БИОФИЗИКА, 2019, том 64, № 3, с. 535-543

БИОФИЗИКА КЛЕТКИ

УДК 576.8: 577:15.081/.082

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

НА ЖИЗНЕСПОСОБНОСТЬ МИКРОБНЫХ КЛЕТОК

А.С. Шмаков*, Б.Д. Зайцев**, А.А. Теплых**, И.А. Бородина**,

О.А. Караваева***, О.И. Гулий*** ****

*Научно-исследовательский институт дальней радиосвязи, 127083, Москва, ул. 8 Марта, 10/5

** Саратовский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН,

410019, Саратов, ул. Зеленая, 38

*** Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН,

410049, Саратов, пр. Энтузиастов, 13

****Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова,

410012, Саратов, Театральная пл., 1

E-mail: guliy_olga@mail.ru

Поступила в редакцию 03.10.2018 г.

После доработки 07.12.2018 г.

Принята к публикации 04.02.2019 г.

Исследовано воздействие терагерцового импульсного излучения с длиной волны 66 мкм, длитель-

ностью импульса 100 нс и энергией импульса 200 мДж на суспензию микробных клеток. Установле-

но, что воздействие терагерцового излучения приводит к гибели клеток при определенном значе-

нии полной энергии, составляющем ~ 6 Дж. Поскольку температура суспензии клеток после облу-

чения практически не изменялась, это означает, что импульсное воздействие терагерцового

излучения имело нетепловой характер. Контроль результатов осуществлялся методами стандартно-

го микробиологического посева, электронной микроскопии, электроакустического анализа и спек-

трального анализа. Полученные эксперименты открывают возможность регулировать жизнеспо-

собность бактериальных клеток терагерцовым излучением с определенными параметрами.

Ключевые слова: жизнеспособность, электромагнитное излучение терагерцового диапазона, бактерио-

фаги, Escherichia coli, электроакустический метод анализа.

DOI: 10.1134/S0006302919030141

применения в медицине, поскольку оно является

В настоящее время исследование воздействия

неионизирующим и поглощается разными био-

электромагнитного излучения терагерцового

логическими тканями с различной интенсивно-

(ТГц) диапазона на биологические объекты явля-

стью. В работе [1] показано, что ТГц-излучение

ется одним из актуальных научных направлений.

весьма перспективно для разработки новых мето-

Интерес к ТГц-излучению вызван тем, что оно

дов диагностики опухолей. Обнаружена корреля-

характеризуется меньшим рассеянием в ряде ма-

ция результатов визуализации границ опухолей

териалов по сравнению с излучением видимого и

на образцах ткани слизистой рта при комнатной

инфракрасного диапазонов. Кроме того, именно

(20°C) и низкой (-20°C) температуре с результа-

ТГц-диапазону соответствуют ротационные и

тами гистологического анализа [2].

вибрационные энергетические уровни полярных

В ряде работ выявлен эффект воздействия

молекул, включая ДНК и белки, а также фонон-

ТГц-излучения на биологические объекты, в экс-

ные резонансы кристаллических решеток, что

периментах in vivo показано, что воздействие из-

позволяет развивать новые методы спектроско-

лучения с определенными частотами стимулиру-

пии биологических и полупроводниковых образ-

ет заживление ожоговых ран [3].

цов, проводить идентификацию молекул. ТГц-

излучение открывает широкие перспективы для

Наиболее простым и удобным объектом для

изучения воздействия ТГц-излучения на живые

Сокращение: ТГц - терагерцовый.

биообъекты являются бактерии Escherichia coli,

535

536

БОЕВ и др.

Рис. 1. Схема мощного терагерцового излучателя.

поскольку генетика, молекулярная биология и

представляет собой двухкаскадный газовый ТГц-

метаболизм этих бактерий хорошо изучены. Та-

лазер с CO₂-оптической накачкой.

ким образом, целью настоящей работы являлось

ТГц-излучатель имеет следующие параметры:

исследование воздействия импульсного ТГц-из-

длина волны - 66 мкм; длительность импульса -

лучения на жизнеспособность микробных

100 нс; энергия в импульсе - 200 мДж; частота

клеток.

повторения импульсов - 0,1 Гц; средняя мощ-

ность - 20 мВт.

Узел облучения терагерцовым излучением

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

включает в себя (см. рис. 2): выходное окно, излу-

чающее ТГц-излучение, медное сферическое зер-

Терагерцовый излучатель и методика облучения

кало диаметром 200 мм, тефлоновую чашку объе-

суспензии клеток. ТГц-излучатель (см. рис.

мом 6 мл для клеточной суспензии и пироэлек-

трический датчик OPHIR, предназначенный для

измерения энергии ТГц-излучения, прошедшего

через образец. С помощью этого датчика экспе-

риментально было установлено, что энергия им-

пульса ТГц-излучения практически полностью

поглощалась суспензией клеток.

Измерительная аппаратура. Определение жиз-

неспособности бактериальных клеток непосред-

ственно в суспензиях проводили с помощью уста-

новки спектрального анализа материалов и аку-

стического датчика на основе линии задержки с

акустической SH₀-волной.

Установка спектрального анализа материалов.

Рис. 2. Схема эксперимента облучения микробных

Измерение коэффициента прохождения электро-

клеток на мощном терагерцовом излучателе.

магнитного излучения через исследуемую сус-

БИОФИЗИКА том 64

№ 3

2019

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

537

Рис. 3. Оптическая схема экспериментальной установки спектрального анализа: 1 - источник излучения, 2-5 - плос-

кие зеркала, 6-8 - зеркальные сферические объективы, 9 - дифракционная решетка, 10 - входная регулируемая

щель, 11 - выходная регулируемая щель, 12 - турель для автоматического переключения светофильтров с модулято-

ром, 13 - объект исследования, 14 - приемник излучения, 15 - оптический стол.

пензию клеток проводили на стенде спектрально-

стабилизации выходной фазы и амплитуды (при-

го анализа материалов, схематически представ-

мерно 10 мин) добавляли порцию бактериофагов.

ленном на рис. 3.

Фаза и амплитуда выходного сигнала скачкооб-

Стенд включает в себя источник излучения

разно изменялись, если в суспензии присутство-

(1), плоские зеркала (2-5), зеркальные сфериче-

вали жизнеспособные клетки, причем величина

ские объективы (6-8), дифракционную решетку

скачка зависела от их количества. В результате

(9), входную регулируемую щель (10), выходную

были получены зависимости изменения фазы и

регулируемую щель (11), турель для автоматиче-

полных потерь выходного сигнала от количества

ского переключения светофильтров с модулято-

ТГц-импульсов, облучающих суспензию.

ром (12), объект исследования (13), приемник

Биологические объекты исследований и их под-

излучения (14) и оптический стол (15). Свет от

готовка. Культивирование микробных клеток и

источника излучения 1 направляется на сфериче-

ское зеркало 6, фокусирующее изображение ис-

точника излучения на входной щели 15 монохро-

матора. Поворотное зеркало 4 и зеркальный сфе-

рический объектив 7, в фокальной плоскости

которого расположена входная щель, направляют

свет на дифракционную решетку 9. После ди-

фракции пучок лучей фокусируется зеркальным

сферическим объективом 8 и направляется пово-

ротным зеркалом 5 в плоскость выходной щели.

Для подавления высших порядков спектра, нало-

женных на рабочую область, служат сменные све-

тофильтры 12. Светофильтры предназначены для

срезания высших порядков дифракции в следую-

щих областях спектра:

0,36-0,60 мкм;

0,6-

1,0 мкм; 1,0-1,5 мкм; 1,5-2,5 мкм; 2,5-3,2 мкм;

3,2-5,3 мкм. Применение различных приемни-

ков излучения 14 позволяло проводить исследо-

вания в спектральном диапазоне длин волн 0,2-

25 мкм.

Датчик на основе линии задержки с акустиче-

ской SH₀-волной. Акустический датчик представ-

Рис. 4. Схема акустического биологического датчика

лял собой линию задержки [4], изготовленную на

на основе линии задержки: 1 - пластина Y-X ниобата

основе пьезоэлектрической пластины Y-X ниоба-

лития, 2 - встречно-штыревые преобразователи, 3 -

та лития толщиной 0,2 мм (рис. 4). Контейнер за-

держатель, 4 - жидкостной контейнер, 5 - исследуе-

полняли исследуемой суспензией клеток и после

мая суспензия..

БИОФИЗИКА том 64

№ 3

2019

538

БОЕВ и др.

гов при значениях длины волны электромагнит-

ного излучения 320 и 269 нм соответственно.

Подготовка микробных клеток. Перед проведе-

нием анализа клетки используемого штамма от-

мывали от культуральной среды троекратным

центрифугированием в течение 5 мин при 2800 g.

Затем полученную суспензию вновь центрифуги-

ровали в течение 1 мин при 110 g для устранения

конгломератов. Оптическую плотность получен-

ного супернатанта доводили дистиллированной

водой до значения ОD₆₆₀ = 0,42-0,45, что соот-

ветствовало концентрации 4,5 · 10⁸ клеток/мл [5].

Электронная микроскопия. Подготовку препа-

ратов для электронно-микроскопического иссле-

дования проводили, как описано в работе [5].

Снимки были получены при ускоряющем напря-

Рис.

5. График зависимости количества колоний

жении 120 кВ на просвечивающем электронном

клеток от числа импульсов ТГЦ-излучения.

микроскопе Libra 120 (Carl Zeiss, Германия) в

Центре коллективного пользования научным

оборудованием в области физико-химической

определение их концентрации. В работе использо-

биологии и нанобиотехнологии

«Симбиоз»

вали микробные клетки Escherichia coli XL-1, по-

(ИБФРМ РАН).

лученные из коллекции ризосферных микроорга-

низмов Института биохимии и физиологии рас-

тений и микроорганизмов РАН (ИБФРМ РАН,

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Саратов; http://collection.ibppm.ru). Для культи-

Для исследования воздействия ТГц-излучения

вирования бактерий использовали стандартную

на жидкую культуру клеток E. coli XL-1 применя-

процедуру, подробно описанную в работе [5].

ли описанный выше терагерцовый излучатель, а

Концентрацию микробных клеток определяли по

контроль полученных результатов осуществляли

величине оптической прозрачности D₅₄₀ на при-

методами стандартного микробиологического

боре «Specol-221» (ГДР) в кювете с толщиной оп-

посева, электронной микроскопии, электроаку-

тического слоя 1,0 см и пересчитывали на вес су-

стического анализа и спектрального анализа.

хих клеток (г/л) по предварительно построенным

Для проведения эксперимента суспензию

калибровочным кривым.

микробных клеток (количество клеток 10⁶ кл/мл)

Определение жизнеспособности клеток микро-

помещали в тефлоновую чашу диаметром 4 см и

биологическим методом. Для определения жизне-

общим объемом 6 мл и подвергали воздействию

способности облученных клеток использовали

ТГц-излучения в соответствии со схемой, пред-

стандартный метод посева на поверхность плот-

ставленной на рис. 2. Образцы суспензии клеток

ной среды с последующим подсчетом выросших

облучали различным количеством импульсов (5 -

колоний, подробно описанный в работе [6]. В ка-

50) ТГц-излучения.

честве контроля использовали данные о вырос-

ших колониях при посеве клеток без их облуче-

Было экспериментально установлено, что по-

ния.

сле прохождения ~ 50 импульсов (энергия 10 Дж)

через образец температура суспензии оставалась

Выделение бактериофагов и определение их кон-

практически неизменной. Это также подтвержда-

центрации. Выделение бактериофагов М13К07,

ется оценкой изменения температуры ΔT после

специфичных к указанным выше клеткам, прово-

поглощения энергии 10 Дж по известной тепло-

дили при низкой температуре в соответствии с

емкости суспензии (воды) C = 4183 Дж/кг·град.

методикой, представленной в работе [5]. Для

Оно оказалось равным ΔT = 0,4°C.

определения количества частиц вирусов исполь-

зовали спектрофотометрический метод. Измере-

Жизнеспособность микроорганизмов опреде-

ния проводили на спектрофотометре UV-VIS

ляется, прежде всего, способностью клеток к де-

Specord BS 250 (Analytik Jena, Германия). Исходя

лению. Поэтому в качестве контроля жизнеспо-

собности клеток каждый образец сразу после об-

из того, что 2 · 10¹⁴ фаговых частиц/мл соответ-

лучения подвергали исследованию с помощью

ствуют 30 опт. ед. [7], для расчетов использовали

стандартного микробиологического посева коло-

следующую формулу: (A₂₆₉ - A₃₂₀) · 10¹⁴/15, где

ний клеток E. coli XL-1 на чашки Петри с твердой

А₃₂₀ и А₂₆₉ - оптическая плотность суспензии фа-

питательной средой LB. Из полученных данных

БИОФИЗИКА том 64

№ 3

2019

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

539

Количество колоний клеток E. coli XL-1 при высеве на плотную среду после воздействия ТГц-излучением

Повторности

Маркировка

Среднее значение

Контроль - клетки без обработки, ×10⁶

194

239

187

206

ТГц облучение, кол-во импульсов:

Клетки после воздействия ТГц-излучения, ×10⁶

5 импульсов (1,0 Дж)

164

157

6 импульсов (1,2 Дж)

155

117

142

138

7 импульсов (1,4 Дж)

176

121

104

133

8 импульсов (1,6 Дж)

102

135

106

114

20 импульсов (4 Дж)

30 импульсов (6 Дж)

40 импульсов (8 Дж)

40 импульсов (повтор) (8 Дж)

50 импульсов (10 Дж)

Контроль - клетки после кипячения в

течение 5 мин

(рис. 5, таблица) видно, что количество колоний,

~6 Дж (30 импульсов), воздействующей на обра-

которое прямо пропорционально количеству

зец суспензии.

жизнеспособных клеток, уменьшается с увеличе-

Известно, что, как и все вирусы, бактериофаги

нием числа импульсов ТГц-излучения.

ведут паразитический образ жизни и их хозяева-

Под гибелью бактерий понимается необрати-

ми являются бактериальные клетки [8,9]. При

мая утрата способности расти и размножаться, а

этом размножение бактериофага возможно толь-

воздействие, приводящее к гибели бактерий, на-

ко в живых клетках [10]. Ранее нами было показа-

зывается бактерицидным. Поскольку процесс

но, что при инфицировании клеток специфич-

жизнедеятельности бактерий хорошо виден под

ным бактериофагом суспензия клеток меняет

микроскопом, для дополнительного контроля

свои физические параметры [11,12]. Поэтому в

полученных данных проводили электронно-мик-

данной серии экспериментов решено было ис-

роскопическое исследование образцов клеток.

пользовать принцип взаимодействия бактерио-

Образцы клеток готовили сразу после их облуче-

фага с микробными клетками как показатель

ния. Электронно-микроскопические снимки

жизнеспособности микроорганизмов. Регистри-

представлены на рис. 6. Установлено, что у под-

руя изменения физических параметров микроб-

вергнутых ТГЦ-излучению клеток наблюдается

ных клеток при их инфицировании бактериофа-

нарушение целостности клеточной мембраны.

гом до и после воздействия на них ТГц-излуче-

Анализируя полученные данные, можно за-

ния, можно сделать вывод о наличии в

ключить, что поврежденные клетки обнаружива-

исследуемой суспензии живых клеток. В качестве

ются при обработке суспензии пятью импульса-

тестовой системы для микробных клеток E. coli

ми ТГЦ-излучения и с увеличением числа

штамма XL-1 использовали специфичный им

импульсов увеличивается количество поврежден-

бактериофаг М13К07. Выбор данной модельной

ных клеток. Как видно из результатов экспери-

системы обусловлен тем, что в литературе хорошо

мента, эффект гибели 38% клеток E.coli XL-1 на-

описан бактериофаг М13К07 и процесс инфици-

ступает уже при пороговом значении энергии

рования им клеток штамма XL-1 [8,13].

БИОФИЗИКА том 64

№ 3

2019

540

БОЕВ и др.

Рис. 6. Электронно-микроскопические снимки клеток E. coli после воздействия ТГц-облучения.

Поэтому для подтверждения эксперименталь-

Видно, что графики, представленные на этих

ных данных о воздействии ТГц-излучения на сус-

рисунках, качественно соответствуют графику на

пензию клеток клеточные образцы подвергали

рис. 5, который показывает, что с ростом числа

также анализу с помощью акустического датчика

импульсов количество живых клеток уменьшает-

путем регистрации информационного сигнала до

ся. Следует отметить, что на рис. 8а и 8б видны

и после добавления специфичного бактериофага.

некоторые аномалии при числе импульсов, рав-

ном 6 и 7. Причина такой аномалии пока неиз-

Сопоставление данных микробиологического

вестна.

посева с данными акустического датчика показа-

ло, что в качестве параметра, однозначно связан-

После облучения ТГц-излучением образцы

ного с количеством живых клеток, можно взять

суспензии клеток подвергали также спектрально-

величину начального скачка полных потерь или

му анализу с помощью установки, представлен-

фазы после добавления специфичных бактерио-

ной на рис. 3. По результатам исследований на

фагов к суспензии клеток (рис. 7а). На представ-

установке спектрального анализа была получена

ленных временных зависимостях фазы и полных

зависимость коэффициента прохождения элек-

потерь датчика для суспензии клеток до облуче-

тромагнитного излучения с длиной волны 10 мкм

ния (клетки жизнеспособные) наблюдается рез-

через облученную суспензию клеток от количе-

кое изменение фазы (от -170 до -430 град) и пол-

ства облучающих импульсов. Видно, что с увели-

ных потерь (от -26 до -55 дБ). На рис. 7б приве-

чением числа импульсов и уменьшением количе-

ства живых клеток коэффициент пропускания

дены данные для суспензии клеток после

увеличивается. Как и в случае с акустическим

облучения 50 импульсами (клетки нежизнеспо-

датчиком (рис. 8), при числе импульсов 6, 7, 8 и 20

собные). В этом случае изменения фазы и полных

наблюдается аномалия, причина которой, как

потерь датчика не происходят. Зависимости из-

уже отмечалось, неизвестна.

менения полных потерь и фазы выходного сигна-

ла датчика от числа облучающих импульсов при

Как уже отмечалось выше, температура сус-

добавлении специфичного бактериофага к сус-

пензии клеток после облучения практически не

пензии клеток представлены на рис. 8а и 8б соот-

изменялась. Это означает, что импульсное воз-

ветственно.

действие ТГц-излучения на клетки имело нетеп-

БИОФИЗИКА том 64

№ 3

2019

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

541

Рис. 7. (а) - Временные зависимости полных потерь

и фазы выходного сигнала акустического датчика до

Рис. 8. (а) - Зависимость изменения полных потерь

и после добавления бактериофагов к суспензии

акустического датчика от числа облучающих импуль-

клеток (клетки жизнеспособные); (б) - временные

сов при добавлении специфичного бактериофага к

зависимости полных потерь и фазы выходного

суспензии клеток; (б) - зависимость изменения фазы

сигнала акустического датчика до и после добавления

акустического датчика от числа облучающих импуль-

бактериофагов к суспензии клеток (клетки

сов при добавлении специфичного бактериофага к

нежизнеспособные)..

суспензии клеток.

ловой характер. Здесь следует более детально

энергии импульса (W = 0,2 Дж), теплоемкости

остановиться на физике явлений, происходящих

суспензии (C_уд = 4183 Дж/(кг град)), объему при-

в суспензии клеток при облучении ТГЦ-излуче-

поверхностного слоя (V = 12,56 · 10^-9 м³) и плот-

нием. Известно [14], что коэффициент поглоще-

ности cуcпензии (ρ = 10^-3 кг/м³) по известной

ния такого излучения при длине волны 66 мкм

формуле [15]

равняется примерно 800 Нп/см. Это означает, что

глубина проникновения электромагнитной вол-

W = C

VρΔT,

(1)

уд

ны в суспензию составляла всего 10 мкм при вы-

можно определить изменение температуры ΔT,

соте тефлоновой чаши, заполненной суспензией,

которое оказалось равным 3,8 град. Очевидно,

равной 5 мм. Тем не менее 50 импульсов излуче-

что такое изменение температуры не может при-

ния убивали практически все клетки в полном

вести к гибели бактерий.

объеме. Поэтому полученные результаты можно

объяснить следующим образом. Падающий им-

Поскольку частота повторения импульсов со-

пульс излучения убивает все живые клетки на глу-

ставляет 0,1 Гц, то к моменту прихода следующего

бине 10 мкм. При этом по известным значениям

импульса проходит 10 с. Представляется интерес-

БИОФИЗИКА том 64

№ 3

2019

542

БОЕВ и др.

терагерцевыми импульсами происходят два неза-

висимых процесса: уничтожение всех клеток

вблизи поверхности одним падающим импуль-

сом и поступление живых клеток в поверхност-

ный слой суспензии за счет естественной диффу-

зии в промежутках между импульсами одной

серии.

Полученные эксперименты открывают воз-

можность регулировать жизнеспособность бакте-

риальных клеток путем воздействия ТГц излуче-

ния с определенными параметрами.

Работа выполнена при частичной финансовой

поддержке Российского фонда фундаментальных

исследований (проекты №№ 19-07-00300 и 19-07-

Рис. 9. Зависимость коэффициента прохождения

00304).

электромагнитного излучения с длиной волны 10 мкм

через облученную суспензию клеток от количества

облучающих импульсов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

А. А. Ангелуц, А. В. Балакин, М. Г. Евдокимов и

др., Квантовая электроника 44 (7), 614 (2014).

ным оценить время, в течение которого началь-

ная температура T₁ приповерхностного слоя по-

Y. C. Sim, J. Y. Park, K.-M. Ahn, et al., Biomed. Opt.

сле облучения и температура T₀остальной части

Express. 4 (8), 1413 (2013).

суспензии станут одинаковыми. Для этого вос-

N. V. Ostrovskiy, C. M. Nikituk, V. F. Kirichuk, et al.,

пользуемся соотношением (2), которое следует из

in Proc. Joint 30th Int. Conf. on Infrared and Millimeter

уравнения Ньютона-Рихмана [15]:

Waves and 13th Int. Conf. on Terahertz Electronics

“IRMMW-THz 2005” (2005), V. 1, p. 301.

T(t) = T₁ + e-k t(T₀ - T₁),

(2)

I. Borodina, B. Zaitsev, A. Teplykh, et al., in Proc. of

где T(t) - мгновенное значение температуры слоя в

IEEE Int. Ultrason. Symp. (Taipei, Taiwan, 2015). DOI:

момент времени t, k = AS/C_слоя, где A - коэффициент

10.1109/ULTSYM.2015.0525.

теплоотдачи (для разных слоев воды), S -

О. I. Guliy, B. D. Zaitsev, I. A. Borodina, et al., Talanta

площадь контакта слоя с основной массой суспен-

зии, C_слоя - теплоемкость слоя. В нашем случае A =

178, 569 (2018).

= (140-340) Вт/(м² град), S = πd²/4 = 12,56 · 10^-4 м²,

O. I. Guliy, V. D. Bunin, D. O’Neil, et al., Biosensors

and Bioelectronics 23, 583 (2007).

Cслоя = Судm = 5,25 · 10-2 Дж/град, где m = ρV = 12,56 ·

G. P. Smith and J. K. Scott, Methods Enzymol. 217,

· 10^-6 кг - масса слоя. Отсюда следует, что

температура слоя через 2 с будет равняться T(t = 2 с) =

228 (1993).

=T₁ + e^-6,7(T₀ - T₁) = T₁ + 0,001(T₀ - T₁) = (T₁ +

L. W. Deng, P. Malik, and R. N. Perham, Virology 253,

+ 0,0038) град.

271 (1999).

Итак, полная температурная релаксация сус-

E. M. Click and R. E. Webster, J. Bacteriol. 179, 6464

пензии происходит через 2 с. А за оставшиеся 8 с

(1997).

до прихода второго ТГц импульса происходит по-

10.

М. Адамс, Бактериофаги (Медгиз, М., 1961).

ступление живых бактериальных клеток в припо-

11.

О. И. Гулий, Б. Д. Зайцев, И. Е. Кузнецова и др.,

верхностный слой вследствие естественной диф-

фузии, которые уничтожаются вторым ТГц-им-

Биофизика 60 (4), 722 (2015).

пульсом. Далее все эти процессы повторяются.

12.

О. И. Гулий, Б. Д. Зайцев, И. А. Боpодина и др.,

Следовательно, с ростом числа импульсов коли-

Биофизика 61 (4), 744 (2016).

чество живых клеток в суспензии уменьшается, и

после 50 импульсов живых клеток в полном объе-

13.

P. Endemann, J. Mol. Biol. 250, 496 (1995).

ме суспензии практически не остается. При этом

14.

J. Hu, K. W. Plaxco, and J. Allen, J. Chem. Phys. 124,

температура суспензии объемом 6 мл поднимает-

036101-1 (2006).

ся всего на 0,4°C. Для бактерий группы кишечной

15.

В. Н. Луканин, М. Г. Шатров, Г. М. Камфер и др.,

палочки такое незначительное увеличение темпе-

ратуры не может быть причиной их гибели. Та-

Теплотехника, Учебник для ВУЗов,

2-е изд.

ким образом, при облучении суспензии клеток

(Высш. шк., М., 2000).

БИОФИЗИКА том 64

№ 3

2019

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

543

Investigation of the Impact of Terahertz Electromagnetic Radiation

on Microbial Cell Viability

S.F. Boev*, A.I. Vagin*, S.Yu. Solomatin*, D.V. Savostyanov*, V.V. Siluyanov*, A.S. Shmakov*,

B.D. Zaitsev**, A.A. Teplykh**, I.A. Borodina**, O.A. Karavaeva***, and O.I. Guliy*** ****

*Scientific and Research Institute for Long-Distance Radio Communications, ul. 8 Marta 10/5, Moscow 127083 Russia

**Saratov Branch of Kotel’nikov Institute of Radio Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences,

ul. Zelenaya 38, Saratov, 410019 Russia

***Institute of Biochemistry and Physiology of Plants and Microorganisms, Russian Academy of Sciences,

prosp. Entuziastov 13, Saratov, 410049 Russia

****Saratov State Vavilov Agrarian University, Teatralnaya pl. 1, Saratov, 410012 Russia

The effect of pulsed terahertz radiation at 66 μm wavelength, pulse duration, 100 ns and pulse energy, 200 mJ

on a suspension of microbial cells was investigated. It has been established that the effect of terahertz radiation

leads to cell death at a total energy value of ~ 6 J. Since the temperature of the cell suspension after radiation

remained almost unchanged, it implies that pulsed terahertz radiation exhibits a non-thermal effect. Seed in-

oculation technique, electron microscopy, electroacoustic analysis and spectral analysis were used in order to

verify the results. The results obtained open prospects for governing the viability of bacterial cells using tera-

hertz radiation with certain parameters.

Keywords: viability, electromagnetic radiation of the terahertz range, bacteriophages, Escherichia coli, electro-

acoustic method of analysis

БИОФИЗИКА том 64

№ 3

2019