Влияние электромагнитной обработки на биотехнологические объекты различного уровня организации

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Казанский национальный исследовательский

технологический университет

А. Ю. Крыницкая, П. П. Суханов, П. П. Крыницкий

ВЛИЯНИЕ 

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ 

НА БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ 

ОБЪЕКТЫ РАЗЛИЧНОГО УРОВНЯ 

ОРГАНИЗАЦИИ

Монография

Казань

Издательство КНИТУ

2022

УДК 663.1:621.317
ББК 36-1:31.264

К85

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

гл. технолог ЗАО «Казанский уксусный завод» Е. А. Поликасова 

канд. техн. наук, доц. С. Н. Савдур

К85

Крыницкая, А. Ю. 
Влияние электромагнитной обработки на биотехнологические объекты 
различного уровня организации : монография / А. Ю. Крыницкая,
П. П. Суханов, П. П. Крыницкий; Минобрнауки России, Казан. нац. 
исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2022. – 104 с.

ISBN 978-5-7882-3190-7

Исследуются особенности отклика нано- и микромасштабных биологи-

ческих структур на неинвазивное бесконтактное низкоинтенсивное воздействие 
относительно нового экзогенного фактора – электромагнитных полей 
крайне высоких частот малой (нетепловой) интенсивности, которые представляют 
несомненный интерес для понимания процессов, протекающих в биообъ-
ектах прикладного назначения – от консорциумов микроорганизмов в различных 
состояниях до наноразмерных клеточных и внеклеточных структур, определяющих 
активность биологической среды. 

Рекомендуется технологам и руководителям медицинской, сельскохозяй-

ственной, пищевой и биотехнологической промышленности, а также студентам 
соответствующих специальностей, в особенности тем, кто изучает курсы, включающие 
в себя разделы, посвященные процессам и аппаратам биотехнологии. 

Подготовлена на кафедре пищевой биотехнологии.

ISBN 978-5-7882-3190-7 
© Крыницкая А. Ю., Суханов П. П., 

Крыницкий П. П., 2022

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2022

УДК 663.1:621.317
ББК 36-1:31.264

2 

С О Д Е Р Ж А Н И Е

Список сокращений ...............................................................................................5

Введение..................................................................................................................6

Глава 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ОБРАБОТКА ДРОЖЖЕВОЙ 
КУЛЬТУРЫ ............................................................................................................9

1.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ БАЗА ИССЛЕДОВАНИЯ............................................10

1.1.1. Материалы и методы.........................................................................10
1.1.2. Условия культивирования ................................................................11
1.1.3. Методы анализа .................................................................................11

1.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ................12
1.3. ВЛИЯНИЕ ЭМП КВЧ НА КИНЕТИКУ РОСТА ДРОЖЖЕВОЙ БИОМАССЫ.......15
1.4. АНАЛИЗ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ БИОЭФФЕКТА ....................................19
1.5. ВЛИЯНИЕ ЭМП КВЧ НА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ДРОЖЖЕЙ 

К АНТИБИОТИКАМ..............................................................................................22

1.5.1. Механизмы активности антибиотиков ............................................22
1.5.2. Влияние ЭМО на чувствительность Saccharomyces cerevisiae 509
к антибиотикам............................................................................................25
1.5.3. Влияние ЭМП КВЧ на метаболические процессы в 
микроорганизмах.........................................................................................29

Глава 2. РЕГУЛИРОВАНИЕ АКТИВНОСТИ АМИЛОЛИТИЧЕСКИХ 
ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ ........................................................................35

2.1. ФЕРМЕНТЫ И ИХ СВОЙСТВА .......................................................................35
2.2. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ НИЗКОИНТЕНСИВНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ

ОБРАБОТКИ ФЕРМЕНТНОГО ПРЕПАРАТА «АМИЛАЗА НТ 4000 N».....................39
2.3. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ НИЗКОИНТЕНСИВНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ

ОБРАБОТКИ ФЕРМЕНТНОГО ПРЕПАРАТА ««ПРОТЕАЗА» »..................................48
2.4.СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭМП КВЧ НА 

ГИДРОЛИТИЧЕСКИЙ ФЕРМЕНТНЫЙ ПРЕПАРАТ...................................................60

2.4.1. Экспериментальная база исследований...........................................60
2.4.2. Отклик ферментного препарата на ЭМП КВЧ................................61

Глава 3. ВЛИЯНИЕ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО 
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ КВЧ-ДИАПАЗОНА 
НА МОДЕЛЬНЫЕ ЛИПИДНЫЕ МЕМБРАНЫ И ИХ ВОДНОЕ 
ОКРУЖЕНИЕ.......................................................................................................72

3.1. МОДЕЛЬНЫЕ ЛИПИДНЫЕ МЕМБРАНЫ .........................................................72
3.2. ЭМО И МЕТОДЫ АНАЛИЗА МОДЕЛЬНЫХ ЛИПИДНЫХ МЕМБРАН..................74
3.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭМП КВЧ НА МОДЕЛЬНЫЕ 

БИОМЕМБРАНЫ И ИХ ВОДНОЕ ОКРУЖЕНИЕ МЕТОДОМ ЯМР...............................75
3.4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭМП КВЧ НА ВОДНОЕ ОКРУЖЕНИЕ 

МОДЕЛЬНЫХ БИОМЕМБРАН ПО ХАРАКТЕРУ ОТКЛИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИ 

ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ .......................................................................................82

Заключение ...........................................................................................................91

Библиографический список.................................................................................93

4 

С П И С О К  С О К Р А Щ Е Н И Й

АБ – антибиотик
АЦ – амоксициллин 
АОЕ – антиоксидантная емкость
Д – дрожжи
ИЧ – ингибирующая частота
КВЧ – крайне высокие частоты
К – контроль, контрольный уровень
КЖ – культуральная жидкость
КПМГ – методика измерения времен ЯМР-релаксации Карра–Парселла–
Мейбума– Гилла
ЛеМЦ – левомицитин
ЛиМЦ – линкомицин
МКО – микроорганизм(ы)
НГ – непрерывная генерация
ОЭДФ – гидрооксиэтилидендифосфоновая кислота
ПА – протеолитическая активность
ПМ – полимиксины  
ПМР – протонный магнитный  резонанс
ППЭ – плотность потока  энергии
ПОЛ – перекисное окисление липидов 
РВ – редуцирующие вещества
СЧ – стимулирующая (частота)
СМД – сверхмалые добавки (дозы)
СВЧ – сверхвысокие частоты
СПН – спад поперечной намагниченности
ССИ – спад свободной индукции
Трилон Б – двухводная динатриевая соль этилендиамин-N,N,N,N’-тет-
рауксусной кислоты
Трис – трис-2амино-2гидроксиметил-1,3-пропандиол
ФП – ферментный препарат
ФХ – фосфатидилхолин
ЦПМ – цитоплазматическая мембрана
ЦТК – цикл трикарбоновых кислот (цикл Креббса)
ЭМП – электромагнитное поле
ЭМС – электромагнитный сигнал
ЭМО – электромагнитная обработка
ЯМР – ядерный магнитный резонанс

В В Е Д Е Н И Е

В последнее время в качестве одного из перспективных физических 

методов воздействия на биологические системы разного уровня организации 
рассматривается использование технологий ЭМП (электромагнитных 
полей) КВЧ (крайне высоких частот или миллиметрового (мм) диапазона 
волн) низкой интенсивности, совокупность которых можно охарактеризовать 
как электромагнитную обработку (ЭМО) биообъектов [1]. Ее отличительными 
чертами являются: бесконтактность, экологическая и физиологическая 
безвредность используемого неионизирующего ЭМП для 
субъектов окружающей среды и целевого объекта, а также возможность 
применения ЭМО для решения поставленных задач по различным 
направлениям развития технологий промышленных биопрепаратов 
сельскохозяйственного, пищевого, медицинского и (или) биотехнологического 
назначения [1–10].

При этом понимание механизмов процессов любой сложности 

начинается с обзора и первоначального анализа имеющихся экспериментальных 
закономерностей и фактов. Этому и посвящена работа, 
призванная ознакомить читателя с оригинальными материалами, описывающими 
использование ЭМП КВЧ низкой (нетепловой) интенсивности 
для регулирования активности биообъектов различного масштаба, 
одновременно прямо или косвенно проливающими дополнительный 
свет и на механизмы взаимодействия ЭМП КВЧ с биологическими 
системами и (или) средами.

По определению энциклопедического словаря нанотерминов к био-

логическим нанообъектам относятся ферменты, липосомы, мембранные 
структуры, антибиотики и т. п. Микроорганизмы можно отнести к категории 
микробиообъектов. Вся эта иерархия живого входит в состав разнообразных 
продуктов и (или) препаратов медицинского, пищевого, биотехнологического 
или сельскохозяйственного производства. Поэтому особенности 
отклика нано- и микромасштабных биологических структур на 
экзогенные факторы разнообразной природы, в том числе низкоинтен-
сивных ЭМП КВЧ, представляют несомненный интерес для понимания 
процессов, протекающих в биообъектах прикладного назначения – от 
консорциумов микроорганизмов (МКО) в различных состояниях до 
наноразмерных клеточных и внеклеточных структур, определяющих 
активность биологической среды.

Кроме того, электромагнитные волны в природе существовали 

всегда, и самым мощным их естественным источником, наиболее 

близким к Земле, является Солнце. Без наличия солнечных электромагнитных 
волн жизнь на нашей планете была бы невозможна. Однако 
в настоящее время к этому огромному количеству электромагнитной 
энергии естественного происхождения человек в процессе своей практической 
деятельности непрерывно добавляет немало новой, создаваемой 
искусственным путем. В результате масштабы использования 
электромагнитных волн в практической деятельности человека стали 
во многом определять уровень современной цивилизации. Поэтому 
вполне понятен интерес к исследованиям последствий воздействия 
электромагнитных волн на процессы жизнедеятельности и уровень 
экологической безопасности окружающей нас среды, а также возможностей 
целенаправленного использования электромагнитных полей 
в медицине, пищевой, биотехнологической промышленности и сельском 
хозяйстве.

Напомним основные уже установленные закономерности от-

клика биологических объектов на воздействие ЭМП КВЧ [1–11]:

1. Характер биологического отклика обрабатываемого объекта 

зависит от частоты воздействующих на него волн, причем каждое конкретное 
действие имеет место лишь в узких полосах частот, составляющих 
нередко 10–3 −10–4 часть от значения центральной частоты.

2. Известно, что резонансный эффект можно наблюдать только 

в тех случаях, когда частота поглощения электромагнитной волны какой-
либо структурой совпадает с частотой падающего миллиметрового 
электромагнитного поля. В этой связи предполагается, что упомянутый 
выше отклик биологического объекта любого масштаба (от нанораз-
мерного до макроскопического) подчиняется этой закономерности.

3. Оптимальные величины энергетических параметров воздей-

ствия миллиметровых волн на биосистемы, не вызывающие побочных 
реакций, соответствуют малым и сверхмалым дозам с плотностью потока 
мощности от нескольких мкВт/см2 (т. е. порядка 10–2 Вт/м2) до 
10 мВт/см2 (100 Вт/м2).

4. Возрастание плотности потока энергии после некоторого ми-

нимального порога, различного для разных биообъектов, далее не влияет 
на интенсивность отклика.

5. Биологический эффект КВЧ-поля проявляется спустя некото-

рое время после начала обработки. Оптимальное время составляет 
обычно от 5–20 мин до одного часа. Следовательно, биологический эффект 
носит кумулятивный характер.

Изложенные в пунктах 1–5 особенности всегда проявляются сов-

местно, что свидетельствует об их глубокой взаимосвязи, анализируя 

закономерности проявления которых, можно строить гипотезы о механизмах 
воздействия ЭМП КВЧ на биологические объекты и их соответствующего 
отклика.

Источником электромагнитного поля в проведенных исследова-

ниях служили две экспериментальные установки, способные генерировать 
волны разной длины. В качестве источника ЭМП в диапазоне частот 
37,5–53,57 ГГц применялся генератор сигналов высокочастотный 
Г4–141 (Россия) со следующими характеристиками: выходная мощность 
не менее 4×10–3 Вт, пределы регулировки выходной мощности 
0–30 дБ, поле на выходе линейно поляризовано. 

В приборе применена электрическая перестройка частоты. Неста-

бильность частоты прибора Г4–141 за 15 мин не более 15 МГц, пределы 
допускаемой основной погрешности частоты − не более 1,5 %.

КВЧ-воздействие в диапазоне частот 53,57–78,33 ГГц осуществ-

лялось с помощью генератора электромагнитного поля Г4–142 (Россия). 
Технические характеристики генератора: выходная мощность не 
менее 4×10–3 Вт, пределы регулировки выходной мощности 0–30 дБ. 
Установка частоты осуществлялась ступенчатым переключателем по 
разрядам, расположенным на передней панели генератора. Нестабильность 
частоты прибора Г4–142 за 15 мин не более 15 МГц, погрешность 
установки частоты − 1 %. На выходе обоих генераторов установлена 
пирамидальная рупорная антенна.

Электромагнитную обработку микроорганизмов и иных биообъ-

ектов, находящихся в чашке Петри диаметром 10 см с толщиной обрабатываемого 
поверхностного слоя 1–2 мм, проводили в режиме непрерывной 
генерации. Остальные условия проведения экспериментов 
представлены по мере их изложения.

8 

Г л а в а 1 .  Э Л Е К Т Р О М А Г Н И Т Н А Я  О Б Р А Б О Т К А  

Д Р О Ж Ж Е В О Й  К У Л Ь Т У Р Ы

Стимуляция роста, улучшение технологических показателей 

микробиологической культуры, а также оптимизация процесса культивирования 
являются актуальными задачами биотехнологии [1–3]. 
Одним из возможных путей стимуляции роста микроорганизмов является 
обработка культуры электромагнитными полями миллиметрового 
диапазона [4–8]. Специфика действия ЭМП заключается в том, что, во-
первых, они влияют на некоторые универсальные процессы, регулирующие 
жизнедеятельность микроорганизмов [9–14]; во-вторых, биологические 
эффекты от ЭМП не связаны ни с нагревом, ни с радиационным 
разрушением тканей; в третьих, в основе биологического действия 
миллиметровых волн на организмы лежит способность живых 
тканей поглощать энергию этих полей и реагировать на колебания, возбуждаемые 
внешним полем [9–16]. 

В настоящее время исследования в данной области ведутся до-

статочно интенсивно, однако усилия исследователей в основном 
направлены на изучение реакций высокоорганизованных биологических 
объектов, таких как животные и человек [4–16]. В этой связи микроорганизмы 
остаются наименее изученными биосистемами, хотя при 
правильном подборе параметров  применение электромагнитной обработки (
ЭМО) позволяет существенно расширить возможности регулирования 
процессов метаболизма микробных культур [17–27]. Кроме 
того, исследования последствий электромагнитной обработки биообъ-
ектов важны и в экологическом отношении. Например, ЭМП 
КВЧ-диапазона в последнее время активно предлагается использовать 
для реализации сотовой связи, причем уже в настоящее время они применяются 
для поддержания связи с космическими спутниками. Учитывая 
усиливающуюся антропогенную нагрузку на биогеоценоз, в частности 
со стороны электромагнитного фона, можно ожидать существенных 
изменений, в том числе и в формирующемся микробном сообществе. 
В этой связи знание возможных реакций микробных популяций 
на подобного рода воздействия, несомненно, крайне востребовано. 

Таким образом, учитывая широкое распространение в природе, 

а также важное технологическое и экологическое значение хлебопекарных 
дрожжей, в качестве объекта и первичной цели настоящей работы 
были выбраны исследования влияния электромагнитного поля 
в диапазоне частот 58,0–63,0 ГГц на рост биомассы и основные 

технологические показатели дрожжей Saccharomуces cerevisiae 509, на 
основе результатов которого было также проведено изучение влияния 
антибиотиков и оценка масштабов возможного пролонгированного 
действия на тот же биообъект ЭМП КВЧ различной (стимулирующей 
или ингибирующей) направленности.

1 . 1 .  Э к с п е р и м е н т а л ь н а я  б а з а  и с с л е д о в а н и я

1 . 1 . 1 .  М а т е р и а л ы  и  м е т о д ы

Объектом исследования являлась культура 
Saccharomyces 

cerevisiae 509, используемая в хлебопекарной промышленности в виде 
прессованных дрожжей, получаемых различными способами.

Товарные прессованные дрожжи относятся к скоропортящимся 

продуктам. Согласно ГОСТ 171-81 готовые дрожжи должны иметь 
влажность не более 70 %; подъем теста до 70 мм не более 75 мин; маль-
тазную активность 60–90 мин и зимазную активность 50–60 мин при 
определении газометрическим методом [28–30]. 

Обработку культуры дрожжей проводили на генераторе 

ЭМИ ГЧ-142, диапазон исследуемых частот составлял 61,0– 63,0 ГГц, 
время экспозиции – 5 мин, расстояние от рупора до объекта – 5 см.

Для культивирования дрожжей использовались две среды. 

Твердая среда применялась для хранения музейной культуры, получения 
свежей культуры дрожжей и посевного материала.

Жидкая питательная среда использовалась для накопления био-

массы. В качестве твердой питательной среды  применялся агар Са-
буро следующего состава:

– пептон – 12,0 г;
– экстракт кормовых дрожжей – 5,0 г;
– глюкоза – 30,5 г;
– хлорид натрия – 5,0 г;
– агар микробиологический – 9,0 г;
– вода водопроводная – 1000 мл.
После смешения всех компонентов колбу нагревали на водя-

ной бане до полного растворения агара и стерилизовали 30 мин при 

давлении 0,5 атм [29]. Из жидких питательных сред была использована 
жидкая питательная среда Сабуро следующего состава:

– глюкоза – 40 г;
– пептон основной сухой – 10 г;
– вода водопроводная – 1000 мл.
После полного растворения компонентов в воде, среда также 

стерилизовалась в автоклаве в течение 30 мин при давлении 
0,5 атм [30]. Дополнительные растворы микроэлементов и витаминов 
в питательную среду не вводились.

1 . 1 . 2 .  У с л о в и я  к у л ь т и в и р о в а н и я

Культивирование начинали с пересева музейной культуры на ско-

шенную агаризованную питательную среду Сабуро с последующим выдерживанием 
косяков в термостате при температуре 32 °С в течение двух 
суток. Свежую культуру смывали с косяков стерильной водой. Дрожжевую 
суспензию в количестве 0,1 мл заливали в чашки Петри со средой, 
проводили посев газоном с помощью шпателя Дригальского. Высевы тер-
мостатировали в течение двух суток при температуре 32 °С. Каждую 
чашку полученного газона выросшей культуры обрабатывали по пять минут 
электромагнитным полем определенной частоты, после чего с обработанных 
чашек с культурой с помощью микробиологической петли производили 
засев дрожжей в колбы с жидкой питательной средой Сабуро. Длительность 
их культивирования составляла 48 ч при температуре 32 °С на 
воздушных качалках при частоте 180 об/мин. Для проверки возможности 
пролонгированного действия ЭМП дрожжевую суспензию в количестве 
2 мл пересевали на свежую, жидкую питательную среду в количестве 
50 мл с последующим культивированием. Пересевы осуществляли каждые 
48 ч. Контрольный опыт проводился в аналогичных условиях без
электромагнитной обработки.

1 . 1 . 3 .  М е т о д ы  а н а л и з а

Концентрацию биомассы определяли турбидиметрическим мето-

дом при длине волны 490 нм [28]. Замеры оптической плотности впервые 
проводились после пересева на жидкую питательную среду до начала 
культивирования и через 48 ч в конце процесса культивирования, после 

чего процедура повторялась далее после каждого пересева в течение 
168 генераций. Показатель «подъемная сила» находился ускоренным методом, 
значение зимазной и мальтазной активности также определяли по 
методикам, описанным в [28, 30].

1 . 2 .  О п р е д е л е н и е  п а р а м е т р о в
э л е к т р о м а г н и т н о й  о б р а б о т к и

Первый этап работы состоял в выборе диапазона частот и длительности 
воздействия ЭМП КВЧ нетепловой интенсивности на микроорганизмы (
МКО).  
Первоначально нами использовались диапазоны частот, упомянутые 
в литературных источниках, где имеется разнообразная информация 
о влиянии длительности воздействия ЭМП КВЧ на микробные 
культуры. В ряде работ авторы обращают особое внимание на тот факт, 
что для получения значительного эффекта от воздействия ЭМП КВЧ на 
различные биообъекты, например споры грибов и бактерий, требуется 
неоднократное и длительное по времени воздействие. Но не в нашем 
случае (рис. 1.1). 

Рис. 1.1. Зависимость уровня накопления биомассы дрожжей 
Saccharomyces cerevisiae 509 от длительности воздействия ЭМП 
КВЧ на стимулирующей частоте 60,2 ГГц 
– – – контрольный (к) уровень