Влияние ультразвука на микроорганизмы

• МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ярославский государственный университет имени П.Г.Демидова»

(ЯрГУ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

По дисциплине: «Экологическая физиология микроорганизмов»

«Влияние ультразвука на микроорганизмы »

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Работу выполнила:

Студентка группы:

ЭП — 21(заочное)

Иванова А.С.

специальность:

Экология и природопользование

 

Работу проверила:

Пухова Н.Ю.

 

 

 

 

Ярославль 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................................3

МЕХАНИЗМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАЗВУКА НА МИКРООРГАНИЗМЫ...................4

ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА...............................................................................................7

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................9

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................................................................10

 

ВВЕДЕНИЕ

В процессе эволюционного развития биообъектов на формирование их биологических свойств оказывали влияние многие абиотические факторы, в том числе природные фоновые излучения. В последние десятилетия в связи с резко возросшей антропогенной и техногенной нагрузкой произошло резкое повышение уровня абиотических излучений и, соответственно, увеличилось влияние этих факторов на биоклетки, что с большой вероятностью может способствовать фенотипическим изменениям биологических свойств, вплоть до развития мутаций. Поэтому, в современной микробиологии актуальными являются вопросы изучения особенностей и механизмов влияния внешних физических факторов на состояние микроорганизмов, в частности на бактерии, для возможного использования этих воздействий в решении прикладных задач и внедрения новых технологий в медицине и биологии.

Одним из факторов, способным влиять на функциональное состояние микроорганизмов, является ультразвук (УЗ). Ультразвуковые волны обладают большой механической энергией и вызывают ряд физических, химических и биологических явлений. Поэтому не случаен интерес к изучению влияния и механизмам действия этого физического фактора на биообъекты. 
Определенные частоты ультразвука при искусственном воздействии способны вызывать деполимеризацию органелл микробных клеток, под действием ультразвука газы, находящиеся в жидкой среде цитоплазмы, активируются и внутри клетки возникает высокое давление ( до 10 000 атм). Это приводит к разрыву клеточной оболочки и гибели клетки.

Ультразвуковыми называются упругие акустические волны, способные распространяться в материальных средах (твердых, жидких, газообразных). Нижняя граница УЗ лежит в области 16–20 кГц, верхняя достигает сотен мегагерц. Обе границы достаточно условны и находятся за пределами слышимости человека. Упругость обеспечивает возвращение в исходное положение частиц среды, смещенных под воздействием внешних сил. Частицы среды при этом не переносятся в направлении распространения волн, а лишь колеблются около положения равновесия. Возмущение от частиц, колеблющихся в каждом слое около положения равновесия, передается от слоя к слою по направлению распространения волны. Таким образом в акустической волне происходит перенос энергии без переноса вещества. Волны бывают продольными, если направление колебаний частиц совпадает с направлением распространения волн, и поперечными, если эти направления взаимно перпендикулярны. В газообразных и жидких средах, в том числе в тмягких тканях макроорганизмов и в клетках микроорганизмов, состоящих на 75% из воды, распространяются продольные волны.

МЕХАНИЗМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАЗВУКА НА МИКРООРГАНИЗМЫ

Одной из основных особенностей воздействия УЗ на микроорганизмы можно считать его влияние на клеточные мембраны. Действие УЗ может приводить к существенному изменению механических, электрических и иных свойств клеточных мембран, а также к нарушению внутреннего состава клеток и изменению концентраций веществ, растворенных в цитоплазме. При длительном воздействии УЗ последствия остаются в течение некоторого времени после прекращения облучения, и нормальная жизнедеятельность клетки может не восстановиться в течении минут, часов или даже дней. Разрыв клеточных мембран и нарушение механической целостности клеток - наиболее очевидное из возможных последствий ультразвукового облучения. Установлено, что особенно опасен для микроорганизмов низкочастотный УЗ, т. к. мощный низкочастотный ультразвук способен механически разрывать клеточные мембраны, что приводит к нарушению целостности и гибели клеток. Однако даже при низких частотах механическое повреждение и гибель клеток происходят только при достаточно высоких интенсивностях УЗ, существенно превышающих физиологические дозы.

Изменение свойств мембраны под действием УЗ обусловлено по большей части «отрыванием» мощным излучением макромолекул и молекулярных комплексов с внешней поверхности мембраны. Оторванные соединения растворяются в окружающей среде и могут снова «вернуться» на свое прежнее место через некоторое время после прекращения ультразвукового воздействия. Оставшись без определенных составляющих, мембранные каналы меняют свою проводимость и иные свойства, в результате чего мембрана начинает аномально функционировать. У некоторых бактерий под действием УЗ наблюдается генерация мембраной электрического потенциала действия.

Следующая важная особенность действия УЗ на микроорганизмы - изменение концентрации различных веществ в составе цитоплазмы за счет изменения равновесной концентрации веществ вне и внутри клетки: акустическая волна создает микровихри в окружающей клетку среде, обеспечивая эффективное перемешивание раствора. Таким образом воздействие УЗ приближает концентрацию веществ в цитоплазме, особенно ионов легких металлов, к их концентрации вне клетки. Это делает клетку более зависимой от состава внешней среды и может нарушить внутренние процессы жизнедеятельности. Нарушение внутреннего состава клетки и, как следствие, процессов ее жизнедеятельности, является наиболее глубоким и долгосрочным изменением. Последствия такого рода могут оставаться в силе по прошествии нескольких часов, а то и дней после окончания воздействия УЗ. По мере убывания интенсивности ультразвука эти последствия можно упорядочить следующим образом: нарушение целостности клетки -  изменение свойств мембраны - изменение концентраций веществ в цитоплазме - нарушение жизнедеятельности.

Эффекты, достигаемые в результате облучения ультразвуком биологических объектов, обычно обусловлены совместным действием многих факторов, и не всегда ясно, какой из них играет первостепенную роль. Решение ряда задач, связанных с практическим применением УЗ в микробиологии, предполагает изучение характера акустического поля, т. е. распределения в пространстве звукового давления или интенсивности.

Ультразвуковые колебания, повреждая клеточные оболочки микроорганизмов, вызывают их гибель. Еще с 1928 года ученые начали исследовать влияние УЗ на микроорганизмы и установили, что облучение бактерий группы кишечных палочек приводило к уменьшению их числа. В последующие годы было опубликовано большое число работ о действии акустических волн на бактерии и вирусы. При этом выяснилось, что результаты могут быть очень разнообразные: с одной стороны, исследователи наблюдали повышение агглютинации, потерю вирулентности, или полную гибель бактерий, с другой стороны, отмечался обратный эффект - увеличение числа жизнеспособных особей. Последнее особенно часто имело место после кратковременного облучения. Очевидно, кратковременное действие УЗ способствует механическому разделению скоплений бактериальных клеток, благодаря чему каждая отдельная клетка дает начало новой колонии.

Большинство патогенных микроорганизмов чувствительны к действию низкочастотного ультразвука. Так, при облучении гноеродной микрофлоры ран УЗ низкой частоты увеличивает чувствительность бактерий к действию дезинфицирующих и антибактериальных препаратов. Эффективно применение низкочастотного ультразвука в сочетании с различными антимикробными препаратами и для лечения бактериальных инфекций, связанных с образованием биопленок. Биоакустический эффект проявляется в уменьшении жизнеспособности бактерий в биопленках в результате одновременного воздействия низкочастотного ультразвука и антимикробных препаратов.

Известно, что применение ультразвуковых волн малых интенсивностей (до 2 Вт/см2) обычно вызывает положительные биологические эффекты. В опытах исследователей после обработки микроорганизмов ультразвуком малой интенсивности наблюдалось увеличение и чувствительности к лекарствам, противомикробным препаратам дезинфицирующим средствам вследствие повышения проницаемости оболочки микробных клеток.

Применение сравнительно больших интенсивностей (3–10 Вт/см2) и длительные облучения вызывают необратимые повреждения клеток, т. е. приводят к отрицательным эффектам эффектам. Спосособствует разрыву клеточных стенок и мембран, повреждению флагеллина у подвижных форм микроорганизмов в результате возникновения высокого давления внутри клетки или появлении гидроксильных радикалов и атомарного кислорода в водной среде цитоплазмы. Такое разрушающее действие УЗ давно используется в медицинской микробиологии. Известно, что при превышении определенной пороговой интенсивности УЗ, соответствующей возникновению в среде кавитации, происходит разрушение различных бактерий и вирусов; при этом имеет место прямопропорциональная зависимость между интенсивностью ультразвука и разрушающим эффектом. Именно таким образом с помощью ультразвука разрушают микобактерии туберкулеза, возбудителей тифа, коклюша, вирусы полиомиелита, энцефалита и бешенства, некоторые виды кокков (стафилококки, стрептококки). Ниже такого порога интенсивности УЗ не только не наступает разрушение жизнеспособных микроорганизмов, но при определенных условиях происходит стимуляция их роста и, как следствие, увеличение их числа.

Механизм бактерицидного действия УЗ в литературе объясняется двумя теориями: кавитационно-механической и кавитационно-электрохимической. Согласно первой теории считают, что ультразвуковые волны, распространяясь в упругой среде, вызывают в ней попеременные сжатия и разряжения. В клетке создаются огромные давления, достигающие десятков и сотней мПа, что вызывает механическое разрушение цитоплазматических структур и гибель клетки. Кавитационно-электрохимическая теория объясняет ионизацию паров жидкостей и присутствующих в ней газов при образовании кавитационного пузырька. При разрыве пузырька происходит электрический разряд, сопровождающийся резким повышением температуры и образованием в кавитационной полости электрического поля высокого напряжения. При этом пары жидкости и высокомолекулярные соединения в кавитационной полости расщепляются на водород и гидроксильную группу с образованием активного кислорода, перекиси водорода, азотистой и азотной кислот, в результате чего происходят инактивация ферментов и коагуляция белков. Все это обуславливает гибель микробной клетки. Наиболее опасен для жизнедеятельности микробов низкочастотный УЗ (от 20 кГц до 100 кГц), приводящий в первую очередь к их дезинтеграции. Однако эффективность действия УЗ при одной и той же интенсивности и частоте колебаний также зависит от продолжительности воздействия, химического состава облучаемой среды, ее вязкости, температуры, рН и исходной степени обсемененности микроорганизмами. Чем больше микроорганизмов, тем продолжительнее должно быть воздействие для достижения стерилизующего эффекта.

Устойчивость бактерий к действию УЗ зависит также от их биологических свойств. Вегетативные клетки более чувствительны, чем споры, кокковые формы погибают медленнее, чем палочковидные, более крупные клетки микроорганизмов отмирают быстрее, чем мелкие (максимальная чувствительность у лептоспир, а наиболее устойчивы стафилококки).

Разрушительное действие УЗ распространяется не только на бактерии, но и на некоторые вирусы. Ультразвуковые волны при частоте колебания 1–1,3 МГц в течение 10 минут оказывают бактерицидный эффект на указанные микроорганизмы.

ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА

Низкочастотный УЗ применяют для дезинтеграции микроорганизмов при изготовления вакцин, мойки и стерилизации стеклянной тары, а также при извлечении внутриклеточных ферментов, токсинов, витаминов, нуклеиновых кислот и других компонентов клетки. Ведутся исследования по применению УЗ-энергии для стерилизации питьевой воды.

Благодаря бактерицидному эффекту действия ультразвука в настоящее время УЗ-технологии применяют для стерилизации пищевых продуктов (молоко, фруктовые соки, вина). Преимущество стерилизации пищевых продуктов при облучении ультразвуком заключается в том, что консервируемый продукт не подвергается, как это обычно делается, нагреву до высокой температуры, и, следовательно, его вкусовые качества остаются достаточно высокими. Интересны опыты пастеризации и гомогенизации молока: авторы утверждают, что ультразвук не только уничтожил микробы, но и сильно размельчил и раздробил капельки жира, содержащегося в молоке, вследствие чего такое молоко стало значительно лучше усваиваться организмом.

Успешно применяют УЗ в очистке сточных и стоячих вод. Получены данные о стимуляции сообществ микроорганизмов в бассейнах биологической очистки при применении ультразвука низкой частоты. У резидентных сообществ микроорганизмов в рассматриваемых водоемах интенсифицировался обмен веществ, увеличивалась скорость биосинтеза биологически активных соединений, ускорялась адаптация клеток к новым условиям. Так, воздействие ультразвуком на клетки плесени Aspergilus niger, играющих важную роль в процессе очистки вод, в 1,5 раза ускоряло их развитие, что способствовало увеличению скорости утилизации веществ из сточных вод.

Ультразвук используют для инактивации и дезинтеграции вирусов и других микроорганизмов с целью получения антигенов, вакцин и диагностикумов. Подвергая бактерии ультразвуковому воздействию определенной частоты и интенсивности, можно выделить из них не только антигены, но и токсины. Более того, действие ультразвука на выделенные токсины патогенных микроорганизмов может приводить к изменению их биологических свойств, что особенно важно для борьбы с возбудителями опасных инфекций.