微生物磁效應的研究進展

鄧光武，高夢祥 (長江大學生命科學學院，湖北 荊州 434025)

微生物磁效應的研究進展

鄧光武，高夢祥
(長江大學生命科學學院，湖北 荊州 434025)

主要從磁場對微生物生長的影響及其作用機制兩方面對近年來微生物磁效應的研究熱點與進展進行了闡述。

微生物；磁效應；殺菌；基因

磁微生物學是研究不同性質的外加磁場對不同種類和不同層次微生物結構單元的生物學效應及其作用機制的科學。科技的發展和實驗手段的進步使人們對于磁場的微生物學效應有了更進一步的認識，其相關科研工作也具有了一定的基礎。為此，筆者綜述了近年來磁微生物學效應相關的研究工作及進展。

1 磁場對微生物生長的影響

1.1 磁場的殺菌作用

生物體的磁導率與真空條件下的磁導率μ0相近，所以對磁場是可透過性的。生物組織內的含水量高低會影響其介電常數和電導率，影響電磁波在生物組織內的傳播。一般來講，含水量較低的組織，其介電常數低于含水量高的組織。介電常數下降，電導率上升。脈沖磁場的殺菌效果取決于細胞的種類和大小，不同種類、大小的細胞的含水量和所含的金屬離子不同，對脈沖場強的承受程度不同。脈沖磁場的殺菌效果取決于磁場強度、脈沖數、脈沖電流的頻率等，還受微生物細胞所處介質的生物學因素的影響，例如pH、溫度、主要化學成分等。很多研究指出，當物料溫度在微生物致死溫度以下時，殺菌效果隨溫度的升高而變好。這可能是因為隨溫度的升高，會影響微生物細胞膜的流動性，影響其電導率從而影響電磁波的傳播，擴大了電磁波的作用。微生物不同的生長期對磁場的敏感程度不同，一般認為微生物在對數期對脈沖磁場更敏感，更容易被脈沖磁場破壞。馬海樂等[1]利用脈沖磁場對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在不同生長階段、不同介質溫度及pH的情況下進行殺菌試驗，發現這2種菌在對數生長期比穩定生長期和延遲生長期對磁場更敏感，即細菌在對數生長期時，殺菌效果最好。高夢祥等[2]在磁場強度6～33 T，脈沖數15，溫度50 ℃的條件下對新鮮牛奶進行殺菌，菌落總數和大腸菌群數已經達到商業無菌標準。雷鳴書等[3]用12 T、6 kHz的磁場處理牛奶1次，菌落總數由2.5×104cfu/mL降為970 cfu/mL，將奶酪接種酵母菌后，用40 T、416 kHz脈沖磁場作用進行10次，酵母菌濃度由3.5×103cfu/mL降為25 cfu/mL。它使非加熱處理替代常規的加熱巴氏殺菌成為可能，處理是在常溫下，能耗遠遠低于熱處理，處理后的食品在物理、化學和營養特性發面遠遠優于熱殺菌，且在常溫下具有較長的貨架期。高夢祥等[4]研究發現，脈沖磁場殺菌對牛奶中蛋白質、乳糖和還原性維生素C均會造成一定的損失，但與熱殺菌相比，有很大的改善，尤其是對還原性維生素C的保留率，并且脈沖磁場殺菌對牛奶的色澤和風味幾乎沒有影響。脈沖磁場殺菌的優勢將逐漸得到人們的認可并得到廣泛的應用，為人們的生活做出貢獻。

脈沖磁場對微生物的殺滅作用是磁場對微生物各個組分多方面作用的綜合結果，作用機理也存在幾個或多個方面，現在還沒有明確，需要不斷地深入研究。筆者認為脈沖磁場作用下細胞電穿孔和感應電流的產生對磁場的殺菌作用有很大的影響。

1.2 磁場對微生物的促進作用

磁場除了對微生物的殺滅作用外，也有研究證明磁場對微生物的生長具有促進作用，同樣也具有明顯的強度“窗”、頻率“窗”和時間“窗”效應。Moore[5]發現0.3 T勻強靜磁場對大腸桿菌有刺激生長作用，而發現0.015、0.03 T和0.06 T勻強靜磁場對鹽生鹽桿菌和枯草芽孢桿菌有抑制生長的作用。同時，他磁場強度分別為0.015、0.03 T和0.06 T，脈沖頻率0.1～0.3 Hz振蕩磁場分別對綠銅假單胞菌和白假絲酵母處理，結果發現都有刺激生長作用，并隨著頻率的增加，刺激作用越強。Justo等[6]在極低頻磁場(0.010～0.10 T)處理大腸桿菌1～12 h，發現0.1 T處理6.5 h大腸桿菌的活力是不加磁場組的100倍，0.055 T處理12 h大腸桿菌的干重量出現最大值。高夢祥等[7]研究發現磁場強度0.563 A/m和0.669 A/m作用時間2 h時，磁場對啤酒酵母促進作用最強，其菌液濃度增長了34.01%。高夢祥等[8]研究磁場對猴頭菌的作用發現在1.06 A/m磁場強度下作用12 h時，磁場對猴頭菌菌絲的生長促進作用最強，猴頭菌的菌質干質量增長率達140.1%;作用24 h 時，猴頭菌胞外多糖質量濃度增長率達100.8%；作用48 h 時，磁場對猴頭菌胞外多糖的生長促進作用最強，猴頭菌胞外多糖質量濃度增長率達271.7%。在作用24 h 時，磁場對猴頭菌胞外多糖的生長促進作用最強的磁場強度為0.8 A/m，猴頭菌胞外多糖質量濃度增長率達187.5%。代群威等[9]證實靜磁場對大腸桿菌的生長有一定的促進作用，它縮短了大腸桿菌生長周期的“遲緩期”，而使“對數期”提前。邵偉等[10]通過100 mT和500 mT的磁場對大腸桿菌作用0～40 h繪制生長曲線，發現磁場對大腸桿菌生長的影響，主要是延長了大腸桿菌的世代時間，減緩衰亡速率。

一般認為細菌菌體本身除了C、H、O、N、S等主要元素外，還有Fe、Mn、Cu等微量的過渡金屬元素，它們的含量雖然很少，但對蛋白質和酶的功能來說起著關鍵性的作用。這些過渡金屬元素具有未滿的電子殼層，一般呈現順磁性，在受到外加磁場的作用后，有可能改變其所在的蛋白質和酶的結構和活性，從而影響整個細菌的生理功能。外加電磁場對微生物外環境及菌體內部水的影響也可能是影響微生物生長的原因之一，外環境中所含有的微量金屬離子同微生物體內的金屬元素一樣都容易受到電磁場的影響而改變排列方式，從而影響到微生物的生長。環境和菌體內含有的水在電磁場的作用下介電常數和電導率也會發生明顯的變化，并且水的偶極性在電磁場的作用下也會受到影響，從而影響到其他離子和生物大分子的離子鍵結果。另外，筆者認為細胞膜在電磁場的作用下發生流動性和選擇透過性的變化也將影響到環境內營養物質和菌體的交換，導致微生物生長周期的變化。

2 磁場對微生物生長的作用機制

2.1 對細胞膜及跨膜信息傳遞的影響

(1)電磁場對細胞膜的影響 細胞膜是電磁場作用的靶體，研究電磁場對細胞膜的影響對解釋電磁場的非熱生物效應有著較大的影響，目前對細胞膜在電磁場作用下形成電穿孔現象研究的比較透徹，并在生物技術和臨床醫學方面有了廣泛的應用。電穿孔(electroporation)是指在脈沖電場作用下，細胞膜脂雙層上形成瞬時微孔，導致其通透性和膜電導瞬時增大的生物物理現象。可分為高強度瞬態電磁場脈沖作用下生物膜電穿孔和低強度瞬態電磁場脈沖作用下生物膜電穿孔。

在瞬態脈沖電磁場的作用下，對電壓敏感的通道即電壓-門通道在跨膜電位的作用下開啟，導致能被通道特異轉運的無機離子(Na+、Cl-、K+、Ca2+等)，以及半徑大于臨界半徑a0的離子進入到通道中，形成較大的親水通道.由于親水通道是由介電常數接近細胞內外液的液體填充，離子在細胞膜中的能量大幅度地減少，臨界半徑也隨之減小，從而導致大量離子的涌入，細胞膜構象發生變化，形成電穿孔。膜蛋白在膜基質-脂質分子中是無序漂流的，因此蛋白通道也并不是位置固定不變的，這就使得電穿孔的位置也具有隨機性.外加的電場是低強度的瞬態脈沖電場，孔徑變大是一個逐漸的過程。脈沖信號作用的時間較短，則形成的孔徑較小，可自行修復，即為可逆穿孔；使用周期較長的脈沖信號持續作用，則形成的孔徑較大，細胞膜無法自行修復，即為不可逆穿孔。穿孔的出現位置隨機，部分穿孔不可逆[11～12]。李梅等[13]用脈沖電磁場對污水和純種的大腸埃希氏菌液進行電磁處理，通過細菌細胞的掃描電鏡照片表明電磁作用使細胞表面產生凹陷，孔洞，細胞質溶出現象。

(2)電磁場對跨膜信息傳遞的影響 研究普遍認為低頻電磁場對于細胞信號系統的效應是明顯的，低頻磁場對細胞信號系統的某一個轉導環節或某個信號產生影響則會對整個細胞產生“牽一發而動全身”的生物效應。目前電磁場對Ca2+的影響比較清楚，Ca2+作為胞內重要的第二信使，在細胞信號轉導過程中發揮著極其重要的作用。討極低頻電磁場對胞內游離Ca2+濃度的影響，對于從細胞信號轉導的角度來解釋生物電磁效應，尤其是弱極低頻電磁場非熱效應的機制有著重要的意義。

1986年，Mcleod等[14]在實驗的基礎上提出了極低頻(extremely low frequency，ELF)磁場生物效應的“離子回旋諧振”模型；隨后又在1988年對該理論模型加以完善和發展[15]。該理論假定穿過離子通道的離子的運動學特性由外部電磁場施加的電場力和羅侖茲力的共同作用所決定，致使通透行為被干擾。“回旋諧振”理論指出雖然地磁場并不產生感應電場和感應電流，但地磁場的大小和方向必須予以充分的重視。“回旋諧振”所要求的磁照射條件是交流磁場(Bac)平行于靜磁場(Bdc)且頻率f滿足f=qBdc/2πm(其中q和m分別為離子電荷和質量)。Smith等[16]發現滿足回旋諧振條件的ELF磁場對硅藻的運動會產生影響。

另一方面，細胞在磁場下運動時，如果細胞所做運動是切割磁力線的運動，就會導致其中磁通量變化并激勵起感應電流，這個電流的大小、方向和形式是對細胞產生生物效應的主要原因。此感應電流越大，生物效應越明顯。當細胞處于脈沖場時，可認為是靜止不動的，穿過細胞的磁通量為Φ=SH(t)，其中H(t)是隨時間變化的磁場值，S是磁場垂直穿過細胞的截面。由于磁場的瞬間出現和消失，必然在細胞內產生一瞬變的磁通量，即dΦ/dt。瞬變的磁通在細胞內激勵起感應電流，此感應電流與磁場相互作用的力密度可以破壞細胞正常的生理功能。如果此細胞體積較大，相應產生的力密度亦大，故而大細胞易于死亡，小細胞則反之[17]。

Lednev[18]于1991年提出了“離子參量諧振”模型，隨后Blanchard等[19]對該模型進行了修正。此模型假定弱結合在蛋白質分子里的離子(如鈣調蛋白calmodulin里的Ca2+)是一個以熱動頻率振動的帶電振子，而鈣調蛋白分子里Ca2+結合狀態的改變會影響許多受鈣調蛋白影響的酶，因此導致各種生理變化。靜磁場Bdc中的熱誘發離子振動遵從塞曼效應，加在靜磁場上的同軸交變場Bac(角頻率為ω)會對塞曼頻率的躍遷幾率進行調制。

Kirschvinkt[20，21]于1992年提出“類諧振磁轉導”機制。他認為在從細菌到高級脊椎動物(包括人類)的許多有機體中都有發現的生物磁粒(magnetosome)是解釋ELF磁場影響細胞跨膜離子轉運的關鍵。胞內磁粒彈性連接于通道閘門。在相互垂直的靜態磁場Bdc和交流磁場Bac的作用下，磁粒偏轉角(弧度)呈正弦變化。當振動幅值大于某一數值時，閘門被打開，允許離子通過。該理論所涉及的離子通道是機械門控性的。

隨后Blackman 等[22]、Adair[23]提出了新的機制。但迄今為止，盡管人們提出了許多ELF磁場生物效應的生物物理機制，卻并無一個能為實驗現象提供可信且徹底的解釋。揭示ELF磁場激發生物響應的細胞和分子機制還需要不同領域(生物、物理、化學、電子工程等)學者的充分合作和共同努力[24]。

2.2 電磁場對微生物基因的影響

基因轉錄是細胞響應外界因素刺激的終端反應，因此，從基因轉錄水平研究電磁場的生物學效應是最終揭示電磁場與生物系統相互作用后果和機制的關鍵。近年來在研究電磁場對動植物和癌細胞基因的影響取得了一定的進展，對微生物基因的影響也有少量報道，機理尚不明確。

(1)對基因表達的影響 電磁場對微生物基因表達的影響結果不一，一些研究者認為電磁場對微生物基因表達的影響作用微小，Luceri等[25]將酵母細胞暴露于1、10 μT和100 μT的50 Hz磁場18 h，并利用cDNA芯片分析基因表達譜，實驗重復3次，結果各篩選到2、15個和2個可重復的差異表達基因；但采用統計學分析軟件分析則未能篩選到顯著性變化的差異表達基因，因此，他們認為低于100 μT的50 Hz磁場輻照未能影響酵母細胞的基因表達譜。陳光弟[26]以模式生物釀酒酵母為研究模型，結合基因芯片技術和實時 RT-PCR技術分析工頻磁場和射頻電磁場對酵母細胞基因表達的影響，未能檢測到工頻磁場輻照釀酒酵母細胞引起的基因表達變化，檢測到射頻電磁場輻照引起酵母細胞基因表達的微弱變化。

而另一些研究者認為電磁場對微生物基因表達有作用，林影[27]利用94 Hz、14 mT的矩形脈沖電磁場作用于K.fragilis，結果證明脈沖電磁場的作用不僅使K.fragilis菊糖酶基因的表達水平提高，而且還促進了菊糖酶基因轉錄。May等[28]研究200 mT靜態磁場對沙門氏菌的生長，發現16SrRNA的mRNA在磁場作用下穩定，可作為分析沙門氏菌不同基因表達的相關基因，同時發現rpoA、katN和dnaK在200 mT下作用10 h后過量表達。Chow等[29]將帶有轉座子Tn5的大腸桿菌菌株在暴露于50 Hz、1.2 mT的EMF后會引起Tn5轉座活性的提高，Tn5可以轉座到附加體上并能通過接合作用轉移到受體細胞中，認為Tn5轉座活性的提高是由熱激蛋白DnaK/J的誘導合成和積累引起的，磁場的處理激活了DnaK/J熱激蛋白的表達。

電磁場對微生物基因表達的作用機制，目前尚不清楚。Goodman等[30]研究認為EMF可能通過與DNA分子中運動的電子直接相互作用而激活基因表達。從電磁場可以影響細胞信號來看，筆者認為可能是一定閥值的電磁場提高或降低了某些特定基因轉錄的信號從而影響到基因的表達。也可能是影響到基因表達所需酶的活性，影響某些響應基因的表達。

(2)對基因的損傷和突變作用 Potenza等[31]研究了靜態磁場對大腸桿菌基因組DNA(體內)、質粒pGEM和DNA PCR擴增片段(體外)的作用，結果顯示體內實驗基因組DNA沒有變化；但體外實驗則表明磁場誘導了DNA的點突變。Zhang等[32]利用強靜態磁場對大腸桿菌不同突變株進行作用，通過對野生大腸桿菌的對比發現磁場對DNA修復酶和氧化還原調節酶有抑制作用，另外，靜態磁場作用后增加了soxR和sodAsodB突變菌株發生基因突變，使其失去了對氧脅迫的保護機制，認為氧自由基可能參與了磁場對DNA的損傷過程。

目前認為，電磁場損傷DNA的機制可能是電磁場引起膜內電場變化，誘導膜內脂質過氧化，當脂質過氧化一旦發生在核膜上，所產生的各種活性氧自由基及其非自由基產物，將直接損傷DNA。另外，有些電磁場的能量不足以直接引起DNA的損傷，但它可但它可能通過信號的級聯放大作用或引發產生致DNA損傷的中介物，從而間接損傷DNA。

2.3 電磁場對細胞酶活性的影響

電磁場對微生物細胞酶活性和離體酶活性的報告有很多，其對酶的作用是毋庸置疑的。賀華君等[33]研究了磁場對大腸桿菌及胞內谷氨酸脫羧酶的影響，認為磁場的影響是一種綜合的因素:對酶活性中心的影響，對酶三級結構的影響以及對酶促反應動力學參數的影響等。酶和蛋白質的活性中心含有鋅、錳、鐵、銅等順磁性金屬離子。它們在電磁場的作用下會受到洛倫茲力的作用，導致對酶的三維結構的影響，從而影響到酶的活性。另外，胞內含有的自由基由于其非偶電子使其帶有自旋磁距，能跟磁場相互作用，在磁場作用下即會受到洛倫茲力的作用，又會使磁距受到轉距作用。自由基可以彼此復合成為三重態(自旋相同)或單線態(自旋相反)。磁場可以影響順磁性自由基的復合速率，這等于影響了自由基的壽命，即影響了自由基的瞬時濃度，從而產生一系列有關的生物效應。而酶內含有的順磁性金屬離子會與自由基相互作用進而影響到微生物細胞的生理功能。

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2010-04-14

湖北省教育廳重點科研資助項目(B200512002)；長江大學博士啟動基金資助項目(03000282)

鄧光武(1987-)，男，湖北石首人，碩士研究生，研究方向為發酵微生物的磁效應.

高夢祥，E-mail: mxgao0398@yahoo.com.cn.

10.3969/j.issn.1673-1409(S).2010.03.020

Q64

A

1673-1409(2010)03-S058-05