Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние переменных магнитных излучений на динамику роста микроорганизмов

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Влияние переменных магнитных излучений на динамику роста микроорганизмов"

Крыцын Данил Иванович

ВЛИЯНИЕ ПЕРЕМЕННЫХ МАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ДИНАМИКУ РОСТА МИКРООРГАНИЗМОВ

03.00.16 - экология (физико-математические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 2 ОПТ ?гпп

Краснодар - 2009

003480291

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет"

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, доцент

Вызулин Сергей Александрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Чижиков Владимир Иванович

кандидат физико-математических наук Гладской Игорь Борисович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Государственное образовательное учрежд

ние высшего профессионального образов ния "Южный федеральный университет" ( Ростов-на-Дону)

Защита состоится "18" ноября 2009 г. в 14 часов 00 минут на заседании ди сертационного совета Д 212.101.07 при ГОУ ВПО "Кубанский государственнь университет", 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, ауд. 231.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "Кубански государственный университет" по адресу 350040, г. Краснодар, ул. Ставропол] екая 149

Автореферат разослан OCCTsS^^jD vSl 2009]

Ученый секретарь

Диссертационного совета , ss/AS Смирнова A.B.

доктор физико-математических наук, профессор

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Зарождение жизни на земле происходило на фоне южного электромагнитного излучения. Электрические, магнитные и электро-агнитные поля в процессе эволюции живых организмов оказывали на них ог-эмное влияние. Электромагнитные поля во всех частотных диапазонах в той ли иной степени действуют на живые организмы. Доступные для изучения иапазоны электромагнитных волн можно условно разделить на три интервала, пределах каждого из которых имеются специфические особенности взаимо-зйствия с биологическими системами: а) постоянные и низкочастотные поля фимерно до метрового диапазона длин волн); б) СВЧ-диапазон (метровые, де-иметровые и сантиметровые волны); в) КВЧ-диапазон (миллиметровые волы), а также субмиллиметровые волны.

В результате научно-технического прогресса уже в прошлом веке появились гкусственные источники электромагнитных полей. К физическим факторам кружающей среды, которые могут оказывать неблагоприятное воздействие на иологические объекты, относятся электромагнитные поля неионизирующей рироды. Считается, что опасность для живых организмов представляют в ос-эвном электромагнитные поля тепловых уровней мощности (например, в КВЧ-яапазоне излучение с плотностью потока энергии превышающем 0,1 Вт/м2). днако установлено, что и воздействия электромагнитных полей меньшей ощности могут влиять на процессы жизнедеятельности биологических систем, злучение теплового уровня вызывает нагрев (более чем на 0,1 °С) биологиче-сих структур, в то время как облучение живых организмов электромагнитным элем меньшей мощности имеет информационный характер действия.

Особый интерес обычно вызывает нетепловое (информационное) действие 1ектромагнитных волн миллиметрового диапазона (1...10мм) на биологиче-сие объекты. Первые исследования в миллиметровом диапазоне волн выпол-гнные группой академика Н.Д. Девяткова показали, что, варьируя параметры мучения можно влиять как на биологическую активность микроорганизмов, ж и на их процесс синхронизации. Длины волн в КВЧ диапазоне наиболее 1изки к размерам клетки и, следовательно, можно ожидать, что миллиметро-ле волны способны действовать на внутриклеточные процессы.

Миллиметровая длина пространственного периода характерна не только для зычных радиоволн КВЧ-диапазона. Аналогичную длину могут иметь и другие ты волн электромагнитной природы, например, магнитостатические волны ЛСВ). МСВ классифицируются как один из видов электромагнитных возму-;ений в магнитогиротропной среде. Влияние излучения МСВ на биологические зъекты впервые исследовалось в работах Вызулина С. А и Вызулиной В.И. Потно, что с помощью излучения МСВ можно управлять процессом роста эожжей. Варьируя параметры излучения можно как повышать, так и понижать сорость прироста биомассы микроорганизмов.

Исследования влияния миллиметрового нетеплового излучения на микроор-шизмы имеет не только научный, но и практический интерес. Было показано, га миллиметровые волны оказывают действие на функционирование клеток.

Процесс деления дрожжей можно характеризовать двумя физиологических параметрами: биологической активностью и длительностью циклов синхрон] зации. Любые изменения в состоянии клетки приводят к изменениям физиол* гических параметров. Это свидетельствует о том, что облучение действует I внутриклеточное состояние. Многочисленные эксперименты и теоретичесю оценки позволили лишь наметить пути объяснения механизмов биологическо! воздействия электромагнитного излучения. До настоящего времени еще не со дана единая общая картина, которая объяснила бы многие принципиально ва> ные обстоятельства. Для углубления понимания механизма воздействия эле: тромагнитного излучения на клетку, необходимо изучить, как облучение влиж на процесс синхронизации и каким образом взаимосвязана биологическая а] тивность с длительностью циклов синхронизации дрожжей.

Цель работы - экспериментально и теоретически исследовать влияние п раметров излучения магнитостатических волн на биологическую активность длительность циклов синхронизации дрожжевой культуры.

Основные задачи, решаемые в ходе выполнения работы, состояли в сл« дующем:

- разработать аппаратный и программный комплекс, обеспечивающий автоматизацию снятия и обработки параметров, характеризующих процесс рост дрожжей. Установка должна обеспечивать сбор данных (в течение суток), с дискретностью измерений обеспечивающей наблюдение быстропротекающих динамических процессов (от 1 до 3-5 мин);

- предложить способ, определения длительности циклов деления микроорг; низмов на основе экспериментальных временных зависимостей концентрат-биомассы в процессе роста микроорганизмов;

- изучить влияние параметров магнитостатической волны (длины волш уровня падающей мощности) и времени облучения на биологическую активное! и длительность циклов синхронизации микроорганизмов;

- построить математическую модель периодического процесса роста микр< организмов, учитывая синхронность деления клеток дрожжей.

Научная новизна состояла в следующем:

Впервые:

- разработан многоканальный контрольно-измерительный комплекс, позв( ляющий регистрировать скорость роста микроорганизмов в течение длительн( го интервала времени (до нескольких суток) на нескольких измерительнь ячейках с частотой дискретизации до 100 Гц;

- создан программный комплекс, предназначенный для снятия, хранения и о( работки кривых роста микроорганизмов. Он позволяет: производить запись и о» работку сигналов одновременно с шести измерительных ячеек, сохранять даннь в единой базе данных; автоматизировать обработку информации; наблюдать : ростом микроорганизмов в реальном масштабе времени. Время усреднения ш формации, поступающей от измерительных ячеек, составляет от 0,01 с до 1 с, чп

позволяет наблюдать быстропротекающие (от 1 до 3-5 мин) процессы при росте дрожжей;

- исследовано влияние значений параметров магнитостатического излучения (пространственного периода, уровня падающей мощности) и времени экспозиции на биологическую активности и длительность циклов синхронизации дрожжей при напряженности статического поля подмагничивания 1380 Э (в этом случае наблюдалось подавление биологической активности микроорганизмов);

- предложен метод, с помощью которого по экспериментальной временной зависимости относительного изменения концентрации микроорганизмов можно определять длительности циклов синхронизации дрожжей;

- обнаружено, что при напряженности статического поля подмагничивания 1380 Э зависимости длительности циклов синхронизации дрожжей от параметров (пространственного периода, уровня падающей мощности) излучения МСВ, а также от времени облучения, носят резонансный характер;

- установлено, что биологическая активность и длительность циклов синхронизации дрожжей взаимосвязаны. С замедлением скорости деления микроорганизмов увеличивается длительность циклов синхронизации дрожжей, а с возрастанием биологической активности происходит уменьшение длительности циклов синхронизации микроорганизмов;

- предложена математическая модель роста микроорганизмов, в которой процесс роста клеток рассматривается, как последовательные циклы синхронизации. Скорость прироста биомассы дрожжей внутри цикла синхронизации описывается нормальным законом распределения. Модель позволяет моделировать процесс роста дрожжей, в том числе подвергнутых облучению, и прогнозировать эффект действия параметров излучения МСВ на процесс роста микроорганизмов.

Научная и практическая ценность. .

Экспериментальные и теоретические исследования показали возможность ффективного влияния излучения МСВ нетепловой мощности на некоторые иологические параметры (биологическую активность и длительность циклов инхронизации), которые характеризуют процесс роста периодической син-ронной культуры. Результаты, полученные в данной работе, позволили углу-ить понимание действия специфического коротковолнового сверхвысокочас-этного излучения МСВ на биологические процессы микроорганизмов. Они мо-ут быть использованы при создании новейших экологически чистых биотехно-огий.

Задачи, поставленные в ходе диссертационного исследования, решались в амках фундаментальных и поисковых НИР, проводимых в Кубанском государ-гвенном университете (проект РФФИ № 03-04-96789).

Основные положения выносимые на защиту:

1. Аппаратно-программный комплекс, позволяющий: наблюдать быстропро-гкающие процессы роста микроорганизмов; проводить автоматизированный

сбор данных, характеризующих процесс роста; рассчитывать изменения отш сительной концентрации и графически отображать динамику процесса рост биомассы; сохранять информацию в единой базе данных.

2. Облучение дрожжей излучением МСВ при напряженности поля подмагш чивания Н=1380 Э, приводит к подавлению биологической активности дрожже и увеличению длительности их циклов синхронизации (по сравнению с пеобл; ченными дрожжами).

3. Скорость роста и длительность циклов синхронизации дрожжей взаимс связаны, а именно с подавлением биологической активности дрожжей происх( дит увеличение периода синхронизации, а с возрастанием биологической актш ности микроорганизмов длительность циклов синхронизации уменьшается.

4. Биологическая активность и длительность циклов синхронизации дрожже при напряженности поля подмагничивания Н=1380 Э зависят от длины волнь мощности и времени экспозиции излучения МСВ. Эти зависимости имеют ps зонансный характер.

5. Способ определения длительности циклов синхронизации заключающийся том, что находится отношение временных зависимостей относительного прирост биомассы для двух, смещенных по времени относительно друг друга процессе роста микроорганизмов. Это отношение характеризуется последовательным чер< дованием точек экстремумов. Номер цикла синхронизации дрожжей определяется порядковым номером экстремума (для одного процесса номером минимумов, да другого - максимумов). Отсчет циклов синхронизации начинается с первого экстремума. Расстояние между соседними минимумами соответствует длительности цикла синхронизации для одного процесса, а между максимумами - длительност цикла синхронизации для другого процесса роста биомассы дрожжей.

6. Математическая модель процесса роста биомассы, которая учитывает периодичность и синхронность культуры, основанная на нормальном законе распределения скорости роста биомассы внутри циклов синхронизации дрожжей.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались на:

- I, II, III, V и VI Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов "Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах" (Краснодар, 2004 - 2006, 2008 и 2009);

- Международной дистанционной научно - практической конференции "Процессы и явления в конденсированных средах" (Краснодар, 2004);

- Международных научных конференциях "Излучение и рассеяние электромагнитных волн" (Таганрог, 2005 и 2009);

- Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Перспектива - 2005" (Нальчик, 2005);

- Международной научной конференции "Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря" (Астрахань, 2005).

Личный вклад автора.

Выбор темы, цели и задачи осуществлялся автором диссертационной работы

совместно с научным руководителем.

Лично автором: проведена разработка многоканального контрольно-измерительного комплекса, который позволяет регистрировать скорость роста микроорганизмов и программного обеспечения для него; получены и обработаны все экспериментальные данные; разработан способ определения длительности циклов синхронизации дрожжей и построена математическая модель процесса роста микроорганизмов.

Обсуждение полученных результатов, их анализ и формулировка выводов проводились совместно с научным руководителем.

Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано 17 научных работ, включая 3 статьи в журналах рекомендованных ВАК для защита докторских диссертаций, получен 1 патент на изобретение и 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения и списка литературы. Полный объем работы - 143 страницы машинописного текста, включая 50 рисунков, 5 таблиц и 54 библиографических ссылок.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследования, сформулирована цель работы. Обозначена научная новизна и практическая ценность работы, дана краткая характеристика основных разделов диссертации. Представлена степень апробации, количество публикаций и структура диссертации.

Первый раздел диссертационной работы носит обзорный характер. В нём изложены основные результаты экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованию влияния постоянного магнитного поля и электромагнитного излучения КВЧ диапазона на биологическую активность микроорганизмов.

В подразделе 1.1 описаны экспериментальные результаты по исследованиям влияния постоянного магнитного поля на биологическую активность микроорганизмов. Приведены способы изготовления источников постоянного магнитного поля, методики облучения клеток, и результаты действия облучения на скорость деления микроорганизмов.

В подразделе 1.2 перечислены биологические культуры, которые подвергали воздействию электромагнитных колебаний миллиметрового диапазона длин волн. Описаны методики облучения электромагнитными волнами в КВЧ диапазоне микроорганизмов и экспериментальные установки для воздействия волнами миллиметрового диапазона на биологические клетки. Дан обзор результатов

по исследованию влияния миллиметрового излучения на процессы, регулирующие функциональную активность и на клеточное деление некоторых микроорганизмов.

В подразделе 1.3 изложены основные результаты теоретических работ по исследованию воздействия электромагнитных полей на микроорганизмы.

Второй раздел посвящен разработке аппаратно-программного комплекса, который позволяет определять концентрацию микроорганизмов в течение длительного интервала времени (нескольких суток) и наблюдать быстропротекаю-щие процессы (от 1 до 5 мин) в приросте биомассы.

В подразделе 2.1 описывается принцип действия аппаратной части лабораторной установки. Приведена структурная схема турбидиметра и его основных составляющих: 1) оптическая часть; 2) система термостабилизации; 3) источник тока для питания светодиодов; 4) преобразование сигналов датчиков (фотодиодов).

В подразделе 2.2 описан программный комплекс для персонального компьютера.

Программный комплекс, состоит из четырех программ: xmserver, xmcgui, datamanger, wavesynt.

Программа xmserver через последовательный порт персонального компьютера передает управляющие команды микроконтроллеру и получает от него данные АЦП. Полученные данные заносятся в базу данных под управлением СУБД MySQL Server 4.1. Программа xmserver не имеет пользовательского интерфейса, так как управление ее работой осуществляется при помощи программы xmcgui, которая обменивается данными с программой xmserver по протоколу TCP/IP.

Программа xmcgui является графической консолью для удаленного управления процессом измерений. Ее необходимо использовать для запуска и остановки процесса измерений.

Программа datamanager предназначена для выборки и обработки данных измерений, содержащихся в базе данных. Она автоматически по заданной калибровке преобразовывает напряжение на выходе преобразователя фототока в относительную концентрацию. Выходные данные сохраняются в указанный пользователем файл.

Программа wavesynt предназначена для генерации синусоидального сигнала заданной частоты и амплитуды на выходе звуковой карты компьютера. Этот сигнал поступает на входы источников тока для питания светодиодов. Программа wavesynt не имеет пользовательского интерфейса, так как все необходимые настройки задаются в специальном конфигурационном файле.

Подраздел 2.3 посвящен измерению концентрации микроорганизмов. Приведен способ калибровки турбидиметра. Калибровка необходима для установления однозначной зависимости между напряжением на выходе аппаратной части и относительной концентрацией микроорганизмов в питательном растворе в пробирке.

Описаны этапы процесса контроля роста дрожжей. Дана схема подготовки экспериментальной установки к работе, а также приведены условия экспери-

мента по контролю роста биомассы.

37 п

32 -

27 -

В третьем разделе описывается подход для определения длительности циклов деления клеток, и приводятся результаты исследований длительности циклов деления клеток в синхронной культуре.

На рисунке 1 показаны идеализированные временные зависимости 5] (7) и <52(0 для двух процессов синхронного деления клеток (кривые 1 и 2, соответст-

венно), смещенных по времени

относительно друг друга. По оси абсцисс отложено время Рис. 1 - Идеализированные временные роста культуры Л зависимости синхронного деления Слева п0 оси 0„ клеток для двух ситуаций

динат - относи-

20 п 15 105 -0

0 1 2 3 4 5 6 Рис.2 - Зависимости длительности циклов синхронизации облученных и не облученных дрожжей от номера цикла

тельная концентрация 5, справа параметр q = d\!(h (для кривой 3).

Длительность циклов деления клеток можно определять по расстоянию между ближайшими значениями минимумов или максимумов на кривой 3.

В качестве примера на рисунке 2 продемонстрированы зависимости длительности периодов синхронизации деления клеток - г от номера цикла деления т для контрольного (кривая 1) и облученного (кривая 2) образца. Облученный образец подвергался воздействию излучения МСВ в диапазоне 6,1-6,15 ГГц при уровне падающей мощности 0,2 мкВт в течение 15 мин (для таких параметров облучения циклы синхронизации роста дрожжей наиболее ярко выражены).

Установлено, что длительность циклов деления микроорганизмов в процессе роста дрожжей увеличивается и представляет собой зависимость, близкую к экспоненциальной г = c-edm, где с и d - константы, е - основание натурального логарифма. С увеличением номера цикла облученных дрожжей, действие МСВ на длительность циклов синхронизации проявляется сильнее.

В четвертом разделе приводятся экспериментальные данные исследований влияния длины волны, мощности и времени экспозиции магнитостатического излучения при напряженности поля подмагничивания Н=1380 Э (в этом случае наблюдалось подавление биологической активности микроорганизмов), на биологическую активность и длительность циклов синхронизации дрожжей.

В подразделе 4.1 описывается методика облучения и контроля роста биомассы дрожжей.

В подразделе 4.2 изучено влияние длины МСВ на биологическую активность и длительность циклов синхронизации дрожжей при постоянном уровне падающей мощности 0,2 мкВт и времени экспозиции 15 мин. Исследованы ситуа-

ции, когда облучение осуществлялось в диапазоне частот f от 5,85 до 6,3 ГГц с шагом 0,05 ГГц. Оценка длины МСВ - X для граничных значений частот сделана по формуле Дэймона-Эшбаха и представлена в таблице 1.

Таб. 1 Соответствие частот и длин пространственного периода МСВ

/;ггц 5,85 5,90 5,95 6,00 6,05 6,10 6,15 6,20 6,25 6,30

к, мм 8,16 2,93 1,70 1,14 0,83 0,62 0,47 0,35 0,25 0,14

На рисунке 3 продемонстрированы зависимости относительного прироста биомассы и длительности циклов деления дрожжей от режима облучения. По оси абсцисс отложен целочисленный параметр N. Порядок соответствия Ы: 0-контрольный образец; 1-9 образцы, облученные в диапазоне частот от 5,85 до 6,30 ГГц с шагом 0,05 ГГц. По оси ординат слева показана относительная концентрация микроорганизмов в процессе роста д при / = 104 с (кривая 1), справа -длительность второго цикла деления клеток т (кривая 2). Здесь и ниже при С = 104 с процесс роста дрожжей соответствует второму циклу деления.

Установлено, что: биологическая активность и длительность циклов синхронизации дрожжей взаимосвязаны. С замедлением скорости деления микроорганизмов,

увеличивается длительность циклов синхронизации дрожжей, а с возрастанием биологической активности происходит уменьшение длительности циклов синхронизации биологического объекта; максимальный эффект действия излучения МСВ на биологическую активность и длительность циклов синхронизации дрожжей наблюдался одновременно в диапазоне 6,1-6,15 ГГц; зависимости относительной концентрации и длительности 101 18100% циклов синхрониза- юо •

-- 5

-■4

Рис. 3

2 4 6 8 10 12 Зависимость относительной ЦИИ ДРОЖЖей ОТ ДЛИ.

концентрации дрожжей при (=104 с и НЫ ВОЛНЫ МСВ ИЗЛу-дпительности второго периода чеНИЯ, Действующего синхронизации от режима облучения на клетк(1 ЦОСИТ резонансный характер.

В подразделе 4.3 исследовано влияние мощности излучения магнитостатических волн на биологическую активность и длительность циклов синхронизации дрожжей, в диапазоне частот от 6,1 до 6,15 ГГц (длина волны от 0,62 мм до 0,47 мм). Уровень падающей мощности варьировался от 0,11 до 1,19 мкВт и в каждом опыте был постоянным. Время экспозиции было равно 15 мин.

Графики зависимости 6(Р) (кривая 1) и т(Р) (кривая 2) показаны на рисунке 4.

99 -98 -97 96 ■ 95 -94 -93

т-10 ,с

Р,мкВт

- 5

- 4

- 3

- 2

0

0,5

1

1,5

Рис. 4 - Зависимость относительной концентрации дрожжей при ?=104 с и длительности второго периода синхронизации от мощности излучения

Установлено, что: эффективность влияния излучения МСВ на биологическую активность и длительность циклов синхронизации дрожжей зависит от плотности потока мощности. Максимальный эффект действия излучения МСВ на биологическую активность и длительность циклов синхронизации дрожжей наблюдался одновременно при значении уровня падающей мощности порядка 0,2 мкВт. Минимальной

98 л

97-

96-

95 -

94

5-100%

V10"3, с

Т, мин

—I-1-г

10 20 30 40 50 60

Г5''

■ 5,0 4,9 4,8 " 4,7 -4,6 - 4,5 4,4

скорости деления клеток соответствует максимальная длительность циклов синхронизации микроорганизмов; зависимость биологической активности и длительности циклов синхронизации дрожжей от мощности излучения имеет резонансный характер.

В подразделе 4.4 приведены результаты действия излучения магнитостатических волн на биологическую активность и длительность циклов синхронизации дрожжей для различных значений времени экспозиции (от 5 до 50 мин). Облучение микроорганизмов осуществлялось в диапазоне частот от 6,1 до 6,15 ГГц при мощности излучения 0,2 мкВт. РлС 5 _ Зависимость относительной

Графики зависимости д(Т) (кривая 1) и т(Т) концешрации дрожжей при г=10* с

(кривая 2) показаны на рисунке 5. По оси абсцисс и длительности второго периода

отложено время экспозиции Т. Оси ординат - слева синхронизации от времени г экспозиции

д , справа - т.

Установлено, что: максимальный эффект действия на биологическую активность и длительность циклов синхронизации наблюдался при времени экспозиции 30 мин; зависимости эффекта подавления прироста биомассы и длительности циклов синхронизации дрожжей от времени экспозиции МСВ излучения имеют резонансный характер.

Пятый раздел посвящен разработке математической модели роста периодической культуры с учетом синхронности деления дрожжей.

В подразделе 5.1 рассматриваются модели прироста биомассы периодических микроорганизмов без учета и с учетом лимитирующего фактора.

В подразделе 5.2 - предложена математическая модель роста микроорганизмов, которая учитывает периодичность и синхронность культуры.

Рост биомассы клеток можно выразить с помощью уравнением

с!п Ш = цфп,

где: п - концентрация клеток; / - время роста микроорганизмов; //(%) - функция скорости изменения относительной концентрации дрожжей.

Скорость деления клеток внутри цикла описывалась нормальным законом распределения

/и(1) = а-е~Ь{2 где анЬ постоянные внутри цикла коэффициенты.

Ограничившись вторым приближением в асимптотическом разложении ин-

теграла вероятности ы' ск ~ ш(1-Ъг), процесс роста дрожжей внутри цикла т можно описать уравнением

На. - ,, -V2)

И0

где: пт - текущая концентрация т-го цикла; щ - начальная концентрация клеток при /=0; / - время; - максимальная скорость деления клеток внутри даго цикла; ат и Ьт постоянные коэффициенты внутри цикла т.

В качестве примера на рисунке 6 приведена экспериментальная и теоретическая временные зависимости относительной концентрации клеток внутри второго цикла синхронизации дрожжей. По оси абсцисс показано время I с момента начала роста. По оси ординат отложена относительная концентрация дрожжей - 3.

Показано что, скорость изменения относительной концентрации дрожжей внутри цикла можно описать с помощью нормального закона распределения.

В подразделе 5.3 предложенная выше модель использована для описания процесса роста дрожжей облученных излучением МСВ.

1,28 п

1,24 -

1,20 -

1,16 -

1,12

I, с

102 -101 •

100 ■ 99 -9В • 97 ■ 96 95

3400 4400 5400 6400 7400

Рис. 6 - Временная зависимость относительной концентрации дрожжей внутри второго цикла пунктирная линия - эксперимент, сплошная - теория

0

8 10

Рис. 7 - Зависимости относительного прироста биомассы и длительности циклов деления дрожжей от режима облучения. Пунктирная линия -экспернменг, сплошная—теория

На рисунке 7 продемонстрированы экспериментальная и теоретическая зависимости относительного прироста биомассы дрожжей от длины волны излучения МСВ при / = 104 с. Уровень падающей мощности и времени экспозиции были равны соответственно 0,2 мкВт и 15 мин. По оси абсцисс отложен целочисленный параметр N. Порядок соответствия N такой же, как на рисунке 3. Расхождение между кривыми незначительно.

Показано что, используя предложенную модель можно описать процесс роста контрольных и облученных излучением МСВ дрожжей и прогнозировать эффект действия параметров МСВ излучения на процесс роста микроорганизмов.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Разработаны:

- автоматизированный многоканальный программно-аппаратный комплекс предназначен для наблюдения и регистрации быстротечных и длительных временных изменений оптической плотности жидких сред. В частности, он может применяться для регистрации динамики изменения концентрации микроорганизмов в растворе с питательной смесью. Основные характеристики: количество независимых измерительных ячеек - 1-6; длительность одного непрерывного цикла измерений - не менее 76 ч; частота дискретизации - 1-100 Гц; температура термостатирования - в диапазоне 30-60° С; точность установки температуры

- не хуже ± 0,5° С; точность термостатирования - не хуже ± 0,5° С;

- программный комплекс для сбора, хранения и обработки временных зависимостей роста микроорганизмов. Он позволяет: производить запись и обработку сигналов с линейных входов нескольких звуковых карт (использующихся в качестве АЦП) одновременно, расположенных на одном или нескольких компьютерах; сохранять данные в единой базе данных; автоматизировать обработку данных; наблюдать за ростом микроорганизмов в реальном времени.

Установлено что:

1. Варьируя параметры излучения МСВ (пространственный период, уровень падающей мощности) и время экспозиции при напряженности статического поля подмагничивания 1380 Э можно управлять подавлением биологической активности и изменять длительность циклов синхронизации дрожжей.

2. С увеличением номера цикла синхронизации влияние параметров излучения МСВ (пространственного периода, уровня падающей мощности) и время экспозиции на длительность циклов синхронизации облученных дрожжей проявляется сильнее.

3. Биологическая активность и длительность циклов синхронизации дрожжей взаимосвязаны. С замедлением скорости деления микроорганизмов, длительность циклов синхронизации дрожжей увеличивается, а с возрастанием уменьшается.

4. Зависимости относительного прироста биомассы дрожжей и длительности циклов синхронизации микроорганизмов от параметров излучения МСВ (пространственного периода, уровня падающей мощности) и время экспозиции, носят резонансный характер.

5. Скорость деления необлученных и облученных излучением МСВ дрожжей внутри цикла синхронизации можно описать нормальным законом распределения.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Вызулин С.А., Крыцын Д.И. Разработка аппаратного и программного комплекса снятия и обработки результатов наблюдения динамических процессов роста дрожжей // Тезисы докладов Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах». Просвещение - Юг. 2004.Т.2.С.97.

2. Вызулин С.А., Вызулина В.И., Крыцын Д.И. Влияние коротковолнового сверхвыскочастотного магнитного излучения на биологическую активность микроорганизмов // Наука Кубани. 2004. Т.З. 4.1. С. 41-44.

3. Вызулин С.А., Вызулина В.И., Крыцын Д.И. Эффект действия излучения магнитостатических волн на биологическую активность микроорганизмов // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества (ЧЭС). 2004. № 4. С. 28-33.

4. Вызулин С.А., Крыцын Д.И. Подавление биологической активности микроорганизмов излучением магнитостатической волны // Материалы Межд. Дистанционной научн.-практ. конф. "Процессы и явления в конденсированных средах". Краснодар. 27 сентября 2004. 2005. Краснодар: Пзд-во Кубан. гос. ун-та. С. 184-191.

5. Вызулин С.А., Вызулина В.П., Копытов Г.Ф., Крыцын Д.И. Управление биологической активностью микроорганизмов сверхвысокочастотным магнитным излучением // Труды международной научной конференции "Излучение и рассеяние электромагнитных волн" (ИРЭМВ-2005). Таганрог: ТРТУ. 2005. С. 302-304.

6. Вызулин С.А., Крыцын Д.И. Влияние параметров излучения магнитостатической волны на биологическую активность микроорганизмов // Тезисы докладов II Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов "Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах". Краснодар: Просвещение-Юг. 2005. Т.1. 60-61.

7. Крыцын Д.И. Влияние излучения магнитостатической волны на биологическую активность микроорганизмов // Материалы Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Перспектива - 2005". Нальчик: Каб.-Балк. ун-т. 2005. Т.2. С.144-146.

8. Вызулин С.А., Вызулина В.И., Копытов Г.Ф., Крыцын Д.И. Зависимость эффекта биологического действия магнитостатических волн от мощности излучения // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества (ЧЭС). 2005. № 3. С. 75-81.

9. Вызулин С.А., Крыцын Д.И. Влияние параметров магнитостатической волны на эффект подавления биологической активности дрожжей // Материалы VIII международной научной конференции "Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря". Астрахань. 11-12 октября 2005 г. Астрахань: Изд. Дом "Астраханский университет", 2005. с. 60-61.

10. Вызулин С.А., Крыцын Д.И. Влияния температуры питательного раствора на биологическую активность дрожжей // Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах: Труды III Всероссийской научной

конференции молодых ученых и студентов. Краснодар: Просвещение-Юг, 2006. С. 136-137.

11. Вызулин С.А., Крыцын Д.И., Сотникова JI.B. Исследования фракционированного воздействия магнитостатических волн на биологическую активность микроорганизмов // Тезисы докладов Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах». Просвещение - Юг. 2008. Т.2. С. 76-77.

12. Пат. № 63536 РФ, МПК (8) G01N 21/01. Установка для измерения относительной концентрации микроорганизмов / С.А. Вызулин (RU), A.C. Вербицкий (RU), Д.И. Крыцин (RU). - № 2006143138/22. Заявлено 05.12.2006. Опубл. 27.05.2007 Бюл. № 15.

13. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007610041. Программный комплекс для регистрации и обработки скорости роста микроорганизмов (X Monitor 1.0) / A.C. Вербицкий (RU), С.А. Вызулин (RU), Д.И. Крыцин (RU). - № 2006613668; Заявлено 30.10.2006. Зарегистрировано 09.01.2007.

14. Вызулин С.А., Крыцын Д.И., Сотникова JI.B. Исследования влияния мощности магнитостатических волн на биологическую активность микроорганизмов // Материалы докладов международной научно-практической «Биологическая защита растений, перспективы и роль в фитосанитарном оздоровлении агроце-нозов и получении экологически безопасной сельскохозяйственной продукции» Краснодар: ИСБН-978-5-9901532-1-9. 2008. Вып.5. С. 395-398.

15. Вызулин С.А., Крыцын Д.И. Влияние электромагнитного излучения на биологическую активность и длительность циклов синхронизации дрожжей // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества (ЧЭС). 2009. №1. С. 71-77.

16. Вызулин С.А., Крыцын Д.И.Влияние излучения магнитостатических волн на биологическую активность и длительность циклов синхронизации дрожжей// Труды международной научной конференции "Излучение и рассеяние электромагнитных волн" (ИРЭМВ-2009). Таганрог: ТРТУ. 2009. С. 608-610.

17. Вызулин С.А., Крыцын Д.И. Исследование длительности циклов деления клеток в синхронной культуре// Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах: Труды VI Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов. Краснодар: Просвещение-Юг, 2009. С. 147-149.

Крыцын Данил Иванович

ВЛИЯНИЕ ПЕРЕМЕННЫХ МАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ДИНАМИКУ РОСТА МИКРООРГАНИЗМОВ

03.00.16 - экология (физико-математические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Бумага тип. № 2. Печать трафаретная. Формат 60х841/]6. Усл. печ. л. 1,3. Тираж 100 экз. Заказ № 679

Кубанский государственный университет, 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, Центр "Универсервис", тел. 21-99-551

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Крыцын, Данил Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

1 ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА БИОЛОГИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ МИКРООРГАНИЗМОВ.

1.1 Влияние постоянного магнитного поля.

1.1.1 Методы изготовления магнитных носителей.

1.1.2 Методики облучения.

1.1.3 Результаты исследований.

1.2 Влияние ЭМ КВЧ излучений на микроорганизмы.

1.2.1 Экспериментальные установки.

1.2.2 Описание экспериментов.

1.2.3 Результаты исследований.

1.3 Теоретические исследования.

1.3.1 Связь эффективности системы управления с диапазоном частот управляющих сигналов.

1.3.2 Акустоэлектрические КВЧ — волны в клеточных мембранах, их резонансы.

1.3.3 Теоретические модели механизмов возбуждения когерентных колебаний в клетках.

1.3.4 Влияние внешнего КВЧ — излучения на процесс возбуждения акустоэлектрических колебаний и функционирование клетки.

1.3.5 Влияние электрической составляющей электромагнитного поля.

2. УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ

МИКРООРГАНИЗМОВ.

2.1 Аппаратная часть.

2.1.1 Оптическая часть турбидиметра.

2.1.2 Система термостабилизации.

2.1.3 Источник тока для питания светодиодов.

2.1.4 Преобразование сигналов датчиков (фотодиодов).

2.2 Программный комплекс для персонального компьютера.

2.3. Измерение концентрации дрожжей.

2.3.1 Калибровка турбидиметра.

2.3.2 Методика контроля роста дрожжей.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЦИКЛОВ ДЕЛЕНИЯ КЛЕТОК В

СИНХРОННОЙ КУЛЬТУРЕ.

3.1 Метод определения длительности циклов деления.

4 ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОБЛУЧЕНИЯ НА МИКРООРГАНИЗМЫ.

4.1 Методика эксперимента.

4.2 Влияние длины МСВ.

4.3. Мощность излучения.

4.4 Время экспозиции.

5 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РОСТА БИОМАССЫ.

5.1 Периодическая культура и учет лимитирующего фактора.

5.1.1 Отсутствие лимитирующего фактора.

5.1.2 Учет лимитирующего фактора.

5.2 Периодическая синхронная культура.

5.3 Учет действия МСВ излучения.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Влияние переменных магнитных излучений на динамику роста микроорганизмов"

Зарождение жизни на земле происходило на фоне сложного электромагнитного излучения. Электрические, магнитные и электромагнитные поля в процессе эволюции живых организмов оказывали на них огромное влияние. Электромагнитные поля во всех частотных диапазонах в той или иной степени действуют на живые организмы. Доступные для изучения диапазоны электромагнитных волн можно условно разделить на три интервала, в пределах каждого из которых имеются специфические особенности взаимодействия с биологическими системами: а) постоянные и низкочастотные поля (примерно до метрового диапазона длин волн); б) СВЧ-диапазон (метровые, дециметровые и сантиметровые волны); в) КВЧ-диапазон (миллиметровые волны), а также субмиллиметровые волны.

В процессе научно-технического прогресса, уже в прошлом веке появились искусственные источники электромагнитных полей. К физическим факторам окружающей среды, которые могут оказывать неблагоприятное воздействие на человека и биологические объекты, относятся электромагнитные поля неионизи-рующей природы. Считается, что опасность для живых организмов представляют в основном электромагнитные поля тепловых уровней мощности (например, в КВЧ-диапазоне излучение с плотностью потока энергии превышающем 0,1 Вт/м"). Однако, установлено, что и воздействия электромагнитных полей меньшей мощности могут влиять на процессы жизнедеятельности биологических систем. Излучение теплового уровня вызывает нагрев (более чем на 0,1 °С) биологических структур, в то время как облучение живых организмов электромагнитным полем меньшей мощности имеет информационный характер действия.

Особый интерес обычно вызывает нетепловое (информационное) действие электромагнитных волн миллиметрового диапазона (1.10 мм) на биологические объекты. Первые исследования [12] в миллиметровом диапазоне волн, выполненные группой академика Н.Д. Девяткова, показали, что, варьируя параметры излучения, можно влиять как на биологическую активность микроорганизмов, так и на их процесс синхронизации. Длины волн в КВЧ-диапазоне наиболее близки к размерам клетки и, следовательно, можно ожидать, что миллиметровые волны способны действовать на внутриклеточные процессы.

Миллиметровая длина пространственного периода характерна не только для обычных радиоволн КВЧ-диапазона. Аналогичную длину могут иметь и другие типы волн электромагнитной природы, например, магнитостатиче-ские волны (МСВ). МСВ классифицируются как один из видов электромагнитных возмущений в магнитогиротропной среде. Влияние излучения МСВ на биологические объекты впервые исследовалось в работах [45]. Показано, что с помощью МСВ излучения можно управлять процессом роста дрожжей. Варьируя параметры излучения, можно как повышать, так и понижать скорость прироста биомассы микроорганизмов.

Исследования влияния миллиметрового нетеплового излучения на микроорганизмы имеет не только научный интерес, но и практический. Было показано, что миллиметровые волны оказывают действие на функционирование клеток. Процесс деления дрожжей можно характеризовать двумя физиологическими параметрами - биологической активностью и длительностью циклов синхронизации. Любые изменения в состояние клетки приводят к изменениям физиологических параметров, что свидетельствует о том, что облучение действует на внутриклеточное состояние. Многочисленные эксперименты и теоретические оценки позволили лишь наметить пути объяснения механизмов биологического воздействий электромагнитного излучения. До настоящего времени еще не создана единая общая картина, которая объяснила бы многие принципиально важные обстоятельства. Для углубления понимания механизма воздействия электромагнитного излучения на клетку, необходимо изучить, как облучение влияет на процесс синхронизации и каким образом взаимосвязана биологическая активность с длительностью циклов синхронизации дрожжей.

Цель работы - экспериментально и теоретически исследовать влияние параметров излучения магнитостатических волн на биологическую активность и длительность циклов синхронизации дрожжевой культуры.

Основные задачи, решаемые в ходе выполнения работы, состоят в следующем:

- создать аппаратный и программный комплекс, обеспечивающий автоматизацию снятия и обработки параметров, характеризующих процесс роста дрожжей. Установка должна обеспечивать сбор данных (в течение суток) с дискретностью измерений, обеспечивающей наблюдение быстропротекаю-щих динамических процессов (от 1 до 3-5 мин);

- предложить способ определения длительности циклов деления микроорганизмов на основе экспериментальных временных зависимостей концентрации биомассы в процессе роста микроорганизмов;

- изучить влияние параметров магнитостатической волны (длины волны, уровня падающей мощности) и времени облучения на биологическую активность и длительность циклов синхронизации микроорганизмов;

- построить математическую модель периодического процесса роста микроорганизмов, учитывая синхронность деления клеток дрожжей.

Научная новизна состоит в следующем:

Впервые:

- разработан многоканальный контрольно-измерительный комплекс, позволяющий регистрировать скорость роста микроорганизмов в течение длительного интервала времени (до нескольких суток) на нескольких измерительных ячейках с частотой дискретизации до 100 Гц;

- создан программный комплекс, предназначенный для снятия, хранения и обработки кривых роста микроорганизмов. Он позволяет: производить запись и обработку сигналов одновременно с шести измерительных ячеек, сохранять данные в единой базе данных; автоматизировать обработку информации; наблюдать за ростом микроорганизмов в реальном масштабе времени. Время усреднения информации, поступающей от измерительных ячеек, составляет от 0,01 с до 1 с, что позволяет наблюдать быстропротекающие (от 1 до 3-5 мин) процессы при росте дрожжей;

- исследовано влияние значений параметров магнитостатического излучения (пространственного периода, уровня падающей мощности) и времени экспозиции на биологическую активности и длительность циклов синхронизации дрожжей при напряженности статического поля подмагничивания 1380 Э (в этом случае наблюдалось подавление биологической активности микроорганизмов);

- предложен метод, с помощью которого из экспериментальной временной зависимости относительного изменения концентрации микроорганизмов можно определять длительности циклов синхронизации дрожжей;

- обнаружено, что при напряженности статического поля подмагничи-вания 1380 Э зависимости длительности циклов синхронизации дрожжей от параметров (пространственного периода, уровня падающей мощности) МСВ излучения, а также от времени облучения, носят резонансный характер;

- установлено, что биологическая активность и длительность циклов синхронизации дрожжей взаимосвязаны. С замедлением скорости деления микроорганизмов увеличивается длительность циклов синхронизации дрожжей, а с возрастанием биологической активности происходит уменьшение длительности циклов синхронизации микроорганизмов;

- предложена математическая модель роста микроорганизмов, в которой процесс роста клеток рассматривается как сумма последовательных циклов синхронизации. Скорость прироста биомассы дрожжей внутри цикла синхронизации описывается нормальным законом распределения. Модель позволяет моделировать процесс роста дрожжей, в том числе подвергнутых облучению, и прогнозировать эффект действия параметров МСВ излучения на процесс роста микроорганизмов.

Научная и практическая ценность. Экспериментальные и теоретические исследования показали возможность эффективного влияния МСВ излучения нетепловой мощности на некоторые биологические параметры (биологическую активность и длительность циклов синхронизации), которые характеризуют процесс роста периодической синхронной культуры. Результаты, полученные в данной работе, позволили углубить понимание действия специфического коротковолнового сверхвысокочастотного МСВ излучения на биологические процессы микроорганизмов. Они могут быть использованы при создании новейших экологически чистых биотехнологий.

Задачи, поставленные в ходе диссертационного исследования, решались в рамках фундаментальных и поисковых НИР, проводимых в Кубанском государственном университете (проект РФФИ№ 03-04-96789).

Основные положения выносимые на защиту:

1. Аппаратно-программный комплекс позволяет: наблюдать быстропро-текающие процессы роста микроорганизмов; проводить автоматизированный сбор данных, характеризующих процесс роста; рассчитывать изменения относительной концентрации и графически отображать динамику процесса роста биомассы; сохранять информацию в единой базе данных.

2. Облучение дрожжей МСВ излучением при напряженности поля под-магничивания №=1380 Э приводит к подавлению биологической активности дрожжей и увеличению длительности их циклов синхронизации (по сравнению с необлученными дрожжами).

3. Скорость роста и длительность циклов синхронизации дрожжей взаимосвязаны, а именно, с подавлением биологической активности дрожжей происходит увеличение периода синхронизации, а с возрастанием биологической активности микроорганизмов длительность циклов синхронизации уменьшается.

4. Биологическая активность и длительность циклов синхронизации дрожжей при напряженности поля подмагничивания Н=1380 Э зависят от длины волны, мощности и времени экспозиции излучения МСВ. Эти зависимости имеют резонансный характер.

5. Способ определения длительности циклов синхронизации заключающийся в том, что находится отношение временных зависимостей относительного прироста биомассы для двух, смещенных по времени относительно друг друга процессов роста микроорганизмов. Это отношение характеризуется последовательным чередованием точек экстремумов. Номер цикла синхронизации дрожжей определяется порядковым номером экстремума (для одного процесса номером минимумов, для другого — максимумов). Отчет циклов синхронизации начинается с первого экстремума. Расстояние между соседними минимумами соответствует длительности цикла синхронизации для одного процесса, а между максимумами - длительности цикла синхронизации для другого процесса роста биомассы дрожжей.

6. Математическая модель процесса роста биомассы, которая учитывает периодичность и синхронность культуры, основанная на нормальном законе распределения скорости роста биомассы внутри циклов синхронизации дрожжей.

Личный вклад автора. Выбор темы, цели и задачи осуществлялся автором диссертационной работы совместно с научным руководителем, доктором физико-математических наук, профессором Вызулином С. А.

Лично автором был разработан многоканальный контрольно-измерительный комплекс, который позволяет регистрировать скорость роста микроорганизмов, и программное обеспечение для него; получены и обработаны все экспериментальные данные; разработан способ определения длительности циклов синхронизации дрожжей и построена математическая модель процесса роста микроорганизмов.

Обсуждение полученных результатов, их анализ и формулировка выводов проводились совместно с научным руководителем.

Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения и списка литературы. Полный объем работы - 143 страницы машинописного текста, включая 50 рисунков, 5 таблиц и 54 библиографических ссылок.

Заключение Диссертация по теме "Экология", Крыцын, Данил Иванович

Основные выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Варьируя параметры излучения МСВ (пространственный период, уровень падающей мощности) и время экспозиции при напряженности статического поля подмагничивания 1380 Э можно управлять подавлением биологической активности и изменять длительность циклов синхронизации дрожжей.

2. С увеличением номера цикла синхронизации влияние параметров излучения МСВ (пространственного периода, уровня падающей мощности) и время экспозиции на длительность циклов синхронизации облученных дрожжей проявляется сильнее.

3. Биологическая активность и длительность циклов синхронизации дрожжей взаимосвязаны. С замедлением скорости деления микроорганизмов, длительность циклов синхронизации дрожжей увеличивается, а с возрастанием уменьшается.

4. Зависимости относительного прироста биомассы дрожжей и длительности циклов синхронизации микроорганизмов от параметров излучения МСВ (пространственного периода, уровня падающей мощности) и время экспозиции, носят резонансный характер.

5. Скорость деления необлученных и облученных излучением МСВ дрожжей внутри цикла синхронизации можно описать нормальным законом распределения.

Список работ, в которых опубликованы основные результаты диссертации, приведен в приложении А.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе представлены результаты исследований влияния параметров коротковолнового сверхвысокочастотного магнитостатического излучения (длины волны, мощности облучения) и времени экспозиции на биологическую активность и длительность циклов синхронизации дрожжевой культуры. Объект исследований - хлебные дрожжи. Изучение влияния излучения на биологическую активность исследуемых микроорганизмов производилось по критерию изменения относительной скорости прироста биомассы в процессе роста дрожжей по сравнению с контрольным (необлученным) образцом. Метод контроля - фотометрический. Облучению подвергались сухие дрожжи.

В ходе выполнения работы решены следующие задачи:

- разработан многоканальный контрольно-измерительный комплекс, позволяющий регистрировать скорость роста микроорганизмов в течение длительного интервала времени (до нескольких суток) на шести измерительных ячейках с частотой дискретизации до 100 Гц;

- создан программный комплекс, предназначенный для сбора данных, их обработки и хранения. Он позволяет производить запись и обработку сигналов с нескольких ячеек, сохранять данные в единой базе данных, автоматизировать обработку данных, наблюдать за оптической плотностью раствора с микроорганизмами в реальном масштабе времени. Время усреднения данных, поступающих от измерительных ячеек, составляет от 0,01 с до 1 с, что позволяет наблюдать быстропротекающие процессы при росте дрожжей, которые характеризуются временем от 1 до 3-5 мин;

- предложен способ определения длительности циклов синхронизации микроорганизмов на основе экспериментальных временных зависимостей концентрации биомассы в процессе роста микроорганизмов;

- исследовано влияние параметров магнитостатического излучения (пространственного периода, уровня падающей мощности) и времени экспозиции на изменение относительной концентрации и длительности циклов синхронизации дрожжей при напряженности статического поля подмагничивания 1380 Э (в этом случае наблюдалось подавление биологической активности микроорганизмов);

- построена математическая модель процесса роста биомассы, которая учитывает не только периодичность, но и синхронность культуры. Скорость деления дрожжей внутри цикла синхронизации описывается нормальным законом распределения. Используя модель, можно моделировать процесс роста контрольных и облученных излучением МСВ дрожжей и прогнозировать эффект действия параметров излучения МСВ на процесс роста микроорганизмов.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Крыцын, Данил Иванович, Краснодар

1. Гаджиев Д. М. Касаев М. И. Влияние магнитных полей на бродильную способность дрожжей // Материалы третьего Всесоюзного симпозиума. 1975. С. 68

2. Баринова Л.И. Влияние магнитного поля на чувствительность бактерии к бактериофагу//Материалы третьего Всесоюзного симпозиума. 1975. С. 69.

3. Колесников С. В. Сравнение влияния однородного и неоднородного постоянного магнитного поля на динамику роста Е. coli // Материалы третьего Всесоюзного симпозиума. 1975. С. 220

4. Макаревич А.В. Влияние магнитных полей магнитопластов на процессы роста микроорганизмов //Биофизика. 1999. Т. 44. В.1. С. 7-74.

5. Вакалюк Л. Я., Бородайкевич Д. Т., Годун В. М. Влияние импульсного магнитного поля на некоторые биологические свойства микроорганизмов //Материалы третьего Всесоюзного симпозиума. 1975. С. 55

6. Nimitan Е., Topala N. D. Sujluenta cimpurilor magnetice asupra activitetii dehidrogenazica la Saccharomyces cerevisiae. An. Sti. Univ. Jasi, 1972, Sec. 2a. 18. №2. P. 259-264.

7. Bellossia A., Duclos M. Effekt d'un champ magnetigue uniforme sur la le-vure de boulangerie. "G. r. Soc. Biol." 1972 (1973). 106. №6-7. P. 984-986.

8. Мачавариани H. Д. Влияние магнитного поля на дрожжевые микроорганизмы. Труды института садоводства, виноградарства и виноделия Груз. ССР. №22. 1973. С. 267-271.

9. Гандзюк М. П., Соколенко А. И, Степанец И. Ф. Влияние физических воздействий на процесс биосинтеза дрожжей. М. 1975 С. 7.

10. Гольдаде В. А., Марков Е. М. // Механика композитных материалов. 1995. Т. 31. №3. С. 291-297.

11. Кондратьева В. Ф., Чистякова Е. Н., Шмакова И. Ф., и др. Влияние радиоволн миллиметрового диапазона на некоторые свойства бактерий // Успехи физ. наук 1973. Т. 110. С. 460.

12. Девятков Н. Д. Влияние электромагнитного излучения миллиметрово139го диапазона длин волн на биологические объекты // Успехи физ. Наук. 1973. Т. ПО. С. 453.

13. Остапенков А. М., Матисов В. А., Беловолов А. В., Лаврова В. Л. // Изв. высш. учебн. заведений. Пищевая технология. 1976. 1. С. 77.

14. Webb S. J., Booth A. D. Absorption of Microwaves by Microorganisms // Nature. 1969. №222. P. 1199-1200.

15. Berteaud A. J. et al. // C. r. Acad. sci. 1975. D. 281. P. 843.

16. Смолянская A. 3., Виленская P. Л. Действие электромагнитного излучения миллиметрового диапазона на функциональную активность некоторых генетических элементов бактериальных клеток // Успехи физ. Наук. 1973. Т. 110. С. 458-460.

17. Виленская Р. Л., Смолянская А. 3. и др. // Бюлл. экспер. биол. и мед. 1972. С. 52.

18. Егоров Н. С., Голант М. Б., Ландау Н. С. и др. // Микол. и фитопатол. 1977. 11. С. 303.

19. Реброва Т. Б., Брюхова А. К. Воздействие электромагнитных колебаний миллиметрового диапазона длин волн на биологические системы // Нетепловые эффекты миллиметрового излучения. М. 1981. С. 114-131.

20. Swicord M. L. Athey Т. W. // XIX General Assembly Abstracts. Biological effects of EM waves URSI. 1978. Helsinki. P. 35.

21. Grundler W., Keilmann F. Sharp Resonances in Yeast Growth Prove Nonthermal Sensitivity to Microwaves // Phy. Review Let. — 1983. V. 51. № 13. P. 1214-1216.

22. Dardalhon M., Averbek D., Berteaud A. Determination of a Thermal Equivalent of Millimeter Microwaves in Living Cells // J. Microwave Power.-1979. № 14. P. 307-312.

23. Athey T. W., Krop B. A. // NRSM Bioelectromagnetics Symposium 1979. June 18-22 Seattle Washington. P. 35.

24. Webb S. J., Dodds D. D. Inhibition of Bacterial Cell Growth by 136 gc Microwaves//Nature. 1968. V. 218. P. 374-375.

25. Seto Y. J., Hsieh S. T. // Proc. 28 annual conf. eng. Med. And boil. New Orieans.17. 1975. P. 208.

26. Залюбовская H. П. Реакция живых организмов на воздействие электромагнитных волн миллиметрового диапазона // Успехи физ. наук. 1973. 110. С. 462.

27. Голант М. Б. О проблемах резонансного действия когерентных электромагнитных излучений миллиметрового диапазона волн на живые организмы//Биофизика. 1989. Т. 34. В. 2. С. 339-348.

28. Hasted J. В. The Biomolecular Effects of Electromagnetic Radiation. Classical or Quantum Physics? // J. Bioeles. 1985. V. 4. № 2. P. 367-387.

29. Land D. V. Clinical Microwave Thermograph System // IEEE Proc. 1987. V. 134. № 2. P. 193-200.

30. Ивков В. Г., Берестовский Г. Н. Липидный бислой биологических мембран. М.: Наука. 1982. 224 с.

31. Бергельсон Л. Д. Мембраны, молекулы, клетки. М.: Наука. 1982. 183 с.

32. Голант М. Б., Реброва Т. Б. Об аналогии между некоторыми СВЧ системами живых организмов и технических СВЧ устройств //Радиоэлектроника. 1986. № 10. С. 10-13.

33. Фултон А. Цитоскелет. Архитектура и хореография клетки. М.: Мир. 1987. 117 с.

34. Frohlich Н. The Biological Effects of Microwaves and Related Question // Adv. in Electronics and Electron Physics. 1980. V. 53. P. 85-152.

35. Жданов В. П. Скорость химических реакций. М.: Наука. 1986. 101 с.

36. Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. Т. 2. М.: Высш. шк. 1972. 375 с.

37. Силин Н. А, Сазанов В. П. Замедляющие системы. М.: Сов. Радио. 1966.-632 с.

38. Pohl Н. A. Natural Oscillating Fields of Cells // Coherent Excitations in Biological Systems. Berlin Heidelberg: Springer Verlag. 1983. P. 199-210.

39. Сотников О. С. Динамика структуры живого нейрона. Л.: Наука. 1985. 160 с.

40. Девятков Н. Д., Голант М. Б., Тагер А. С. Роль синхронизации в воздействии слабых электромагнитных сигналов миллиметрового диапазона волн на живые организмы // Биофизика. 1983. Т. 28. № 5. С. 895-896.

41. Вызулин С.А., Вызулина В.И., Крыцын Д.И. Влияние коротковолнового сверхвыскочастотного магнитного излучения на биологическую активность микроорганизмов// Наука Кубани. 2004. Т. 3. Ч. 1. С. 41-44.

42. Сидоренко В. М. Молекулярная спектроскопия биологических сред. М: Высш. шк. 2004. 191 с.

43. Джексон Р.Г. Новейшие датчики / Р.Г. Джексон. М.: Техносфера, 2007. 384 с.

44. Влияние коротковолнового сверхвысокочастотного магнитного излучения на биологическую активность микроорганизмов: Отчет о НИР (промежут.) / Кубан. гос. ун-т; Рук. Вызулин С.А. № ГР 01200313955. Инв. № 02200500620. Краснодар. 2004. 53 с.

45. Влияние коротковолнового сверхвысокочастотного магнитного излучения на биологическую активность микроорганизмов: Отчет о НИР (закл.)/ Кубан. гос. ун-т (КубГУ); Рук. Вызулин С.А. ГР № 01200313955. Инв. № 02200607461. Краснодар. 2005. 51 с.

46. Смолянская А.З., Гельвич Э.А., Голант М.Б. и др. Резонансные явления при действии электромагнитных волн миллиметрового диапазона на биологические объекты//Успехи современной биологии. 1979. Т. 87. В. 3. С. 381-392.

47. Романовский Ю. М. Математическое моделирование в биофизике. М.: Наука. 1975. 343 с.

48. Перт С. Дж. Основы культивирования микроорганизмов и клеток. М.: Мир. 1978. 331 с.

49. Двайт Г. Б. Таблица интегралов и другие математические формулы. М.: Наука. 1978. 224 с.