Действие ультразвука на биологические объекты кратко

Обновлено: 05.07.2024

Если какое-либо тело колеблется в упругой среде быстрее, чем среда успевает обтекать его, оно своим движением то сжимает, то разрежает среду. Слои повышенного и пониженного давления разбегаются от колеблющегося тела во все стороны и образуют звуковые волны. Если колебания тела, создающего волну следуют друг за другом не реже, чем 16 раз в секунду не чаще, чем 18 тысяч раз в секунду, то человеческое ухо слышит их.

Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но, у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике. Вот основные из них:

Малая длина волны. Для самого низкого ультразвукового диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя ультразвук распространяется в виде пучков по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, ультразвуковой пучок ведёт себя как световой луч, испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет формировать звуковые изображения в оптически непрозрачных средах, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.)
Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.
Возможность получения высоких значений энергии колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.
В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения. Поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические эффекты: физические, химические, биологические и медицинские. Такие как кавитация, звукокапиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.
Ультразвук неслышим и не создаёт дискомфорта обслуживающему персоналу.

История ультразвука. Кто открыл ультразвук.

Внимание к акустике было вызвано потребностями морского флота ведущих держав - Англии и Франции, т.к. акустический – единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. Эксперимент Колладона считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась Колладоном на расстоянии 10 миль. Он также слышал звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, Колладон вычислил скорость звука - 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.

В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт корабля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола (как, впрочем, и подрыв в воде пороховых патронов), давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.

Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Фрэнсис Гальтон. Ультразвук создавался подобно свисту на острие ножа, если на него дуть. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух или другой газ, выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на кромку, и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.

В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо "пьезоэлектричество" от греческого слова, означающего "нажать". Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

Получение ультразвука.

Излучатели ультразвука можно разделить на две большие группы:

1) Колебания возбуждаются препятствиями на пути струи газа или жидкости, или прерыванием струи газа или жидкости. Используются ограниченно, в основном для получения мощного УЗ в газовой среде.

2) Колебания возбуждаются преобразованием в механические колебаний тока или напряжения. В большинстве ультразвуковых устройств используются излучатели этой группы: пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи.

Применение ультразвука.

Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:

получение информации о веществе
воздействие на вещество
обработка и передача сигналов

Зависимость скорости распространения и затухания акустических волн от свойств вещества и процессов в них происходящих, используется в таких исследованиях:

изучение молекулярных процессов в газах, жидкостях и полимерах
изучение строения кристаллов и других твёрдых тел
контроль протекания химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и др.
определение концентрации растворов
определение прочностных характеристик и состава материалов
определение наличия примесей
определение скорости течения жидкости и газа

Измерение скорости звука в твёрдых телах позволяет определять упругие и прочностные характеристики конструкционных материалов. Такой косвенный метод определения прочности удобен простотой и возможностью использования в реальных условиях.

Ультразвуковые газоанализаторы осуществляют слежение за процессами накопления опасных примесей. Зависимость скорости УЗ от температуры используется для бесконтактной термометрии газов и жидкостей.

На измерении скорости звука в движущихся жидкостях и газах, в том числе неоднородных (эмульсии, суспензии, пульпы), основаны ультразвуковые расходомеры, работающие на эффекте Допплера. Аналогичная аппаратура используется для определения скорости и расхода потока крови в клинических исследованиях.

Большая группа методов измерения основана на отражении и рассеянии волн ультразвука на границах между средами. Эти методы позволяют точно определять местонахождение инородных для среды тел и используются в таких сферах как:

гидролокация
неразрушающий контроль и дефектоскопия
медицинская диагностика
определения уровней жидкостей и сыпучих тел в закрытых ёмкостях
определения размеров изделий
визуализация звуковых полей — звуковидение и акустическая голография

Отражение, преломление и возможность фокусировки ультразвука используется в ультразвуковой дефектоскопии, в ультразвуковых акустических микроскопах, в медицинской диагностике, для изучения макронеоднородностей вещества. Наличие неоднородностей и их координаты определяются по отражённым сигналам или по структуре тени.

Методы измерения, основанные на зависимости параметров резонансной колебательной системы от свойств нагружающей его среды (импеданс), применяются для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкостей, для измерения толщины деталей, доступ к которым возможен только с одной стороны. Этот же принцип лежит в основе УЗ твердомеров, уровнемеров, сигнализаторов уровня. Преимущества УЗ методов контроля: малое время измерений, возможность контроля взрывоопасных, агрессивных и токсичных сред, отсутствие воздействия инструмента на контролируемую среду и процессы.

Воздействие ультразвука на вещество.

Воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, широко используется в промышленности. При этом механизмы воздействия ультразвука различны для разных сред. В газах основным действующим фактором являются акустические течения, ускоряющие процессы тепломассообмена. Причём эффективность УЗ перемешивания значительно выше обычного гидродинамического, т.к. пограничный слой имеет меньшую толщину и как следствие, больший градиент температуры или концентрации. Этот эффект используется в таких процессах, как:

ультразвуковая сушка
горение в ультразвуковом поле
коагуляция аэрозолей

В ультразвуковой обработке жидкостей основным действующим фактором является кавитация. На эффекте кавитации основаны следующие технологические процессы:

Акустические течения — один из основных механизмов воздействия ультразвука на вещество. Он обусловлен поглощением ультразвуковой энергии в веществе и в пограничном слое. Акустические потоки отличаются от гидродинамических малой толщиной пограничного слоя и возможностью его утонения с увеличением частоты колебаний. Это приводит к уменьшению толщины температурного или концентрационного погранслоя и увеличению градиентов температуры или концентрации, определяющих скорость переноса тепла или массы. Это способствует ускорению процессов горения, сушки, перемешивания, перегонки, диффузии, экстракции, пропитки, сорбции, кристаллизации, растворения, дегазации жидкостей и расплавов. В потоке с высокой энергией влияние акустической волны осуществляется за счёт энергии самого потока, путём изменения его турбулентности. В этом случае акустическая энергия может составлять всего доли процентов от энергии потока.

При прохождении через жидкость звуковой волны большой интенсивности, возникает так называемая акустическая кавитация. В интенсивной звуковой волне во время полупериодов разрежения возникают кавитационные пузырьки, которые резко схлопываются при переходе в область повышенного давления. В кавитационной области возникают мощные гидродинамические возмущения в виде микроударных волн и микропотоков. Кроме того, схлопывание пузырьков сопровождается сильным локальным разогревом вещества и выделением газа. Такое воздействие приводит к разрушению даже таких прочных веществ, как сталь и кварц. Этот эффект используется для диспергировании твёрдых тел, получения мелкодисперсных эмульсий несмешивающихся жидкостей, возбуждения и ускорения химических реакций, уничтожения микроорганизмов, экстрагирования из животных и растительных клеток ферментов. Кавитация определяет также такие эффекты как слабое свечение жидкости под действием ультразвука – звуколюминесценция, и аномально глубокое проникновение жидкости в капилляры – звукокапиллярный эффект.

Кавитационное диспергирование кристаллов карбоната кальция (накипи) лежит в основе акустических противонакипных устройств. Под воздействием ультразвука происходит раскалывание частиц, находящихся в воде, их средние размеры уменьшаются с 10 до 1 микрона, увеличивается их количество и общая площадь поверхности частиц. Это приводит к переносу процесса образования накипи с теплообменной поверхности в непосредственно в жидкость. Ультразвук так же воздействует и на сформированный слой накипи, образуя в нем микротрещины способствующие откалыванию кусочков накипи с теплообменной поверхности.

В установках по ультразвуковой очистке с помощью кавитации и порождаемых ею микропотоков удаляют загрязнения как жёстко связанные с поверхностью, типа окалины, накипи, заусенцев, так и мягкие загрязнения типа жирных плёнок, грязи и т.п. Этот же эффект используется для интенсификации электролитических процессов.

Под действием ультразвука возникает такой любопытный эффект, как акустическая коагуляция, т.е. сближение и укрупнение взвешенных частиц в жидкости и газе. Физический механизм этого явления ещё не окончательно ясен. Акустическая коагуляция применяется для осаждения промышленных пылей, дымов и туманов при низких для ультразвука частотах до 20 кГц. Возможно, что благотворное действие звона церковных колоколов основано на этом эффекте.

Механическая обработка твёрдых тел с применением ультразвука основана на следующих эффектах:

уменьшение трения между поверхностями при УЗ колебаниях одной из них
снижение предела текучести или пластическая деформация под действием УЗ
упрочнение и снижение остаточных напряжений в металлах под ударным воздействием инструмента с УЗ частотой
Комбинированное воздействие статического сжатия и ультразвуковых колебаний используется в ультразвуковой сварке

Различают четыре вида мехобработки с помощью ультразвука:

размерная обработка деталей из твёрдых и хрупких материалов
резание труднообрабатываемых материалов с наложением УЗ на режущий инструмент
снятие заусенцев в ультразвуковой ванне
шлифование вязких материалов с ультразвуковой очисткой шлифовального круга

Действия ультразвука на биологические объекты вызывает разнообразные эффекты и реакции в тканях организма, что широко используется в ультразвуковой терапии и хирургии. Ультразвук является катализатором, ускоряющим установление равновесного, с точки зрения физиологии состояния организма, т.е. здорового состояния. УЗ оказывает на больные ткани значительно большее влияние, чем на здоровые. Также используется ультразвуковое распыление лекарственных средств при ингаляциях. Ультразвуковая хирургия основана на следующих эффектах: разрушение тканей собственно сфокусированным ультразвуком и наложение ультразвуковых колебаний на режущий хирургический инструмент.

Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электронных сигналов и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. Малая скорость ультразвука используется в линиях задержки. Управление оптическими сигналами основывается на дифракции света на ультразвуке. Один из видов такой дифракции – т.н.брегговская дифракция зависит от длины волны ультразвука, что позволяет выделить из широкого спектра светового излучения узкий частотный интервал, т.е. осуществлять фильтрацию света.

Ультразвук чрезвычайно интересная вещь и можно предположить, что многие возможности его практического применения до сих пор не известны человечеству. Мы любим и знаем ультразвук и будем рады обсудить любые идеи, связанные его применением.

Где применяется ультразвук - сводная таблица

В процессе эволюционного развития биообъектов на формирование их биологических свойств оказывали влияние многие абиотические факторы, в том числе природные фоновые излучения. В последние десятилетия в связи с резко возросшей антропогенной и техногенной нагрузкой произошло резкое повышение уровня абиотических излучений и, соответственно, увеличилось влияние этих факторов на биоклетки, что с большой вероятностью может способствовать фенотипическим изменениям биологических свойств, вплоть до развития мутаций [13, 112, 139]. Поэтому, в современной микробиологии актуальными являются вопросы изучения особенностей и механизмов влияния внешних физических факторов на состояние микроорганизмов, в частности на бактерии, для возможного использования этих воздействий в решении прикладных задач и внедрения новых технологий в медицине и биологии.

Одним из факторов, способным влиять на функциональное состояние микроорганизмов, является ультразвук (УЗ). Несмотря на то, что УЗ давно используют в различных отраслях науки, техники, медицины его влияние на микроорганизмы требует более детального изучения [20, 22, 121, 143]. Ультразвуковые волны обладают большой механической энергией и вызывают ряд физических, химических и биологических явлений. Поэтому не случаен интерес к изучению влияния и механизмам действия этого физического фактора на биологические объекты.

Ультразвуковыми называются упругие акустические волны, способные распространяться в материальных средах (твердых, жидких, газообразных). Нижняя граница УЗ лежит в области 16–20 кГц, верхняя достигает сотен мегагерц. Обе границы достаточно условны и находятся за пределами слышимости человека. Упругость обеспечивает возвращение в исходное положение частиц среды, смещенных под воздействием внешних сил. Частицы среды при этом не переносятся в направлении распространения волн, а лишь колеблются около положения равновесия. Возмущение от частиц, колеблющихся в каждом слое около положения равновесия, передается от слоя к слою по направлению распространения волны. Таким образом, в акустической волне происходит перенос энергии без переноса вещества. Волны бывают продольными, если направление колебаний частиц совпадает с направлением распространения волн, и поперечными, если эти направления взаимно перпендикулярны [70, 74]. В газообразных и жидких средах, в мягких тканях макроорганизмов и в клетках микроорганизмов, состоящих на 75 % из воды, распространяются продольные волны.

При прохождении УЗ в биологических объектах частицы среды совершают интенсивные колебательные движения с большими ускорениями, при этом на расстояниях, равных половине длины звуковой волны, в облучаемой среде могут возникать разности давлений от единиц до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия на структуру биологических объектов приводят к различным эффектам, физическая природа которых связана с действием факторов, сопутствующих распространению ультразвука в среде: механического, теплового, физико-химического.

Одним из механизмов воздействия УЗ на биообъекты являются звукохимические реакции. Химические превращения наблюдаются при интенсивности УЗ от долей Вт/см2 до десятков или сотен Вт/см2 на частотах от 1 кГц до нескольких МГц. Так как эти частоты на много порядков меньше собственных частот колебаний молекул, химических изменений в системе вследствие резонансного поглощения УЗ не наблюдается и варьирование частоты в указанном диапазоне мало сказывается на характере возникающих в биосистеме реакций [237, 227].

Биологическое действие ультразвуковых волн связывают в большей степени с явлением кавитации. Кавитацией называется процесс образования в жидкой среде полостей, заполненных парами самой жидкости, которые возникают под действием больших разрывающих напряжений и в следующее мгновенье захлопываются, сопровождаясь большими давлениями и локальным нагревом среды [73, 93, 152]. Явление кавитации носит локальный характер и не перемещается в среде. Импульсы давления, возникающие при смыкании кавитационных каверн, способны разрушать не только твердые и жидкие тела, но и многие биообъекты, в частности микроорганизмы.

Химическое действие УЗ при кавитации, возможно, обусловлено образованием на стенках кавитационной полости электрических микрозарядов с последующим электронным пробоем. Однако многие экспериментальные факты в рамках такого представления объяснить не удается. Наиболее оправданным является представление о тепловом механизме химического действия кавитации, так как при сжатии кавитационного пузырька температура в нем может достигать 95 °С. Большинство химических превращений под действием УЗ происходит в водных растворах. При высокой температуре молекулы воды внутри кавитационного пузырька переходят в возбужденное состояние и расщепляются на радикалы Н+, ОН–, а также, возможно, ионизируются с образованием гидратированных электронов, т.е. электронов с присоединенными к ним нейтральными молекулами воды. Частично радикалы рекомбинируют, причем состав конечных радикальных и молекулярных продуктов разложения воды в ультразвуковом поле зависит от природы растворенного в воде газа. Так, при воздействии УЗ на воду, в которой растворен воздух, образуются оксиды азота и перекись водорода. Кроме того, пропускание ультразвука через вещества ускоряет ход некоторых химических реакций. Обычно ускоряются реакции, идущие в присутствии Н2О2 и Н+, и особенно окислительные реакции под воздействием атомарного кислорода. Ускорение ряда химических реакций обусловлено действием различных физико-химических эффектов, связанных с ультразвуковой дегазацией, диспергированием, эмульгированием, локальным нагреванием при кавитации и др. Под действием УЗ происходит детонация дихлористого азота, что способствует расщеплению белковых частиц. Таким образом, ультразвуковые колебания могут применяться для инициирования химических реакций, осуществления ряда новых методов синтеза и ускорения медленных реакций в органической системе [80, 74, 82].

Имеются данные о том, что образование свободных радикалов ОН– и Н+ под действием УЗ вызывает изменение рН в биологических тканях в щелочную или кислую сторону в зависимости
от интенсивности и продолжительности воздействия [20, 160, 205]. Изменение рН воспаленных тканей в щелочную сторону вызывает анальгезирующий эффект вследствие резкого уменьшения воспалительных явлений, что используется в физиотерапии.

При распространении УЗ в биологических средах происходит его поглощение и преобразование акустической энергии в тепловую. Характерно, что образование тепла осуществляется не равномерно по всей толще тканей, а проявляется наиболее заметно на границах сред с волновыми сопротивлениями. Однако значительное повышение интенсивности УЗ и увеличение длительности его воздействия могут привести к чрезмерному нагреву биологических структур и к их разрушению. Поэтому тепловой эффект, наряду с кавитацией, используют в качестве основных действующих факторов в ряде ультразвуковых хирургических операций, например, для регенерации поврежденных тканей [14, 160].

Причиной изменений, возникающих в биологических объектах под действием УЗ, могут быть также вторичные эффекты физико-химического характера. Так, благодаря образованию акустических потоков, происходит энергичное перемешивание внутриклеточных микроскопических структур. Кавитация в среде приводит к разрыву молекулярных связей, молекулы воды распадаются на свободные радикалы ОН– и Н+, что является первопричиной действия УЗ. Подобным же образом происходит расщепление под действием УЗ высокомолекулярных соединений в биологических объектах (например, крахмала, нуклеиновых кислот, белковых веществ) клетки.

Одной из основных особенностей воздействия УЗ на микроорганизмы можно считать его влияние на клеточные мембраны. Действие УЗ может приводить к существенному изменению механических, электрических и иных свойств клеточных мембран, а также к нарушению внутреннего состава клеток и изменению концентраций веществ, растворенных в цитоплазме. При длительном воздействии УЗ последствия остаются в течение некоторого времени после прекращения облучения, и нормальная жизнедеятельность клетки может не восстановиться в течении минут, часов или даже дней. Разрыв клеточных мембран и нарушение механической целостности клеток – наиболее очевидное из возможных последствий ультразвукового облучения. Установлено, что особенно опасен для микроорганизмов низкочастотный УЗ, т.к. мощный низкочастотный ультразвук способен механически разрывать клеточные мембраны, что приводит к нарушению целостности и гибели клеток [20, 22, 118]. Однако даже при низких частотах механическое повреждение и гибель клеток происходят только при достаточно высоких интенсивностях УЗ, существенно превышающих физиологические дозы.

Следующая важная особенность действия УЗ на микроорганизмы – изменение концентрации различных веществ в составе цитоплазмы за счет изменения равновесной концентрации веществ вне и внутри клетки: акустическая волна создает микровихри в окружающей клетку среде, обеспечивая эффективное перемешивание
раствора. Таким образом воздействие УЗ приближает концентрацию веществ в цитоплазме, особенно ионов легких металлов, к их концентрации вне клетки. Это делает клетку более зависимой от состава внешней среды и может нарушить внутренние процессы жизнедеятельности. Нарушение внутреннего состава клетки и, как следствие, процессов ее жизнедеятельности, является наиболее глубоким и долгосрочным изменением. Последствия такого рода могут оставаться в силе по прошествии нескольких часов, а то и дней после окончания воздействия УЗ. По мере убывания интенсивности ультразвука эти последствия можно упорядочить следующим образом: нарушение целостности клетки – изменение свойств мембраны – изменение концентраций веществ в цитоплазме – нарушение жизнедеятельности.

Эффекты, достигаемые в результате облучения ультразвуком биологических объектов, обычно обусловлены совместным действием многих факторов, и не всегда ясно, какой из них играет первостепенную роль. Решение ряда задач, связанных с практическим применением УЗ в микробиологии, предполагает изучение характера акустического поля, т.е. распределения в пространстве звукового давления или интенсивности [239, 222].

Ультразвуковые колебания высокой интенсивности, повреждая клеточные оболочки микроорганизмов, вызывают их гибель. Еще с 1928 года ученые начали исследовать влияние УЗ на микроорганизмы и установили, что облучение бактерий группы кишечных палочек приводило к уменьшению их числа [28, 70, 160]. В последующие годы было опубликовано большое число работ о действии акустических волн на бактерии и вирусы. При этом выяснилось, что результаты могут быть очень разнообразные: с одной стороны, исследователи наблюдали повышение агглютинации, потерю вирулентности, или полную гибель бактерий, с другой стороны, отмечался обратный эффект – увеличение числа жизнеспособных особей. Последнее особенно часто имело место после кратковременного облучения. Очевидно, кратковременное действие УЗ способствует механическому разделению скоплений бактериальных клеток, благодаря чему каждая отдельная клетка дает начало новой колонии [180, 143].

Большинство патогенных микроорганизмов чувствительны к действию низкочастотного ультразвука. Так, при облучении гноеродной микрофлоры ран УЗ низкой частоты увеличивается чувствительность бактерий, как Гр– (P. aeruginosa, E. сoli), так и Гр+ (S. aureus)
к действию дезинфицирующих и антибактериальных препаратов
[67, 79]. Эффективно применение низкочастотного ультразвука в сочетании с различными антимикробными препаратами и для лечения бактериальных инфекций, связанных с образованием биопленок. Биоакустический эффект проявляется в уменьшении жизнеспособности бактерий в биопленках в результате одновременного воздействия низкочастотного ультразвука и антимикробных препаратов.

Известно, что применение ультразвуковых волн малых интенсивностей (до 2 Вт/см2) обычно вызывает положительные биологические эффекты. В опытах многих исследователей после обработки микроорганизмов ультразвуком малой интенсивности наблюдалось увеличение их чувствительности к лекарственным, противомикробным препаратам и дезинфицирующим средствам вследствие повышения проницаемости оболочки микробных клеток [85, 205].

Механизм бактерицидного действия УЗ в литературе объясняется двумя теориями: кавитационно-механической и кавитационно-электрохимической. Согласно первой теории – ультразвуковые волны, распространяясь в упругой среде, вызывают в ней попеременные сжатия и разряжения. В клетке создаются огромные давления, достигающие десятков и сотней МПа, что вызывает механическое разрушение цитоплазматических структур и гибель клетки. Кавитационно-электрохимическая теория объясняет ионизацию паров жидкостей и присутствующих в ней газов при образовании кавитационного пузырька. При разрыве пузырька происходит электрический разряд, сопровождающийся резким повышением температуры и возникновением в кавитационной полости электрического поля высокого напряжения. При этом пары жидкости и высокомолекулярные соединения в кавитационной полости расщепляются на водород и гидроксильную группу с образованием активного кислорода, перекиси водорода, азотистой и азотной кислот, в результате чего происходят инактивация ферментов и коагуляция белков. Все это приводит к гибели микробной клетки. Наиболее опасен для жизнедеятельности микробов низкочастотный УЗ (от 20 до 100 кГц), приводящий в первую очередь к их дезинтеграции [74, 80, 205].
Однако эффективность действия УЗ при одной и той же интенсивности и частоте колебаний также зависит от продолжительности воздействия, химического состава облучаемой среды, ее вязкости, температуры, рН и исходной степени обсемененности микроорганизмами. Чем больше микроорганизмов, тем продолжительнее должно быть воздействие для достижения стерилизующего эффекта [139, 143].

Устойчивость бактерий к действию УЗ зависит также от их биологических свойств. Вегетативные клетки более чувствительны, чем споры, кокковые формы погибают медленнее, чем палочковидные, более крупные клетки микроорганизмов отмирают быстрее, чем мелкие (максимальная чувствительность у лептоспир, а наиболее устойчивы стафилококки). Низкочастотный УЗ применяют для дезинтеграции микроорганизмов при изготовления вакцин, мойки и стерилизации стеклянной тары, а также при извлечении внутриклеточных ферментов, токсинов, витаминов, нуклеиновых кислот и других компонентов клетки. Ведутся исследования по применению УЗ-энергии для стерилизации питьевой воды [237, 239].

Разрушительное действие УЗ распространяется не только на бактерии, но и на некоторые вирусы. Ультразвуковые волны при частоте колебания 1–1,3 МГц в течение 10 минут оказывают бактерицидный эффект на указанные микроорганизмы [92, 121, 160]. Это позволяет использовать его для инактивации и дезинтеграции вирусов и других микроорганизмов с целью получения антигенов, вакцин и диагностикумов. Подвергая бактерии ультразвуковому воздействию определенной частоты и интенсивности, можно выделить из них не только антигены, но и токсины. Более того, действие ультразвука на выделенные токсины патогенных микроорганизмов может приводить к изменению их биологических свойств, что особенно важно для борьбы с возбудителями опасных инфекций [205, 210, 217].

В последнее время повышенное внимание к ультразвуковым технологиям в микробиологии обусловлено не только непосредственным воздействием на биообъекты, но также возможностью применения их для решения задач, связанных с изменениями физико-химических характеристик субстратов для культивирования микроорганизмов. Применение таких технологий актуально для регулирования состава искусственных питательных сред, в частности концентрации и активации молекулярного кислорода путем ультразвуковой дегазации среды. Таким образом, снижение концентрации кислорода в субстрате или в суспензии микроорганизмов обеспечивает микроаэрофильные условия культивирования бактерий, максимально приближая к условиям колонизации макроорганизма, что особенно важно для изучения процессов патогенеза многих инфекционных заболеваний и устойчивости к химиопрепаратам.

В настоящее время применение ультразвуковых технологий является перспективным для разработки иммунобиологических препаратов нового поколения, поскольку процессы кавитации могут быть использованы для перемещения определенных биомолекул внутрь бактериальных клеток для изменения их биологических свойств.

В данной курсовой работе объектом рассмотрения являются
живые организмы, которые в процессе жизнедеятельности и эволюции подвергаются действию, как внешних источников физических полей, так и сами являются их источниками. Предметом изучения служит совокупность явлений, возникающих при воздействии физических полей на биологические
объекты. Целью данной курсовой работы является изучение влияния воздействия различных физических полей на живые организмы.

Содержание

Введение 3
1 Аналитический обзор
1.1 Влияние ультразвука на биологические объекты 5
1.2 Влияние электромагнитных полей на живые организмы 12
2 Объекты исследования
2.1 Saccharomyces cerevisiae 16
2.2 Процесс брожения 19
3 Выводы по работе 23
Список использованных источников 24

Работа содержит 1 файл

КУРСОВИК Саша.doc

1 Аналитический обзор

1.1 Влияние ультразвука на биологические объекты 5

1.2 Влияние электромагнитных полей на живые организмы 12

2 Объекты исследования

2.1 Saccharomyces cerevisiae 16

2.2 Процесс брожения 19

3 Выводы по работе 23

Список использованных источников 24

Развитие науки и техники привело к широкому использованию на практике самых различных волновых процессов. В результате этого живые системы подвергаются воздействию волн не только естественного, но и искусственного происхождения. Можно сказать, что живые организмы буквально купаются в этих волнах. Можно привести много примеров повышенной чувствительности живых организмов к внешним полям, в том числе и акустическим. Физические поля самых разных типов в процессе эволюции живых организмов оказывают на них существенные влияния.

Различные волновые, или колебательные процессы, возникают также в процессе жизнедеятельности организма. Сравнительно давно появилось отчетливое понимание того, что живые организмы не только активно используют волновые процессы в своей деятельности, но и способны чутко реагировать на внешние воздействия, имеющие волновую природу, например, звучание колоколов, которые еще с древних времен своим акустическим воздействием гармонизировали пространство обитания людей. Звоны колоколов оказывали целительное воздействие во время эпидемий чумы и холеры.

За последние 30 лет накопился определенный объем теоретических и экспериментальных исследований по изучению волновых процессов в живой природе. Ответная реакция живой системы на внешние волновые воздействия может происходить на различных структурных уровнях живого организма – от молекулярного до субклеточного, клеточного уровня. Чувствительность живых систем к внешним акустическим воздействиям зависит в первую очередь от диапазона частот и интенсивности (мощности) колебаний. Изучение различных аспектов воздействия акустических полей с живыми объектами представляет не только научный, но и большой практический интерес. Первичные эффекты такого взаимодействия, которые оказывают определяющее воздействие на поведение живого объекта, разыгрываются в основном на уровне клетки, являющейся простейшей (элементарной) живой системой. Волновые процессы очень важны для жизнедеятельности организмов и в отсутствии внешнего взаимодействия.

Можно было бы также говорить в прямом смысле о резонансном взаимодействии живых организмов с волнами акустической, электромагнитной и другой природы. Понимание механизмов взаимодействия внешних полей с биосистемами требует изучения роли гармонических и других колебаний, синхронизации колебаний и когерентности в жизнедеятельности организма, а также структурных изменений в клетках, сопровождающих как возникновение в них колебаний, так и коррекцию существующих режимов жизнедеятельности того или другого органа.

В данной курсовой работе объектом рассмотрения являются

живые организмы, которые в процессе жизнедеятельности и эволюции подвергаются действию, как внешних источников физических полей, так и сами являются их источниками. Предметом изучения служит совокупность явлений, возникающих при воздействии физических полей на биологические

объекты. Целью данной курсовой работы является изучение влияния воздействия различных физических полей на живые организмы.

1 Аналитический обзор

1.1 Влияние ультразвука на биологические объекты

При действии ультразвука на биологические объекты в облучаемых органах и тканях на расстояниях, равных половине длины волны, могут возникать разности давлений от единиц до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия приводят к разнообразным биологическим эффектам, физическая природа которых определяется совместным действием механических, тепловых и физико-химических явлений, сопутствующих распространению ультразвука в среде.

Биологическое действие ультразвука, то есть изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структурах биологических объектов при воздействии на них ультразвука, определяется главным образом интенсивностью 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 микро-массаж 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).

При поглощении ультразвука в биологических объектах происходит преобразование акустической энергии в тепловую. Локальный нагрев тканей на доли и единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышая интенсивность процессов обмена веществ. Однако более интенсивные и длительные воздействия могут привести к перегреву биологических структур и их разрушению (денатурация белков и др.).

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 др. 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. [1]

Биологическому действию ультразвука посвящено большое число исследований. Это связано с тем, что при ультразвуковом облучении биообъектов возникают различные явления (диспергирование, кавитация, термическое и окислительное действие), которые могут оказывать существенное влияние на живые организмы [2]. Если учесть, что в ультразвуковом поле частицы среды совершают интенсивные колебательные движения с большими ускорениями и что в облучаемой жидкости на малых расстояниях (равных половине длины звуковой волны) возникают разности давлений в несколько атмосфер, то легко себе представить насколько перспективным является применение данного физического фактора в областях биологии, микробиологии, в частности в разделении микробных клеток на антигенные комплексы для разработки нового класса вакцин из нативных клеточных компонентов [3].

Причинами изменений, возникающих в биологических объектах под действием ультразвука, могут быть вторичные эффекты физико-химического характера. Так, под действием акустических волн происходит энергичное перемешивание внутриклеточных микроструктур, а кавитация в среде приводит к разрыву молекулярных связей.

Перспективным оказалось применение ультразвука для выделения из продуцента Erwinia carotovora модифицированной аспарагиназы, которая характеризовалась высокой противоопухолевой способностью [4].

Ультразвуковые низкочастотные поля ускоряют процессы диффузии, повышают проницаемость клеточных оболочек. В результате увеличивается выход белков, что используется для получения пептидов [2, 6]. Поскольку получаемый материал содержит большое число белковых и биополимерных комплексов, возникают трудности при получении высокоочищенных препаратов. Данный технологический прием имеет преимущества над другими менее щадящими физико –химическими методами в том, что не вызывает денатурацию полипептидных цепей и сохраняет нативность их химической структуры .

Степень разрушающего действия ультразвука находится в зависимости от его мощности, частотного диапазона, экспозиции, а также от морфологических и функциональных особенностей облученных микроорганизмов. Как правило, ультразвуковые колебания приводят бактериальные клетки к гибели, при этом данная микробная суспензия не теряет своих иммуногенных и антигенных свойств [2]. Изменяя интенсивность УАВ можно добиться снижения токсичности бактериальной суспензии, сохраняя ее антигенность. Эти положительные качества ультразвука используют в научных разработках для получения высокоэффективных бактериальных вакцинных препаратов . [6]

Отдельным направлением изучения применения ультразвукового фактора является разработка методов дезинтеграции микроорганизмов для получения иммунобиологических препаратов.

Ультразвуковые колебания успешно применяют также для получения белковых антигенов из таких бактерий как Bacillus subtilis , Halobacterium halobium, Methylobacillus flagellatum . Физические методы получения антигенов привлекают исследователей простыми технологиями, которые легко поддаются стандартизации. Низкочастотное озвучивание (22 кГц и 44 кГц) клеток Escherichia coli при температуре 2 - 4ºС в течении 5 минут в режиме 30 ׳׳ воздействия с тридцатисекундной паузой с последующим хроматографическим разделением полученных фракций позволило получить эндотоксин [7].

Высокочастотный ультразвук (830 кГц) слабой мощности (0,4 – 2,0 Вт/см2) вызывает стимуляцию роста Proteus vulgaris. Исследователями предложено использовать данный физический фактор для интенсификации процессов накопления микробной биомассы [8].

В серии работ изучали действие ультразвука на Bordetella pertussis [9]. Большинство ученых использовали низкие частоты УАВ для разрушения клеток коклюша. Меньше работ посвящено изучению влияния ультразвуковых волн высокой интенсивности.

В литературе представлены материалы об успешном разрушении клеток возбудителя коклюша с помощью физико-химических методов [10]. Для этого использовали ультразвуковую дезинтеграцию бактерий в сочетании с различными химическими детергентами (дезоксихолат, додецилсульфат натрия). Применение данной комбинированной технологии позволяет получать высокоочищенные антигены, которые обладают низкой реактогенностью и отличаются активностью в серологических реакциях [11].

Перспективность результатов приведенной серии работ в отношении получения коклюшных антигенов можно оценить только после определения:

какие по химической структуре выделяются клеточные комплексы, и в какой степени они сопоставимы по биологическим свойствам с аналогичными фракциями, выделенными с помощью химических методов.

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.

Оксиление холестерола клетками Rhodococcus erythropolis, дегидрогенирование кортизола неподвижными клетоками Arthrobacter было исследовано при ультразвуковом воздействии 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.

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.

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.

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.

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 МПа.

Кавитация в среде является основной причиной разрушающего действия ультразвука на микроорганизмы. Если образование пузырьков подавлялось путем повышения внешнего давления, то разрушающее действие на простейших уменьшалось. Почти мгновенный разрыв объектов в поле ультразвука вызывался заключенными внутри этих организмов пузырьками воздуха или находящегося в растительных клетках углекислого газа.

Это показывает, что возникающие при кавитации большие разности давлений приводят к разрыву клеточных оболочек и целых маленьких организмов. Многократно изучалось действие ультразвука на различные виды грибов. Так, ультразвук успешно применяют в фитопатологии. На семенах сахарной свеклы, зараженных естественным путем Phoma betae, Cercospora beticola, Alternaria sp. или Fusarium sp., удалось гораздо лучше уничтожить эти грибы и бактерии путем кратковременного облучения ультразвуком в воде, чем это удавалось до сих пор при помощи протравления. Облучение семян ультразвуком во время протравления значительно усиливает действие фунгицидного или бактерицидного вещества. Причина, по-видимому, заключается в том, что звуковые колебания увеличивают скорость диффузии воды и растворенных в ней веществ через оболочки растительных клеток, чем достигается более быстрое действие на грибы и бактерии.

Негативно действует УЗ и на отдельные клетки высших организмов. При облучении красных кровяных телец (эритроцитов) наблюдалось следующее: они теряли свою первоначальную форму и растягивались; при этом происходило их обесцвечивание (в результате гемолиза). При дальнейшем облучении они окончательно разрывались и распадались на множество отдельных маленьких шариков.

Уже в 1928 году было установлено, что светящиеся бактерии разрушаются под действием ультразвука. В последующие годы было опубликовано большое число работ о влиянии ультразвуковых волн на бактерии и вирусы. При этом выяснилось, что результаты могут быть очень разнообразными: с одной стороны , наблюдались повышенная агглютинация, потеря вирулентности или полная гибель бактерий, с другой стороны, отмечался и обратный эффект-увеличение числа жизнеспособных особей. Последнее особенно часто имеет место после кратковременного облучения и может объясняться тем, что при кратковременном облучении прежде всего происходит механическое разделение скоплений бактериальных клеток, благодаря чему каждая отдельная клетка дает начало новой колонии.

В Московском центральном научно-исследовательском институте травматологии и ортопедии им. Н. Н. Приорова проводились исследования [24] о влиянии низкочастотной ультразвуковой кавитации на жизнедеятельность различных штаммов стафилококка. В опытах in vitro были получены следующие результаты. Обработку ультразвуком проводили при температуре 32°С с помощью ультразвукового дезинтегратора фирмы MSE (Великобритания), имеющего следующие технические параметры: мощность 150 Вт, частота колебаний 20 кГц, амплитуда 55 мкм. Время воздействия составляло 1, 2, 5" 7, 10 минут. Для каждой экспозиции использовались отдельные флаконы с 5 мл взвеси микроорганизмов, содержащей в 1 мл жидкости 2500 микробных тел. Результаты исследований показали, что способность микроорганизмов к размножению при посеве их на твердые питательные среды сразу после ультразвуковой обработки не только не ослабляется, но при некоторых экспозициях озвучивания (1-3 мин) даже несколько усиливается. В то же время при озвучивании стафилококка в течение 5, 7 и 10 минут изменения количества выросших колоний на поверхности агара в чашках Петри были несущественными и почти не отличались от контроля. Влияние ультразвука на микроорганизмы может проявляться^ не сразу, а через некоторое время, необходимое для развития в клетках метаболических нарушений, поэтому изучалась высеваемость стафилококка на твердые питательные среды через 24, 36, и 48 часов после ультразвуковой обработки. До высева на чашки Петри озвученные штаммы стафилококка культивировали в пробирках с бульоном в термостате при 37°С. Было установлено, что через 24 и 36 часов после ультразвуковой обработки количество выросших колоний стафилококков по сравнению с контролем снижается, высеваемость стафилококка при этом обратно пропорциональна времени озвучивания микроорганизмов. После 7-10-минутного озвучивания высев или не давал никакого роста или же на чашках Петри вырастали единичные, не характерные для стафилококка колонии. Через 48 часов угнетающее действие ультразвука было более выраженным и проявлялось в дальнейшем уменьшении высева микроорганизмов при всех экспозициях.

Исследование чувствительности озвученных микроорганизмов к действию некоторых антибиотиков и антисептиков показало, что у 8 из 13 использованных препаратов минимальная подавляющая концентрация после ультразвуковой обработки стафилококка снизилась в 2-4 раза. Это свидетельствует о целесообразности совместного применения ультразвуковых колебаний низкой частоты и антибактериальных растворов для более эффективного воздействия на микробную клетку [7,10].

Разрушающее действие ультразвуковых волн зависит от концентрации бактериальной взвеси. В слишком густой и, следовательно, очень вязкой взвеси не наблюдается разрушения бактерий, а можно отметить только нагревание. Различные штаммы одного и того же вида бактерий могут совершенно по-разному относиться к облучению ультразвуком [11].

Таким образом, можно заключить, что эффект воздействия ультразвука на биоматерию вообще и микроорганизмы, в частности, зависит от многих факторов среды и от состояния живой материи и в реальной действительности достаточно трудно прогнозируем.

На кафедре СГТУ были проведены эксперименты по ультразвуковой очистке титановых внутрикостных стоматологических имплантатов в различных рабочих растворах.

Очистка изделий происходит тем эффективнее, чем ближе они находятся к излучающей поверхности излучателя. С удалением от излучателя интенсивность ультразвуковых колебаний изменяется по идеализированной кривой. Наилучший результат был получен при интенсивности 16 Вт/см2 в водопроводной и технической воде при 50+5°С с концентрацией сульфанола 0,25% при времени озвучивания 5-10 минут (рис. 2.1). Озвучиваемые изделия находились на расстоянии не более 10 мм от излучающей поверхности.

Рис. 2.1. График зависимости загрязненности изделий от времени озвучивания при интенсивности колебаний 16 Вт/см2

Таким образом, согласно проведенным опытам, повышение интенсивности с 0,4 "до 16 Вт/см2 дает улучшение качества очистки (рис. 2.2), но 100% стерилизация изделий не достигается ни при одном режиме.

Рис. 2.2. График зависимости стерилизующего воздействия ультразвука от интенсивности ультразвука.

Читайте также: