Působení elektromagnetických polí na biologické systémy

Mgr. Lukáš Fojt, Ph.D.

Doctoral thesis

Effect of electromagnetic fields on biological systems

Abstract:

Elektromagnetická pole jsou všudypřítomnou součástí našeho životního prostředí. Ta přirozeného původu, jako například zemské geomagnetické pole, nás provázejí od počátku věků. Od dob průmyslové revoluce začíná člověk ve větší míře vytvářet elektromagnetická pole umělého původu. Jedná se zejména o používání a distribuci elektrické (a s ní úzce spjaté magnetické) energie. Již na počátku minulého století začalo vědce zajímat, jak tato uměle vytvářená elektromagnetická pole mohou interagovat s biologickými objekty. První studie se zabývaly zejména působením nízkofrekvenčních magnetických polí, posléze se do ohniska zájmů vědců dostala i pole vysokofrekvenční. Významným impulzem pro rozvoj těchto studií bylo rozšíření bezdrátových technologií. Z daného faktu – všeobecného rozšíření umělých elektromagnetických polí – tedy vyplývá nutnost prozkoumat jejich interakci s živými organismy. Jedná se zejména o upřesnění maximálních přípustných limitů expozice těmto polím. Výsledky dodnes uskutečněných studií jsou značně rozporuplné, od negativních až po pozitivní biologické účinky zkoumaných polí. Proto jsme se rozhodli prozkoumat působení 50 Hz magnetického pole na různé biologické objekty – jednalo se o bakterie, kvasinky a tkáňové kultury. Základním postupem bylo určování viability zkoumaných organismů po přísně definované expozici magnetickému poli. Vyhodnocení proběhlo zejména použitím počítání CFU – colony forming units (buněk schopných tvořit kolonie) – a měření absorbance buněčných kultur. Naše výsledky vykazují pro všechny použité bakteriální kmeny a kvasinky signifikantní pokles počtu buněk po expozici (jedná se o 20 – 40% pokles vůči kontrolní kultuře). Tento pokles je navíc pro různé bakteriální kmeny různý. Tyčinkovité bakterie jsou magnetickým polem ovlivněny více (dochází k vyššímu poklesu počtu bakterií) než bakterie kulovitého tvaru. Dále bylo k vyhodnocování efektů magnetického pole využito měření metabolické aktivity bakterií. Metabolická aktivita byla sledována buď za použití tetrazoliového testu a následného měření absorbance, nebo pomocí elektrochemických metod. Získané výsledky naznačují, že metabolická aktivita celé kultury poklesla. Tento pokles ovšem koresponduje s poklesem počtu buněk v kultuře. Další použitou metodou bylo AFM – mikroskopie atomových sil – pro určení strukturních efektů pole na bakterie. Tyto pokusy jsme provedli se zástupci tyčkovitých (E. coli) a kulovitých (P. denitrificans) bakterií. Ani po 48 minutové expozici magnetickým polem jsme nezaznamenali žádné signifikantní změny v morfologii bakterií . Nakonec byly provedeny pokusy na mnohobuněčných eukaryotických tkáňových kulturách. Zde jsme určovali stupeň kondenzace chromatinu, vliv na mitochondrie a strukturu cytoskeletu po chronické expozici magnetickému poli. Tkáňové kultury nebyly magnetickým polem významně ovlivněny, případné změny byly na samé hranici statistické významnosti.

Abstract:

Electromagnetic fields are ubiquitous part of the environment. The natural ones, such as the Earth`s magnetic field, guide us since creation of mankind. But since the time of the industrial revolution man has begun to produce artificial electromagnetic fields in much higher amount than ever before. It is caused mainly by electric energy (and closely connected magnetic energy) distribution. Nowadays, we are not able to imagine our lives without electricity. As early as on the beginning of the 20th century the electromagnetic fields and their impact on living organisms have become the subject of interest of many scientists. The first studies were done using low-frequency magnetic fields. Development and spreading of wireless technologies – radars, radio transmitters, later cell phones and wi-fi devices – play an important role for expansion of studies concerning with biological effects of electromagnetic field. This fact – ubiquitous spreading of electromagnetic fields – implies the necessity of such studies. The question is to specify the maximal exposure limits to these fields. The results from studies published up to now are a considerably controversial, varying from negative to positive biological effect of the studied fields. Supported by this fact, we decided to study the effects of 50 Hz magnetic fields on living organisms. These organisms were bacteria, yeasts and cell cultures. It was fundamental to distinguish the viability of used organisms after strictly defined magnetic field exposure. For evaluating purposes CFU (colony forming units) method and absorbance measuring were used. We found that all of the used bacterial strains and yeast are affected by the magnetic field exposure. Magnetic field killed about 20 – 40% of cells (compared to the control ones), and the effect is strain-dependent. The rod-like bacteria were affected around two times more then the spherical ones. We have also measured enzymatic activity of bacterial cultures. The activity was estimated using tetrazolium test or electrochemical reduction of durochinone. Our results show, that the bacterial enzymatic activity was probably not affected by the magnetic field exposure. We found certain decrease of metabolic activity of the culture, but it was possibly due to decrease of the number of cells in the culture. To measure the bacterial morphology (exposed to magnetic field), AFM (Atomic Force Microscopy) was used. For these experiments, we chose two bacterial cell types: rod-like (E. coli) and spherical (P. denitrificans). No changes in bacterial morphology were found using AFM technique. And finally, we carried out experiments with eukaryotic cell cultures. We estimated the degree of chromatin condensation, and the effects of magnetic fields to mitochondria and cytoskeleton. Cell cultures were slightly affected by magnetic field exposure. Observed effects were on the border of significance.

Keywords

elektromagnetická pole, nízkofrekvenční magnetické pole, bakterie, kvasinky, AFM, elektrochemie

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 3. 2007

Thesis defence

• Date of defence: 13. 3. 2007
• Supervisor: prof. RNDr. Vladimír Vetterl, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Biophysics