Отклик бактериальных культур на низкоинтенсивное электромагнитное поле крайне высоких частот
Покупка
Тематика:
Микробиологическая промышленность
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 92
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-7882-2972-0
Артикул: 792196.01.99
Доступ онлайн
500 ₽
В корзину
Представлен анализ отклика модельных и прикладных бактериальных препаратов на воздействие электромагнитных полей крайне высоких частот малой (нетепловой) интенсивности. Продемонстрированы возможности практического применения неинвазивной и бесконтактной, оперативной и экологически безвредной неионизирующей технологии электромагнитной обработки биосистем для регулирования их эволюции и (или) активности.
Предназначена для технологов и руководителей медицинской, сельскохозяйственной, пищевой и биотехнологической промышленности, а также для магистрантов, обучающихся по направлению 19.04.01 «Биотехнология».
Подготовлено на кафедре пищевой биотехнологии.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» А. Ю. Крыницкая, П. П. Суханов, П. П. Крыницкий ОТКЛИК БАКТЕРИАЛЬНЫХ КУЛЬТУР НА НИЗКОИНТЕНСИВНОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ КРАЙНЕ ВЫСОКИХ ЧАСТОТ Монография Казань Издательство КНИТУ 2021
УДК 663.18:621.3.02 ББК 28.4:31.2 К85 Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского национального исследовательского технологического университета Рецензенты: гл. технолог ЗАО «Казанский уксусный завод» Е. А. Поликасова канд. техн. наук, доц. С. Н. Савдур К85 Крыницкая А. Ю. Отклик бактериальных культур на низкоинтенсивное электромагнитное поле крайне высоких частот : монография / А. Ю. Крыницкая, П. П. Суханов, П. П. Крыницкий; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2021. – 92 с. ISBN 978-5-7882-2972-0 Представлен анализ отклика модельных и прикладных бактериальных пре паратов на воздействие электромагнитных полей крайне высоких частот малой (нетепловой) интенсивности. Продемонстрированы возможности практического применения неинвазивной и бесконтактной, оперативной и экологически безвредной неионизирующей технологии электромагнитной обработки биосистем для регулирования их эволюции и (или) активности. Предназначена для технологов и руководителей медицинской, сельскохозяй ственной, пищевой и биотехнологической промышленности, а также для магистрантов, обучающихся по направлению 19.04.01 «Биотехнология». Подготовлено на кафедре пищевой биотехнологии. ISBN 978-5-7882-2972-0 © Крыницкая А. Ю., Суханов П. П., Крыницкий П. П., 2021 © Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2021 УДК 663.18:621.3.02 ББК 28.4:31.2
С п и с о к с о к р а щ е н и й АБ – антибиотик АОА – антиоксидантная активность АСБ – абсолютно сухая биомасса АСВ – абсолютно сухой вес АЦ – амоксициллин Б – бацилла БГКП – бактерии группы кишечных палочек БПЦ – бензилпенициллин И – ингибирующая (частота) ИБС – ишемическая болезнь сердца КВЧ – крайне высокие частоты КОЕ – колониеобразующие единицы КЖ – культуральная жидкость ΔК – значение параметра относительно контроля К = 100 % ЛеМЦ – левомицитин ЛиМЦ – линкомицин МПА – мясопектонный агар МПБ – мясопептонный бульон МКО – микроорганизм(ы) ПМ – полимиксины РВ – редуцирующие вещества С – стимулирующая (частота) СВЧ – сверхвысокие частоты ССИ – спад свободной индукции ЭМП – электромагнитное поле ЭМС – электромагнитный сигнал ЭМО – электромагнитная обработка ЭПС – экзополисахарид ЯМР – ядерный магнитный резонанс
В в е д е н и е Микроорганизмы, в том числе бактериальной природы, являются непосредственными участниками и(или) компонентами всех микробиологических стадий, сопровождающих процессы медицинского, сельскохозяйственного, биотехнологического и пищевого производства. При этом они способны выполнять функции как основной производительной или созидательной силы (например, при сквашивании капустного сока, при защите от патогенной флоры, возбудителей гнилей семян и их проростков, при синтезе экзополисахаридаксантана микробиологическим путем), так и нежелательного разрушительного или ингибирующего фактора. В частности, в последние годы в России обостряется проблема снижения качества медицинской, сельскохозяйственной и пищевой продукции, в том числе антибиотиков, продовольственного зерна и отрубей, молока и молочной продукции. При этом ухудшению технологических показателей и потерям сухого вещества способствует их поражение микроорганизмами (МКО), прежде всего бактериальной природы. Именно поэтому представленная монография и посвящена отклику этих микроорганизмов на эффективные неинвазивные бесконтактные методы внешнего воздействия. Вредоносность инфекций, вызванных возбудителями вирусной, грибной и бактериальной этиологии, проявляется различно в зависимости от их вирулентности, восприимчивости среды обитания и факторов внешнего воздействия. Для предупреждения развития вирусов, бактерий и микроскопических грибов используются различные методы: химические, биологические и физические. Применение химических веществ не безопасно для здоровья человека, и необходим строгий санитарно-эпидемический контроль над продукцией растениеводства, медицинского и молочного производства. Данный метод не всегда гарантирует получение ожидаемого результата. Малейшие отклонения от технологии могут привести к значительному снижению эффективности их действия. Наконец, есть целый ряд болезней, по отношению к которым химический метод не может обеспечить надлежащего эффекта. Это относится, прежде всего, к ржавчинным и фузариозным инфекциям зерновых культур, плесневым грибам, развивающимся при хранении зерна и его отходов.
Одним из реальных путей решения острой проблемы снижения хи мической нагрузки на медицинскую, сельскохозяйственную и пищевую продукцию является введение в практику защиты средств и методов борьбы, которые одновременно эффективны и безопасны для человека, животного мира и окружающей среды в целом. Это агротехнические приемы, биологические и физические методы воздействия на МКО. Химические и биологические методы имеют ряд недостатков. Они являются преимущественно профилактическими при обезвреживании почвенной инфекции и при предпосевной обработке семян. Поэтому применение вышеуказанных методов для уже выращенного продовольственного зерна можно считать запоздалым. Кроме того, они основаны на внесении в природный биоценоз организмов любого уровня новых искусственных или естественных компонентов. Их влияние непременно вызовет нарушение равновесия в и без того неустойчивом био- или агроценозе. В то же время из мероприятий этой категории в практике борьбы с болезнями любой этиологии – от человеческого организма до полевых культур – можно выделить термическое обеззараживание, применение рентгеновского и гамма – излучений для воздействия на соответствующие препараты или биосистемы. Но наиболее перспективными являются сравнительно молодые физические методы неионизирующей обработки биообъектов электромагнитным полем различных радиодиапазонов – сверх- (СВЧ) и крайне высоких частот (КВЧ) низкой интенсивности [1–12], применение которых имеет ряд преимуществ, обусловленных их неинвазивным бесконтактным характером. Поэтому достигнутым результатам в этом практически важном направлении прикладных исследований воздействия на ингибирующие (защитные) (микро)биологические процессы, а также электромагнитному стимулированию целевой активности бактериальных культур и посвящена данная работа. При этом электромагнитную обработку (ЭМО) биообъектов в КВЧ диапазоне 53,57−78,33 ГГц проводили с помощью генератора электромагнитного поля Г4–142 с минимальной выходной мощностью 4 мВт и пределами ее регулировки 0−30 дБ. Нестабильность частоты прибора Г4–142 за 15 мин составляла не более 15 МГц, погрешность установки частоты – 1 %. На выходе генератора установлена пирамидальная рупорная антенна. Расстояние между рупором генератора и объектом составляло 5–15 см, длительность ЭМО (экспозиция) менялась от 1 до 15 мин, параметры обработки не изменялись в течение эксперимента.
СВЧ-обработку проводили с участием микроволновой печи LGMS–1744WB с частотой микроволн 2,45 ГГц. Время экспозиции составляло 2 мин при уровнях мощности 90; 140 и 280 Вт. Для исследования морфологии, а также контроля за чистотой культуры в процессе культивирования, использовался метод простой окраски микроскопического препарата перед микроскопированием [8], которое проводилось с помощью светового микроскопа ЛОМО МЕД–1 с максимальным увеличением 1440х. Структурно-динамический анализ выделенных образцов экзополисахаридов проводился методом ЯМРрелаксометрии при комнатной температуре по спадам свободной индукции (ССИ) на ядрах водорода на частоте 19 МГц на лабораторном ЯМР-релаксометре со временем парализации приемо-передающего тракта 7 мкс. Для определения антиоксидантной активности капустного сока был использован метод кулонометрического титрования электрогенерированным бромом. Анализы проводились при помощи кулонометра «Эксперт 006» по стандартной методике (МВИ 01–44538054–07). Для определения концентрации биомассы использовали фотокалориметрический метод, а также метод обнаружения абсолютно сухого веса. Статистическую обработку экспериментальных данных прово дили по массиву не менее 3–5 измерений с использованием стандартного пакета статистических программ редактора Microsoft Office Excel.
Г л а в а 1 . Б А К Т Е Р И А Л Ь Н А Я А К Т И В Н О С Т Ь П О С Л Е Э Л Е К Т Р О М А Г Н И Т Н О Й О Б Р А Б О Т К И 1 . 1 . А к т и в н о с т ь м о д е л ь н ы х б а к т е р и а л ь н ы х п р е п а р а т о в п о с л е э л е к т р о м а г н и т н о й о б р а б о т к и В большинстве процессов, лежащих в основе производств меди цинского, пищевого, биотехнологического и агропромышленного комплекса, действующим началом являются микроорганизмы. От активности микроорганизмов зависят длительность (вплоть до остановки) ферментативных биотехнологических стадий, их физико-химические и энергетические параметры и в конечном итоге качество произведенного продукта. Поэтому эффективность регулирования жизнедеятельности МКО является решающим и нередко лимитирующим фактором для многих медицинских, пищевых технологий и процессов переработки сельскохозяйственного сырья. И одним из перспективных бесконтактных способов влияния на активность микроорганизмов является их обработка ЭМП КВЧ. 1 . 1 . 1 . О т к л и к B a c i l l u s s u b t i l i s D 2 6 н а э л е к т р о м а г н и т н у ю о б р а б о т к у Проведенные ранее исследования отклика Bacillus subtilis D26 на миллиметровые волны электромагнитной природы уже выявили характеристические частоты, на которые реагируют МКО в виде биоэффекта, свидетельствующего о стимулировании или ингибировании их физиологической и(или) технологической активности [1–5]. Поэтому нами было также проведено определение минимального времени обработки, дающего максимальный эффект от воздействия ЭМП КВЧ на микроорганизмы.
Первоначальной интегральной мерой эффективности ЭМО как при выборе соответствующих частот, так и длительности процесса обработки, служил уровень прироста биомассы МКО. В соответствии с этим параметры обработки подразделялись на стимулирующие (дающие прирост биомассы свыше 100 %, т. е. контрольного уровня) и ингибирующие (когда прирост меньше контрольных 100 %). На рис. 1.1 представлен график изменения концентрации бакте риальной биомассы в зависимости от частоты обработки при постоянстве всех остальных параметров. Эта зависимость носит выраженный острорезонансный характер. При этом шаг между соседними экстремумами близок к 0,1 ГГц по частотной шкале. Аналогичный интервал (соответствующий шагу задания генерируемых частот) имеет место в экспериментах, описанных в литературе [5–7]. Рис. 1.1. Зависимость прироста биомассы ∆Х бактерий Bacillus subtilis от частоты ЭМП КВЧ; ––– – контрольный уровень прироста биомассы (к – к) Это позволяет предположить, что такой шаг носит универсаль ный характер и несет, по-видимому, определенный биологический смысл. Вместе с тем, если в ранее проведенных экспериментах у других авторов величина пиков изменялась случайным образом, то в данном случае соблюдалась определенная закономерность. Максимальная величина концентрации биомассы (на 50 % превышающая контрольное значение) была достигнута при воздействии на культуру ЭМП с частотой 60,8 ГГц. Ее, вероятно, можно считать оптимальной в исследованном диапазоне.
В то же время весь диапазон исследуемых частот можно разбить на несколько периодов. При движении в сторону увеличения частот сначала наблюдается возрастание величины максимумов. Как уже отмечалось, самое большое значение достигается при действии ЭМП КВЧ с частотой 60,8 ГГц и составляет 150 % по отношению к контролю. Дальнейшее повышение частоты воздействия приводит к снижению величины максимумов. При анализе частотной зависимости проявления минимумов наблюдается обратная картина. С увеличением частоты количественные значения минимумов падают. При этом максимальный ингибирующий эффект наблюдается при использовании частоты 61,6 ГГц. Нужно отметить, что в области действия высоких частот тенденция к резонансной форме распределения по частоте носит затухающий характер. Следовательно, путем воздействия ЭМП определенной частоты можно регулировать изменение концентрации биомассы, а также эффективность ее образования. Электромагнитная обработка исходных микроорганизмов приво дит не только к абсолютному росту урожая, но и к изменению физиологических констант, характеризующих процесс роста биомассы. При этом изменения, наблюдающиеся в концентрации биомассы, регистрируемые к концу процесса культивирования, являются и следствием усиления активности метаболических процессов в клетках микроорганизмов. Об этом свидетельствуют представленные ниже кинетические данные. Рис. 1.2 и 1.3 демонстрируют изменения, происходящие в коли чественных характеристиках, описывающих рост биомассы. Это удельная скорость роста и сопряженный с ней (взаимосвязанный) метаболический коэффициент, характеризующий скорость изменения плотности потребляемого микроорганизмами субстрата, т. е. питательной среды, необходимой для их развития. Видно, что при обработке стимулирующей частотой инокулята бациллярной культуры происходит заметное повышение удельной скорости роста (рис. 1.2) и метаболического коэффициента (рис. 1.3), в то время как действие ингибирующей частоты ожидаемо проявляется в снижении этих показателей (рис. 1.2 и 1.3). При этом для культуры Bacillus subtilis, обработанной стимули рующей частотой, максимум проявляется практически сразу после засева (после 2 ч культивирования) и превышает контрольный уровень, а максимум у культуры, обработанной ингибирующей частотой, также
выше контрольного, хотя и ниже обработанной стимулирующей частотой, и наблюдается позже – между максимумами стимулированного и контрольного образцов, практически совпадая с последним по времени. Рис. 1.2. Зависимость удельной скорости роста (ч–1) от времени культивирования бацилл Рис. 1.3. Изменение метаболического коэффициента в процессе культивирования бацилл Как следует из табл. 1.1, оптимальными стимулирующими (даю щими существенный прирост биомассы) являются 5 и 7 мин, т. е. максимальный прирост для бациллярной культуры на частоте 60,8 ГГц наблюдается при длительности обработки 5 мин.
Доступ онлайн
500 ₽
В корзину