ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭМП КВЧ-ДИАПАЗОНА НА СКОРОСТЬ ДЕЛЕНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ ХЛЕБОПЕКАРНЫХ ДРОЖЖЕЙ

Кокурин О. Е.¹, Тимаков Н.П.², Морозов Г.А.³, Смирнов С.В.⁴

¹Студент, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ, ²Студент, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ, ³Доктор технических наук, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ, ⁴Студент, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭМП КВЧ-ДИАПАЗОНА НА СКОРОСТЬ ДЕЛЕНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ ХЛЕБОПЕКАРНЫХ ДРОЖЖЕЙ

Аннотация

В «Научно-исследовательском институте прикладной электродинамики, фотоники и живых систем» (НИИ ПРЭФЖС) проводятся экспериментальные исследования воздействия низкоинтенсивных электромагнитных полей КВЧ диапазона на показатели роста и развития различных биологических объектов. В данной статье приводятся результаты, осуществлённых на данный момент времени, исследований влияния ЭМП КВЧ диапазона на скорость деления клеток хлебопекарных дрожжей, содержащихся в водной суспензии с примесью небольшого количества глюкозы, методы КВЧ обработки данного раствора прессованных хлебопекарных дрожжей.

Ключевые слова: электромагнитные поля, крайневысокие частоты, микроволновые технологии, качество продукции пищевой промышленности, камера Горяева.

Kokurin O.E.¹, Timakov N.P.², Morozov G.A.³, Smirnov S.V. ⁴

¹Student, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev – KAI, ²Student, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev – KAI, ³PhD in Engineering, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev – KAI, ⁴Student, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev – KAI

INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF EHF-RANGE EMI ON THE RATE OF MICROORGANISMS FISSION OF BAKERY YEAST

Abstract

In the Scientific and Research Institute of Applied Electrodynamics, Photonics and Living Systems" (SRI AEPLS), they conduct research on the effect of low-intensity electromagnetic fields of the EHF range on the growth and development of various biological objects. This article presents the results, obtained at this time, the study of the influence of the of EHF range EMI on the rate of fission of bakery yeast cells contained in an aqueous suspension with a small amount of glucose, and the EHF methods for treating this solution of pressed baker's yeast.

Keywords: electromagnetic fields, ultrahigh frequencies, microwave technologies, food products quality, Goryaev chamber.

Введение. Во многих странах мира, и в  СССР в том числе, начиная с 70 годов нашего столетия, проводятся исследования  влияния различных физических факторов, таких как лазерное, ультрафиолетовое, гамма излучения, а также электростатические и магнитные поля и ЭМП КВЧ диапазона низкой, нетепловой интенсивности.

Все живые организмы развивались и претерпевали эволюционные изменения на нашей планете под воздействием различных физических факторов, и в первую очередь: это ЭМП различных частотных диапазонов. В процессе эволюции клетки всевозможных живых систем приспосабливались к влиянию данных физических факторов на их жизнедеятельность, сами выработали различные механизмы использования энергии данных физических процессов, как например, такой важный, необходимый для метаболизма растительных клеток, процесс как фотосинтез и энергия ультрафиолетового излучения Солнца.

С этой точки зрения ЭМП КВЧ диапазона не является исключением для живых организмов, существовавших миллионы лет назад. Вследствие изменения состава химических элементов, и их процентного содержания, атмосферы нашей планеты, произошедшего после тех далёких времён эволюции всего живого, затухание космического (реликтового) электромагнитного излучения в КВЧ диапазоне сильно возросло. Однако, данное ЭМП некоторых, узкополосных спектров КВЧ диапазона по прежнему остаётся просто необходимым для нормального функционирования систем жизнеобеспечения живых организмов.

Среди основных биологических эффектов воздействия низкоинтенсивного ЭМП КВЧ диапазона на биообъекты, имеющих наибольшее значение для данного, выбранного направления исследований можно выделить следующие:

- увеличение производства биологически-активных веществ клетками живых систем;

- активация или инактивация метаболизма микроорганизмов, в зависимости от их вида, культуры и режимов КВЧ обработки;

- увеличение концентрации АТФ в растительных клетках;

- повышение урожайности сельскохозяйствен­ных культур, в результате предпосевной КВЧ обработки семенного материала;

-  увеличение гидратации белковых молекул, входящих в состав клеточных мембран, а также повышение их ионной проводимости;

К достоинствам обработки биологических объектов, используемых в пищевой промышленности, низкоинтенсивным ЭМП КВЧ диапазона непременно следует отнести:

- низкие материальные затраты на оплату электроэнергии, вследствие малой интенсивности используемого для данного воздействия, ЭМП: - не более 10 мВт/см²;

-  сравнительная простота конструкции, и низкая стоимость современных генераторов КВЧ ЭМП, а также: незначительное  потребление электроэнергии;

- экологическая чистота применения данного метода управления физиологическими процессами в живых системах: - ЭМП КВЧ диапазона не накапливается в объектах облучения, то есть, в данном случае, в продуктах питания;

- электромагнитное излучение данного диапазона не относится к ионизирующим излучениям, энергия квантов данного ЭМП не имеет достаточного значения, чтобы вызвать какие-либо изменения в молекулах РНК или ДНК, иными словами: - генетические мутации.

Таким образом, обработка КВЧ электромагнитным неионизирующим излучением биологического материала, имеющего различное практическое назначение, является одним из перспективных направлений применения экологически безопасных технологий повышения производительности предприятий пищевой промышленности, биотехнологии и урожайности с/х культур.

Цель и задачи исследования. Целью проведённых исследований  влияния ЭМП КВЧ диапазона с различными частотами  на скорость деления бактерий дрожжей хлебопекарных, является определение наилучших условий, режимов облучения, при которых наблюдаются  наибольшие эффекты стимулирования процессов жизнедеятельности микроорганизмов данной культуры, и разработки эффективной методики данной КВЧ обработки дрожжевой суспензии для дальнейшего использования её в пищевой промышленности. Задачей  проведённых экспериментов является   определение характера закономерности (зависимости) изменения скорости развития микроорганизмов данной культуры от параметров, данной КВЧ обработки, а именно: продолжительности данного ЭМ воздействия.

Актуальность тематики проведённых исследований.

Проблема влияния электромагнитных полей на биологические объекты в настоящее время приобрела особую актуальность, так как за последние пятьдесят лет электромагнитный фон Земли увеличился в тысячи раз, что связано с использованием новых искусственных источников электромагнитных полей (ЭМП) различных частотных диапазонов. Несмотря на огромный интерес к изучению влияния ЭМП, в том числе и КВЧ-излучения, и большое число работ по этой проблеме до сих пор нет единой точки зрения на механизм действия ЭМП на биологические объекты, который бы объяснил все экспериментальные факты и наблюдаемые закономерности. Но высказано довольно много самых разных мнений по этому вопросу. В одной из работ [1] для выявления роли воды в механизме действия ММ-излучения использовались клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Выбор данной культуры в качестве сенсора слабоинтенсивных сигналов был обусловлен способностью клеток реагировать на гелиогеофизические возмущения изменением цвета специфических структурно-морфологических образований протоплазмы – полифосфатов

Материалы и методы.

В качестве объекта исследования использовали дрожжи хлебопекарные прессованные, растворенные в воде с добавлением небольшого количества глюкозы. Облучение культуры проводили с помощью генератора электромагнитного поля  Г4-142 и генераторов электромагнитного поля КВЧ-диапазона типа «Явь-1-7,1» и «Явь-1-5,6».

Первая часть исследования проводилась с помощью генератора ЭМП Г4-142. Электромагнитное поле, вырабатываемое данным генератором и выводимое наружу с помощью прямоугольного волновода имеет значение мощности в 100 мВт. Обработка проводилась в  течение 30 минут. Отбор проб раствора дрожжей производился через 0, 15 и 30 минут. Расстояние от рупора излучателя до объекта составляло 50 мм. Частота ЭМП, используемого в данных экспериментах, изменялась в диапазоне от 55 до 61 с шагом 0,5 ГГц.

Во второй части экспериментов применялись генераторы ЭМП КВЧ-диапазона типа «Явь-1-7,1» и «Явь-1-5,6», имеющие следующие параметры излучаемого ЭМП: Мощность в раскрыве рупорной антенны не более 25 мВт, частоты излучения: 42,19 ГГц и 53,54 ГГц соответственно. В процессе КВЧ обработки через каждые 0, 10, 20, 30, 40 и 50 минут от общей массы отбирались пробы по 2 мл в отдельные пробирки. Расстояние от рупора излучателя до обрабатываемого КВЧ ЭМП объекта составляло 10 см.

Обработке подвергались растворы дрожжей и глюкозы, взятые по 30 мл, в концентрации 2:1, для каждой из выбранных частот с контролем температуры с помощью электронного термометра MASTECH MS6500. Для подогрева исследуемой суспензии до 35ºС  дрожжей использовался термостат. Эксперименты проводились с трехкратным повтором.

Данные исследования воздействия ЭМП КВЧ диапазона производились в лаборатории кафедры РФМТ КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева, научно-образовательного центра «НИИ Прикладной электродинамики», под руководством д.т.н., профессора Г.А. Морозова. Для определения скорости деления клеток использовался метод прямого счета клеток в счетных камерах Горяева. Счетная камера Горяева представляет собой толстое предметное стекло с прямоугольным углублением в центре. Глубина камеры составляет 0,1+0,005 мм. На дне углубления нанесена сетка из 400 квадратов. Сторона сетки соответствует 3±0,005 мм, площадь одного малого квадрата соответствует 1/400 мм², большого – 1/25 мм².

Каплю с микроорганизмами помещали в центр камеры и накрывали покровным стеклом, тщательно притирая его по краям камеры до появления ньютоновских колец. При этом толщина слоя жидкости в камере над сеткой соответствует 0,1 мм, а объем камеры 0,9 мм³. Каждый малый квадрат ограничивает объем жидкости в 1/4000 мм³ , или 1/4000000 мл.

Пересчет общей численности бактерий на 1 мм³ производился по формуле:

N = а·K/h·S,

где  N – число  клеток  в 1 мл  суспензии;  а –  среднее  число  клеток  в  малом  квадрате; h– глубина камеры, мм; S– площадь малого квадрата, мм; K – разведение исходной суспензии.

Результаты и выводы. Результаты первой части эксперимента   представлены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Результаты подсчета количества клеток

частота F, ГГц	в начале, 103 шт/мм3	15минут, 103 шт/мм3	30минут, 103 шт/мм3
55	34	46	55
55,5	34	47	54
56	35	54	63
56,5	34	46	60
57	37	52	63
57,5	35	49	62
58	34	40	48
58,5	33	39	51
59	36	53	61
59,5	35	46	61
60	35	57	73
60,5	34	65	85
61	36	61	78

 

Рис. 1 – Результаты подсчета клеток дрожжей в камере Горяева, в тыс. шт. на мм³ суспензии

 

Проанализировав результаты проведенного исследования о воздействии  ЭМП частотой от 55  до  61 ГГц на микроорганизмы хлебопекарных дрожжей можно сделать следующие выводы:

1. Наилучший стимулирующий эффект воздействия ЭМП КВЧ диапазона на развитие микроорганизмов хлебопекарных дрожжей оказывает ЭМП частоты которого принадлежат интервалу от 60 до 61 ГГц. Следует отметить, что они вполне близкие к собственным частотам поглощения воды, хотя и немного отличаются от них.
2. На частотах обрабатываемого данный биологический материал КВЧ ЭМП принадлежащих диапазону 58-59 ГГц наблюдается замедление процессов жизнедеятельности.

Результаты второй части эксперимента представлены в таблице 2.

 

Таблица 2 – Результаты подсчета количества клеток, содержащихся в суспензиях дрожжей контрольных групп и групп, подвергшихся КВЧ обработки с частотами ЭМП 42,19 ГГц и 53,54 ГГц (средние значения всех экспериментов)

Время облучения T, мин.	Количество дрожжевых клеток, в тыс. шт./мм3
	Контроль	Обработка 7.1мм	Обработка 5.6мм
0	36	37	39
10	46	56	66
20	50	68	73
30	53	72	74
40	54	90	96
50	65	207	259

 

Рис. 2 – Результаты подсчета клеток дрожжей в камере Горяева

 

Результаты проведённых исследований влияния ЭМП КВЧ диапазона на жизнедеятельность микроорганизмы  культуры хлебопекарных дрожжей позволяют сделать следующие выводы:

1. Воздействие ЭМП КВЧ диапазона на водные суспензии дрожжевых микроорганизмов с частотой как 42,19 ГГц, так и с частотой 53,54 ГГц, оказывает стимулирующий эффект на развитие и скорость деления бактерий данной культуры.
2. КВЧ-обработка культуры дрожжевых микроорганизмов, помещенных в раствор глюкозы, с частотой 53,54 ГГц (длиной волны 5,6 мм), в отличии от КВЧ-обработки данной культуры ЭМП с частотой 42,19 ГГц (длиной волны 7,1 мм) позволяет получить более выраженный стимулирующий эффект развития данных микроорганизмов.

Список литературы / References

1. Бабаева М. И. Водная компонента клеток SACCHAROMYCES CEREVISIAE – сенсор электромагнитного излучения низкой интенсивности / М. И. Бабаева, С. М. Рогачева // Сборник научных трудов VI Международного конгресса «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине». - 2012. - С. 4-5.
2. Морозов. Г. А. Низкоинтенсивные СВЧ-технологии (проблемы реализации) / Г. А. Морозов, Ю. Е. Седельников // М. : Издательство Радиотехника, 2003. - С. 31-35.
3. Рубцова Н. Б. Проблема обеспечения сохранения здоровья человека в условиях воздействия электромагнитных полей. Гигиеническое нормирование / Н. Б. Рубцова, Ю. П. Пальцев, Л. В. Походзей, С. Ю. Перов // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2011. - №11. - С. 3-10.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Babaeva M. I. Vodnaja komponenta kletok SACCHAROMYCES CEREVISIAE – sensor jelektromagnitnogo izluchenija nizkoj intensivnosti [The aqueous component of SACCHAROMYCES CEREVISIAE cells is a low-intensity electromagnetic radiation sensor] / I. Babaeva, S. M. Rogacheva // Sbornik nauchnyh trudov VI Mezhdunarodnogo kongressa «Slabye i sverhslabye polja i izluchenija v biologii i medicine» [ Collection of scientific papers of the VI International Congress "Weak and superweak fields and radiation in biology and medicine"] – 2012. – P. 4-5. [in Russian]
2. G. A. Nizkointensivnye SVCh-tehnologii (problemy realizacii) [Low-intensive microwave technologies (implementation problems)] / G. A. Morozov, Ju. E. Sedel'nikov // M. : Izdatel'stvo Radiotehnika [M.: Publishing House of Radio Engineering] -2003. – P. 31-35.[in Russian]
3. Rubcova N. B. Problema obespechenija sohranenija zdorov'ja cheloveka v uslovijah vozdejstvija jelektromagnitnyh polej. Gigienicheskoe normirovanie [The problem of ensuring the preservation of human health in the presence of electromagnetic fields. Hygienic rationing] / N. B. Rubcova, Ju. P. Pal'cev, L. V. Pohodzej, S. Ju. Perov // Biomedicinskaja radiojelektronika [Biomedical radio electronics] – 2011. – V.11. – P.3-10. [in Russian]