Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Воздействие электромагнитных и магнитных полей на жизнеспособность биологических объектов

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Воздействие электромагнитных и магнитных полей на жизнеспособность биологических объектов"

На правах рукописи

Азанова Анастасия Викторовна

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ЖИЗНЕСПОСОБНОСТЬ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

03.02.08 - экология (биология)

7 НОЯ 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

005537269

Красноярск 2013

005537269

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО университет».

Научный руководитель Официальные оппоненты:

«Красноярский государственный аграрный

доктор биологических наук, доцент Сергеева Екатерина Юрьевна Елсукова Елена Ивановна, кандидат биологических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный педагогический университет им. В. П. Астафьева», доцент кафедры физиологии человека и методики обучения биологии Машанов Александр Иннокентьевич, доктор биологических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», заведующий кафедрой технологии консервирования и оборудования пищевых производств

Ведущая организация ГУ «Научно-исследовательский

институт медицинских проблем Севера» СО РАМН

Защита состоится 21 ноября 2013 года в 9.00 ч на заседании диссертационного совета Д 220.037.04 при ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, просп. Мира, 90. Телефон/факс: 8(391) 227-36-09, e-mail: dissovet@kgau.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «_» октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор биологических наук, профессор

Г. А. Демиденко

Введение

Актуальность проблемы

В процессе жизнедеятельности человек испытывает на себе воздействие естественного электромагнитного фона, характеристики которого используются как источник информации, обеспечивающий непрерывное взаимодействие с изменяющимися условиями внешней среды. Результаты современных исследований свидетельствуют, что живые организмы, от одноклеточных до высших животных и человека, обнаруживают высокую чувствительность к магнитным полям, параметры которых близки к естественным параметрам полей биосферы (Бинга В. Н„ 2000).

Искусственные электромагнитные источники создают электромагнитные поля (ЭМП) значительно больших интенсивностей, нежели естественные. Клинико-физиологическими и эпидемиологическими исследованиями установлено, что магнитные поля (МП) искусственного, происхождения играют определенную роль в развитии сердечно-сосудистых, онкологических, аллергических заболеваний, болезней крови, а также могут оказывать воздействие на генетические структуры (Katharina Strach et al., 2010).

Проблема электромагнитной безопасности приобретает в последнее время социальное значение. Ситуация осложняется тем, что органы чувств человека не воспринимают электромагнитные поля до частот видимого диапазона, в связи с чем определить степень опасности облучения без соответствующей аппаратуры практически невозможно (Бучаченко А. JT. и др., 2006).

С другой стороны, выявлены противовоспалительное, противоотечное, противоболевое и спазмолитическое действия магнитных полей. Кроме того, ряд исследователей указывают на положительное их воздействие на иммунные реакции организма и повышение его защитных функций (Скворцов Ю. И. и др., 2012).

Следовательно, невзирая на большое количество работ, посвященных воздействию магнитных полей на живые организмы, механизмы их действия окончательно не выяснены, что и определяет актуальность данного исследования.

3

Цель исследований: установить ответную реакцию организма животных и антиоксидантной системы крови человека на воздействие электромагнитных полей для снижения риска развития профессиональных болезней.

Основные задачи:

1. Провести анализ современной литературы, отражающий исследования по воздействию электромагнитных и магнитных полей промышленных частот на жизнеспособность человека и животных.

2. Обосновать объекты и методы изучения биологических эффектов магнитных полей (частота 66 кГц, напряженность 500 А/м) и комбинированных постоянного и низкочастотного переменного магнитных полей.

3. Оценить действие магнитных полей с частотой 66 кГц и напряженностью 500 А/м на клетки печени, костного мозга и кровь мышей.

4. Исследовать действие магнитных полей с частотой 66 кГц и напряженностью 500 А/м на кровь человека.

5. Изучить возможность использования комбинированных постоянного и низкочастотного переменного магнитных полей для повышения адаптационных возможностей организма животных.

Научная новизна заключается в выявлении зависимости между облучением организмов промышленными магнитными полями (частота 66 кГц, напряженность 500 А/м) и явно выраженным мембрано- и цитотоксическим эффектом, характеризующим отрицательное действие 'на клетки организма животных. Впервые установлено, что магнитные поля промышленных частот уменьшают активность ферментов антиоксидантной системы, что приводит к снижению адаптационных возможностей организма как животных, так и человека. Выявлено, что действие низкочастотных магнитных полей с выбранными параметрами значительно повышает адаптационные возможности организма животных, блокируя патологическое действие более высоких электромагнитных промышленных частот и, соответственно, более интенсивных излучений.

Защищаемые положения:

1. Повышение продукции активных форм кислорода (АФК), являющееся результатом действия промышленных магнитных полей с частотой 66 кГц и напряженностью 500 А/м, приводит к развитию окислительного стресса и клеточной гибели.

2. Действие комбинированных постоянного и низкочастотного переменного магнитных полей предотвращает инактивацию ферментов антиокси-дантной системы, повышая адаптационные возможности организма, и блокирует патологическое действие магнитных полей промышленных частот.

Практическая значимость. Разработаны и внедрены критерии определения мембрано- и цитотоксического действия факторов различной природы по инициации блеббинга плазматической мембраны клеток, позволяющие проводить определение различных типов клеточной гибели при воздействии факторов различной природы.

Апробация. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 6 статей, предусмотренных перечнем ВАК РФ. Основные положения работы докладывались на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Вопросы патогенеза типовых патологических процессов» (Новосибирск, 2009, 2010); Международной конференции «Sport and quality of life» (Брно, 2009); Всероссийской научной студенческой конференции «Студенческая наука - взгляд в будущее» (Красноярск, 2010); VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Здоровье - основа человеческого потенциала: проблемы и пути их решения» (Санкт-Петербург, 2011); Всероссийской научно-практической конференции «Научно-практические аспекты модернизации онкологической службы регионального уровня» (Красноярск, 2012).

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 118 страницах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, практических рекомендаций и списка использованных источников. Работа иллюстрирована 28 рисунками и 14 таблицами. Библиографический список содержит 151 источник, из которых 39 отечественных и 112 зарубежных.

Личный вклад автора. Формулировка идеи, планирование и координация экспериментов, получение и обработка первичных материалов, теоретический и статистико-математический анализ результатов, а также написание работы выполнены автором лично. Исследования активности ферментов антиок-сидантной системы осуществлены в составе межвузовских творческих коллективов при личном вкладе автора 80%.

Содержание работы

Глава 1. Современное состояние исследований по воздействию электромагнитных и магнитных полей промышленных частот на жизнеспособность человека и животных

На основе анализа литературных источников дано современное представление об особенностях биологических эффектов и механизмах действия магнитных полей различных частот (Бинги В. Н., 2005; Бучаченко А. Л., 2006; Salem Amara, 2011; Charity Т. Aiken, 2011; Сергеева Е. Ю., 2012; Цугленок Н. В., 2012; Na-Kyung Han, 2012; Elham Foroozandeh, 2013); молекулярных механизмах окислительного стресса и ферментативном звене антиоксидантной системы (Егорова А. Б., 2000; Michael Garratt, 2011; Jingyan Han, 2011; Milica Bajcetic, 2013; Lo Lai, 2013), роли оксида азота в физиологических процессах (Голиков П. П., 2004; Киричук В. Ф., 2009; Richard M. Keller, 2009; Lutfiya Miller, 2013; Taiki Kida, 2013); альтернативных формах клеточной гибели - апоптозе и некрозе (Новиков В. С., 2008; Maria I. Behrens, 2011; Claudia Günther, 2013; Gerald W. Dom, 2013; Divya Purushothaman, 2013).

Глава 2. Объекты и методы исследования органов мышей и крови человека

В качестве объектов исследования были выбраны 120 белых беспородных мышей обоего пола, массой 20-25 г, животные содержались на стандартной диете при 12-часовом световом режиме.

Для исследования действия магнитных полей с частотой 66 кГц и интенсивностью 500 А/м при эксперименте in vitro взвесь клеток печени, костного мозга и крови белых мышей облучали в течение 15, 30, 60 минут; при эксперименте in vivo действие магнитных полей проводилось в течение 4 месяцев по 8 часов в день в одно и то же время - с 08.00 до 16.00.

Для исследования действия магнитных полей с частотой 66 кГц и интенсивностью 500 А/м на кровь людей в экспериментах in vitro были получены 30 образцов крови по 5 мл у добровольцев.

Для исследования действия переменного и постоянного магнитных полей с частотой 3,1 Гц in vivo использовали облучение в течение 60 минут в одно и то же время - с 20.00 до 21.00 в течение 5 дней.

В качестве источника промышленных магнитных полей использована установка высокочастотная для индукционного нагрева на базе генератора высокочастотного транзисторного ВГТ5-25/66 со следующими характеристиками: частота колебаний МП 66 кГц, напряженность магнитных полей в непосредственной близости к установке 500 А/м.

Для изучения воздействия низкочастотных магнитных полей была разработана экспериментальная установка, состоящая из генератора сигналов, усилителя-регулятора сигнала с градуировкой по индукции, источника постоянного тока стабилизированного, блока создания сочетания постоянного магнитного поля с интенсивностью 25 мкТл и переменного магнитного поля с интенсивностью 5 мкТл и частотой 3,1 Гц.

Контроль величин действующих полей проводили прибором измерения магнитной индукции РШ 1-10.

Определение активности супероксиддисмутазы (СОД) проводили в ге-патоцитах, клетках костного мозга и в крови (Сирота Т. В., 1999), каталазы - в гепатоцитах, клетках костного мозга и в крови (Королюк М. А., 1988), содержание малонового диальдегида (МДА) определяли спектрофотометрически по реакции с тиобарбитуровой кислотой (Стальная И. Д., 1977).

Для исследования продукции оксида азота использовали метод определения суммарной концентрации нитратов и нитритов в биологических жидкостях при помощи реактива Грисса (Круглов С. В., 2000).

Процессы блеббинга плазматической мембраны изучали методом фазо-во-контрастной микроскопии (микроскоп АУ-12 №672820). Под иммерсией (х900) анализировали по 200 клеток в каждом препарате, отмечали проявления начального, терминального блеббинга и некроза.

Статистическая обработка полученных данных осуществлялась при помощи программы «Statistica 6.0» с использованием непараметрического U-критерия Манна-Уитни.

Глава 3. Результаты действия электромагнитных полей промышленной частоты на адаптационные возможности клеток печени, костного мозга и крови мышей по показателям жизнеспособности in vitro и in vivo

В результате экспериментов по действию магнитных полей промышленной частоты на процесс блеббинга и перекисного окисления липидов (ПОЛ) в клетках печени мышей in vitro и in vivo, с использованием взвеси клеток печени мышей установлено, что под действием магнитных полей промышленных частот количество морфологически неизмененных клеток достоверно снижается, происходит достоверное увеличение клеток с морфологическими признаками начального, терминального блеббинга и некроза (рис. 1).

Рис. 1. Динамика изменения количества нормальных клеток и клеток с морфологическими признаками начального, терминального блеббинга и некроза во взвеси клеток печени мышей при действии промышленных магнитных полей in vitro, Me [25-75 %], n=30

Примечание: достоверность отличий от контроля здесь и далее обозначена: * - Р < 0,01; п - объем выборки.

Таким образом, действие МП промышленных частот 66 кГц приводит к выраженному снижению морфологически неизмененных клеток, при этом клетки с морфологическими признаками терминального блеббинга и некроза увеличиваются.

При исследовании действия МП промышленной частоты на процесс пе-рекисного окисления липидов мембран было выявлено, что воздействие в течение 30 минут приводило к увеличению продукции малонового диальдегида в 3,2 раза. Действие же МП в течение 60 минут приводило к увеличению продукции малонового диальдегида в 5,4 раза (рис. 2).

Рис. 2. Изменение продукции малонового диальдегида во взвеси клеток печени мышей при действии магнитных полей с частотой 66 кГц, Me [25-75 %], п=27

Следовательно, магнитные

поля с частотой 66 кГц обладают

выраженным цитотоксическим и

мембранотоксическим действием на клетки печени мышей в экспериментах in

vitro. Полученные данные позволяют предположить, что механизмы действия

МП с данными характеристиками реализуют себя через активацию окислитель-

ного стресса, развитие которого связано с повышением продукции свободных радикалов.

В результате экспериментов in vivo было выявлено, что количество морфологически неизмененных клеток снижается в 1,5 раза, количество клеток с морфологическими признаками начального блеббинга достоверно не изменялось от контроля, количество клеток с морфологическими признаками терминального блеббинга и некроза увеличивается в 1,7 и 16,5 раза соответственно (рис. 3).

%

90 80 70 -60 50 40 30 20 10 бвВЯЗи»

¡шЯГг -лifeá

■ Контроль

НЯ-гГ:'.".-.-«^ ......

+ * * * ш Опыт

/V" * ШЩггУ.Щ

/уЛ ИшшР 4МВР

0 ■ i

Норма Начальный блеббинг Терминальный блеббинг Некроз

Рис. 3. Динамика изменения количества нормальных клеток и клеток с морфологическими признаками начального, терминального блеббинга и некроза при действии магнитных полей промышленных частот на клетки печени мышей in vivo, Me [25-75 %], n=30

Таким образом, полученные данные показывают, что действие МП с частотой, входящей в диапазон промышленных частот, обладает значительным мембрано- и цитотоксическим действием на гепатоциты мышей как в экспериментах in vitro, так и в экспериментах in vivo, что, возможно, связано с усилением реакций, инициированных повышенной выработкой свободных радикалов.

При исследовании действия МП промышленных частот на костный мозг мышей выявлены выраженные цито- и мембранотоксический эффекты, соответствующие аналогичным в клетках печени.

При исследовании действия магнитных полей с данными параметрами на кровь мышей in vitro выявлено достоверное увеличение продукции малонового диальдегида, отражающее выраженность окислительного стресса (рис. 4).

Рис. 4. Изменение продукции малонового диальдегида в крови мышей при действии магнитных полей с частотой 66 кГц in vitro, Me [25-75 %], n=27

При этом действие МП в течение 30 минут приводило к увеличению продукции малонового диальдегида в 2,8 раза. Действие же МП в течение 60 минут приводило к увеличению продукции малонового диальдегида в 4 раза.

Действие МП с данными параметрами приводило к достоверному увеличению концентрации оксида азота в крови мышей (рис. 5).

Рис.5. Изменение концентрации оксида азота в крови мышей при действии магнитных полей с частотой 66 кГц, Me [25-75 %], п=27

При этом воздействие МП в

течение 30 минут приводило к увеличению продукции оксида азота в 1,5 раза. Действие же МП в течение 60 минут приводило к увеличению продукции оксида азота в 2,3 раза.

В экспериментах in vivo нами было достоверно установлено, что действие МП с данными параметрами приводит к повышению концентрации малонового диальдегида в крови мышей в 3,5 раза, в то время как концентрация оксида азота увеличивается в 2 раза (рис. 6, 7).

: МКМОЛЬ/Л

*

■ Контроль

3 —......*

2 15 Опыт

1 - у

■ Контроль а Опыт

Рис. б. Изменение концентрации малонового диальдегида в крови мышей при действии магнитных полей с частотой 66 кГц in vivo, Me [25-75 %], n=30

Рис. 7. Изменение концентрации оксида азота в крови мышей при действии магнитных полей с частотой 66 кГц in vivo, Me [25-75 %], n=30

В экспериментах in vivo, при действии МП с данными параметрами, было выявлено снижение активности СОД в 1,44 раза, активность каталазы снижалась в 2 раза (рис. 8, 9).

■ Контроль Ei ОПЫТ

Рис. 8. Изменение активности суперок- Рис. 9. Изменение активности каталазы^

сиддисмутазы в крови мышей при действии в крови мышей при действии магнитных полей магнитных полей с частотой 66 кГц in vivo, с частотой 66 кГц in vivo, Me [25-75 %], n=30 Me [25-75 %], n=30

Таким образом, воздействие магнитных полей с частотой 66 кГц, входящей в диапазон промышленных частот, приводит к повышению продукции малонового диальдегида и оксида азота, а также снижению активности ферментов антиоксидантной системы каталазы и супероксиддисмутазы как в экспериментах in vitro, так и в экспериментах in vivo. Снижение выраженности выявленных изменений, зарегистрированное в экспериментах in vivo, возможно, связано с повышением активности компенсаторных систем организма мышей.

Глава 4. Результаты действия электромагнитных полей промышленной частоты (ббкГц) на изменение показателей крови человека, отражающих адаптационные возможности организма

При действии магнитных полей промышленной частоты на перекисное окисление липидов и концентрацию оксида азота в крови людей in vitro выявлено достоверное увеличение продукции малонового диальдегида, отражающее

выраженность окислительного стресса (рис. 10).

Рис. 10. Изменение продукции матонового диальдегида в крови людей при действии магнитных полей с частотой 66 кГц, Me [25-75 %], п=27

При этом действие МП в течение 30 минут приводило к увеличению продукции МДА в 2,7 раза. Действие же МП в течение 60 минут приводило к увеличению продукции МДА в 2,8 раза.

При определении соотношения между содержанием продукции МДА в крови мышей и людей при действии МП с частотой 66 кГц в течение 60 минут существует значительная положительная корреляционная связь, R>0,5.

Действие магнитных полей с данными параметрами приводило к достоверному увеличению концентрации оксида азота (рис. 11).

Рис. 11. Изменение концентрации оксида азота в крови людей при действии магнитных полей с частотой 66 кГц, Me [25-75 %], п=27

При этом действие МП в течение 30 минут приводило к увели-Действие же МП в течение 60 минут приводило к увеличению продукции оксида азота в 2 раза.

При действии МП изучалось воздействие МП промышленной частоты на активность каталазы и супероксиддисмутазы в крови людей in vitro. Выявлено достоверное снижение активности супероксиддисмутазы в крови (рис. 12).

Рис. 12. Изменение активности супероксиддисмутазы в крови людей при действии магнитных полей с частотой 66 кГц, Me [25-75 %], п=30

При этом действие МП в

течение 30 минут приводило к

снижению активности СОД в 1,6 раза. Воздействие же МП в течение 60 минут

приводило к снижению активности СОД в 2,2 раза.

При определении соотношения между содержанием продукции СОД в крови мышей и людей при действии МП с частотой 66 кГц в течение 60 минут существует значительная положительная корреляционная связь, R>0,63.

Действие МП с данными параметрами приводило к достоверному снижению активности каталазы (рис. 13).

чению продукции оксида азота в 1,6 раза.

Рис. 13. Изменение каталазы в крови людей при действии магнитных полей с частотой 66 кГц, Ме [25-75 %], п=30

При этом действие МП в течение 30 минут приводило к снижению активности каталазы в 3 раза. Действие же МП в течение 60 минут приводило к снижению активности каталазы в 7 раз.

Таким образом, изменения в крови людей соответствуют таким же изменениям в крови мышей, что показывает идентичность патологических процессов в живых организмах, инициированных действием магнитных полей с частотой 66 кГц.

Глава 5. Результаты действия электромагнитных полей промышленной частоты на фоне использования комбинированных слабых постоянного и низкочастотного переменного магнитных полей на адаптационные возможности клеток печени, костного мозга и крови мышей по показателям жизнеспособности

При изучении сочетанного воздействия комбинированных слабых постоянного и низкочастотного магнитных полей и магнитного поля с частотой 66 кГц на клетки печени мышей установлено, что количество морфологически неизмененных клеток, клеток с морфологическими признаками начального, терминального блеббиига и некроза достоверно не отличалось от контроля. Таким образом, при сочетанном действии МП с данными параметрами на клетки печени мышей не происходит достоверного снижения морфологически неизмененных клеток.

При исследовании сочетанного действия МП с данными параметрами на процесс перекисного окисления липидов в клетках печени мышей достоверного изменения этого показателя не установлено (табл. 1).

Таблица 1 - Изменение продукции малонового диальдегида во взвеси клеток печени мышей при сочетанном действии магнитных полей с частотой бб кГц и комбинированных слабых постоянного и низкочастотного переменного

магнитных полей

Время воздействия Контроль (ммоль/л) (п=27) Магнитные поля (п=27)

0 минут 1,26[1,25- -1,261 1,26Г1,25- "1,261

15 минут 1,35[1,34- -1,361 1,36Г1,35- -1,371

30 минут 1,36Г1,36- "1,361 1,38(1,36- -1,411

60 минут 1,37[1,37- -1,371 1,40Г1,37- "1,451

При исследовании действия МП промышленной частоты 66 кГц на фоне использования комбинированных слабых постоянного и низкочастотного переменного МП на процесс блеббинга и ПОЛ в клетках костного мозга мышей установлено, что количество морфологически неизмененных клеток, клеток с морфологическими признаками начального, терминального блеббинга и некроза достоверно не отличалось от контроля. Таким образом, сочетанное действие МП с частотой 66 кГц и комбинированных слабых постоянного и низкочастотного переменного МП на клетки костного мозга мышей не приводит к выраженному снижению морфологически неизмененных клеток.

При исследовании действия МП на процесс перекисного окисления ли-пидов в клетках костного мозга мышей достоверного изменения этого показателя не установлено (табл. 2).

Таблица 2 - Изменение продукции малонового диальдегида во взвеси клеток костного мозга мышей при сочетанном действии магнитных полей с частотой 66 кГц и комбинированных слабых постоянного и низкочастотного переменного магнитных полей

Время воздействия Контроль (ммоль/л) (п=27) Магнитные поля (п=27)

0 минут 1,26[1,25- -1,26] 1,26[1,25- -1,26]

15 минут 1,37[1,35- -1,37] 1,47[1,44- -1,49]

30 минут 1,37[1,36- -1,39] 1,77[1,74- -1,81]

60 минут 1,39[1,37- -1,41] 2,07[2,03- -2,08]

При определении соотношения между содержанием продукции МДА во взвеси клеток печени и костного мозга мышей при сочетанном действии МП с частотой 66 кГц и комбинированных слабых постоянного и низкочастотного переменного МП в течение 60 минут существует положительная корреляционная связь, Я>0,08.

Таким образом, предварительное облучение комбинированными слабыми постоянным и низкочастотным переменным магнитными полями в использованном режиме предотвращает мембранотоксическое и цитотоксическое действие МП с частотой ббкГц, входящей в диапазон промышленных частот, что, возможно, связано с активацией основных адаптационных систем организма (рис.14).

Рис. 14. Повышение адаптационных возможностей организма, предотвращающее патологическое действие МП промышленной частоты ббкГц, при влиянии комбинированных слабых постоянного и низкочастотного переменного МП

Выводы:

1. На основе анализа как российских, так и зарубежных современных литературных источников установлено отсутствие однозначного мнения о механизмах действия магнитных полей на биологические объекты.

2. На основании поставленных целей исследования выбраны методы и объекты исследований - гепатоциты, клетки костного мозга, кровь мышей и кровь человека, позволяющие оценить действие магнитных полей на биологические объекты.

3. Действие магнитных полей с частотой 66 кГц и напряженностью 500А/м вызывает гибель гепатоцитов и клеток костного мозга мышей, процент некротических клеток в экспериментах in vitro при действии в течение 60 ми-

нут увеличивается соответственно в 5,8 и 3,3 раза, в экспериментах in vivo увеличивается соответственно в 16,5 и 7,1 раза; инициирует процесс перекисного окисления липидов и достоверно снижает активность ферментов антиоксидантной системы - каталазы и супероксиддисмутазы в крови мышей в экспериментах in vitro при действии в течение 60 минут в 2,5 и 1,7 раза, в экспериментах in vivo в 2 и 1,44 раза.

4. Действие магнитных полей с частотой 66 кГц и напряженностью 500А/м инициирует процесс перекисного окисления липидов; при действии в течение 60 минут снижает активность ферментов антиоксидантной системы -каталазы и супероксиддисмутазы в экспериментах in vitro в крови людей в 7 и 2,2 раза.

5. Действие комбинированных постоянного и низкочастотного переменного магнитных полей на животных предотвращает патологическое действие магнитного поля промышленной частоты, что может использоваться в профилактических целях.

Практические рекомендации:

1. Службой Роспотребнадзора рекомендуется использовать критерии жизнеспособности клеток (показатели фазово-контрастной микроскопии, продукция малонового диальдегида, активность ферментов антиоксидантной системы) при оценке воздействия экологически неблагоприятных факторов среды обитания человека и при работе с высокочастотными генераторами.

2. Службой Россельхознадзора рекомендуется использовать критерии жизнеспособности клеток (показатели фазово-контрастной микроскопии, продукция малонового диальдегида, активность ферментов антиоксидантной системы) для оценки адаптационно-приспособительных механизмов организма животных при использовании кормовых площадок под ЛЭП.

3. В ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» в Институте землеустройства, кадастров и природообустройства, на кафедре «Безопасность жизнедеятельности», в преподавании предмета «Гигиена труда и производственная санитария» используется информация о

17

влиянии магнитных полей промышленных частот (66 кГц) на биологические объекты (человек, животные) (акт внедрения).

Список опубликованных работ по теме диссертации

Публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Азанова, А. В. Воздействие магнитного поля промышленной частоты как экологического фактора, изменяющего концентрацию малонового ди-альдегида и оксида азота в крови человека / А. В. Азанова, Е. Ю. Сергеева, Ю. А. Фефелова, Н. В. Сергеев, Н. В. Цугленок//Вестник КрасГАУ. - Красноярск, 2012.-Вып. 5.-С. 257-259.

2. Азанова, А. В. Исследование действия магнитного поля промышленной частоты как экологического фактора, изменяющего активность ферментов антиоксидантной системы человека / А. В. Азанова, Е. Ю. Сергеева, Ю. А. Фефелова, Н. В. Сергеев, Н. В. Цугленок // Вестник КрасГАУ. - Красноярск, 2012.-Вып. 5.-С. 254-256.

3. Азанова, А. В. Исследование действия магнитного поля промышленной частоты на процесс перекисного окисления липидов в клетках костного мозга мышей / А. В. Азанова, Е. Ю. Сергеева, Ю. А. Фефелова, Н. В. Сергеев, Н. В. Цугленок // Вестник КрасГАУ. -Красноярск, 2011. - Вып. 12. - С. 171-174.

4. Азанова (Широкова), А. В. Воздействие магнитных полей на ферменты антиоксидантной системы мышей с асцитной карциномой Эрлиха / Е. Ю. Сергеева, Н. М. Титова, А. С. Щербинина, Н. В. Сергеев, А. В. Широкова // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. - 2010. - Т. 150. - № 9. - С. 334-337.

5. Азанова, А. В. Экологический фактор, изменяющий активность ферментов антиоксидантной системы - магнитное поле с частотой ббкГц / Е. Ю. Сергеева, А. В. Азанова, Ю. А. Фефелова, Н. М. Титова, Н. В. Сергеев, Н. В. Цугленок //Вестник КрасГАУ.-Красноярск, 2013.-Вып. 10. - С. 119-122.

6. Азанова (Широкова), А. В. Исследование мембранотоксического действия магнитного поля промышленной частоты на клетки костного мозга мышей / А. В. Широкова, Е. Ю. Сергеева, Н. В. Сергеев, Н. В. Цугленок // Вестник КрасГАУ. - Красноярск, 2010. - №11. - С. 154-157.

18

Публикации в других изданиях:

7. Азанова (Широкова), А. В. Воздействие магнитного поля с частотой 66 кГц на процессы блеббинга и продукцию малонового диальдегида в клетках костного мозга мышей / Е. Ю. Сергеева, А. В. Широкова, Н. В. Сергеев // Труды Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Новосибирск, 2009. - С. 346-349.

8. Азанова, А. В. Некоторые аспекты действия магнитных полей промышленных частот как экологического фактора, влияющего на состояние здоровья населения России / Е. Ю. Сергеева, А. В. Азанова, Н. В. Цугленок // Здоровье - основа человеческого потенциала: проблемы и пути их решения: труды Шестой Всероссийской научно-практической конференции с междунородным участием. - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2011.-С. 120-121.

Обозначения и сокращения

МП - магнитное поле

ЭМП - электромагнитное поле

ГМП - геомагнитное поле

ЭМИ - электромагнитное излучение

ПОЛ - перикисное окисление липидов

СОД - супероксиддисмутаза

МДА - малоновый диальдегид

АКМ - активные кислородные метаболиты

АФК - активные формы кислорода

Санитарно-эпидемиологическое заключение № 24.49.04.953.П. 000381.09.03 от 25.09.2003 г. Подписано в печать 16.10.2013 Формат 60x84/16 Бумага тип. № 1. Печать-ризограф. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 768 Издательство Красноярского государственного аграрного университета 660017, Красноярск, ул. Ленина, 117 19

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Азанова, Анастасия Викторовна, Красноярск

ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»

04201452880 На правах рукописи

АЗАНОВ А АНАСТАСИЯ ВИКТОРОВНА

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ЖИЗНЕСПОСОБНОСТЬ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

03.02.08 - экология (биология)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: д. б. н., профессор Сергеева Е. Ю.

Красноярск — 2013

Содержание

Список сокращений и обозначений..................................................5

Введение.......................................................................................6

Глава 1. Современное состояние исследований по влиянию электромагнитных и магнитных полей промышленных частот на жизнеспособность человека и животных............................................10

1.1 Механизмы воздействия магнитных полей на биологические объекты.....10

1.2 Молекулярные механизмы окислительного стресса, характеристика ферментативного звена антиоксидантной системы...................................23

1.3 Оксид азота и его роль в физиологических процессах.......................28

1.4 Альтернативные формы клеточной гибели - апоптоз и некроз...............31

Глава 2. Объекты и методы исследования органов мышей и крови человека.....................................................................................41

2.1 Экспериментальная модель............................................................41

2.2 Исследование блеббинга плазматической мембраны клеток in vitro........43

2.3 Определение степени перекисного окисления липидов (ПОЛ) по содержанию малонового диальдегида (МДА)...........................................................44

2.4 Методика определения активности супероксиддисмутазы (СОД).........44

2.5 Методика определения активности каталазы...................................45

2.6 Определение содержания оксида азота (NO) в сыворотке крови...........46

2.7 Статистическая обработка данных...............................................47

Глава 3. Результаты действия электромагнитных полей промышленной частоты на адаптационные возможности клеток печени, костного мозга и крови мышей по показателям жизнеспособности in vitro и in vivo ....48 3.1 Влияние магнитных полей промышленной частоты на процесс блеббинга

и ПОЛ в клетках печени мышей in vitro и in vivo....................................48

3.2. Влияние магнитных полей промышленной частоты на процесс блеббинга и ПОЛ в клетках костного мозга мышей in vitro и in vivo........................57

3.3 Влияние магнитных полей промышленной частоты на перекисное окисление липидов, концентрацию N0, активность каталазы и

супероксиддисмутазы в крови мышей in vitro и in vivo...........................67

Глава 4. Результаты действия электромагнитных полей промышленной частоты (ббкГц) на изменение показателей крови человека, отражающих адаптационные возможности организма........................75

4.1 Влияние магнитных полей промышленной частоты на перекисное окисление липидов и концентрацию оксида азота в крови людей in vitro.....75

4.2 Влияние магнитных полей промышленной частоты на активность

каталазы и супероксиддисмутазы в крови людей in vitro..........................78

Глава 5. Результаты влияния электромагнитных полей промышленной частоты на фоне использования комбинированных слабых постоянного и низкочастотного переменного магнитных полей на адаптационные возможности клеток печени, костного мозга и крови мышей по

показателям жизнеспособности......................................................83

5.1 Влияние магнитных полей промышленной частоты на фоне использования комбинированных слабых постоянного и низкочастотного переменного магнитных полей на процесс блеббинга и ПОЛ в клетках

печени мышей...............................................................................83

5.2. Влияние магнитных полей промышленной частоты на фоне использования комбинированных слабых постоянного и низкочастотного переменного магнитных полей на процесс блеббинга и ПОЛ в клетках костного мозга мышей....................................................................86

5.3 Влияние магнитных полей промышленной частоты на фоне использования комбинированных слабых постоянного и низкочастотного переменного магнитных полей на ПОЛ, концентрацию N0, активность

каталазы и супероксиддисмутазы в крови мышей.................................88

Заключение.................................................................................92

Выводы.......................................................................................99

Практические рекомендации.........................................................100

Список использованных источников...............................................101

Приложения..............................................................................120

Обозначения и сокращения

МП - магнитное поле

ЭМП — электромагнитное поле

ГМП - геомагнитное поле

ЭМИ - электромагнитное излучение

ПОЛ - перекисное окисление липидов

СОД - супероксиддисмутаза

МДА - малоновый диальдегид

АКМ - активные кислородные метаболиты

АФК - активные формы кислорода

Введение

Актуальность проблемы.

В процессе жизнедеятельности человек испытывает на себе воздействие естественного электромагнитного фона, характеристики которого используются как источник информации, обеспечивающий непрерывное взаимодействие с изменяющимися условиями внешней среды. Результаты современных исследований свидетельствуют, что живые организмы, от одноклеточных до высших животных и человека, обнаруживают высокую чувствительность к магнитным полям, параметры которого близки к естественным параметрам полей биосферы (Бинги В. Н., 2000).

Искусственные электромагнитные источники создают электромагнитные поля (ЭМП) значительно больших интенсивностей, нежели естественные. Клинико-физиологическими и эпидемиологическими исследованиями установлено, что магнитные поля (МП) искусственного происхождения играют определенную роль в развитии сердечнососудистых, онкологических, аллергических заболеваний, болезней крови, а также могут оказывать воздействие на генетические структуры (Katharina Strach et al., 2010).

Проблема электромагнитной безопасности приобретает в последнее время социальное значение. Ситуация осложняется тем, что органы чувств человека не воспринимают электромагнитные поля до частот видимого диапазона, в связи с чем определить степень опасности облучения без соответствующей аппаратуры практически невозможно (Бучаченко А. JI. и др., 2006).

С другой стороны, выявлены противовоспалительное, противоотечное, противоболевое и спазмолитическое действие магнитных полей. Кроме того, ряд исследователей указывают на положительное их

воздействие на иммунные реакции организма и повышение его защитных функций (Скворцов Ю. И. и др., 2012).

Следовательно, невзирая на большое количество работ, посвященных воздействию магнитных полей на живые организмы, механизмы их действия окончательно не выяснены, что и определяет актуальность данного исследования.

Цель исследований: установить ответную реакцию организма животных и антиоксидантной системы крови человека на воздействие электромагнитных полей для снижения риска развития профессиональных болезней.

Основные задачи:

1. Провести анализ современной литературы, отражающий исследования по воздействию электромагнитных и магнитных полей промышленных частот на жизнеспособность человека и животных.

2. Обосновать объекты и методы изучения биологических эффектов магнитных полей (частота ббкГц, напряженность 500А/м) и комбинированных постоянного и низкочастотного переменного магнитных полей.

3. Оценить действие магнитных полей с частотой 66 кГц и напряженностью 500 А/м на клетки печени, костного мозга и кровь мышей.

4. Исследовать действие магнитных полей с частотой 66 кГц и напряженностью 500 А/м на кровь человека.

5. Изучить возможность использования комбинированных постоянного и низкочастотного переменного магнитных полей для повышения адаптационных возможностей организма животных.

Научная новизна заключается в выявлении зависимости между облучением организмов промышленными магнитными полями (частота 66 кГц, напряженность 500 А/м) и явно выраженным мембрано- и цитотоксическим эффектом, характеризующим отрицательное действие на

клетки организма животных. Впервые установлено, что магнитные поля промышленных частот уменьшают активность ферментов антиоксидантной системы, что приводит к снижению адаптационных возможностей организма как животных, так и человека. Выявлено, что действие низкочастотных магнитных полей с выбранными параметрами значительно повышает адаптационные возможности организма животных, блокируя патологическое действие более высоких электромагнитных промышленных частот и, соответственно, более интенсивных излучений.

Защищаемые положения:

1. Повышение продукции активных форм кислорода (АФК), являющееся результатом действия промышленных магнитных полей с частотой 66 кГц и напряженностью 500А/м, приводит к развитию окислительного стресса и клеточной гибели.

2. Действие комбинированных постоянного и низкочастотного переменного магнитных полей предотвращает инактивацию ферментов антиоксидантной системы, повышая адаптационные возможности организма, и блокирует патологическое действие магнитных полей промышленных частот.

Практическая значимость. Разработаны и внедрены критерии определения мембрано- и цитотоксического действия факторов различной природы по инициации блеббинга плазматической мембраны клеток, позволяющие проводить определение различных типов клеточной гибели при воздействии факторов различной природы.

Апробация. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 6 статей, предусмотренных перечнем ВАК РФ. Основные положения работы докладывались на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Вопросы патогенеза типовых патологических процессов» (Новосибирск, 2009, 2010); Международной конференции «Sport and quality of life» (Брно, 2009); Всероссийской научной

s

студенческой конференции «Студенческая наука — взгляд в будущее» (Красноярск, 2010); VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Здоровье — основа человеческого потенциала: проблемы и пути их решения» (Санкт-Петербург, 2011); Всероссийской научно-практической конференции «Научно-практические аспекты модернизации онкологической службы регионального уровня» (Красноярск, 2012).

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 120 страницах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, практических рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Работа иллюстрирована 30 рисунками и 14 таблицами. Библиографический список содержит 151 источник, из которых 39 отечественных и 112 зарубежных.

Личный вклад автора. Формулировка идеи, планирование и координация экспериментов, получение и обработка первичных материалов, теоретический и статистико-математический анализ результатов, а также написание работы выполнены автором лично. Исследования активности ферментов антиоксидантной системы осуществлены в составе межвузовских творческих коллективов при личном вкладе автора 80%.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту доктору технических наук, профессору Цугленку Николаю Васильевичу и научному руководителю доктору биологических наук, профессору Сергеевой Екатерине Юрьевне.

Глава 1. Современное состояние исследований по воздействию электромагнитных и магнитных полей промышленных частот на жизнеспособность человека и животных

1.1 Механизмы воздействия магнитных полей на биологические объекты

Природа биологических эффектов слабых электромагнитных полей (ЭМП) остается неясной, несмотря на большой объем фактического материала (Киричук В. Ф. и др., 2010).

Проблема обеспечения электромагнитной безопасности работающих и населения представляет все большую актуальность в связи с возрастающим электромагнитным загрязнением производственной и окружающей среды и повышением в связи с этим риска потери здоровья (Jennifer Rodger et al., 2012).

Внедрение во все сферы деятельности человека новых источников электромагнитных полей различных частотных диапазонов, средств сотовой и спутниковой связи, персональных компьютеров, разнообразной электробытовой и офисной техники, новых диагностических и лечебных аппаратов приводит к усложнению электромагнитной обстановки, как на рабочих местах, так и в местах проживания населения. Причем уровни электромагнитных полей в бытовых условиях, а также в детских, учебных и лечебных учреждениях становятся соизмеримыми с профессиональными (Vitezslav Jirik et al., 2011).

За последние пятьдесят лет электромагнитный фон Земли увеличился более чем в 10 тыс. раз. Реальная экспозиция во внепроизводственных условиях (на открытой территории городов, в транспорте, жилых помещениях и пр.) неуклонно возрастает, приводя к увеличению числа лиц, подвергающихся воздействию электромагнитных полей. Особую актуальность приобретают вопросы сочетанного действия электромагнитных полей с другими факторами окружающей среды, такими как, например, шум,

создаваемый различными транспортными средствами (Francis R. J. et al., 2013).

К факторам электромагнитной природы, потенциально опасным для здоровья человека, относят гипогеомагнитные поля, постоянные электрические и магнитные поля, переменные электромагнитные поля в диапазоне частот от 50 Гц до 300 ГГц, в котором особо выделяют электромагнитных полей частотой 50 Гц (ЭМП промышленной частоты) и электромагнитные излучения радиочастотного диапазона - от 10 кГц до 20 ГГц (Хата 3. И., 2001; Özlem Coskun et al., 2011).

При разработке международных требований, регламентирующих предельно допустимые уровни (ПДУ) электромагнитных полей различных частотных диапазонов, основным источником репрезентативных данных являются опубликованные результаты различных исследований по изучению биологического действия электромагнитных полей. В основе нормирования лежат следующие положения. Под действием электромагнитных полей, в котором находится человек, в его теле возбуждается электрический ток. Полагают, что на частотах до 1 МГц этот ток оказывает непосредственное патогенное воздействие на мышечные ткани, нервную систему и другие органы человека. По результатам медико-биологических исследований устанавливается предельно допустимая плотность тока (ПДЛТ) в теле человека (The basic restrictions for current densities in the body). Полученные значения ПДПТ используются для расчета ПДУ параметров электромагнитных полей, которые подлежат контролю при обеспечении электромагнитной безопасности. На низких частотах (в частности, на частотах, ниже 1 МГц) такими параметрами являются напряженности электрического и магнитного полей. На частотах выше 1 МГц полагают, что патогенное воздействие на организм оказывает не непосредственно протекающий ток, а тепло, выделяемое при протекании тока в теле человека. По результатам медико-биологических исследований устанавливаются

предельные значения для удельной мощности тепловых потерь - удельная поглощенная мощность (УПМ = SpecificAbsorptionRate - SAR) (Рубцова Н. Б., 2011; Frank S Prato et al., 2009; Soumaya Ghodbane et al., 2011).

Гигиенические нормативы электромагнитных полей в России разрабатываются, как правило, на основании комплексных гигиенических, клинико-физиологических, эпидемиологических и экспериментальных исследований. Гигиенические исследования ставят своей целью определение интенсивностных и временных параметров электромагнитных полей в реальных производственных условиях; клинико-физиологические — направлены на выявление нарушений в состоянии здоровья и физиологических функций работающих; эпидемиологические - на выявление отдаленных последствий воздействия фактора; экспериментальные — на изучение особенностей и характера биологического действия электромагнитных полей. Однако основной вклад в обоснование гигиенических нормативов электромагнитных полей вносят экспериментальные исследования (Хата 3. И., 2001; Ноге P. J., 2012).

К настоящему времени имеется много работ, свидетельствующих о большом многообразии реакций организма на воздействие электромагнитных полей. Биологические эффекты при этом могут проявляться в самой различной форме, начиная от еле заметных функциональных сдвигов, лежащих на пределе разрешающей способности существующих методов исследования и кончая ярко выраженными нарушениями, свидетельствующими о развитии патологических процессов. Если в отношении патологических эффектов нет различий в трактовке их причин между учеными, примером чего может служить развитие радиоволновой катаракты, то биоэффекты в виде функциональных изменений тех или иных систем организма трактуются далеко не однозначно. Одни авторы считают возможным рассматривать любые реакции организма в ответ на радиоволновые воздействия как показатель их неблагоприятного действия,

12

другие дифференцируют их на две самостоятельные группы, из которых первая отражает проявление радиоволновой чувствительности, вторая — развитие напряжения адаптационных возможностей функциональных систем с последующим их срывом. Различия в трактовке реакций организма на воздей�