромагнитного излучения низкой интенсивности. // Труды Всероссийской конференции «Эколого-физиологические проблемы адаптацию). 1994. Прил. С. 3-6.

5. СаросЬка М.С., йаросЬка Ь.Б., Кого1еу А.Р., Коэйепко А.1.,

Sukhorukov A.P., Timoshkin I.V., and Pulino A. The effect of microwave radiation on liquid water // The 25th European Microwave Conference. 1995. V. 2. P. 849-852.

6. Богова A.B., Гапочка М.Г., Орлов C.M., Полковникова Т.Н. Клиническая и иммунологическая оценка применения миллиметровых волн у больных аллергическими заболеваниями. // Труды V Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн». 1995. С. 23-25.

7. Власов А.А., Гапочка М.Г., Кочергина Н.И., Орлов С.М., Шарова Н.И., Ярилин А.А. Особенности влияния электромагнитного излучения мм-диапазона на показатели системы иммунитета при аллергических процессах. // Труды V Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн». 1995. С. 28-31.

8. Богова А.В., Гапочка М.Г., Орлов С.М., Полковникова Т.Н. Применение КВЧ и лазерной терапии при лечении аллергических заболеваний. // Труды V Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн». 1995. С. 34-36.

9. Sukhorukov А.Р., Gapochka M.G., Gapochka L.D., Korolev A.F., Kostienko A.I., Timoshkin I.V., and Pulino A. Water involvement in the photobiological action of coherent low intensity electromagnetic radiation // International Conference on Laser Methods for Biological and Environmental Applications. 1996. P. 12-16.

10. Гапочка М.Г., Гапочка JI.Д., Костиенко А.И., Сухоруков А.П. Электромагнитное излучение как антропогенный фактор окружающей среды // Труды VI Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн». 1997. С. 48-51.

11. Гапочка Л.Д., Гапочка М.Г., Костиенко А.И., Сухоруков А.П., Шайхалова Г.А. Влияния электромагнитных микроволн низкой интенсивности на оптические свойства одноклеточной зеленой водоросли Scenedesmus quadricauda // Препринт физического факультета МГУ. № 6. 1998. 16 с.

12. Гапочка Л.Д., Гапочка М.Г., Королев А.Ф. Популяционные аспекты устойчивости одноклеточных организмов к действию электромагнитного облучения низкой интенсивности // Миллиметровые волны в биологии и медицине. № 2 (26). 2002. С. 43-48.

13. Абрамова Л.И., Алексеев Ю.Е., Гапочка Л.Д., Гапочка М.Г. Биоиндикация: состояние и песпективы. Сенсор, № 3,2005. С. 6-9.

14. Зарубина А.П., Мажуль М.М., Новоселова Л.А., Гапочка М.Г. Бактериальный люминесцентный биотест//Сенсор. 2005. №3. С. 14-21.

15. Гапочка Л.Д., Гапочка М.Г., Зарубина А.П., Кочерженко H.H., Рощин A.B. Детоксикация водных растворов электромагнитным излучением низкой интенсивности // Материалы Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы реабилитации техногенных экосистем», Астрахань, 2006 С. 12-15.

16. Гапочка Л.Д., Гапочка М.Г., Зарубина А.П., Дрожжина Т.С., Кочерженко H.H., Новоселова Л.А., Шавырина О.Б. Отработка технологии выявления эффектов действия электромагнитного излучения на «батарее» биотестов // Материалы Всероссийского симпозиума «Автотрофные микроорганизмы». 2006. С. 44-47.

17. Гапочка Л.Д., Гапочка М.Г., Дрожжина Т.С., Зарубина А.П., Шавырина О.Б. Устойчивость микроводорослей к действию химических и физических факторов на разных фазах формирования популяций // Материалы конференции «Физиология микроорганизмов в природных и экспериментальных системах. Москва, 2006. С. 24-27.

18. Гапочка Л.Д., Гапочка М.Г., Дрожжина Т.С., Зарубина А.П., Кочерженко H.H., Шавырина О.Б. Перспективы использования электромагнитного излучения низкой интенсивности в водной токсикологии // IX съезд гидробиологического общества РАН. Тезисы докладов. Тольятти, 2006 34-36.

19. Гапочка Л.Д., Гапочка М.Г., Дрожжина Т.С., Зарубина А.П., Шавырина О.Б. Устойчивость микроводорослей к действию химических и

физических факторов на разных фазах формирования популяций // Материалы международной конференции «Физиология микроорганизмов в природных и экспериментальных системах». 16-19 мая 2006 г. Москва, 2006. С. 23-26.

20. Гапочка Л.Д., Гапочка М.Г., Дрожжина Т.С., Новоселова Л.А., Кочерженко H.H., Зарубина А.П. Изменение токсичности водных .растворов кадмия под влиянием электромагнитного излучения низкой интенсивности // Водные экосистемы и организмы-8. М. 2007. С. 72-75.

21. Гапочка М.Г., Исакова Е.Ф., Павлова A.C., Шавырина О.Б. Влияние КВЧ-облучения культуры Daphnia magna на их устойчивость к токсическому действию кадмия // Труды XI Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн», 2007. С. 37-39.

22. Гапочка М.Г. Роль космического электромагнитного излучения в образовании и развитии биосферы Земли // Труды XII Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн», 2009. С. 43-46.

23. Gapochka M.G., Gapochka L.D., Drozhzhina Т.С., Novosiolova L.A., Kochergenko N.N., Zarubina A.P. Toxicity changes of cadmium water solutions under influence of low intensive microwave irradiation. // Ecology innovation in science and education. Ecological studies, Hards solutions. Vol. 13. Moscow. Maks Press. 2009. C. 34-36.

24. Гапочка Л.Д., Гапочка М.Г., Зарубина А.П., Кочерженко H.H., Новоселова Л. А. Изменение токсичности водных растворов кадмия влиянием электромагнитного излучения низкой интенсивности // Сборник «Экология. Инновации в науке и образовании». Т. 13. Москва, Макс. Пресс. 2009. С. 3436.

25. Гапочка Л.Д., Гапочка М.Г., Дрожжина Т.С., Шавырина О.Б. Скрытый эффект облучения в экспериментах с микроводорослями // Четвертый научный симпозиум «Автотрофные микроорганизмы», Москва, 2010. С. 32-35.

26. Гапочка Л.Д., Гапочка М.Г., Т.С. Дрожжина, О.Б. Шавырина.

Оценка влияния электромагнитного излучения на гидробионты и среду их обитания с использованием культуры микроводорослей в качестве биотеста. // IV Международная конференция «Актуальные проблемы современной альгологии». Киев. 2012. С. 67-70.

27. Gapochka M.G, Gapochka L.D, Drozhzhina T.C., Novosiolova L.A., Kocherghenko N.N., Zarubina A.P. Toxicity changes of cadmium water solutions under influence of low-intensive microwave irradiation. //Ecology innovation in science and education. Ecologial Studies, Hards, Solutions. V.13. Moscow. Maks Press. 2009. P.50-54.

28.Гапочка М.Г., Тапочка Л.Д., Дрожжина T.C., Новоселова, Л.А., Кочерженко Н.Н., Зарубина А.П. Изменение токсичности водных растворов кадмия под влияниием электромагнитного излучения низкой интенсивности. //Сборник «Экология. Инновации в науке и образовании». Т. 13. М. Макс Пресс. 2009. С.50-54.

29.Тапочка Л.Д., Тапочка М.Г., Дрожжина Т.С., Шавырина О.Б. Оценка влияния электромагнитного излучения на гидробионты и среду их обитания с использованием культуры микроводорослей в качестве биотеста. // IV Международная конференция «Актуальные проблемы современной альгологии». 23-25 мая 2012 г., Киев, Украина. С. 67-70.

30. A.P. Zarubina, M.G. Gapochka, L.A. Novoselova, L.D. Gapochka. Effect of Low Intensity Electromagnetic Radiation on the Toxicity of Domestic Wastewater Tested with the «Ecolum» Test System. //Moscow University Biological Sciences Bulletin. 2013. Vol.68. No.l. P.49-53.

31. Зарубина А.П., Тапочка М.Г., Новоселова Л.А., Тапочка Л.Д. Оценка тест-системой «Эколюм» влияния электромагнитного поля низкой интенсивности на сточные воды. // Сборник трудов научной сессии «Экологические исследования, опасности, решения. Науки о биосфере: инновации». Редакционная коллегия: С.В. Котелевцев и др. Москва. Maks Press. 2013 г. Т. 19. С.69-73.

Подписано к печати

Тираж 400 Зокдз Í90

Отпечатано н отделе опергтквнои печэтн физического факультета МГУ

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Гапочка, Михаил Германович, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА

Биологический факультет

На правах рукописи

05201450630

ГАЛОЧКА МИХАИЛ ГЕРМАНОВИЧ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

Москва-2013

Оглавление

Введение......................................................................................................................................................3

Глава I. Литературный обзор....................................................................................................................8

Часть 1. Особенности электромагнитных воли миллиметрового диапазона................................8

Часть 2. Взаимодействие КВЧЭМП с биологическими объектами..............................................12

Часть 3. О механизмах действия КВЧ ЭМП на биологические системы......................................20

Глава 2. Объекты и методы исследования.............................................................................................30

Глава 3. Особенности развития гидробионтов: водорослей, простейших и дафний в условиях облучения и токсических воздействий...................................................................................................40

Часть 1. Водоросли..............................................................................................................................41

Часть 2. Простейшие..........................................................................................................................51

§ 1. Влияние КВЧ ЭМП на развитие инфузорий и на их устойчивость к токсическому действию меди..................................................................................................................................51

§ 2. Комбинированное действие ЭМП миллиметрового и оптического диапазонов на рост культуры инфузорий........................................................................................................................55

Часть 3. Дафнии...................................................................................................................................58

Глава 4. Опосредованное влияние электромагнитных полей на развитие культуры водорослей.... 71

Глава 5. Биотестирование эффективности воздействия электромагнитных полей биолюминесцентным методом................................................................................................................91

Глава 6. Применение КВЧ-излучения для решения некоторых задач биотехнологии и медицины.98

Часть 1. Влияние КВЧ-облучения на биомассу углеводородокисляющих бактерий Rhodococcus erythropolis Е-15....................................................................................................................................98

Часть 2. Применение КВЧ-излучения для селективного выделения актиномицетов из почвы. 103

Глава 7. Иммунологическая оценка КВЧ-терапии..............................................................................133

Обсуждение.............................................................................................................................................139

Заключение..............................................................................................................................................145

Выводы....................................................................................................................................................148

Список цитируемой литературы...........................................................................................................151

Приложения............................................................................................................................................168

Математическое моделирование развития культуры некоторых гидробионтов в условиях КВЧ-воздействия.........................................................................................................................................168

Спектрофотометрические исследования воды................................................................................173

Изучение влияния ЭМИ на оптические свойства культуры одноклеточной зеленой водоросли Scenedesmus quadricauda....................................................................................................................181

Оценка частот собственных колебаний в кластере из N молекул.................................................194

К теории акустических солитонов по гидрофильной поверхности биомембран........................198

Метод Нелдера - Мида......................................................................................................................202

«Кругом нас, в нас самих, всюду и везде, без перерыва, вечно сменяясь, совпадая и сталкиваясь, идут излучения разной длины волны - от волн, длина которых исчисляется десятимиллионными долями миллиметра, до длинных, измеряемых километрами ... Благодаря космическим излучениям биосфера получает во всем своем строении новые, необычные и неизвестные для земного вещества свойства...»

Вернадский В.И. Биосфера. Л., 1926.

Введение.

Актуальность темы. Проблема влияния электромагнитных полей на биологические объекты в настоящее время приобрела особую актуальность, так как за последние пятьдесят лет электромагнитный фон Земли увеличился в тысячи раз, что связано с использованием новых искусственных источников электромагнитных полей (ЭМП) различных частотных диапазонов. Это привело к усложнению электромагнитной обстановки, как в непосредственной близости к источникам излучения, так и в местах проживания населения [1]. По терминологии Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) возросший электромагнитный фон Земли называют «электромагнитным загрязнением среды». Поэтому проблема электромагнитного загрязнения включена в перечень приоритетных направлений исследований неионизирующих физических факторов окружающей среды, так как нет полного понимания закономерностей и механизмов действия ЭМП на биологические объекты и, прежде всего, на организм человека.

В связи с электромагнитным загрязнением среды остро встали вопросы комбинированного действия ЭМП с другими факторами среды и, в особенности, с химическим загрязнением. Взаимодействие этих двух факторов представляет собой глобальную экологическую проблему, исследование которой особенно важно для водной среды, подвергающейся

постоянному химическому загрязнению. Однако, несмотря на очевидную необходимость подобных исследований, работ о влиянии ЭМП на гидробионты и, особенно, на качество среды их обитания очень мало и поэтому вопрос биологической безопасности ЭМП для природных водных экосистем остается открытым.

Для исследования влияния ЭМП на биологические объекты в работе использовано электромагнитное излучение миллиметрового диапазона, которое широко применяется для решения научных и практических задач биологии и медицины. Электромагнитные поля в диапазоне частот от 0 ГГц до 300 ГГц (куда входит и КВЧ-диапазон) относят к факторам, потенциально опасным для человека, поэтому мы сочли целесообразным исследовать различные тест-объекты для выявления биологического действия ЭМП КВЧ.

Цель и задачи исследования.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи.

Исследовать:

3. биологические эффекты облучения водной среды и её компонентов с

использованием гидробионтов в качестве тест-объектов;

Основные положения, выносимые на защиту.

Научная новизна и практическая значимость.

Впервые показана зависимость эффектов облучения гидробионтов от фазы их развития.

Впервые облучение КВЧ ЭМП культуры нефтеокисляющих бактерий Rhodococcas erythropolis Е-15 позволило увеличить их биомассу и потребление дизельного топлива, что может найти практическое применение для биоремедиации нефтезагрязненной почвы.

Апробация работы.

Результаты исследования доложены на Всесоюзной конференции

«Физика и конверсия». Калининград. 1991 г.; Всесоюзной научно-

практической конференции «Применение СВЧ энергии в технологических

процессах и научных исследованиях», Саратов, 1991 г.; 1 съезде фтизиатров

и пульмонологов Украины», Киев, 1993 г.; Всероссийской конференции

«Сверхслабые взаимодействия в природе, технике, обществе». 1993 г.;

Всероссийской конференции «Эколого-физиологические проблемы

адаптации», 1994 г.; 25-th Europian microwife conference, Bologna, Italy. 1995;

International Conference on Laser Methods for Biological and Environmental

Applications, 1996; Всероссийской школе-семинаре «Физика и применение

микроволн», 1997 г.; 2007 г.,2009 г.; Третьем международном конгрессе

«Вода: экология и технология». 1998 г.; Научной конференции «Водные

экосистемы и организмы», Москва, 2001 г., 2005 г., 2007 г.; 2 Съезде

токсикологов России, Москва, 2003 г.; Международной научно-практической

конференции «Проблемы и перспективы реабилитации техногенных

экосистем», Астрахань, 2005 г., 2006 г.; Всероссийском симпозиуме

«Автотрофные микроорганизмы»; 2005 г., 2006 г., 2010 г.; Международной конференции «Водные экосистемы и организмы-7», Москва, 2005 г.; Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы реабилитации техногенных экосистем», Астрахань, 2006 г.; международной конференции «Физиология микроорганизмов в природных и экспериментальных системах, Москва, 2006 г.; IX съезде гидробиологического общества РАН, Тольятти, 2006 г.; Международной конференции «Водные экосистемы и организмы-8», Москва, 2007 г.; Ecology innovation in science and education. Ecological studies, Hards solutions. Moscow, 2009; IV Международной конференции «Актуальные проблемы современной альгологии», Киев, Украина, 2012 г.; Международная конференция «Структура воды: физические и биологические аспекты», Санкт-Петербург, 2013 г.

Глава 1. Литературный обзор.

Часть 1. Особенности электромагнитных волн миллиметрового диапазона.

Естественное электромагнитное излучение, электрические и магнитные поля (ЭМП) рассматриваются сегодня как важный экологический фактор, имеющий существенное значение для биосферы и принимающий непосредственное участие в жизнедеятельности любого организма.

Основным источником естественных ЭМП на Земле является Солнце. Влияние Солнца на основные оболочки Земли (магнитосферу, атмосферу, гидросферу и литосферу) существенны для биосферы, так как его излучение, в основном, определяет энергетику всех процессов, происходящих в околосолнечном пространстве. Для земной биосферы, которая, в принципе, надежно защищена от космических излучений, очень важно влияние

солнечной активности на динамику земных атмосферы и гидросферы, определяющих погодные и

климатические явления в различных регионах Земли.

Земля, которая находится при температуре Т = 300 К, излучает с 0 200 «о ™ «» Ш к*» максимумом спектральной плотности

Дишд вогни, н\| * А

на длине волны А™ ~ 10"5 м (инфракрасное излучение). Солнце при температуре Т = 6000 К имеет спектральный максимум на длине волны А™ ~ 0.5* 10"6 м (оранжевая область спектра). Энергетический спектр Солнца и полосы поглощения атмосферы Земли показаны на рисунках. Около каждой полосы поглощения указаны поглощающие газы. Солнце излучает свою энергию во всех длинах волн, но по-разному. Приблизительно 44% энергии излучения приходится на

2,5г

2,0

. 1.5 3

« 1,0

0,5

Солнечная (вдшшя иа ксрыкН пин»:« ашосферы

Сшигшля радиация га меря

' Нкучгнвг черного 1сда при 5И0*К

Н.О О,.Н,0

^"■''НгО.СО,

н.о.со,

-» __ „д, _,.

О,« 0.7 1.0 Длин» »олкы, и икрах

0.001 t 10 Длим* сапны.ы»тр

ЮО

видимую часть спектра, а максимум соответствует желто-зеленому цвету. Около 48% энергии, теряемой Солнцем, уносят инфракрасные лучи ближнего и дальнего диапазона. На гамма-лучи, рентгеновское, ультрафиолетовое и радио излучение приходится лишь около 8%.

В 1965 г. было обнаружено фоновое радиоизлучение с интенсивностью, одинаковой по всем направлениям. Согласно современным наблюдениям, это излучение изотропно, т.е. его температура с большой степенью точности не зависит от направления (с точностью до нескольких десятитысячных долей процента). По распределению энергии по длинам волн оно оказалось тепловым и соответствующим температуре 2,73 К. При такой температуре максимум излучения приходится на КВЧ-диапазон спектра около 1 мм. Это излучение было отождествлено с излучением, сохранившимся с тех времен, когда

плотность вещества Вселенной была очень велика и среда была сильно непрозрачной (реликтовое излучение). Земная атмосфера прозрачна для радиоволн в диапазоне примерно от 1 см до 20 м. Волны короче 1 см, за исключением узких областей около 1, 4.5 и 8 мм, полностью поглощаются нижними слоями земной атмосферы, а волны, длиннее нескольких десятков метров, отражаются и поглощаются самыми верхними ее слоями — ионосферой.

X_I

1_L

Шм ?м fem /мкм W&

Длим Stmt

Рис. 13.1. Спектр фонового излучения

Область спектра Длины волн Прохождение сквозь земную атмосферу Методы исследования Приемники излучения

Гамма излучение >0,01 им Сильное поглощение В основном внеатмосферные Счетчики фотонов,

О, Аг2, 02, СЬ и др. (космические ракеты, ионизационные камеры,

молекулами воздуха искусственные спутники) фотоэмульсии, люминофоры

Рентгеновское излучение 0,01-10 им Тоже Тоже Тоже

Далекий ультрафиолет 10-310 нм Тоже Внеатмосферные Фотоэлектронные

умножители, фотоэмульсии

Близкий ультрафиолет 310-390 нм Слабое поглощение С поверхности Земли Глаз, фотоэмульсии,

фото катоды

Видимое излучение 390-760 нм Тоже Тоже Болометры

Инфракрасное излучение 0,76-15 мкм Частые полосы Частично с поверхности Термопары,

поглощения Земли фотосо противления.

15 мкм-1 мм Сильное С аэростатов специальные фотокатоды

молекулярное и фотоэмульсии

поглощение

Радиоволны Длиннее 1 мм Пропускается около С поверхности Земли Радиометры

1 мм. 4.5 мм, 8 мм

и от 1 см до 20 м

Однако широкое применение источников ЭМП в различных отраслях

мировой экономики привело к тому, что уровень техногенных полей на один-два порядка превышает уровень естественных, а интенсивность электромагнитного фона Земли за последние полвека возросла (в некоторых диапазонах, в частности, в метровом) более чем в пятьдесят тысяч раз [2]. Поэтому ЭМП искусственного происхождения можно рассматривать как новый биосферный фактор, появление которого привело к резкому повышению интереса к изучению влияния ЭМП на живые организмы. Искусственные источники радиоволн и микроволн разделяют на две группы: оборудование, специально предназначенное для радиочастотного излучения (т.н. преднамеренные источники), и источники, где излучение является побочным эффектом («непреднамеренные источники»). Первые - это различающиеся по мощности и виду генерации (импульсные и непрерывные) телевизионные и радиовещательные станции, радары, электронные системы беспроволочной связи, некоторое медицинское оборудование. Принимая во внимание, что рост использования микроволн составляет 15% в год, этот фактор следует рассматривать как экологически опасный [3].

Излучение спокойного Солнца /(А)

РоктпкокскхЯ спектр

10 20 50 70 100 200 300 500 700 800 900 1000 1100 1200 1400 1600 1800 2000

? «<

Л • 10-5

110 120 70 11 10 8 10 20 60 40 90 280 540 Г600 10 000 50 0C«

УльтрафиозетояыА, нидимий, инфракрасный спектр

X MVM

0,20 0,22 0,24 0,26 0.28 0,30 0,32 0,34 0,35 0,36 0,37 0,38 0,39 0,40 0,41 0,42 0,14 0,46 0,48 0,50

а<

"8 й.

0,5 3,0