Влияние излучения на микроорганизмы

Солнечное излучение, проходящее через верхние слои атмосферы и достигающее поверхности Земли состоит из электромагнитных волн с длиной 300-10.000 нм.

75 % падающего на Землю света - это видимая часть спектра – охватывает диапазон 390-760 нм. Эта часть воспринимается человеческим взглядом.

20 % - инфракрасное излучение (ближнее) с λ волн от 790 нм и далее (790-1100).

5 % - УФ с λ волн 300-380 нм.

Озоновый слой поглощает волны с длиной 220-300 нм.

 

Влияние видимого света на микроорганизмы

Видимый свет используется фотосинтезирующими микроорганизмами. Спектральный состав ФАР различен для разных групп микроорганизмов и зависит от набора пигментов. Оксигенный фотосинтез (цианобактерии, прохлорофиты) возможен в диапазоне от 300 до 750 нм. У этих бактерий хлорофилл а и b, с максимумом поглощения 680-685 и 650-660 нм, соответственно. У цианобактерий фикобилипротеиды (красные и синие пигменты) поглощают свет с длиной 450-700 нм.

Аноксигенный фотосинтез (пурпурные, зеленые бактерии) – в диапазоне от 300 до 1100 нм. Бактериохлорофилл b поглощает свет с длиной волны 1020-1040 вплоть до 1100 нм.

У всех фотосинтезирующих прокариот дополнительные светособирающие пигменты – каротиноиды, поглощающие свет в синей и сине-зеленой части спектра (450-550 нм).

Фототрофные бактерии обитают в анаэробной зоне водоемов, где есть H₂S. На глубину 10-30 м инфракрасное излучение не проникает, максимум энергии приходится на свет λ волн 450-500 нм.

Видимый свет влияет на поведение фототрофных бактерий. Наблюдается явление фототаксиса. Ф. – это реакция бактерий на изменение спектрального состава света или освещенности. У эубактерий фоторецепторами служат бактериохлорофиллы и каротиноиды. У архей обнаружены специальные сенсорные пигменты (у галобактерий сенсорные родопсины). Положительный фототаксис – движение бактерий к свету, отрицательный – движение клеток в сторону уменьшения освещенности.

Для некоторых бактерий, не использующих энергию света, он служит в качестве регулятора определенных процессов обмена. Так, у водной бактерии P. putida наблюдали активацию светом некоторых ферментов, что можно рассматривать как адаптацию, поскольку именно при освещении начинается синтез фитопланктона, продукты, которого используются этой гетеротрофной бактерией.

Для некоторых нефотосинтезирующих бактерий характерна фотохромность. Фотохромность – это зависимость образования пигментов от освещения. Характерна для миксобактерий, многих актиномицетов и близких им микроорганизмам. Например, синтез каротиноидов некоторыми микобактериями стимулируется синим цветом. Фотохромность может контролироваться как хромосомными, так и плазмидными генами. Пигменты способны защищать эти микроорганизмы от действия видимого цвета.

Солнечный свет обладает сильным антимикробным действием. Действие видимого света ответственно менее, чем за 1 % летальный повреждений (80 % летальных повреждений связано с действием света длиной волны менее 312 нм). Видимый свет длиной волны 450 нм индуцирует замены пар оснований и мутации сдвига рамки у E. coli. Световые волны длиной 550 нм, и особенно 410 нм вызывают фотолизис Myxococcus xanthus. Эффект определяется поглощением света железопорфиринами.

Существуют вещества фотосенсибилизаторы, в молекуле которых имеется хромофор, поглощающий свет и передающий его энергию другим молекулам, не способным поглощать свет. Через бесцветные клетки свет проходит без последствий. Но если ввести в такую клетку фотосенсибилизатор, она повреждается. Природные фотосенсибилизаторы – хлорофилл, фикобилины, порфирины и др.

 

Влияние инфракрасного излучения на микроорганизмы

Для излучения с длиной волны более 1100 нм к настоящему времени не зарегистрировано каких-либо биологических эффектов. Основное действие инфракрасного излучения – нагревание.

 

Влияние ультрафиолетовых лучей на микроорганизмы

Для микроорганизмов наиболее опасно УФ-излучение. Различают ближний, средний и дальний УФ.

Ближний УФ – это излучение с длиной волны 400-320 нм.

Средний УФ – λ= 320-290 нм.

Дальний УФ – λ= 290-200 нм.

 

Ближний УФ в небольших дозах нарушает механизмы движения и таксиса. При этом хромофором является флавопротеин.

В сублетальных дозах вызывает замедление роста, скорость деления клеток, угнетается индукция ферментов, способность бактерий поддерживать развитие фага.

Эти эффекты определяются тем, что у бактерий в т-РНК в 8-й позиции присутствует необычное основание 4-тиоуридин (отсутствует у эукариот). Это основание интенсивно поглощает УФ, наибольший эффект оказывает свет с длиной волны 340 нм. Возбужденный светом 4-тиоуридин связывается с цитозином, находящемся в 13-м положении в т-РНК, что препятствует связыванию т-РНК с аминокислотами, и, следовательно, ведет к приостановке синтеза белка.

При относительно высоких дозах ближнего УФ – мутагенный и летальный эффекты. Нарушения ДНК при этом не столько сами УФ-лучи, сколько другие возбужденные светом молекулы. Также в этих эффектах имеет значение поглощение ближнего УФ 4-тиоуридином. Мутагенное и летальное действие зависит от присутствия кислорода.

Летальный эффект связан не только с повреждениями ДНК, но и мембран (их транспортных систем).

Биологические эффекты среднего и дальнего УФ сходны. ДНК интенсивно поглощает УФ в области 240-300 нм., т.е. в области среднего и дальнего УФ с пиком поглощения в области 254 нм В лаб. УФ-лампах преобладает излучение в области 260 нм (нижний предел длины волны света, падающего на земную поверхность, около 290 нм).

Средний и дальний УФ вызывает мутагенный и летальный эффекты. Основной механизм повреждающего действия – образования пиримидиновых димеров. В состав димеров могут входить два соседних тиминовых (Т-Т) или цитозиновых (С-С) или тиминовый и цитозиновый (Т-С). Образование димеров происходит за счет ковалентных взаимодействий между основаниями ДНК. Кроме этого, происходит разрыв водородных связей в ДНК. Это (и 1, и 2) ведет к появлению нежизнеспособных мутантов. Также под действием УФ происходит гидроксилирование цитозина и урацила, образование сшивок ДНК с белком, формирование поперечных сшивок ДНК, денатурация ДНК.

В связи с повреждающим и летальным действием УФ-лучи, несмотря на то, что это наиболее богатые энергией лучи, в процессе фотосинтеза не используются. Нижний предел фотосинтеза – это использование волн с длиной 450 нм.

 

Влияние ионизирующего излучения на микроорганизмы

Ионизирующее излучение – это излучение с очень высокой энергией, способно выбивать электроны из атомов и присоединять их к другим атомам с образованием положительных и отрицательных ионов. Полагают, что ионизация – основная причина радиационного повреждения цитоплазмы, и степень повреждения пропорциональна числу пар ионов.

Свет и большая часть солнечного излучения не обладают такой способностью.

Источником ионизирующего излучения служат радиоактивные вещества, содержащиеся в горных породах. Также поступает из космоса. В период солнечных вспышек повышается радиационный фон.

Искусственное ионизирующее излучение возникает в результате испытаний ядерного оружия, работы АЭС, применения радиоизотопов в медицине, науке и т.д.

Важное экологическое значение имеют следующие виды ионизирующего излучения:

1. α-излучение – корпускулярное излучение – это ядра атомов гелия. Длина пробега в воздухе несколько см. Их останавливает лист бумаги или роговой слой кожи человека. Однако, будучи остановленными вызывают сильную локальную ионизацию.

2. β-излучение - корпускулярное излучение – это быстрые электроны. Длина пробега в воздухе несколько метров, а в ткани несколько см.

α-излучение и β-излучение обладают наибольшим эффектом, будучи поглощены живой тканью.

3. γ-излучение – ионизирующее электромагнитное излучение. Обладает высокой проникающей способностью. Легко проникает в живые ткани. Может оказывать действие, когда источник излучения находится вне организма.

4. Рентгеновское излучение - электромагнитное излучение, очень близко к γ-излучению.

К ионизирующему излучению наиболее устойчивы микроорганизмы (более 10⁶ Рад). 1 Рад – это такая доза излучения, при которой на 1 г ткани приходится 100 эрг энергии. 1 Рентген=1 Рад. Млекопитающие чувствительны к дозе 100 Рад.

Механизм повреждающего действия

Основная мишень для ионизирующего излучения – ДНК. Повреждения ДНК бывают прямыми и опосредованными. Прямые – это одноцепочечные или двухцепочечные разрывы ДНК. Бывают редко.

Более часты опосредованные повреждения. Возникают в связи с образованием свободных радикалов, которые вызывают одно- и двухцепочечные разрывы (модифицируют пиримидиновые основания), что ведет к денатурации ДНК. Кроме того, возникающие свободные радикалы вызывают денатурацию белка. Все это приводит к гибели микроорганизмов, в т.ч. вирусов.

 

Механизмы радиоустойчивости

1. Основным механизмом радиорезистентности (как к УФ, так и ионизирующему облучению) является хорошо отлаженная система репарации ДНК.

2. Пигменты (каротиноиды) обладают радиопротекторными свойствами, но обеспечивают эффективную защиту от действия УФ.

3. Наличие в клетках веществ-радиопротекторов (например, серусодержащие аминокислоты у D. radiophilus), защищает клетку от излучения, но этот механизм недостаточен.

4. Клеточная стенка может играть роль в системах репарации ДНК. У D. radiophilus под действием радиации высвобождается фермент экзонуклеаза, участвующий в репарации ДНК.

5. Увеличенное содержание ДНК.

 

Радиорезистентность микроорганизмов варьирует в широких пределах. Степень устойчивости организма к излучениям различных типов, особенно УФ и ионизирующим излучениям могут не совпадать.

Одним из наиболее резистентных к УФ-излучению считается морской жгутиконосец Bodo marina. Устойчивость может быть связана с особенностями места обитания. Так, микроорганизмы, выделенные из родоновых источников, оказываются в 3-10 раз более резистентными к радиации, чем их сородичи из обычных мест обитания.

В охладительных системах ядерных реакторах, где доза излучения превышает 10⁶ ФЭР (физический эквивалент рентгена) обитают разные бактерии, в т.ч. рода Рseudomonas.

Одна из наиболее устойчивых бактерий как к УФ, так и γ-излучению относится к дейнококкам (р. Deinococcus) – D. radiophilus. Эта бактерия, видимо, способна репарировать даже двухнитевые разрывы ДНК, летальные для большинства микроорганизмов.