Природа УФ-излучения

Грамотрицательная клеточная стенка имеет менее мощный слой пептидогликана, но кроме него содержит дополнительную внешнюю мембрану, выполненную фосфолипидами и липополисахаридами. Химическая структура липополисахаридов внешней мембраны может быть высоко специфичной и ответственной за антигенные свойства штаммов. Функции компонентов поверхности клеточной стенки бактерий включают барьерную роль, адгезивную, размещение ряда энзимов, а также сигнальных белков, реагирующих на воздействия температуры, осмоса, солености, света, кислорода, химических соединений и другое. Клеточная оболочка обеспечивает все контакты бактериального организма с окружающей его внешней средой, таким образом, именно она является первичной организационной структурой воспринимающей воздействия любых внешних воздействий.

Известно, что внешние воздействия на бактерии могут изменять численность и активность клеток в популяции. Эти изменения зависят от типа, мощности и продолжительности воздействия. Вместе с этим известно, что длительные неблагоприятные воздействия (голодание и т.п.) сказываются не только на физиологической активности, но также и на морфологии и структурной организации бактерий. Литературные сведения о структурных изменениях клеток бактерий при кратковременных неблагоприятных (стрессовых) воздействиях более ограничены. В настоящее время все живые организмы подвержены возрастающему влиянию техногенных агентов, что не может не отражаться на ответных реакциях клеток не только у высших организмов, но и у бактерий.

Влияние внешних факторов на морфологию и организацию клеток бактерий изучено в основном при сильных стерилизующих воздействиях и как эффекты длительных неблагоприятных воздействий, а не кратковременных неблагоприятных (здесь и далее по тексту - стрессовых). Вместе с тем не стерилизующие стрессовые воздействия также могут сказываться на организации клеток, и исследование структурных особенностей бактерий в неблагоприятных условиях представляет интерес для получения новых цитологических сведений. Возрастающее давление физических техногенных факторов на окружающую среду увеличивает актуальность таких исследований.

Реакции микроорганизмов на воздействие различных внешних факторов являются объектом постоянного внимания различных исследователей. Бактерии подвержены воздействиям агентов, способным вызывать изменения в биохимических и физико-химических процессах, а в дальнейшем – в морфологии и структурной организации клеток. Литературные сведения о влиянии экстремальных внешних факторов на морфологию и организацию клеток бактерий посвящены в основном разрушению клеток при сильных стерилизующих воздействиях (высокая температура, ультрафиолетовое излучение, СВЧ высокой мощности) или эффектам длительных неблагоприятных воздействий (голоданию, накоплению метаболитов и т.д.), а не кратковременных неблагоприятных (здесь и далее по тексту – стрессовых). Вместе с тем при не стерилизующих стрессовых воздействиях также могут происходить изменения в организации клеток, и исследование структурных особенностей бактерий, возникающих в неблагоприятных условиях, представляет значительный интерес для получения новых цитологических сведений. Возрастающее давление физических техногенных факторов на окружающую среду увеличивает актуальность таких исследований.

8. Радиационная микробиология

Радиационная микробиология – отрасль микробиологии, изучающая действие ультрафиолетового и ионизирующего излучений на микроорганизмы. Исследования в области радиационной микробиологии имеют целью:

1) изучение механизмов  биологического действия ультрафиолетового  и ионизирующих излучений на  микроорганизмы;

2) использование радиации  как фактора, вызывающего наследственную  изменчивость или гибель бактерий.

Микроорганизмы служат широко используемым объектом радиобиологических экспериментов для исследования общих закономерностей действия излучений на клетку. В этой области радиационная микробиология непосредственно смыкается с радиобиологией. Радиационная микробиология решает вместе с тем важные практические задачи, имеющие народнохозяйственное значение, например применение излучений как фактора переделки природы микроорганизмов с целью получения больших выходов биологически ценных веществ (антибиотиков, витаминов, гормонов, аминокислот). На стерилизующем эффекте излучений основан метод «холодной» стерилизации, которая часто имеет преимущества перед стерилизацией теплом или антисептиками, а иногда оказывается единственно возможной. Действие ионизирующей радиации на наследственность было впервые обнаружено в опытах на микроорганизмах. В 1925 г. Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов обнаружили, что под влиянием рентгеновского излучения у микроорганизмов возникают изменения, стойко сохраняющиеся в последующих поколениях (мутации). Это наблюдение положило начало развитию новой отрасли знаний – радиационной генетике. Радиационная микробиология учитывает вскрытые этой наукой закономерности, в частности то, что в определенном диапазоне доз излучения количество мутантных форм увеличивается пропорционально дозе. При помощи ионизирующей радиации естественная частота мутационного процесса может быть увеличена в десятки раз. При этом, конечно, увеличивается выход самых разнообразных наследственно измененных вариантов, затрагивающих различные наследуемые признаки микроорганизмов. Именно поэтому само по себе облучение без последующей селекции не может служить способом получения измененных в желаемом направлении форм микроорганизмов. Облучение лишь обеспечивает появление в микробной популяции большего числа вариантов с наследственными изменениями. Последующая селекция по интересующему признаку позволяет быстрее и с большей вероятностью успеха отобрать необходимый для тех или иных нужд вариант. Так, например, селекция штаммов-продуцентов пенициллина Penicillium chrysogenum с предварительным воздействием рентгеновского и ультрафиолетового излучений позволила американским микробиологам отобрать варианты с продуктивностью, более чем в 100 раз превышающей выработку пенициллина исходным штаммом. Использование мутантов, индуцированных нейтронами, - рентгеновским и ультрафиолетовым излучениями или химическими мутагенами, в 15 – 30 раз повысило продуктивность штаммов-продуцентов стрептомицина, хлортетрациклина, окситетрациклина. Ведутся работы по радиационной селекции других важных в производственном отношении штаммов микроорганизмов (вакцинных, токсигенных, продуцентов аминокислот и т. п.).

Проблемы радиационной микробиологии, относящиеся к использованию стерилизующего действия радиации, прежде всего связаны с определением доз радиации и условий облучения, обеспечивающих гибель микроорганизмов. Бактерицидное действие рентгеновых лучей было известно уже в конце прошлого столетия. Однако практическое использование ионизирующих излучений для целей стерилизации стало возможным только в последние годы благодаря созданию мощных облучателей, в частности гамма-облучателей, заряженных радиоактивным кобальтом. Современные гамма-облучатели дают возможность обеспечивать огромные дозы радиации в короткое время и в больших объемах облучаемого объекта. Необходимость в создании установок большой мощности для целей стерилизации объясняется относительно высокой радиорезистентностью микроорганизмов. Если для млекопитающих летальные дозы облучения колеблются в пределах 400 – 1000 рад, то инактивация микробов в зависимости от условий облучения происходит только при использовании доз порядка сотен тысяч или миллионов рад.

Бактерицидное действие ионизирующих излучений зависит от ряда факторов. Высушивание микроорганизмов приводит к повышению радиорезистентности. Аналогичное действие оказывают уменьшение парциального давления кислорода в облучаемом объекте, понижение температуры во время облучения, а также условия, создаваемые после облучения. В случаях облучения микробных культур чувствительность микроорганизмов меняется в зависимости от цикла развития культуры. 
Различные микроорганизмы обладают различной радиорезистентностью. Так, например, для достижения стерилизующего эффекта при облучении взвесей неспорообразующих бактерий (Bact. coli, Proteus vulgaris) необходимо облучение в дозах 100 000 – 500 000 рад. Для инактивации спор спорообразующих микроорганизмов необходимы большие дозы 1500000 –2500000 рад. Еще более устойчивы вирусы: стерилизующий эффект наступает только при облучениях в дозах 3000000 – 5000000 рад. 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, УФ-излучение является довольно таки важным природным фактором, обеспечивающим нормальную жизнедеятельность организма и соответствующие рост и развитие

Различают три участка спектра ультрафиолетового излучения, имеющего различное биологическое воздействие. Слабое биологическое воздействие имеет ультрафиолетовое излучение с длиной волны 0,39 – 0,315 мкм. Противорахитичным действием обладают УФ-лучи в диапазоне 0,315 – 0,28 мкм, а ультрафиолетовое излучение с длиной волны 0,28 – 0,2 мкм обладает способностью убивать микроорганизмы.

Для организма человека вредное влияние оказывает как недостаток ультрафиолетового излучения, так и его избыток. Воздействие на кожу больших доз УФ-излучения приводит к кожным заболеваниям (дерматитам). Повышенные дозы УФ-излучения воздействуют и на центральную нервную систему, отклонения от нормы проявляются в виде тошноты, головной боли, повышенной утомляемости, повышения температуры тела и др.

Ультрафиолетовое излучение с длиной волны менее 0,32 мкм отрицательно влияет на сетчатку глаз, вызывая болезненные воспалительные процессы. Уже на ранней стадии этого заболевания человек ощущает боль и чувство песка в глазах. Заболевание сопровождается слезотечением, возможно поражение роговицы глаза и развитие светобоязни ("снежная" болезнь). При прекращении воздействия ультрафиолетового излучения на глаза симптомы светобоязни обычно проходят через 2 – 3 дня.

Недостаток УФ-лучей опасен для человека, так как эти лучи являются стимулятором основных биологических процессов организма. Наиболее выраженное проявление "ультрафиолетовой недостаточности" – авитаминоз, при котором нарушается фосфорно-кальциевый обмен и процесс костеобразования, а также происходит снижение работоспособности и защитных свойств организма от заболеваний. Подобные проявления характерны для осенне-зимнего периода при значительном отсутствии естественной ультрафиолетовой радиации ("световое голодание").

Бактерицидное действие ультрафиолетового излучения, т.е. способность убивать микроорганизмы, зависит от длины волны. Так, например, УФ-лучи с длиной волны 0,344 мкм обладают бактерицидным эффектом в 1000 раз большим, чем ультрафиолетовые лучи с длиной волны 0,39 мкм. Максимальный бактерицидный эффект имеют лучи с длиной волны 0,254 – 0,257 мкм.

Оценка бактерицидного действия производится в единицах, называемых бактами (б). Для обеспечения бактерицидного эффекта ультрафиолетового облучения достаточно примерно 50 мкб · мин/см2.

Бактерии всех таксономических и физиологических групп чувствительны к неблагоприятным воздействиям внешних факторов. Несмотря на то, что ответные реакции клеточной организации не являются первичными, они обнаружены даже при краткосрочных неблагоприятных (стрессовых) воздействиях ряда физических агентов.

В ходе исследования возможных структурных перестроек бактериальных клеток выявлены ранее неизвестные для псевдомонад естественные коммунальные экстрацеллюлярные структуры, а также экспериментально стимулируемые изменения в организации клеток различных бактерий, функционально связанные с неблагоприятным действием внешних факторов.

Природные коммунальные экстрацеллюлярные комплексы обеспечивают защиту клеток от воздействия жесткого ультрафиолетового излучения за счет коммунальных оболочек (образуемых при участии везикул внешних мембран). При долговременном воздействии УФ-облучения отмечены модификации как самих оболочек, так и заключенного в них экстраклеточного матрикса.

К числу основных изменений, связанных с воздействиями электрического тока, светового и радиоволнового излучений относятся: деформация (округление палочковидных форм, уменьшение размеров) бактериальных клеток; образование внутриклеточных и внеклеточных наноформ (везикул наружной и цитоплазматической мембраны, нанопочек, изолированных наноклеток, в том числе и жизнеспособных); лизис части исходной популяции бактериальных клеток. Показано, что независимо от выбора действующего агента образование наноформ у представителей разных групп бактерий шло по единому пути структурных трансформаций: перераспределению цитоплазмы с ее уплотнением в отдельных участках и подразделением клетки на отдельные субъединицы и последующим множественным неравномерным делением. При этом образование наноформ у грамотрицательных бактерий сопровождалось также множественным образованием везикул внешней мембраны. Жизнеспособность образуемых бактериями наноформ подтверждена их дальнейшими пересевами и микроскопией в динамике роста, подтверждающей восстановление прежних размеров клеток. Цитологические исследования наноформ из естественных местообитаний показали, что наноформы бактерий или ультрамикробактерии распространены в природе и способны к активным жизненным процессам. Таким образом, образование наноформ бактериальных клеток при стрессовых воздействиях можно рассматривать как ответную реакцию и переход к существованию бактерий в виде иного типа клеточных форм.

Проведенные в ходе выполнения диссертационной работы исследования привели к получению новых сведений о цитологии изученных видов бактерий, а также позволили обобщить данные о структурных преобразованиях бактериальных клеток при стрессовых воздействиях.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Александров, Э.Л. Озонный щит Земли и его изменения / Э.Л. Александров, Ю.А. Израэль, И.Л. Кароль. – Спб: Гидрометеоиздат, 1992, – 288 с.
2. Андрус, Д. Введение в химию окружающей среды / Д. Андрус. – М.: Мир, 1999. – 163 с.
3. Бейкер, А.  Фото϶лȇкҭҏᴏнная спекҭҏᴏскопия / А. Бейкер, Д. Беттеридж. – М.: Наука, 1985.– 97 с.
4. Бурлакова, Е.В. Биоантиоксиданты в лучевом поражении и злокачественном росте / Е.В. Бурлакова, Е.М. Молочкина, Н.П. Пальмина. – М.: Наука, 1975, – 178с.
5. Вайнштейн, М.Б. О нанобактериях  / М.Б. Вайнштейн, Е.Б. Кудряшова. М.: Микробиология, 2000. – 138 с.
6. Гайер, Г. Электронная гистохимия / Г. Гайер. М.: Мир, 1974. –  488с.
7. Галанин, Н.Ф. Лучистая энергия и ее гигиеническое значение / Н.Ф. Галанин. – М.: Знание, 1991 – 45 с.
8. Гиляров, М.С. Биологический энциклопедический словарь / М.С.Гиляров. М.: Советская энциклопедия, 1986. – 831 с.
9. Гусев, М.В. Микробиология / М.В. Гусев, Л.А. Минеева. М.: Наука, 1992. – 345 с.
10. Дубров, А.П. Генетические и физиологические эффекты действия ультрафиолетовой радиации на высшие растения / А.П. Дубров.– М.: Просвещение, 1989. – 44 с.
11. Зайдель, А.Н. Спекҭҏᴏскопия вакуумного ультрафиолета / А.Н. Зайдель, Е.Я. Шрейдер, – М.: Агропромиздат, 1987. – 52с.
12. Камышева, К.С.  Микробиология, основы эпидемиологии и методы микробиологических исследований / К.С. Камышева. Ростов на Дону: Феникс, 2010. – 335 с.
13. Кац, Л.Н. L-формы бактерий. Механизм образования. Структура, роль в патологии / Л.Н. Кац, Г.Я. Каган. М.: Медицина, 1981. – 237с.
14. Коротяев, А.И. Медицинская микробиология, иммунология и вирусология / А.И. Коротяев. – СПб.: Специальная литература, 2000. – 289 с.
15. Крисс, А.Е. Микробиологическая океанография / А.Е. Крисс.  М.: Наука, 1976. – 268 с.
16. Кульский, Л.А., Дейнега, Ю.Ф. Коллоид, журн.  Вып. 4. М.: Наука, 1980. – 761 с.
17. Лазаҏев, Д.Н. Ультрафиолетовая радиация и ее применение / Д.Н. Лазарев. –М.: Мир, 1950. – 18с.
18. Маркиз, Р. Жизнь микроорганизмов в условиях повышенного давления / Р. Маркиз, П. Мацумура. М.: Мир,1981. – 185 с.
19. Мейер, А. Ультрафиолетовое излучение / А. Мейер, Э. Зейтц. – М.: Наука, 1982. – 63 с.
20. Мясник, М.Н. Генетический контроль радиоҹувствительности бактерий / М.Н. Мясник. – М.: Стҏᴏйиздат, 1994. – 36с.
21. Нетрусов, А.И. Экология микроорганизмов / А.И. Нетрусов, Е.А. Бонч-Осмоловская, В.М. Горленко. – М.: Академия, 2004. – 167 с.
22. Нетрусов, А.И. Микробиология: учебник / А.И. Нетрусов, И.Б. Котова. – М.: Академия, 2006. – 352 с.
23. Нетрусов, А.И. Экология микроорганизмов: учебник / А.И. Нетрусов. – М.: Академия, 2004. – 272 с.
24. Нетрусов, А.И. Микробиология / А.И. Нетрусов. М.: Академия, 2007. – 256 с.
25. Павлович, С.A. Влияние магнитных полей на микроорганизмы / С.А. Павлович. М.: Мир, 1971. –85 с.
26. Пешков, М.А. Сравнительная цитология синезеленых водорослей, бактерий и актиномицетов / М.А. Пешков. М.: Наука, 1966. – 246 с.
27. Пешков, М.А. Цитология бактерий / М.А. Пешков. М.: Ан СССР, 1955. –220 с.
28. Поликар, А. Молекулярная цитология мембранных систем животной клетки / А. Поликар. М.: Мир, 1972. – 63 с.
29. Потапченко, Н.Г. Использование ультрафиолетового излучения в практике обеззараживания воды / Н.Г. Потапченко, О.С. Савчук. – М.: 1995. – 106с.
30. Просеков, А.Ю. Генетика микроорганизмов: учеб. пособие / А.Ю. Просеков, О.О. Бабич. – Кемерово, Кузбассвузиздат, 2010. – 111 с.
31. Романенко, В.И. Экология микроорганизмов пресных водоемов: Лабораторное руководство / В.И. Романенко, С.И. Кузнецов. М.: Наука, 1981. – 266 с.
32. Рохлин, Г.Н. Дуговым источникам 200 лет / Г.Н. Рохлин. – М.: ВИГМА, 2001. –  72 с.
33. Смит, К. Молекулярная фотобиология / К. Смит, Ф. Хэнеуолт. – М.: Просвещение, 1992. – 97с.
34. Тимаков, В. Д. L-формы бактерий и семейство Mycoplasmataceae в патологии / В.Д. Тимаков, Г.Я. Каган. М.: Медицина, 1973. – 392 с.
35. Шахов, А.И. Бактерицидное действие внешнего магнитного поля. Гигиена и санитарии / А.И. Шахов, С.С. Душкин. М.: Наука, 1965. – 106 с.