Воздействие магнитного излучения на микроорганизмы

Введение.

 Для организмов любого вида характерно наличие отчетливо выраженных черт приспособленности к среде их обитания. Многие исследователи ставили основной задачей выявление причины изменчивости адаптации микроорганизмов, а так же влияние внешних факторов, в частности, влияние различных излучений на жизнедеятельность организмов. Необходимо отметить, что в настоящее время наблюдается интенсивное развитие множества отраслей промышленности, использующих разного рода излучения. Поэтому сейчас практически повсеместно биосфера Земли подвержена действию этих излучений, что может внести серьезные изменения в микробные сообщества, изменяя их стабильность.

Цель: рассмотреть влияние различных видов излучений на микроорганизмы. В соответствии с целью, были поставлены следующие задачи:

1. Рассмотреть воздействие магнитного излучения на микроорганизмы.
2. Рассмотреть воздействие видимого света на микроорганизмы.
3. Рассмотреть воздействие ионизирующего излучения на микроорганизмы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

1. Воздействие магнитного излучения на микроорганизмы

Все живые организмы находятся в области магнитного поля Земли. Характер влияния магнитных полей на развитие бактерий мало исследован. Воздействие мощными дополнительными полями иногда приводит к стимуляции их роста. Так воздействие магнитным полем напряженностью в 12·108 А/м приводило в некоторому ускорению роста Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus и Seratia marcescens - при 120· 104 А/м. Действие переменных магнитных полей обычно более эффективно, чем постоянных. В естественной среде обитания бактерий магнитные поля такой напряженности не встречаются.

По всей видимости, магнитное поле Земли не оказывает заметного влияния на развитие бактерий. Однако, существуют бактерии, иногда их называют магнитобактериями способные регулировать направление своего движения в соответствии направлением силовых линий магнитного поля. Это так называемый магнитотаксис. Магнитотаксис обнаружен у некоторых кокков и спирилл. Культуры магнитобактерий получить трудно, сравнительно подробно исследована магнитобактерия Aquaspirillum magnetotacticum. Это микроаэрофильный хемогетеротроф.

Магнитобактерии обитают в морских маршах, заболоченных пресноводных водоемах, окислительных прудах для очистки сточных вод, т.е. в водоемах с малоподвижной водой. Их численность здесь иногда может быть весьма значительной. В области действия постоянного магнита, поднесенного к пробам воды и ила из окислительного пруда, иногда можно собрать до 106-107 клеток таких бактерий в миллилитре воды.

Клетки магнитобактерий содержат магнитосомы - кубические или октаэдрические кристаллы магнетита. У спирилл по длинной оси клетки расположено около 22 кристаллов с гранями порядка 50 нм длиной. В процессе деления дочерние клетки получают равное количество кристаллов. Содержание железа в клетках велико, до 3,8%, тогда как у обычных бактерий железа

5

содержится не более 0,025%. В слабых магнитных полях Магнитобактерии перемещаются со скоростью до 70мкм/с вдоль линий поля. Направление силовых линий магнитного поля Земли таково, что в результате движения вдоль этих линий бактерии в прудах и болотах оказываются у поверхности ила, где много пищи и мало молекулярного кислорода. Воздействие сильным магнитным полем приводит к изменению направления движения магнитобактерий. Потомки этих магнитобактерий, развивающихся в обычных условиях, т.е. под действием магнитного поля Земли, сохраняют направление движения, свойственное бактериям данного полушария. Если Бактрии экранированы, то в культуре появляются клетки, плывущие к разным полюсам, т.е. этот признак генетически не предопределен. В культуре легко могут быть получены мутанты, лишенные магнитосом и магнитотаксиса. Эти мутанты накапливаются в культуре. Не трудно представить себе, что клетки, не отягощенные столь большим количеством железа, как клетки дикого типа, получают преимущество и размножаются быстрее. Поэтому очевидно, что в природных условиях наличие магнитотаксиса для бактерий жизненно необходимо и способствует их выживанию. Недавно обнаружено, что бактерии, обладающие магнитотаксисом, весьма многочисленны в морях. Например, в поверхностных слоях ила бассейна Санта Барбара в Тихом океане на глубине 598 м обнаружены кокки, палочки и вибрионы, содержащие магнитосомы. Магнитосомы в больших количествах накапливаются в осадках в свободном состоянии. Показано, что биогенные магнетиты обнаруживают высокий естественный магнетизм и являются его первоисточником в морских осадках. (Громов ,Павленко 1989.)

Дюбуа описал влияние МП большой интенсивности на развитие культуры Micrococcus prodigiosus. Выращивая этот вид бактерий на поверхности твердых питательных сред, исследователь обратил внимание на изменение формирования и ориентацию колоний микроба в условиях воздействия на культуру ПМП. По описанию автора, колонии микроорганизмов, выраставшие

6

в МП, отличались сухим и уплотненным вытянутой формы центром, продольный диаметр которого был больше в три раза, чем поперечный. Изменялась так же структура периферической части этих колоний, а их края становились неровными. Большая ось зоны таких колоний была направлена главным образом с северо-востока к юго-западу. В некоторых колониях, расположенных в средней части системы магнитов, автор наблюдал по четыре уплотненных точечных образования, ориентированных к четырем полюсам двух противостоящих магнитов. ( Холодов, 1971)

Шевено и Бон показали действие МП напряженностью 5000-8000 э на ряд видов инфузорий, развивающихся в жидкой благоприятной среде при 18-19°. Авторы наблюдали угнетающее действие МП на простейших. Так в начале в МП замедлялась скорость движения ресничек инфузорий, а через з 4-5 дней наблюдалось рассасывание органов движения, задерживался рост. На протяжении нескольких поколений особи атрофировались, и рост убывал на 1/3 или даже на половину в сравнении с численностью исходной популяции. Так же приостановился процесс размножения. Особенно сильным было воздействие на неподвижные виды простейших, которые отмирали перед делением- через день их количество уменьшилось в двое, а спустя 4 дня от момента исследования наблюдалась 100%-я гибель Vorticella. Это объясняется неспособностью таких инфузорий перемещаться в области с меньшей напряженности. ( Холодов, 1971)

Грене, изучая влияние МП на парамеции, отмечала более быстрый биологический эффект. В этом эксперименте на Paramecium Aurelia воздействовали прерывистым МП, напряженностью 100 э. Уже спустя полчаса определялось обездвиживание инфузорий, а после 1,5-часового периода все парамеции полностью утрачивали способность к движению. Большинство простейших, округлялись, становились шаровидными, а у ряда особей разрывались даже оболочки, и содержимое протоплазмы изливалось наружу.

7

Действие МП на развитие дрожжей описал Кимбол. Этот автор изучал процесс почкование дрожжевых клеток путем засева свободной от почек культуры микроорганизмов на питательные среды с последующим их подращиванием и помещение чашек Петри на то или иное время на полюса постоянного подковообразного магнита. В результате этого исследования он обнаружил под полюсами магнита, создающего неоднородное поле, значительное угнетение почкования дрожжей. В среднем процесс формирования почек был задержан на 20-30%. Квадраты питательной среды содержали тем больше дрожжевых клеток, чем отстояли от полюсов магнитов. Угнетение размножения засеянных дрожжей наблюдалось после 20-30 минутного действия МП. Автор так же показал, что процесс торможения почкообразования зависит от характера МП. Обнаружив тормозящее действие неоднородного поля в отношении размножения дрожжей, он не отметил такого эффекта от применения гомогенного поля. По нению ученого, эффект производит не МП как таковое, а изменение силы поля, его градиента. Особый интерес так же представляют работы Магру и Маниго, показавших угнетающее действие МП на Phytomonas tumefaciens, вызывавшую развитее опухоли пеларгонии. Исследования этих ученых базировались на ранее сделанном открытии Реми, показавшего, что МП оказывает ингибирующее действие на развитие опухолей пеларгонии, вызванных химическими агентами. Магру и Маниго помещали микроорганизм в стебель пеларгонии и инфицированные черенки растений помещали в постоянные магниты или электромагниты, напряженность которых составляла 550, 900 и 1500 э. Спустя 67 дней измерялись размеры вызванных опухолей. У обработанных МП растений опухолевые бугорки не превышали 1 мм, т.е. были в зачаточно состоянии развития, тогда как в стеблях контрольных образцов бородавчатые образования имели размеры 8-12 мм. Авторы отметили, что ингибирование опухоли зависит от градиента поля: при уменьшении градиента рост опухолей в МП ускорялся в сравнении с тем, что наблюдалось при увеличении градиента поля. В сообщении Хедрика представлены результаты

8

исследования действия однородного МП на скорость роста, физиологические и морфологические функции Staph. Aureus, Sacina lutea, E. coli. Эти культуры выращивались в бульоне при температуре 37° в электромагните, напряженность которого была равна 700 э. В результате исследования установлено, что интенсивность роста культуры Staph. Аureus в течение первых 15 часов воздействия МП не отличалась от контроля. На 16 часе и вплоть до окончания опыта наблюдалось угнетение роста. При микроскопировании висячей капли, было обнаружено дезорганизация типичного расположения стафилококка («виноградных кистей»). Это явление обусловлено изменением зарядов отдельных клеток. Задерживающего действия на рост Sacina lutea обнаружить не удалось, не было так же количественного различия в росте E. Coli. Исследования были произведены над рядом микроорганизмов. Этот перечень включал E. Coli, Shigella sonnei, Bac. Subtilis, Bac. ( Холодов, 1971).

1.1 Влияние слабого постоянного магнитного поля на структуру популяций Staphylococcus aureus по биологическим признакам

Одним из основных возбудителей хирургических инфекций остается S.aureus, который вызывает тяжелые нагноения, трудно поддающиеся лечению. Большую роль играют эти микроорганизмы и в возникновении внутрибольничных инфекций. Учитывая широкое использование магнитных полей в различных сферах человеческой деятельности, их биологическую активность, но одновременно и незначительное количество данных, отражающих их влияние на различные микроорганизмы, мы предприняли исследование, целью которого явилось изучение влияния постоянного магнитного поля на биологические свойства S.aureus в опытах in vitro. Были изучены 2 штамма  золотистого стафилококка из музея кафедры микробиологии КГМУ. На внутрипопуляционном уровне исследовали гемолитическую, лецитиназную, фибринолитическую, ДНКазную, лизоцимную и антилизоцимную активности. Эти показатели регистрировались в течении 28 суток пребывания культур в термостате (370С) с интервалами 1, 3, 7, 14, 21, 28

9

суток в условиях воздействия постоянного слабого магнитного поля (МП)  напряженностью 3 эрстеда (опыт) и при фоновых значениях геомагнитного

поля (ГМП). Стафилококки культивировались на МПБ с ежедневными пересевами. Прежде всего, необходимо отметить, что динамика изменений структуры популяций по изученным признакам была сходной как при воздействии фонового ГМП, так и искусственного МП. При анализе структуры популяций по гемолитической активности было отмечено, что число гемолитически активных клеток на 14 и 21 сутки в культуре №606 и на 14 сутки в культуре «Халина», находившихся в условиях фонового ГМП, было выше

показателей опытной группы. В то же время на 7 сутки пребывания в МП культуры «Халина» исследованный показатель был достоверно выше по сравнению с контролем. ДНКазная активность на 3–28 сутки (штамм №606) и на 1-14 сутки (штамм «Халина») у «омагниченных» культур достоверно превышала значения контроля. Лецитиназная активность более часто встречалась в популяциях культур штаммов №606 (на 7–14 сутки) и «Халина» (на 1–21 сутки), подвергавшихся воздействию искусственного МП. Также достоверно более высокий процент фибринолитически активных клеток регистрировался в популяциях культур обоих штаммов, находившихся в МП в течение 3–28 суток. Что касается проявления лизоцимной и антилизоцимной активности, то частота встречаемости клеток, несущих эти признаки, в популяциях «омагниченной» культуры №606 была выше на протяжении всего опыта. Среди культур штамма  «Халина» достоверно более высокий процент клеток с указанными признаками отмечен на 1-3 сутки пребывания в условиях фонового ГМП. Вместе с тем, клетки, продуцировавшие лизоцим, чаще встречались в популяциях «омагниченной» культуры на 7-21 сутки. (Суслова, Суслов, Калуцкий, 2009).

 

 

 

10

2. Видимый свет

Электромагнитные волны, имеющие длину 400-740 нм, соответствуют видимому свету. Видимый свет в качестве источника энергии используют фототрофные бактерии: цианобактерии, пурпурные и зеленые бактерии.

Цианобактерии осуществляют оксигенный фотосинтез, в процессе которого выделяется молекулярный кислород. Адаптация к разнообразным физико-химическим условиям среды, способность азотфиксации, термофильность или галофильность некоторых форм определяют весьма широкое распространение цианобактерий на Земле. Пурпурные и зеленые бактерии осуществляют аноксигенный фотосинтез. Он приурочен к анаэробным условиям, и большинство этих бактерий строгие анаэробы. Развитие бактерий, осуществляющих аноксигенный фотосинтез, происходит главным образом в сильно загрязнённых водоемах и гиполимнионе озер. Здесь содержатся соединения, специфически необходимые для аноксигенных фототрофов,- сероводород, молекулярный водород, простые органические вещества, образующиеся в результате брожений, обитающими в осадках. Пурпурные и зеленые бактерии часто развиваются в водоемах под слоем водорослей и цианобактерий, в котором происходит рост высших растений. Перечисленные фототрофы поглощают значительную часть света в областях спектра, соответствующих адсорбционной способности их светособирающих антенн. Светособирающие антенны аноксигенных фототрофов имеют другие спектральные характеристики, это позволяет им осуществлять фотосинтез за счет света, профильтрованного через клетки эукариот и цианобактерий.

 

 

 

 

11

	Тип хлорофилла	В эфире	В клетках
Прохлорофиты Цианобактерии Зеленые бактерии Зленые бактерии Пурпурные бактерии Пурпурные бактерии	Хлорофилл b Хлорофилл a Бактериохлорофилл c Бактериохлорофилл d Бактериохлорофилл a Бактериохлорофилл b	644 665 660 650 775 790	650 680-683 745 725 850-910 1020-1035

 

Бактериохлорофиллы имеют максимумы поглощения в красной и инфракрасной частях спектра. Этот свет не используется для оксигенного фотосинтеза. Бактериохлорофилл b поглощает световые волны, длина которых близка к максимальной, еще допускающей их использование в процессе фотосинтеза. Кванты более длинноволнового света несут слишком мало энергии и могут участвовать в фотохимических реакциях. Существенной особенностью Бактериохлорофиллов является также то, что их включение в мембранный светособирающий комплекс приводит к смещению максимумов поглощения в красную область спектра в гораздо большей степени, чем это характерно для хлорофилла a оксигенных фототрофов. Некоторые виды пурпурных бактерий живут на мелководье, под слоем песка толщиной несколько сантиметров, который играет роль красного фильтра. Однако на более значительную глубину красный свет не проникает. Представители зеленых серобактерий имеют каротинойды, улавливающие световые волны около 460 нм, и способны развиваться в водоемах на глубинах более 20 м, куда проникает свет только этой длины волны. В конце 70-х годов были обнаружены аэробные гетеротрофные бактерии, содержащие бактериохлорофилл а. Они отнесены к нескольким родам. Представители рода Erythrobcter – мелкие