Влияние ультразвукового облучения на ризогенную активность растительных объектов


ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ОБЛУЧЕНИЯ
И РЕГУЛЯТОРОВ РОСТА НА РИЗОГЕННУЮ АКТИВНОСТЬ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

 

 

 

 ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКА И РЕГУЛЯТОРОВ РОСТА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ

 

Ультразвук и биологические системы

 

Ультразвуковые колебания – это упругие, механические колебания с частотой более 20 кГц, распространяющиеся в различных материальных средах (Сарвазян, 1977). При распространении ультразвуковых колебаний в среде возникают чередования сжатия и разряжения, причем амплитуда сжатия всегда соответствует амплитуде разряжения, а их чередование соответствует частоте колебаний ультразвуковой волны. Это явление называется ультразвуковым давлением (Красильников, 1960). Рабочий инструмент ультразвуковой колебательной системы приводит в движение прилегающие к нему частицы обрабатываемой среды и вызывает их постоянное смещение, называемое ультразвуковым ветром (Мэзон, 1966).

При распространении интенсивных ультразвуковых колебаний (интенсивностью более 1…2 Вт/см2) в жидкости наблюдается обусловленный ультразвуковым давлением эффект, называемый ультразвуковой кавитацией (Бергман, 1957). Кавитационные пузырьки совершают пульсирующие колебания, приводящие к активной локальной турбулизации среды (Зубрилов, 1988). После кратковременного существования часть пузырьков захлопывается. При этом наблюдаются локальные мгновенные давления, достигающие сотен и тысяч атмосфер. При захлопывании кавитационных пузырьков наблюдаются также локальные повышения температуры и электрические разряды (Сиротюк, 1969).

Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости, частоты звука, температуры и других факторов. В воде на частоте 20 кГц она составляет около 0,3 Вт/см2 (Розенберг, 1970).

Выявлено, что в диапазоне частот (5…10)×103 Гц отмечаются такие физико-химические явления, как разделение молекул и ионов с различной массой, искажение формы волны, появление переменного электрического поля, капиллярно-акустического и теплового эффекта, активация диффузии. Здесь проявляются сопутствующие эффекты, влияющие на процессы экстракции из лекарственного, растительного и животного сырья, наблюдается усиление процессов гиперфильтрации, проницаемости клеточных мембран, становятся возможными стерилизация термолабильных веществ, фонофорез, получение концентрированных ингаляционных аэрозолей (Рождественский, 1977).

Воздействие ультразвука на биологические объекты.Механическое действие ультразвука приводит к размельчению и диспергированию частиц (Рид, 1960). Механически работа ультразвука усиливает диффузию растворителей в биологические ткани (Mummery, 1978). Физико-химическое действие ультразвука на биологические объекты, прежде всего, связано с морфологией их поверхности. Ультразвук усиливает в тканях проницаемость клеточных мембран и диффузные процессы, изменяет концентрацию водородных ионов в тканях, вызывает расщепление высокомолекулярных соединений, ускоряет обмен веществ. При умеренной и небольшой интенсивности ультразвука в живых тканях явления кавитации практически не выражены и наблюдается лишь пульсация естественных пузырьков в биологических жидкостях и усиление внутриклеточных и внеклеточных микропотоков жидкости, прекращающихся при отключении генератора ультразвука (Эльпинер, 1973).

Помимо освобождения механической энергии, образование кавитационных полостей сопровождается возникновением электрических зарядов на пограничных поверхностях, вызывающих люминесцентное свечение и ионизацию молекул воды, которые распадаются на свободные гидроксильные радикалы и атомарный водород (Н2O = НО + Н) (Маргулис, 1986).

В химическом отношении продукты распада ионизированных молекул воды в тканях организма крайне активны. Именно их большой активностью обусловлен ряд общебиологических эффектов, проявляющихся под влиянием ультразвука (Мэзон, 1966).

Ультразвук изменяет скорость процессов на границе газ–жидкость. Так, по данным F. Laugier (2008), его действие повышает растворимость азота в воде на 12 %. И в то же время ультразвуковое облучение растворов приводит к их обезгаживанию.

M. Breitbach (2001) показал эффективность влияния ультразвукового облучения на процессы сорбции и десорбции в гетерогенных системах.

Ультразвуковое воздействие частотой 1700 кГц, мощностью 14 Вт ускоряет растворение синильной кислоты в воде (Ghodbane, 2009).

Тепловое действие ультразвука происходит вследствие превращения акустической энергии в тепловую в результате поглощения ультразвука. Кроме того, образование тепла обусловлено физическими явлениями, вызывающими так называемый эффект пограничных поверхностей. Сущность его заключается в усилении действия ультразвука на границе разделения двух сред. Особенно это сказывается на тепловом эффекте, который может усиливаться в несколько раз (Бергман, 1956).

Биологическое действие ультразвука на клетки и ткани определяется главным образом интенсивностью ультразвука и длительностью облучения и может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность организмов. Так, возникающие при сравнительно небольших интенсивностях ультразвука (до 1…2 Вт/см2) механические колебания частиц производят своеобразный микромассаж тканей, способствующий лучшему обмену веществ и лучшему снабжению тканей кровью и лимфой. Повышение интенсивности ультразвука может привести к возникновению в биологических средах акустической кавитации, сопровождающейся механическим разрушением клеток и тканей (кавитационными зародышами служат имеющиеся в биологических средах газовые пузырьки) (Байер, 1958). Однако более интенсивные и длительные воздействия могут привести к перегреву биологических структур и их разрушению (денатурация белков и др.).

Первичный эффект действия ультразвука проявляется влиянием на тканевые и внутриклеточные процессы, на изменение процессов диффузии и осмоса, проницаемости клеточных мембран, интенсивности протекания ферментативных процессов, окисления, кислотно-щелоч-ного равновесия, электрической активности клетки. В тканях под действием ультразвука активируются обменные процессы, увеличивается содержание нуклеиновых кислот и стимулируются процессы тканевого дыхания. Под влиянием ультразвука повышается проницаемость стенок сосудов (Молчанов, 2009).

В основе биологического действия ультразвука могут лежать также вторичные физико-химические эффекты. Так, при образовании акустических потоков может происходить перемешивание внутриклеточных структур. Кавитация приводит к разрыву молекулярных связей в биополимерах и других жизненно важных соединениях и к развитию окислительно-восстановительных реакций. Ультразвук повышает проницаемость биологических мембран, вследствие чего происходит ускорение процессов обмена веществ из-за диффузии. Все перечисленные факторы в реальных условиях действуют на биологические объекты в том или ином сочетании совместно, и поэтому трудно, а подчас невозможно раздельно исследовать процессы, имеющие различную физическую природу (Константинов, 1974).

В настоящее время ультразвук – один из методов интенсификации биокатализа. Ультразвуковое облучение ассоциируется с повреждением клеток, но доказаны и благотворные последствия озвучивания на усиление биокатализа и жизнедеятельность живых клеток (Chisti, 2003).

Оксиление холестерола клетками Rhodococcuserythropolis, дегидрогенирование кортизола неподвижными клетками Arthrobacter было исследовано при ультразвуковом облучении на частоте 20 кГц. Значительное повышение скорости биотрансформации наблюдалось при облучении клеток в течение 5 секунд каждые 10 минут мощностью       2,2 Вт/см2. Ультразвук повышал массобмен через клеточные мембраны (Bar, 1988; Zabaneh,1991).

Кавитация в суспензиях клеток. При повышении интенсивности ультразвука до значений, когда в среде возникают механические усилия, сравнимые с прочностью клеточных мембран, начинается процесс разрушения клеток. Эффект наблюдается, если амплитуда пульсации пузырьков возрастает до определенной величины. Величина эта различна для разных клеток, зависит от их формы и размера, а также прочности цитоплазмической мембраны и наличия цитоскелета (Хенох, 1963; Журавлев, 1977).

Ультразвуковая дезинтеграция клеток получила широкое применение в биотехнологии, в биохимических и вирусологических исследованиях для выделения отдельных веществ и фрагментов клеток, а также в лабораторной диагностике для определения механической резистентности клеточных мембран (Хилл, 1989).

Воздействие ультразвука на белки. Известно, что в ультразвуковом поле происходит изменение структуры, формы и функции молекулы белка. Направление этих изменений зависит от строения белковых и концевых групп белка и свойств газа, содержащегося в водном растворе (Гауровиц, 1965).

Установлено, что эффект воздействия ультразвука на биомакромолекулы (нуклеопротеиды, нуклеиновые кислоты, липопротеиды и другие) зависит от природы газа, присутствующего в озвучиваемом растворе исследуемых веществ. В присутствии кислорода происходит процесс деградации биомакромолекул, вызывающий угнетение их биокаталитической активности. Данные процессы сопровождаются снижением вязкости растворов этих веществ. В присутствии водорода наблюдается увеличение молекулярной массы биомакромолекул при сохранении их нативных свойств, в частности таких белков, как сывороточный альбумин, трипсин и пепсин (Брагинская, 1965; Рейх, 1966).

Воздействие ультразвука на ферменты. Выявлено, что изменения ферментов при ультразвуковом облучении обусловлены не только структурой этих белков, но и природой присутствующего газа. В связи с этим ультразвук не всегда оказывает на них инактивирующее действие(Эльпинер, 1973). Инактивация ферментов при озвучивании наблюдается в том случае, если этот процесс происходит в присутствии кислорода; в среде, насыщенной водородом, инактивация не происходит. Это установлено при ультразвуковой обработке таких ферментов, как трипсин, пепсин, тирозиназа и других. Некоторые ферменты, например каталаза, вообще не инактивируются ультразвуком. Оксидазы более чувствительны к воздействию ультразвука, в то время как редуктазы, каталазы и амилазы обладают достаточной устойчивостью (Браунштейн, 1964; Поляновский, 1964).

Стерилизующий эффект ультразвука обусловлен разрушающим воздействием ультразвуковых колебаний на микроорганизмы, что позволило использовать ультразвук для стерилизации и дезинфекции. Так, например, стерилизация молока при озвучивании в течение 15…60 секунд задерживает его скисание на 5 суток, при этом витамины в молоке сохраняются. В 1 см3 молока, стерилизованного ультразвуком, содержится в среднем 18 КОЕ, в то время как после обычной пастеризации в течение 1 часа в 1 см3 его остается около 3000 КОЕ (Хмелев, 2006).

Механизм стерилизующего действия ультразвука весьма сложен и раскрыт не полностью. Очевидно, кавитация является ведущим фактором. Явление кавитации возникает в первую очередь там, где прочность жидкости наименьшая, т.е. на границе раздела сред клетка-жидкость. При образовании на поверхности клетки кавитационного пузырька в момент его уменьшения происходит как бы втягивание структуры стенки в полость каверны. В последующей фазе при захлопывании каверны возникает мощный гидродинамический удар, достигающий десятков мегапаскалей.

Выявлены положительные результаты дезинфекции воды посредством ультразвуковых колебаний; в течение 5 минут удается достигнуть полной стерилизации воды без применения каких-либо химических реагентов. Отмечается также положительный эффект применения ультразвуковых колебаний для стерилизации консервов и соков (Geiduschek, 1958; Эльпинер, 1959; Mahvi, 2005).

Выяснено, что при действии ультразвука повышается чувствительность микроорганизмов к дезинфицирующим веществам. Стерилизующий эффект при обработке водных взвесей бактерий кишечной палочки (Escherichia coli), которые предварительно подвергались действию ультразвука, был достигнут при значительно меньших концентрациях хлора, формалина и других дезинфицирующих веществ. Это обусловлено изменением («расшатыванием») макромолекулярных структур, входящих в состав оболочки озвучиваемых микроорганизмов, что приводит к нарушению проницаемости оболочек и мембран живых клеток (Lerman, 1964; Эльпинер, 1973; Hua, 2000).

Еще в 1928 году было впервые показано, что обработанные ультразвуком растворы, эмульсии, суспензии и отвары в течение некоторого времени после обработки остаются стерильными (Sevag, 1938).

Существует метод очистки семян от спор грибов с помощью ультразвука (UnitedStatesPatent 6185865, 2001). Метод осуществляется путем погружения семян в водный раствор с инертным газом с помощью ультразвуковой обработки с частотой 15…30 кГц, удельной мощностью 1…10 Вт/см2 и продолжительностью 1…15 минут.

Почти все микроскопические растения и организмы погибают, если подвергнуть их действию ультразвука высокой интенсивности, мощностью 500 кГц. Этот факт в настоящее время рассматривается как альтернативный, безопасный путь к очищению воды и продуктов питания (Bar, 1987).

Разрушаются ультразвуком кишечная (Escherichia coli), брюшнотифозная (Salmonella typhi), дифтерийная (Corynebacterium diphtheriae), сенная (Bacillus subtilis) палочки, клетки столбняка (Tetanus bacillus), сальмонеллы (Salmonella), кокки (Staphylococcus), трипаносомы (Trypanosoma bacillus), трихомонады (Trichomonas), возбудитель тифа (Typhus recurrens) и др. Ультразвук высокой интенсивности оказывает разрушающее действие на вирусы табачной мозаики (Tobacomosaicvirus), энцефалита (Encephalitis virus), сыпнотифозные, гриппа (Influentia). Бактериофаги больших размеров также чувствительны к действию ультразвука. Из патогенных микроорганизмов наибольшую устойчивость к воздействию ультразвука проявляют различные штаммы туберкулезных палочек (Tuberculum bacillus) (Davies, 1959; Elpiner, 1964; Joyce, 2003; Dehghani, 2005).

Cтерилизующее действие ультразвука на микроорганизмы проявляется на частотах 20 кГц и выше, при интенсивности более 0,5 Вт/см2 в кавитационном режиме облучения (Брагинская, 1963; Вашков, 1973).

Применение ультразвука возможно для стерилизации лекарственных препаратов, приготовленных как в заводских, так и в аптечных условиях. В аптечных условиях, применяя ультразвук частотой 490 кГц и интенсивностью 20 Вт/см2 в течение 5 минут, достигали полной стерилизации глазных капель: 0,25 %-ного раствора сульфата цинка,
1 %-ных растворов дионина, платифиллина гидротартрата, солянокислого пилокарпина. Анализ приготовленных растворов показал сохранение подлинности и количественного содержания лекарственных веществ в растворах до и после ультразвукового воздействия (Молчанов, 1980).

Известно, что высокую степень микробной обсемененности имеет лекарственное сырье, в особенности растительное. Поэтому настои, отвары и слизи в аптеках сохраняются не более 2 суток, так как после этого срока может бурно развиться микрофлора. Ультразвук определенных частот и интенсивности вызывает эмульгирование двух несмешивающихся жидкостей и одновременно стерилизацию обращенных эмульсий. Если же возникает необходимость простерилизовать готовые эмульсии ультразвуком, то экспозицию озвучивания по сравнению с озвучиванием суспензии следует уменьшить до 5…10 мин при интенсивности до 5…10 Вт/см2 независимо от частоты ультразвука (Стекольников, 1977). Одновременное использование антисептиков и ультразвуковой обработки позволяет снизить концентрацию антисептиков в 10…50 раз в лекарственных формах (Молчанов, 2009).

В настоящее время делаются попытки стерилизации большой группы жидких лекарственных форм с помощью ультразвука различных частоты и интенсивности в сочетании с некоторыми антимикробными препаратами. Ионы серебра, меди, цинка, находящиеся в растворе в концентрациях, не поддающихся количественному определе-
нию («следы»), в комбинации с ультразвуком (интенсивностью
0,3…0,5 Вт/см2, временем облучения 15…30 мин) проявляют олигодинамическое воздействие на всю микрофлору, которая находится в лекарственной форме. Активность ионов металлов в отношении, например, грибов снижается в ряду Ag+, Hg2+, Cu2+, Cd2+, Cr2+, Ni2+, Pb2+, Co2+, Zn2+, Fe2+, Ca2+. Соли тяжелых металлов в большой концентрации коагулируют белки, в малых являются блокаторами меркаптогрупп (Молчанов, 2009).

По данным Koda (2009), инактивирование грамотрицательных бактерий Escherichia Coli и грамположительных бактерий Streptococcus Mutans происходит при ультразвуковом воздействии частотой 500 кГц и мощностью 1,7…12,4 Вт.

При ультразвуковой обработке водных суспензий микобактерий частотой 20 кГц происходит разрушение 93 % микобактерий, а при высокочастотном ультразвуковом воздействии (612 кГц) – 35,5 % (Bsoul, 2009).

Ультразвуковой капиллярный эффект – явление увеличения глубины и скорости проникновения жидкости в капиллярные каналы под действием ультразвука (по сравнению с глубиной и скоростью, обусловленных только капиллярными силами). Открытие ультразвукового капиллярного эффекта принадлежит белорусскому ученому академику Е.Г. Коновалову (1961).

Впервые Ричардс обнаружил влияние ультразвука на подъем жидкости в капиллярах (Новицкий, 1983). В его эксперименте использовались стеклянные трубки с диаметром 2 мм, имевшие входной рупор. При нормальном падении волн на отверстие рупора в трубке наблюдался дополнительный подъем уровня жидкости (сверх высоты капиллярного уровня), пропорциональный силе звука.

В серии работ Е.Г. Коновалова обнаружено, что дополнительный подъем под действием ультразвука линейно растет при повышении температуры и увеличении диаметра. Максимальная высота и скорость подъема наблюдались при контакте капилляров с поверхностью излучателя. Московским институтом химического машиностроения совместно с Институтом физической химии АН СССР была предпринята попытка дополнительной экспериментальной проверки эффекта (Прохоренко, 1985). Исследование дало основание полагать, что ультразвуковой капиллярный эффект обусловлен ударами кумулятивных струй или в упрощенном варианте давлением, возникающим при захлопывании кавитационных пузырьков около устья капилляра (Кардашев, 1990). Подобно ультразвуковому капиллярному эффекту и явление «обратного» ультразвукового капиллярного эффекта, нашедшего широкое применение в том числе и в медицине (Педдер, 2009).

 

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *