ВЛИЯНИЕ СЛАБЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА ПОВЕРХНОСТНЫЕ И ДЕСТРУКТИВНЫЕ СВОЙСТВА БАКТЕРИЙ PSEUDOMONAS

Русский

Журнал(книга):

Читать онлайн: 
Аннотация научной статьи: 

Рассмотрено влияние слабых импульсных электрических полей на деструктивную активность и поверх!
ностные свойства бактерий рода Pseudomonas. Установлено, что физиологическая реакция бактерий на
обработку внешними импульсными полями сопровождается изменением величины электрокинетиче!
ского потенциала и гидрофобности и зависит от параметров поля. Обработка бактерий электрическим
полем с длительностью импульса 1–10 мс и частотой 100–500 Гц способствует повышению деструкции
NaAg(CN)2 на 20–30%. Высказано предположение, что в основе изменения поверхностных свойств и
повышения биохимической активности бактерий лежит метаболическая реакция клетки, связанная со
стимулированием или подавлением дыхания бактерий при наложении внешнего поля.

Загрузка: 
Download 822-829.pdf (310.36 КБ)
Текст статьи: 

КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2010, том 72, № 6, с. 822–829
822
ВВЕДЕНИЕ
Экспериментальное изучение влияния слабых
электромагнитных (электрических) полей на кле!
точные суспензии сталкивается со сложностью вы!
бора объективных критериев их действия. Колло!
идно!биохимические параметры клеток являются
чувствительными индикаторами внешних воздей!
ствий на микробную клетку, позволяющими оце!
нить их отклик на факторы стресса и одновременно
прояснить механизмы адаптации клетки к ним. Из!
вестно, что биоколлоиды отличаются от неживых
коллоидных систем неравновесным состоянием си!
стемы, связанным с постоянным обменом веще!
ством и энергией с внешней средой [1]. Электриче!
ской характеристикой живых клеток является
трансмембранный потенциал (ТП). Основной вклад
в степень энергонасыщенности мембраны вносят
расположенные в ней респираторные центры (РЦ).
В этих наноразмерных субъединицах происходит
перенос электронов от субстрата на кислород и вы!
деляется энергия, необходимая для синтеза АТФ. В
свою очередь, ТП является связующим звеном меж!
ду электроповерхностными свойствами и энергети!
ческими мембранными процессами [2].
Известны экспериментальные данные, подтвер!
ждающие стимулирующее влияние слабых элек!
трических и электромагнитных полей на микроор!
ганизмы. Отмечаются ускорение роста, адаптация к
стрессовым условиям, выделение избыточных ме!
таболитов, активация ферментативных процессов
[3, 4]. В большинстве случаев механизмы таких воз!
действий не совсем ясны, а применение электро!
магнитных полей имеет эмпирический характер.
Ранее нами было показано, что при обработке
постоянным электрическим полем напряженно!
стью 2–5 В/см (обработка 15–30 с, пауза 30–60 с)
суспензии P. fluorescensв растворах цианистых ком!
плексов меди и серебра улучшается кинетика и по!
вышается эффективность деструкции цианида [5,
6]. Подобный стимулирующий эффект оказывает
также получасовая обработка инокулята P. fluore
scensэлектромагнитным полем частотой 54 ГГц и
мощностью 10 мВт/см
2
перед посевом в цианидсо!
держащий раствор [7]. В дальнейших исследовани!
ях был экспериментально обнаружен респиратор!
ный отклик культуры!деструктора на обработку
слабыми импульсными электрическими полями
[8]. Полученные данные подтвердили гипотезу, со!
гласно которой при экспозиции бактериальной
клетки во внешнем импульсном электрическом по!
ле (ИЭП) в РЦ изменяются условия переноса элек!
тронов по дыхательной цепочке. Такой перенос
адекватно описывается в рамках механизма нели!
нейного резонансного туннелирования (НРТ) [9,
10]. При этом в зависимости от количества функци!
онирующих РЦ и параметров внешнего поля воз!
можно как блокирование, так и деблокирование це!
пей переноса электронов, определяющих величину
и направление респираторного отклика.
Целью данного исследования было изучение
влияния параметров слабого внешнего неоднород!
ного ИЭП на деструкцию цианистого комплекса
ВЛИЯНИЕ СЛАБЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ 
НА ПОВЕРХНОСТНЫЕ И ДЕСТРУКТИВНЫЕ СВОЙСТВА 
БАКТЕРИЙ PSEUDOMONAS 
© 2010 г. В. И. Подольская*, Л. Н. Якубенко*, З. Р. Ульберг*, В. Н. Ермаков**, 
Н. И. Грищенко*
*Институт биоколлоидной химии им. Ф.Д. Овчаренко Национальной академии наук Украины
03142 Киев142, бульвар Вернадского, 42
**Институт теоретической физики
им. Н.Н. БоголюбоваНациональной академии наук Украины
03143 Киев143, ул. Метрологическая, 14б
Поступила в редакцию 21.09.2009 г.
Рассмотрено влияние слабых импульсных электрических полей на деструктивную активность и поверх!
ностные свойства бактерий рода Pseudomonas. Установлено, что физиологическая реакция бактерий на
обработку внешними импульсными полями сопровождается изменением величины электрокинетиче!
ского потенциала и гидрофобности и зависит от параметров поля. Обработка бактерий электрическим
полем с длительностью импульса 1–10 мс и частотой 100–500 Гц способствует повышению деструкции
NaAg(CN)2
на 20–30%. Высказано предположение, что в основе изменения поверхностных свойств и
повышения биохимической активности бактерий лежит метаболическая реакция клетки, связанная со
стимулированием или подавлением дыхания бактерий при наложении внешнего поля.
УДК 541.18:542.8:577.352
КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ том 72  № 6  2010
ВЛИЯНИЕ СЛАБЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ 823
серебра резистентными бактериями, принадлежа!
щими к роду Pseudomonas.Одновременно с деструк!
цией измеряли поверхностные и электроповерх!
ностные свойства бактерий. Инокулят бактерий
подвергали электрообработке перед засевом в циа!
нидсодержащий раствор. Эксперименты проводи!
ли так, чтобы исключить изменение концентрации
электроактивных компонентов за счет протекания
реакций на электродах. 
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Микроорганизмы и условия роста
В опытах использовали бактерии Pseudomonas
fluorescensВКПМ В5040 и Pseudomonas fluorescens
NCIMB 11764. Деструктивные свойства указанных
культур были описаны в [11, 12]. Культивирование
проводили в среде следующего состава (г/л): глюко!
за – 2.0, пептон – 0.5, KH
2PO4– 2.0, K2HPO4
– 1.0,
MgSO4
⋅7H2O – 0.3, Na2CO3
– 0.5, NaCl – 0.1,
NaCN – 0.094; pH 7.8. В экспериментах использо!
вали 25!часовую культуру (конец экспоненциаль!
ной фазы роста). 
Методика обработки ИЭП
Бактерии одного урожая отделяли от питатель!
ной среды на центрифуге при 3700 g, отмывали в
дистиллированной воде, ресуспендировали в сре!
де приведенного выше состава, содержащей
NaAg(CN)2
.Суспензию (3.0 мл) в течение 1 мин
перемешивали на вортексе, затем переносили в
ячейку и обрабатывали ИЭП. 
Обработку полем проводили в эксперименталь!
ной установке, схема которой была приведена в ра!
боте [8]. Она включала разборную ячейку из изоли!
рующего материала, оборудованную перемешиваю!
щим устройством и системой подачи воздуха от
микрокомпрессора. На крышке ячейки располагали
7 стальных электродов игловидной формы. Плоский
электрод противоположного знака был вынесен за
ячейку и расположен под ее дном. Расстояние между
электродами составляло 1 см. Импульсное поле по!
давали от генератора импульсов Г5!54 (Россия) и
контролировали осциллографом. Игольчатые элек!
троды, имеющие малую емкость, обеспечивали рез!
кое включение внешнего электрического поля. 
При включении постоянного напряжения в
ячейке возникает неоднородное поле со значением
модуля напряженности E, характерным для вы!
бранной точки суспензии. По оценкам при величи!
не приложенного напряжения 30 В максимальная
напряженность поля в растворе в области острия
иглы не превышает 10

В/см. Это поле приводит к
перемещению носителей тока, что в свою очередь
ведет к образованию индуцированного электриче!
ского поля, Еp
,противоположно направленного к
внешнему полю. В условиях отсутствия тока эти по!
ля равны по величине и противоположно направле!
ны в каждой точке в среде электролита. При измене!
нии приложенного напряжения баланс полей нару!
шается и для его восстановления требуется
дополнительное перемещение носителей тока (ток
смещения). В общем виде уравнение баланса для
индуцированного поля имеет вид
(1)
где E,Еp
– зависящие от времени t величины, τr–
время релаксации (время восстановления электро!
нейтральности). Как следует из уравнения (1), при
постоянных значениях E получим, что Еp
= Е, т.е.
действие внешнего постоянного поля полностью
компенсируется реакцией среды. Такая компенса!
ция нарушается в переменном поле, что связано с
запаздыванием реакции среды. Возникающее при
этом суммарное электрическое поле, согласно урав!
нению (1), имеет вид, представленный на рис. 1
(сплошная линия). Как видно из рис. 1, поле, со!
зданное импульсом напряжения длительностью τ
(пунктирная линия), генерирует с некоторым за!
паздыванием компенсирующее поле (точечная ли!
ния). После выключения импульса напряжения
компенсирующее полеЕр
также с некоторым запаз!
дыванием исчезает.
Время запаздывания определяется временем ре!
лаксации τr. При наложении разности потенциалов
сначала возникают те виды поляризации, которые
() p
p
r
1
,
dE
EE dt
=− −
τ
0.6
0.4
0
–0.2
–0.4
–0.6
–0.8
–1.0
–1.2
25 20 15 10 5 0 –5
0.8
1.0
1.2
0.2
30 35 40 45 50
τ/τ
r
1/(fτ
r
)
t/τ
r
E(t), Ep
(t), ΔE(t)/E0
Рис. 1. Зависимость от времени суммарного поля ΔЕ
(сплошная линия), образующегося при наложении на
систему импульсного электрического поля унипо!
лярной прямоугольной формы (пунктирная линия) с
амплитудой Е0
и частотой f. Точечной линией показа!
но индуцированное поле Ep
. τ – длительность им!
пульса, τ
r
– время релаксации. 
824
КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ том 72  № 6  2010
ПОДОЛЬСКАЯ и др.
имеют меньшее время релаксации. В 1 мМ электро!
лите время релаксации ионных атмосфер составля!
ет ~10
–7 
с. Время релаксации макроструктурной
(диэлектрической) поляризации, связанной с гете!
рогенностью клеток, лежит в пределах 10
–8
–10
–3 
с.
Время релаксации поверхностной поляризации,
связанной с наличием двойного электрического
слоя, составляет от 10
–3
до 1 с. При продолжитель!
ности импульса τ = 10
–3 
с актуальными становятся
поляризационные эффекты, имеющие время ре!
лаксации τr< 10
–3 
с, т.е. первые два из упомянутых
выше видов. В промежутках между включениями и
выключениями импульсов суммарное поле равно
нулю. Ввиду многофакторности условий формиро!
вания поля в микробной суспензии, связанных с
пространственной неоднородностью, с некоторой
индуктивностью системы и поляризацией разной
природы, достаточно сложно оценить его макси!
мальную величину, однако эта величина во всех слу!
чаях пропорциональна величине приложенного на!
пряжения. Суммарное поле, действующее на клет!
ки, было идентичным во всех актах переключения и
не зависело от частоты импульса. 
Микробная деструкция и анализ на содержание 
цианидов
Использовали устойчивый цианистый комплекс
NaAg(CN)2
, Кн
= 8 ×10
–22[13]. Концентрацию CN

определяли фотометрическим методом при λ=
= 590 нм с помощью пиридин!барбитурового ре!
актива. Чувствительность метода составляла 2 ×
×10
–3
мМ. Инокулят бактерий после обработки
ИЭП переносили в колбы объемом 250 мл, содер!
жащие 70 мл цианидсодержащего раствора. Колбы
помещали на качалку (120 об./мин) при постоян!
ной температуре 26°C. Эксперименты проводили
сериями на бактериях одного урожая. Концентра!
ция бактерий при засеве составляла 0.34–0.38 мг/л,
чему соответствовала оптическая плотность суспен!
зии D540
= 0.40 ± 0.03. 
Степень суммарной деструкции,WT, вычисляли
из кинетических зависимостей по уравнению 
(2)
где С0– начальная концентрация CN

, СT –
концен!
трация в растворе после деструкции. Степень биоло!
гической деструкции,WB, вычисляли по уравнению
(3)
где СB– концентрация CN–
после деструкции
бактериями, не обработанными ИЭП. 
T
T
0
0
100%,
CC W
C


B
B
0
0
100%,
CC W
C


Степень электробиодеструкции WEBвычисляли
как разницу между биологической деструкцией и
активированной полем деструкцией:
(4)
где CEB – концентрация CN–
после деструкции
обработанными бактериями. 
Поверхностную гидрофобностьH определяли
по адгезии клеток к н!октану [14], измеряя коэффи!
циент распределения бактерий между органиче!
ской и водной фазами: H = 100(1 – Dx/D
0
), где D0и
Dx
– оптические плотности водной суспензии бак!
терий до и после контакта с н!октаном соответ!
ственно. Клетки для данных опытов выращивали,
как описывается выше. Отмывку, обработку ИЭП и
измерение гидрофобности проводили в 5 мМ рас!
творе трис!HCl (pH 7.5). 
Электрофоретическую подвижность бактерий
измеряли методом микроэлектрофореза в дистил!
лированной воде в ячейке закрытого типа [15].
Электрокинетической потенциал  ζ  рассчитывали
по формуле Смолуховского.
Все эксперименты выполняли, повторяли, по
крайней мере, три раза. 
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Эффект величины напряжения ИЭП
На рис. 2а приведены кинетические кривые де!
градации NaAg(CN)
2
в зависимости от приложен!
ного напряжения ИЭП. В данной серии опытов
продолжительность импульса составляла 1 мс, ча!
стота – 100 Гц. Самопроизвольная деструкция ком!
плекса не превышала 1.0% (рис. 2а, кривая 1). Де!
струкция культурой P. fluorescensB5040 протекала с
задержкой около 20 ч, через 46 ч концентрация CN
!
понижалась на 18.9%, с 0.74 до 0.6 мМ (кривая 3на
рис. 2а). Обработка инокулята бактерий полями 10
и 20 В слабо влияла на степень и кинетику деструк!
ции NaAg(CN)2
(кривые 4и 5). Деструкция интен!
сифицируется после обработки полями 40 и 70 В,
при этом продолжительность лаг!фазы заметно со!
кращается (кривые 6и 7на рис. 2а). Клетки сохра!
няли жизнеспособность, наблюдался небольшой
прирост биомассы (кривые 8–10 на рис. 2а). 
С использованием кинетических зависимостей
по уравнениям (1)–(3) рассчитывали степень де!
струкции цианида в зависимости от параметров по!
ля. Как видно из рис. 1б, доля активированной по!
лем электробиодеструкции в общем показателе де!
струкции цианистого комплекса серебра культурой
P. fluorescens B5040 увеличивается от 5% до более
чем 50% при повышении напряжения от 10 до 70 В
(при фиксированной частоте 100 Гц и продолжи!
тельности импульса 1 мс).
BEB EB
0
100%,
CC W
C


КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ том 72  № 6  2010
ВЛИЯНИЕ СЛАБЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ 825
Электрокинетический потенциал бактерий, ко!
торый измеряли непосредственно после отключе!
ния ИЭП, изменяется немонотонно в зависимости
от величины приложенного напряжения. Соответ!
ствующая кривая приведена на рис. 3а. В интервале
от 10 до 30 В ζ!потенциал бактерий отличается от
контрольной величины для необработанных клеток
не более чем на ±3.0 мВ. При значениях больше и
меньше данного интервала напряжений ζ!потен!
циал заметно понижается по сравнению с контро!
лем. Ранее в работе [16] нами было показано, что
электрокинетический потенциал изменяется одно!
временно с трансмембранным потенциалом, отра!
жая процессы, происходящие с культурой P. fluore
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
60 40 20 0
0.42
0.40
0.38
0.36
0.34
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
40
30
20
10
0
70 40 20 10 0
(WT
)
(WB)
(WEB)
CN
–, мМ D540
t, ч
W, %
U, B
(а)
(б)
Рис. 2.(а) – Кинетические кривые микробной де!
струкции NaAg(CN)
2
(3–7) и оптической плотности
D540
клеток P. fluorescensB5040 (8–10) в зависимости
от величины ИЭП: 1– самопроизвольное разложе!
ние комплекса в растворе, 2– разложение после об!
работки полем 40 В, 3– микробная деструкция, 4–7 –
деструкция бактериями, обработанными полями 10,
20, 40 и 70 В соответственно, 8–10– после обработки
полями 20, 40 и 70 В соответственно. (б) – Вклад
электробиодеструкции  WEB
и биологической де!
струкции WBв общую степень разложения WT
.
СCN=0.10 мМ, f = 100 Гц, τ= 1 мс, t = 15 мин.
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0
80 60 40 20
25
20
15
10
40 30 20 10 0
–ζ, мВ
Контроль (–22 мВ)
U, B
5
4
3
2
1
U, B
HEB/HC
(а)
(б)
Рис. 3.Зависимости электрокинетического потенци!
ала (ζ) и относительной гидрофобности бактерий
HEB/HCот величины приложенного напряжения:
(а) – f = 100 Гц, τ = 1 мс, t= 15 мин; (б) – f = 100 Гц,
τ = 1 мс, t= 75 мин,CCN
= 0 (1), 0.4 (2), 1.2 (3), 1.9 (4)
и 2.7 мМ (5), пунктирной линией 6показана теоретиче!
ская аппроксимация кривой 1посредством формулы (5).
6
826
КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ том 72  № 6  2010
ПОДОЛЬСКАЯ и др.
scens В5040 при ее адаптации к цианистым ком!
плексам Ag, Au, Cu и простому цианиду. 
Изменения величины заряда коррелируют с из!
менением гидрофобно!гидрофильных свойств
бактерий: с ростом гидрофобности поверхности
ζ!потенциал понижается. После обработки ИЭП
сродство бактерий к органической фазе изменяет!
ся в зависимости от силы поля и состава раствора.
Данные представлены на рис. 3б. Для отдельных
эпизодов протокола обработки полем использова!
ли клетки разного урожая, поэтому значения гид!
рофобностиHEB
, полученные экспериментально,
нормировали относительно гидрофобности необ!
работанных клеток HC. На графике приведены от!
носительные величины, HEB
/HC.Как видно, отклик
бактерий на обработку ИЭП зависит от концентра!
ции цианида в растворе. В растворе без цианида и
при его содержании меньше 1.2 мМ степень гидро!
филизации поверхности бактерий возрастает с ро!
стом напряжения на ячейке (рис. 3б, кривые 1 и 2).
При концентрации цианида 1.2 мМ степень гидро!
фобности не изменяется во всем исследованном
диапазоне напряжений (рис. 3б, кривая 3). При
концентрациях 1.9 и 2.6 мМ наблюдается обратный
ход зависимостей: гидрофобность растет с увеличе!
нием напряжения, причем тем интенсивнее, чем
больше содержание цианида (рис. 3б, кривые 4и 5). 
Зависимости относительной гидрофобности от
напряжения, приведенные на рис. 3, имеют ряд ин!
тересных особенностей. В частности, они являются
немонотонными и содержат участки, которые хоро!
шо аппроксимируются экспоненциальными зави!
симостями. Эти особенности могут быть объясне!
ны, если полагать, что степень гидрофобности бак!
терий определяется биохимическими реакциями
клеток, а скорость реакций описывается уравнени!
ем Аррениуса. Изменение относительной гидро!
фобности бактерий в зависимости от внешнего на!
пряжения может быть описано уравнением:
(5)
где A – безразмерный предэкспоненциальный мно!
житель, Ea – энергия активации, зависящая в на!
шем случае от внешнего поля,kB  – постоянная
Больцмана,Т– абсолютная температура. Согласно
микроскопической кинетической интерпретации
уравнения Аррениуса, энергия активации имеет по!
роговый характер и обусловлена существованием
барьера, Ub
, для компонентов реакций, изменяю!
щих гидрофобные свойства поверхности клетки. В
электрическом поле высота потенциального барье!
ра может изменяться, вследствие чего изменяется
энергия активации. Такое изменение пропорцио!
нально напряженности внешнего электрического
поля, умноженной на ширину барьера. В свою оче!
редь, напряженность поля, пропорциональна при!
ложенному напряжению. С учетом приведенных
a EB
CBexp ,
E H
A
HkT
⎛⎞ =
⎜⎟ ⎝⎠
выше соображений энергию активации в поле мож!
но представить как  где χ– коэффи!
циент пропорциональности, учитывающий эффек!
тивность действия поля. Когда  потенци!
альный барьер трансформируется в потенциальную
яму. Здесь возможны два варианта. Если скорость
релаксационных процессов мала по сравнению
со временем реакции, скорость реакции от поля
не зависит. Когда скорость релаксационных про!
цессов велика, глубина потенциальной ямы ста!
новится новой энергией активации. Для такого
случая зависимость энергии активации от поля
принимает вид:  В этом случае мно!
житель Aв уравнении (5) определяется соотношени!
ем  и уравнение описывает немо!
нотонную зависимость от поля. Сопоставление
формулы (5) с экспериментальной зависимостью в
отсутствие цианида (рис. 3, кривые 6и 1) позволяет
вычислить значения  и χ=
= (1.3 ± 0.08) ×10
–3
е, где е– заряд электрона. Макси!
мум на кривой 6при напряжении U = Ub
/χ= 8.3 В
соответствует переходу потенциального барьера в
яму. При добавлении в раствор цианидов (рис. 3,
кривые 2–4) возникают новые факторы, приводя!
щие к изменению гидрофобности клеток. Уравне!
ние (5) для этих случаев модифицируется, что тре!
бует дополнительного изучения. 
Как видно из полученных данных, существует
пороговое значение концентрации цианидов, Сp
,
при которой происходит инверсия влияния поля на
бактерии. В работе [8], посвященной влиянию им!
пульсного поля на респираторную активность P. flu
orescens В5040,в рамках гипотезы нелинейного ре!
зонансного туннелирования (НРТ) также показано
существование порогового значения, Сp
. Концеп!
ция использования явления НРТ для описания дей!
ствия поля основывается на предположении, что
перенос электронов между молекулами в дыхатель!
ной цепочке осуществляется по туннельному меха!
низму, при этом возникают условия, характерные
для осуществления резонансного туннелирования.
Поскольку электроны по цепи переносятся парами,
то резонансное туннелирование становится нели!
нейным и очень чувствительным к воздействию
внешних полей. Внешние поля могут изменить
электронный транспорт и таким образом суще!
ственно повлиять на респираторную активность
клетки. Цианид, присоединяясь к дыхательной це!
пи, блокирует перенос электронов [17]. При этом
возникают конкурентные условия между разными
типами воздействий. При концентрации цианида
CCN
< Срэлектрическое поле блокирует клеточное
дыхание, при CCN> Срполе стимулирует клеточное
дыхание. Если величина пороговой концентрации
меньше критического значения, соответствующего
прекращению аэробного дыхания, то электриче!
ab , EU U =−χ
b
, UU>χ
ab . EU U =−χ
( ) bB exp , AUkT =
( ) bB0.463 0.016 UkT=±
КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ том 72  № 6  2010
ВЛИЯНИЕ СЛАБЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ 827
ское поле будет оказывать стимулирующее воздей!
ствие на респираторную активность клеток.
С учетом выводов, сделанных в работе [7], и по!
лученных нами данных, можно высказать гипотезу,
что в основе наблюдаемых изменений поверхност!
ного заряда и гидрофильно!гидрофобных свойств
под влиянием импульсного поля лежит метаболи!
ческая реакция клетки, связанная со стимулирова!
нием или подавлением дыхания бактерий и связан!
ным с ним выбросом протонов вне клетки. Состав
внеклеточных метаболитов, включающих более
гидрофобные протеины и аминокислоты или более
гидрофильные полисахариды, гликолипиды, липо!
полисахариды, также может напрямую влиять на
поверхностные свойства бактерий. 
Эффект частоты ИЭП
Изучение частных зависимостей показало, что
ИЭП в диапазоне 25–50 Гц (при напряжении 40 В и
времени обработки 15 мин) не влияет заметно на
скорость микробной деструкции (рис. 4а). Также
как в контроле, не подвергавшемся обработке, де!
струкция обработанными полем бактериями начи!
нается после периода 20!часовой задержки. Вклад
электробиодеструкции был заметен на частотах бо!
лее 100 Гц. С ростом частоты скорость деструкции
также возрастает. При неизменной величине дли!
тельности импульса 1 мс зависимость выходит на
плато в интервале 250–500 Гц. 
На зависимости гидрофобных свойств поверх!
ности исследованных бактерий от частоты ИЭП,
представленной на рис. 4б, можно условно выде!
лить три области. В области частот от 25 до 700 Гц
культура после 75!минутной обработки становится
гидрофильнее по сравнению с контролем. В обла!
сти частот от 1000 до 3000 Гц зависимость изменяет!
ся экстремальным образом. Гидрофобность культу!
ры повышается почти в 6 раз. И, наконец, третьему
интервалу частот вплоть до 10000 Гц соответствует
тенденция к гидрофилизации поверхности клеток. 
Чувствительность исследуемой системы к часто!
те можно объяснить тем, что реальная длительность
действия поля на бактерии связана со временем его
релаксации в суспензии. Практически оно может
быть на несколько порядков меньше задаваемой
длительности импульса 1 мс (рис. 1). С ростом ча!
стоты существенно сокращаются промежутки меж!
ду импульсами, когда суммарное поле равно нулю.
При этом общая продолжительность экспозиции
клеток в поле увеличивается.
Эффекты продолжительности обработки 
и энергии импульса
В пользу высказанного предположения свиде!
тельствуют также результаты, полученные при из!
менении продолжительности импульса и частоты.
На основании полученных данных было установле!
но, что при постоянной величине энергии импульса
поля fτ, где f – частота поля, τ– продолжительность
импульса, скорость деструкции зависит от длитель!
ности импульса. На рис. 5а показаны данные по су!
точной скорости деструкции при постоянном зна!
чении величины fτ= 0.1 (частота увеличивалась от
100 до 10000 Гц, одновременно длительность им!
пульса сокращалась от 1000 до 10 мкс). Отмечается
тенденция к повышению скорости деструкции при
сокращении длительности импульса, при условии,
если одновременно возрастает частота поля. 
0.15
0.10
0.05
500 400 300 200 100 0
6
4
2
10000 8000 6000 4000 2000 0
Vd, мМ [CN

] дм
–3
сут
–1
HEB/HC
f, Гц
f, Гц
(а)
(б)
Рис. 4.Зависимости суточной скорости деструкции
цианида (Vd
) и относительной гидрофобности бакте!
рий P. fluorescensB5040 от частоты ИЭП: (а) – U= 40 В,
t= 15 мин, τ = 1 мс; (б) – U= 20 В, t = 75 мин, τ= 1 мс.
828
КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ том 72  № 6  2010
ПОДОЛЬСКАЯ и др.
При фиксированной частоте поля 100 Гц и про!
должительности импульса 1 мс бактерии реагируют
на обработку ИЭП преимущественно уменьшени!
ем гидрофобности. Как видно на рис. 5в, с увеличе!
нием времени экспозиции в поле возрастает гидро!
фильность поверхности бактериальной культуры.
Сравнивая зависимости гидрофобных и электропо!
верхностных свойств бактерий от времени обработ!
ки (рис. 5б и 5в), можно отметить корреляцию элек!
трокинетического потенциала и гидрофобности
поверхности при малых временах экспозиции в по!
ле. При продолжительности обработки до 30 мин
происходит гидрофилизация поверхности. При бо!
лее длительной обработке (60–90 мин) гидрофоб!
ность возрастает, одновременно понижается ζ!по!
тенциал.
В заключение можно отметить, что использова!
ние слабого ИЭП открывает новые возможности
для изучения функций клеточного метаболизма,
поскольку поверхностные характеристики несут
информацию не только о химическом составе кле!
точной стенки, но и физиологических процессах. В
экспериментах исключается возможность электро!
химического разрушения цианида на электродах и
прямое физическое воздействие поля на клетку
(разогрев среды, нарушение проницаемости мем!
браны, воздействие химических окислителей и др.).
Изменения поверхностных свойств и деструктив!
ной активности бактерий сохраняются после от!
ключения поля. Поэтому можно полагать, что им!
пульсное электрическое поле выступает в качестве
модулятора респираторной активности, изменяю!
щего физиологический потенциал бактерий. Ис!
пользование слабого ИЭП также может иметь при!
кладные перспективы в биотехнологии и медицине
для регулирования условий бактериальной адгезии,
сорбции/десорбции металлов в биопленках и грун!
тах, для повышения физиологической активности
культур и лечения некоторых болезней.
Работа частично поддержана в рамках целевой
тематики Национальной академии наук Украины.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Ульберг З.Р., Грузина Т.Г., Перцов Н.В. //Коллоид!
но!химические основы нанонауки / Под ред.
Шпака А.П., Ульберг З.Р. Киев: Академпериодика,
2005. С. 199.
0.3
0.2
0.1
0
4 3 2 1
1.0
0.5
400 300 200 100 0
30
25
30 20 10
20
15
10
t, мин
Контроль (–22 мВ)
–ζ, мВ
t, мин
HEB
/HC
Vd, мМ [CN

] дм
–3
сут
–1
(а)
(б)
(в)
Рис. 5. (а) – Скорость биодеструкции NaAg(CN)
2 при
постоянной энергии импульса поля fτ= 0.1,U = 40 В,
t= 15 мин: 1 – без поля, f = 100 (2), 1000 (3) и 10000 Гц
(4).  Светлая штриховка – суммарная деструкция,
темная – вклад электробиодеструкции. (б) – Зависи!
мость относительной гидрофобности бактерий от
продолжительности обработки ИЭП: U = 40 В, f = 100 Гц,
τ= 1 мс,t= 75 мин. (в) – Зависимость ζ!потенциала
бактерий от времени обработки полем: U = 40 В, f =
= 100 Гц, τ= 1 мс,t= 15 мин.
КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ том 72  № 6  2010
ВЛИЯНИЕ СЛАБЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ 829
2.Ульберг З.Р., Духин А.С., Карамушка В.И. // Колло!
ид. журн. 1989. Т. 51. С. 204.
3.Luo Q., Wang H., Zhang X., Qian Y.// Appl. Environ.
Microbiol. 2005. V. 71. P. 423.
4.Valle A., Zanardini E., Abbruscato P., Argenzio P.,
Lustrato G., Ranalli G., Sorlini C.// J. Appl. Microbiol.
2007. V. 103. P. 1376.
5.Podolska V., Ulberg Z., Pertsov N., Yakubenko L.,
Imanakunov B.// Proc. 15th Intern. Biohydrometal!
lurgy Symp. IBS 2003. Athens, 2003. P. 465.
6.Podolska V.I., Ulberg Z.R., Shpak V.E., Grishchen
ko N.I.// Mineralia Slovaca. 1996. V. 28. P. 331.
7.Подольська В.І., Ульберг З.Р., Єрмаков В.М.,
Якубенко Л.М., Грищенко Н.І., Понєжа Г.В.// На!
носистеми, наноматеріали, нанотехнології. 2006.
Т. 4. С. 245. 
8.Podolska V.I., Ermakov V.N., Yakubenko L.N., Ul
berg Z.R., Gryshchenko N.I.// Food Biophysics. 2009.
V. 4. P. 281. 
9.Ermakov V.N., Ponezha E.A.// Физика живого. 2002.
№1. С. 16.
10.Davydov A.S., Ermakov V.N.// Physica D. 1987. V. 28.
P. 1 6 8 .
11.Шпак В.Э., Подольская В.И., Ульберг З.Р., Шпак Э.А.//
Коллоид. журн. 1995. Т. 67. С. 108.
12.Dorr P.K., Knowles C.J.// FEMS Microbiol. Lett.
1989. V. 60. P. 289.
13.Chadwick B.M., Sharpe A.G. // Adv. Inorg. Chem. Ra!
diochem. 1966. V. 8. P. 83.
14.Sanin S.L., Sanin F.D., Bryers J.D.// Process Bio!
chem. 2003. V. 38. P. 909.
15.Мирошников А.И., Фомченков В.М., Иванов А.Ю.
Электрофизический анализ и разделение клеток.
М.: Наука, 1986. С. 42. 
16.Подольская В.И., Якубенко Л.Н., Ульберг З.Р.//
Коллоид. журн. 2001. Т. 63. С. 498.
17.Ленинджер А.Основы биохимии. М.: Мир, 1985. Т. 2.

Комментировать