Scientific journal
International Journal of Applied and fundamental research
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,593

CURRENT STATE OF THE USE OF HELIUM-NEON LASER TO PROMOTE GROWTH CHEMOLITROPHIC BACTERIA

Kanaeva Z.K. 1 Kanaev A.T. 2 Amanbaeva U. 2 Seidakhmet Z. 1
1 Satbayev University
2 Kazakh Al-Farabi National University
1734 KB
A scheme of successive passages for the active population strains A. ferrooxіdans based on certain passages of the intervals between periods of oxidation of ferrous iron. Irradiation of a helium-neon laser in continuous mode at 632.8 nm wavelength causes an acceleration of oxidation of ferrous iron, which depends on the duration of exposure and the physiological state of the strains. A single exposure of 1 minute culture A. ferrooxіdans № 0 strain reduces the oxidation of ferrous iron to 3 days, strain A. ferrooxіdans 1 – 7 days , strain A. ferrooxіdans 2 – 4 days. Active cultures obtained by successive passages, does not respond to a helium-neon laser
helium-neon laser
continuous mode
microorganisms
A. ferrooxidans
T. thiooxidans
iron oxidation

Биологические ткани способны поглощать кванты лазерного излучения. По закону Эйнштейна-Старка на каждый поглощенный фотон при фотохимической реакции образуется активированная частица (атом, молекула, свободный радикал). За ней следует клеточная реакция (первичная), переходящая в генерализованную (системную, вторичную) реакцию [3, 4]. Эффект, оказываемый гелий-неонового лазера (ГНЛ) на биологический объект, зависит от мощности излучения, плотности его потока, экспозиции, количества и регулярности сеансов. Эти параметры ГНЛ определяют степень повышения тканевого дыхания, интенсивность обменных процессов, проницаемость сосудисто-тканевых барьеров [1]. ГНЛ стимулирует синтез коллагена за счет увеличения численности фибробластов, возрастанию их функциональной активности, проявляющейся в повышении интенсивности синтеза ДНК и РНК в фибробластах, ускорению их дифференцировки и самого процесса коллагенизации [2, 5]. После воздействия ГНЛ в ране увеличивается не только количество фибробластов, но и полинуклеаров, полибластов, профибробластов, плазмоцитов, макофагов, клеток многослойного эпителия, тканевых базофилов. Тем самым ГНЛ ускоряет фазу регенерации.

Целью первого этапа исследований было изучение действия низкоинтенсивного лазерного излучения на исходные ( неактивные) штаммы А. ferrooxіdans.

Материалы и методы исследования

В качестве объектов исследования служили три штамма А. ferrooxіdans (рис. 1).

kanaev1.tif

Рис. 1

В качестве питательной среды использовали среду Сильвермана и Лундгрена 9К. Среда составлялась из 2-х растворов. Они готовились раздельно и имели следующий состав (г/л): 1-й раствор в 700 мл дистиллированной воды растворяли (NH4)2SO4 – 3,0; К2НРО4 – 0,5; MgSO4×7Н2О-0,5; КCl – 0,1; Ca(NO3)2 – 0,01.

2-й раствор: в 300 мл дистиллированной воды растворяли FeSO4×7H2O – 44,22, добавляли 1 мл 10N H2SO4. Приготовленные растворы смешивали, рН среды доводили до 2,0.

Результаты исследования и их обсуждение

Об эффективности воздействия лазерного излучения изучены лишь на гетеротрофных микроорганизмах и полностью отсутствуют сведения по воздействию лучей лазера на микроорганизмы, представляющие практический интерес для металлургической промышленности. Поэтому нами предпринято изучение влияния низкоинтенсивного гелий-неонового лазера на окислительную способность А. ferrooxіdans – обитателей рудничных вод металлодобывающих комбинатов.

Обычно используют лучи лазера в непрерывном и импульсном режиме, однако мы не нашли в литературе данных о воздействии двух режимов на штаммы одного вида бактерий. Они обычно проводились на разных видах или даже родах микроорганизмов. Нами впервые изучено отношение тиобацилл к разным режимам лазерного облучения: импульсного и непрерывного. Во всех исследованиях по изучению лазерного излучения использовали две культуры: исходную, далее называемую неактивной и активную, полученную в результате последовательных пассажей.

Исследуемые штаммы подвергали воздействию низкоинтенсивного излучения гелий-неонового лазера, с одновременным изучением динамики железоокислительного процесса в течение всего срока глубинного культивирования культур на качалке.

Культуры А. ferrooxіdans подвергали воздействию низкоинтенсивного излучения гелий-неонового лазера в двух режимах облучения: непрерывном и импульсном. И непрерывный, и импульсный режимы облучения на штаммы А. ferrooxіdans проводили одно- и многократно. Схема лазерной обработки указана на нижеследующем рисунке (рис. 2).

kanaev2.tif

Рис. 2. Обработка культур гелий-неоновым лазером

Для того, чтобы исключить возможность действия гелий-неонового лазера на химическое окисление закисного железа, мы провели эксперименты по облучению среды. Условия лазерного воздействия были аналогичны облучению среды, инокулированной бактериями. Лазерному излучению подвергалась среда 9 К в колбе в течение 1, 2 и 5 минут, а также на протяжении семи суток, во время которых колбы находились на качалке, то есть условия аэрации были такими же, как в опытном варианте с облучением популяций.

О действии лазерного излучения на среду 9К судили по скорости окисления закисного железа комплексонометрически. На рис. 3 приведены данные по непрерывному облучению среды в течение 7 суток.

kanaev3.tif

Рис. 3. Облучение среды Сильвермана и Лундгрена (9К) гелий-неоновым лазером

Определение содержания железа в течение всего эксперимента показало отсутствие окислительного процесса, содержание Fe2+ почти не изменялось на протяжении всего эксперимента. Таким образом, в течение 9 суток не происходило химическое окисление закисного железа и облучение лазером не изменяло ситуацию.

Мы начинали свои исследования с изучения действия однократного облучения гелий-неонового лазера. Суспензии культур облучались в течение 1 или 2 минут, подвергались облучению как исходные культуры, так и культуры, полученные после многократных пассажей. Первые обозначены нами как «неактивные», вторые – «активными».

Таким образом, однократному воздействию гелий-неонового лазера подвергались исходные неактивные культуры А. ferrooxіdans, а также культуры, отобранные в результате автоселекциии после многократных пассажей.

После одно- и многократного облучения культуры выращивали на качалке и ежесуточно определяли количество закисного железа. Результаты эксперимента представлены на рис. 4.

kanaev3a.wmf

kanaev3b.wmf

kanaev3c.wmf

Рис. 4. Однократное действие гелий-неонового лазера на аборегенные культуры – А – А. ferrooxіdans штамм № 0, Б – А. ferrooxіdans штамм 1, В – А. ferrooxіdans штамм 2

Все штаммы рода Thіobacіllus одинаково реагировали на воздействие гелий-неонового лазера, а именно, после облучения культуры быстрее окисляли закисное железо в окисное. Заметное активизирующее влияние на А. ferrooxіdans и А.ferrooxіdans штамм 1, независимо от продолжительности облучения, проявилось уже на вторые сутки роста.

Активацию штамма 2, в эти сроки, вызывало облучение в течение 2 минут. Культура А. ferrooxіdans штамм № 0, облученная в течение 2 минут в начале роста быстрее окисляла Fe2+, но после 6 суток активность ее ослабевала и окисление Fe2+ завершалось через 13 суток. Популяция, облученная в течение 1 минуты, наоборот, вначале уступала по активности популяции, облученной в течение 2 минут, но затем активность ее стала возрастать и, в итоге, окисление закисного железа завершалось на 11 сутки. Влияние продолжительности облучения особенно было заметно на штамме 1.

Популяция, облучавшаяся в течение 1 минуты, завершила окисление на 11 сутки, как и культура А. ferrooxіdans штамм № 0, а после 2 минутного облучения только на 14 сутки. Штамм 2 отличался по ответу на лазерное облучение от двух предыдущих. Отличие было не только в том, что эта культура слабее активизировалась лазером, но и в иной реакции на продолжительность облучения. Популяция этой культуры, подвергнутая 1 минутному воздействию лазера, только в конце процесса по активности превзошла популяцию, получившую в два раза большую дозу.

Степень ускорения превращения Fe2+ в Fe3+ у первых двух штаммов после 8 суток роста зависела от продолжительности облучения. Менее длительное воздействие (в течение 1 минуты) по конечным результатам оказалось более эффективным, чем двухминутное. Однако, разница между одно- и двухминутным облучением выявлялась в разные сроки культивирования.

Так, у А. ferrooxіdans штамм № 0 уже через четверо суток роста было заметно, что одноминутное облучение эффективнее, чем двухминутное. В контрольных вариантах окисление Fe2+ идет плавно, постепенно снижаясь до нуля.

После воздействия лазерного излучения в первые восемь суток форма кривых опытных вариантов почти повторяет кривые контрольных, но скорость окисления Fe2+ увеличивается. К концу культивирования происходит резкое увеличение скорости окисления Fe2+, которое у А.ferrooxіdans штамм № 0 приходится на девятые сутки, у А. ferrooxіdans штамм 1 на десятые сутки, А. ferrooxіdans штамм 2 на двенадцатые сутки.

Показатели железоокисления всех трех штаммов А.ferroоxіdans приводят к выводу, что наиболее заметно активизируется лучом лазера штамм 1, у которого разница в сроках окислительного процесса между контролем и экспериментальным вариантом составила семь суток, в то время, как у А. ferrooxіdans штамм № 0 – трое суток, у штамма 2 – четверо суток.

По конечным результатам, по срокам завершения окисления закисного железа, наиболее эффективным оказалось 1 минутное облучение. В этих условиях наиболее сильно активизировались культуры А. ferrooxіdans штамм 1 и А. ferrooxіdans штамм № 0. Однако разница между штаммами лучше выявлялась при воздействии лазера в течение 2 минут. Так, после 2-х минутного облучения лучшие результаты были получены с А. ferrooxіdans штамм № 0 (окисление завершилось на 13 сутки), на втором месте оказалась культура А. ferrooxіdans штамм 1 (окисление завершилось на 14 сутки), и на третьем месте А. ferrooxіdans штамм 2 (окисление завершилось на 15 сутки).

Выводы

Таким образом, однократное воздействие лазером в непрерывном режиме активизировало окислительный процесс и эффективность лазерного воздействия зависела от продолжительности облучения и штаммовых различий культур.