Механизм противодействия биопленкообразованию микроорганизмов при использовании микроволнового излучения природного происхождения

При рассмотрении возможного механизма противодействия биопленкообразованию микроорганизмов при использовании микроволнового излучения природного происхождения необходимо обратить внимание как на морфологические особенности биопленок, так и на амплитудные и частотно-временные характеристики указанного излучения.

Биопленки представляют собой высокоупорядоченные сообщества бактерий, формирующиеся на биологических или искусственных поверхностях в результате адгезии, последующего роста и размножения микроорганизмов, сопровождающегося образованием поверхностной оболочки и внеклеточного матрикса [1, 2]. В состав поверхностной оболочки и матрикса биопленок входят белки, полисахариды, липиды и нуклеиновые кислоты. При этом только 5–35 % массы биопленки определяют бактерии, остальная часть представлена межбактериальным матриксом.

Что касается основных характеристик микроволнового излучения природного происхождения, на примере микроволнового излучения Солнца, ограничимся лишь тем, что это излучение является низкоинтенсивным, широкополосным и сложно модулированным как по амплитуде, так и по несущей частоте.

Механизм противодействия биопленкообразованию микроорганизмов

На основании вышеизложенного следует, что при оценке модифицирующего действия на биопленку ЭМИ с указанными характеристиками необходимо учитывать его дисперсионные свойства при распространении и особенности по пространственному и временному перераспределению поглощаемой биопленкой энергии излучения.

Общее выражение, описывающее в направлении распространения x пространственную неоп- ределенность Δx в распределении зон поглощения ЭМИ биоструктурой с учетом наличия неопределенности волнового вектора Δk, имеет вид1 [3]:

v (Ax , A k ) = J 5 ( x ) ■ 5 *( x -A x ) ■ e^{j A} ' ^xdx.                                                       (1)

-J

В этом выражении 5(х) = А(х)exp[ jф5 (х)] - комплексная амплитуда сигнала, в записи ко торой функция А(x) - описывает амплитудную модуляцию сигнала, а ф5 (х) - фазовую и частот- ную модуляции.

Рис. 1. Частотная структура микроволнового излучения природного происхождения

Если принять во внимание модель микроволнового излучения природного происхождения при его распространении в виде последовательности непрерывных дискрет X Di с характерным изменением несущей частоты (рис. 1) [4], то можно указать на возможность следующих эффектов взаимодействия указанного излучения с биоструктурой.

Первый из них связан с тем, что в сложно дисперсионной среде отдельные участки волнового процесса, частотные характеристики которого окажутся согласованными с дисперсионными свойствами биосреды, будут подвергнуты «сжатию» с концентрацией большей части энергии в интервале X c (рис. 2).

Коэффициент «сжатия» волнового процесса, равный отношению K с = X D / X c , определяется

протяженностью волнового процесса, на котором его частотно-временные характеристики согласованы с дисперсионными свойствами среды распространения. При этом область концентрации энергии волнового процесса и его амплитудные значения в направлении распространения будут зависеть от степени согласованности со средой распространения (см. рис. 2).

Питательная среда

Биопленка Микроорганизмы

Рис. 2. Пояснение к описанию «сжатия» волнового процесса

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что в сложно дисперсионной среде при распространении ЭМИ, представляющего собой непрерывную последовательность волновых пакетов с линейной частотной модуляцией, будет происходить возникновение нерегулярных амплитудных пульсаций q ( t , x ) протяженностью X c i (рис. 3)

q ( t , x ) = Q ( x )cos(ω 0 ׳ t – kx ), (2) где Q ( x ) ˃ А – амплитуда пульсаций, которая зависит от текущего значения коэффициента сжатия K с .

При оценке размеров зон поглощения необходимо учитывать, что в среде распространения частота колебаний увеличивается и в выражении (2) ω 0 ׳ = ω 0 √ ε , где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Рис. 3. Модификация амплитуд волнового процесса

Часть энергии рассматриваемого волнового процесса будет расходоваться не только на нагрев биотканей в локальной области её концентрации, но и на возбуждение упругих колебаний, которые, радиально распространяясь, будут оказывать механическое воздействие на структурные элементы биологических тканей.

Возможность возбуждения упругих колебаний в биоструктурах можно показать при использовании модели атома, согласно которой внешний электрон рассматривается в виде шарового облака радиусом R [5].

Сила, вызывающая отклонение колебания электрона от плоскости изменения вектора напряженности электрического поля E электромагнитной волны (сила Лоренца), может быть определена из выражения

F л / = (- e )( v x p o H ), (3) где e – заряд электрона; v – вектор скорости электрона; μ 0 – абсолютная магнитная проницаемость; H i – вектор напряженности магнитного ЭМИ.

Указанная сила (рис. 4) будет оказывать механическое воздействие на другие атомы. Её пульсирующий характер будет способствовать возбуждению в биологических структурах упругих колебаний со средней интенсивностью [5]

I = (Q cp2 ^ p ^ X 0- и )/2, (4) где Ω ср – средняя частота низкочастотных амплитудных пульсаций электромагнитной волны; p - плотность биологической ткани; X 0 - амплитуда упругих колебаний; и - скорость распространения упругих колебаний.

Рис. 4. Пояснение процесса возбуждения упругих колебаний

Результатом возбуждения упругих колебаний может стать противодействие процессу био-пленкообразования микроорганизмами и их пространственному разобщению.

Рассмотренный выше механизм противодействия биопленкообразованию микроорганизмов при использовании микроволнового излучения природного происхождения отражает физические процессы преобразования электромагнитной энергии в механическую и раскрывает сущность «радиовибрационного» эффекта [6], обусловленного внешним электромагнитным фактором.

Адекватность рассмотренного механизма реальным процессам следует из результатов экспериментального исследования воздействия моделированного низкоинтенсивного микроволнового излучения Солнца в диапазоне частот 4,0–4,3 ГГц на формирование пленочной структуры золотистого стафилококка (рис. 6) и кишечной палочки (рис. 8) [7].

В эксперименте с з ол оти стым с тафи лококком (см. рис. 6) в сравнении с контролем (рис. 5) н аб люд а е т с я ос ла бле н и е п роц е сса образования внеклеточного матрикса, его д е с тру к ту ри за ц и я (в правой части микроскопии (см. рис. 6)). На это указывает область темного цвета и клетки бактерии, свободные от матрикса.

Рис. 5. Электронная микроскопия контрольного образца золотистого стафилококка

20 к U   X9,500   2мт       18 53 SEI

Рис. 6. Электронная микроскопия опытного образца золотистого стафилококка

Рис. 7. Электронная микроскопия контрольного образца кишечной палочки

Рис. 8. Электронная микроскопия опытного образца кишечной палочки

Боле е зн а чи мый эффек т н а б люд а е т с я в с р а в н е н и и с кон троле м ( рис. 7) в эксперименте с ки ше чн ой п алочк ой . На пр е д с та в л е н н ой фотогр а фии (см. рис. 8) видно, что примененное электромагнитное возде й с тв и е на к иш е чную палочку инактивировало процесс фор ми ровани я би опл е н ки. Н а фон е к рис та лл ов п и та те льной среды визуализируется снижение общего к о ли че с тв а мик р об н ых к ле то к и п олн о е о т сутст в и е в н е к л е точн ого ма три к са .

Обоб щ а я в с е в ы ш е и зло ж е н н ое , а именно: процесс и условия образования матрикса и его св ойства, ра д и ов и б ра ц ио н н ый э ффект [6] и результаты приведенных микрос к оп и й (см. рис. 6, 8) опытных образцов условно-патогенных микроорганизмов (золотистый стафилококк и к и ш е чн ая палочка), можно гипотетич е с к и указать основную закономерность механизм а ра зв ити я рези сте н тн ых с в ой с тв ми к ро орга н и змов и ослабления их под воздействием микров олн ов ых и злу че н и й п ри род н ого п р ои с хо жд е н и я.

В осн ове э той за к он ом е р ности лежит тот факт, что интенсивное образовани е б и оп л е нок мик р оорга н измов е ст ь ре зу льта т н а р ушения в них определенного баланса метаболи чес к и х п роц ес сов си нтез а пол и с аха ри дов и и х ра сщепления в пользу первых. Нарушение этого б а л а н с а на п ряму ю св я за н о с в оз де йс тв и е м н а ми к роорган измы н е г ати в н ых фак торов к ак э н догенного, так и (или)

экзогенного происхождения. Под воздействием этих факторов происходит угнетение микроорганизмов, сопровождающееся снижением их двигательной активности, и как следствие, инактивацией их сахаролитических ферментов. «Перепроизводство» полисахаридов, из которых состоит биопленка, – это защитная реакция микроорганизмов, повышающая их резистентность.

В этих условиях для ослабления процесса биопленкообразования необходимо повысить двигательную активность микроорганизмов. Это можно сделать на основе ЭМИ природного происхождения, создающего в клеточных структурах рассмотренные выше вибрации, под воздействием которых будет происходить расщепление клеточных структур микроорганизмов на более мелкие составляющие. Индуцированная таким образом двигательная активность микроорганизмов будет сопровождаться активацией их сахаролитических ферментов для обеспечения движения необходимой энергией, нормализацией метаболических процессов синтеза и расщепления полисахаридов. Из вышеизложенного следует, что восстановление двигательной активности микроорганизмов под воздействием ЭМИ природного происхождения является основой ослабления резистентных свойств микроорганизмов.

Заключение

Результаты проведенного теоретического исследования и вышеописанных составляющих механизма биопленкообразования и противодействия ему указывают на правомерность идеи о высокоэффективной управляющей роли широкополосных микроволновых излучений на процессы жизнедеятельности организмов [8]. При этом такое управление, как следует из представленных микроскопий (см. рис. 6, 8), касается не только противодействия биопленкообразованию и пространственного разобщения микроорганизмов, но и других процессов, непосредственно связанных с их размножением, изменением биохимических свойств и др.

Механизмы влияния микроволнового излучения природного происхождения на процессы размножения микроорганизмов и изменения их ферментативной активности в настоящее время являются малоизученными разделами современной микробиологии. Необходимы экспериментальные исследования. При этом важным является проведение сравнительной оценки указанного влияния на микроорганизмы ЭМИ как природного, так и антропогенного происхождения.