Влияние электростатического поля на биосистемы

А.Ю. Никифоров, Л.О. Никифорова, В.А. Будаева

Никифоров А.Ю., кандидат технических наук, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Россия

Никифорова Л.О., профессор, доктор биологических наук

Московский государственный университет пищевых производств, Россия

Будаева В.А., аспирант, Московский государственный университет пищевых производств, Россия

Аннотация

В представленном докладе приведены данные по изучению влияния электростатических полей на структуру колоний микроорганизмов и возможности активации всего комплекса биосистемы.

Представлены результаты экспериментальных исследований по воздействию постоянного электрического поля на биосистемы и дано обоснование механизма активации колоний микроорганизмов. Исследования показали, что электрические поля активируют колонии микроорганизмов, при этом наблюдаются изменения показателей вязкости и рН водной среды, в системе фиксируется появление молекулярного водорода.

Ключевые слова:  электростатическое поле, воздействие на колонии микроорганизмов, напряженность поля, активация биоценоза.

 

I. Введение

В последние годы обработку водных систем физическими полями широко используют для совершенствования множества технологических и биологических процессов. Из всех воздействий наиболее развита магнитная обработка водных систем, приносящая большую пользу в решении топливно-энергетических и экологических проблем. Магнитная обработка водных систем интенсивно развивается, несмотря на слабую разработку теоретических основ. Также широко используется ультрафиолетовое (УФ) излучение для проведения процесса обеззараживания водных растворов. Бактерицидное действие УФ света совпадает со спектром поглощения ДНК (lмакс.=260 нм), что и приводит к разрушению молекул ДНК бактерий, вирусов, находящихся в воде.

Биологические системы являются одними из труднейших объектов исследований среди водных систем, так как, являясь открытыми системами,  они обмениваются с внешней средой не только энергией, но и веществом. Свойства этих систем зависят от многих факторов при одновременной их неоднородности и существованием в водных растворах неравновесных метастабильных структур.

Воздействие физических полей на микроорганизмы в зависимости от напряженности приводит либо к активации, либо к гибели биоценоза [1,2].

II. Постановка задачи

Целью работы являлось изучение воздействия постоянного электростатического поля на водные биосистемы при разных напряженностях и времени пребывания микроорганизмов в физическом поле.

Электростатическое поле создавалось двумя пластинами из нержавеющей стали, расстояние между которыми менялось от 40 до 70 мм. Подаваемое напряжение 220 В U450 В. При точечной оценке измеряемых параметров доверительная вероятность – 0,9. После обработки воды электрическим полем стандартные отклонения в результатах замеров исследуемых величин не превышали 8%.

III. Результаты и обсуждения.

Колонии микроорганизмов - анизотропные, поэтому их гидратация также является анизотропной. Клетки имеют отрицательный заряд, следовательно, взаимодействуют с молекулами воды, образуя водородные связи. Это приводит к тенденции клеток образовывать агломераты, окруженные гидратными слоями с разными энергиями связи. Возникающие структуры по закономерностям своего образования резко отличаются от неорганических агломератов, возникающих под действием электростатических сил.

Питательные органические и неорганические вещества из водной среды сначала адсорбируются, а затем проникают в первоначальную структуру частиц колоний. В результате образуется новая структура, связанная с универсальностью основных факторов, определяющих свойства данной колонии.

Под действием ферментов адсорбированные поверхностью клеток органические молекулы подвергаются биохимической деструкции, в результате чего образующиеся новые органические соединения влияют на структуру адсорбционного слоя поверхности клетки. Это связано с тем, что новые вещества обладают другими электрическими полями. Следовательно, образуются и новые гидратные оболочки, которые по структуре и объему могут иметь другие размеры.

Механизм активации колоний микроорганизмов

В экологии объем колоний определяют показателем величины илового индекса (J, см3/г). Этот показатель достаточно быстро изменяется под влиянием внешних воздействий, в том числе и при воздействии электрических полей. Исследования показали, что электрические поля в определенном интервале напряженности активируют колонии микроорганизмов, при этом наблюдаются изменения показателей вязкости и рН водной среды, нарабатывается молекулярный водород [3]. Изменение вязкости водной среды при воздействии электрических полей связано с усилением процессов диффузии питательных веществ и растворением продуктов метаболизма.

Проведенные исследования показали, что использование электростатического воздействия на микробные суспензии, приводит к структурным изменениям агломератов биомассы. Возникающие объемные увеличения или уменьшения в структуре колоний фиксировались значениями величин показателя илового индекса (рис. 1).

Рисунок 1. Зависимость объема биомассы от времени электростатической обработки (ЭСО)

Полученные результаты показывают, что воздействие электростатического поля (ЭСП) на микробное сообщество в течение t 25…30с приводит к максимальному увеличению объема частиц активной биомассы. Это может быть связано только с увеличением количества связанной воды в межклеточном пространстве частиц биомассы. Следовательно, если увеличивается поступление водной среды из объема ферментера во внутренние слои частиц агломерата, то увеличивается и количество питательных веществ для каждой клетки.

Если рассматривать процесс брожения на спиртовом производстве, то увеличение количества питательных веществ среды в объеме частиц биомассы приводит к увеличению выхода спирта.

Увеличение времени нахождения биомассы в ЭСП более t40с приводит к уплотнению агломератов частиц, что фиксируется увеличением скорости коагуляции и осаждением биомассы. Это можно объяснить усилением процесса ориентации и компоновки молекул связанной воды внутри частиц биомассы и их упорядочением вдоль силовых линий поля. Эти процессы хорошо фиксируются скоростью водоотдачи биомассой (рис. 2).

 

 

Рисунок 2. Влияние ЭСП на процесс водоотдачи

 

Если сравнивать скорости водоотдачи биомассой после электростатической обработки (ЭСО) в зависимости от напряженности ЭСП, то появляется возможность определения областей использования структурных изменений в биосистемах. Особенно наглядно эти закономерности проявляются в биотехнологических процессах, особенно в производстве антибиотиков.

Проведенные исследования по установлению взаимосвязи водоотдачи суспензией биомассы и характеристиками электростатического поля (ЭСП) показали, что при напряженности поля 2,5…3,5 кВ/м можно максимально изменять структуру частиц биомассы, тем самым увеличивая скорость биохимических процессов (рис. 3).

 

Рисунок 3. Зависимость скорости водоотдачи биомассой от напряженности ЭСП

На эффективность процесса активации влияют: температура воды, время электростатической обработки, присутствие в среде хлоридов и сульфатов тяжелых металлов, увеличивающих ферментативную активность биомассы [4].

Полученные зависимости позволяют доказать, что воздействие ЭСП может приводить к глубоким структурным изменениям, а следовательно, и к получению более высокой эффективности использования биомассой питательных веществ.

 

Математическая модель процесса активации колоний микроорганизмов

Под действием электрического поля происходит поляризация водных систем. За счет силы Лоренца, действующей на диполи воды и заряженные частицы, присутствующие в водной среде, происходит поляризация воды, которая  приводит к изменению ее свойств.

При наложении электрического поля  на воду напряженность электрического поля в воде уменьшается в e раз, где e- относительная диэлектрическая проницаемость воды, то есть сила, действующая на заряды в воде.

                                                              (1)

В магнитном поле действует на заряды, находящиеся в воде, точно так же, как и в электрическом поле. Отличие состоит только в направлении действия этих сил. Поэтому за счет поляризации воды сила Лоренца так же должна ослабеть в e раз. То есть для силы Лоренца, определяющей воздействие на заряды в потоке воды, формула  должна быть записана в виде:

                                                                                (2)

Это очень важный момент, ибо уравнения Максвелла, записанные для потока воды в магнитном поле, также должны учитывать величину относительной диэлектрической проницаемости e.

Вода является сложной системой с динамичной  структурой, в которой постоянно возникают слабые водородные связи. Водородные связи - спонтанные, быстро рвутся и образуются вновь. Водородные связи возникают и рвутся в пределах короткоживущих (10-10…10-11с) ассоциатов, которые были названы "мерцающими кластерами" [5].

Построенная геометрическая модель структурного образования из молекул воды с полной замкнутостью всех диполей, приводит к практически нулевому значению напряженности электростатического поля на поверхности этого структурного элемента. Этот элемент состоит из молекул воды, между которыми возникает новый вид межмолекулярного взаимодействия. Благодаря этому структура воды может усложняться [6].

Наложение внешнего электрического поля на воду приводит к ее поляризации (ориентационная поляризация). Поляризация приводит к возникновению в воде макроскопического собственного электрического поля, которое создается диполями молекул воды. На границе двух фаз возникают связанные или поляризационные заряды, которые создают электрическое поле , направленное противоположно внешнему полю

Поэтому, рассматривая биосистемы, необходимо оценить, какова напряженность электростатического поля вблизи поверхности мембраны микроорганизма. Для этого рассмотрим две плоскости, образованные разноименными зарядами диполей, с расстояниями между плоскостями l, где l - определяется из равенства. То есть дипольный момент перпендикулярен плоскости, где - дипольный момент, q - заряд диполя (положительный или отрицательный),  l - расстояние между плоскостями.

Обозначив размер плоскости через R, rо - расстояние от ближайшей плоскости до точки измерения Е и s-поверхностная плотность зарядов  имеем выражение:                                                       (3)

После интегрирования этого выражения по площади и, вычитая величину второй площади из первой (ближайшая к точке измерения на расстоянии rо), получим:

                                         (4)

Из (4) следует, что при l®0, Е®0. То есть, если дипольные моменты образуют некоторый угол a>0 с перпендикуляром к плоскости и a®0, то величина Е уменьшается. При a = 90о (дипольные моменты параллельны плоскости) Е=0. При R>>(rо+l) выражение (4) принимает вид:                                                                                   (5)

Таким образом, напряженность электрического поля вблизи поверхности микроорганизма в воде близка к 0 даже в том случае, когда дипольные моменты полярных головок липидов расположены перпендикулярно поверхности клеток. С увеличением расстояния от поверхности клетки (выражение 4) напряженность поля убывает. В электрическом поле с градиентом отличным от 0, на диполи действует сила:

                             (6)

Сила направлена вдоль вектора , то есть в область больших значений . Таким образом, диполи притягиваются к биослою. С этим, возможно, связано то, что поверхность большинства живых клеток – гидрофильная, угол смачивания меньше 90о. Теперь рассмотрим «свободный» диполь молекулы воды и вычислим напряженность поля вблизи него. Вектор модуля напряженности электрического поля на расстоянии r от диполя:

 ,                                                         (7)

где q - угол между  и направлением на точку измерения, находящуюся на расстоянии r от центра диполя. Минимальное значение Е при q=90о, то есть точка измерения находится на прямой, расположенной между зарядами диполя и перпендикулярной . Для молекулы воды =6,17•10-30 Кл*м.

 «Свободные» диполи образуются на границе раздела фаз. В том числе, они могут образовываться и на поверхности мембран микроорганизмов. В мембранах микроорганизмов содержатся поры, которые в результате наложения внешнего электрического поля на водную систему могут расширяться. Если увеличивать напряженность или время пребывания биосистемы в ЭСП, то при достижении некоторого критического значения этих параметров размеры клетки начинают быстро увеличиваться, что приводит к разрушению мембраны и гибели микроорганизма.

Таким образом, при наложении электростатического поля происходит образование  «свободных» диполей, что в свою очередь приводит как к активации, так и к гибели микроорганизмов. Модель «свободных» диполей, образующихся при воздействии постоянного электрического поля на водные системы, позволяет объяснить наблюдаемые изменения в свойствах структуры колоний микроорганизмов.

 

IV. Выводы

1)  Научная новизна представленной работы состоит в том, что впервые изучен и объяснен механизм активации колоний микроорганизмов в водных растворах под действием постоянного электростатического поля.

2)  Теоретическое значение проведенных исследований состоит в том, что полученные результаты стали основой для создания математической модели, которая позволяет рассчитать скорость процесса увеличения пространственной конфигурации колоний микроорганизмов.

3) Дальнейшие исследования позволят использовать электростатические поля для увеличения сроков сохранности пищевых продуктов без использования химических веществ и токсичных для человека консервантов.

 

Литература

1. Бирюков А.С., Гавриков В.Ф., ЩегловВ.А., Никифорова Л.О. Экологические аспекты водной среды// Journal of Russian Laser Research

1999.- v. 20.- № 5.- Р. 478-502.

2. Biryukov A.S.,  Gavrikov V.F.,  Neduva A.Sh., Nikiforova L.O. Effect of Electric Field on Activated Sludge in Water // Bulletin of the Lebedev Physics Institute, 2013, Vol. 40, No. 3, pp. 80–81. ISSN 1068-3356. c Allerton Press, Inc., 2013.

3. Чурмасова Л.А., Никифорова Л.О. Кузнецов А.Л. Влияние электростатического поля на водные растворы //Химическая технология, ИОНХ РАН.- 2014.- № 5.-  С. 200-204.

4.  Никифорова Л.О. , Кузнецов А.Л., Никифоров А.Ю., Будаева В. А., Муссе С. Р. Исследование воздействия электростатического поля на водные растворы, содержащие сульфаты и хлориды тяжелых металлов // Химическая технология, ИОНХ РАН.- 2014.-Т. 15.- № 11.С. 641-645.

5. Frank H.S., Wen W.-Y. Structural aspects of ion-solvent interaction aqueous solutions: a suggested picture of water structure // Discuss Faraday Soc., 1957.- v. 24, рр. 133 - 140.

6. Tsai C.J., Jordan K.D. Theoretical study of small water clusters: low-energy fused cubic structures for (H2O) n, n = 8, 12, 16, and 20 // J. Phys. Chem., 1993. – v. 97, р.р. 5208 - 5210.