微生物磁效应的研究进展

邓光武，高梦祥 (长江大学生命科学学院，湖北 荆州 434025)

微生物磁效应的研究进展

邓光武，高梦祥
(长江大学生命科学学院，湖北 荆州 434025)

主要从磁场对微生物生长的影响及其作用机制两方面对近年来微生物磁效应的研究热点与进展进行了阐述。

微生物；磁效应；杀菌；基因

磁微生物学是研究不同性质的外加磁场对不同种类和不同层次微生物结构单元的生物学效应及其作用机制的科学。科技的发展和实验手段的进步使人们对于磁场的微生物学效应有了更进一步的认识，其相关科研工作也具有了一定的基础。为此，笔者综述了近年来磁微生物学效应相关的研究工作及进展。

1 磁场对微生物生长的影响

1.1 磁场的杀菌作用

生物体的磁导率与真空条件下的磁导率μ0相近，所以对磁场是可透过性的。生物组织内的含水量高低会影响其介电常数和电导率，影响电磁波在生物组织内的传播。一般来讲，含水量较低的组织，其介电常数低于含水量高的组织。介电常数下降，电导率上升。脉冲磁场的杀菌效果取决于细胞的种类和大小，不同种类、大小的细胞的含水量和所含的金属离子不同，对脉冲场强的承受程度不同。脉冲磁场的杀菌效果取决于磁场强度、脉冲数、脉冲电流的频率等，还受微生物细胞所处介质的生物学因素的影响，例如pH、温度、主要化学成分等。很多研究指出，当物料温度在微生物致死温度以下时，杀菌效果随温度的升高而变好。这可能是因为随温度的升高，会影响微生物细胞膜的流动性，影响其电导率从而影响电磁波的传播，扩大了电磁波的作用。微生物不同的生长期对磁场的敏感程度不同，一般认为微生物在对数期对脉冲磁场更敏感，更容易被脉冲磁场破坏。马海乐等[1]利用脉冲磁场对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在不同生长阶段、不同介质温度及pH的情况下进行杀菌试验，发现这2种菌在对数生长期比稳定生长期和延迟生长期对磁场更敏感，即细菌在对数生长期时，杀菌效果最好。高梦祥等[2]在磁场强度6～33 T，脉冲数15，温度50 ℃的条件下对新鲜牛奶进行杀菌，菌落总数和大肠菌群数已经达到商业无菌标准。雷鸣书等[3]用12 T、6 kHz的磁场处理牛奶1次，菌落总数由2.5×104cfu/mL降为970 cfu/mL，将奶酪接种酵母菌后，用40 T、416 kHz脉冲磁场作用进行10次，酵母菌浓度由3.5×103cfu/mL降为25 cfu/mL。它使非加热处理替代常规的加热巴氏杀菌成为可能，处理是在常温下，能耗远远低于热处理，处理后的食品在物理、化学和营养特性发面远远优于热杀菌，且在常温下具有较长的货架期。高梦祥等[4]研究发现，脉冲磁场杀菌对牛奶中蛋白质、乳糖和还原性维生素C均会造成一定的损失，但与热杀菌相比，有很大的改善，尤其是对还原性维生素C的保留率，并且脉冲磁场杀菌对牛奶的色泽和风味几乎没有影响。脉冲磁场杀菌的优势将逐渐得到人们的认可并得到广泛的应用，为人们的生活做出贡献。

脉冲磁场对微生物的杀灭作用是磁场对微生物各个组分多方面作用的综合结果，作用机理也存在几个或多个方面，现在还没有明确，需要不断地深入研究。笔者认为脉冲磁场作用下细胞电穿孔和感应电流的产生对磁场的杀菌作用有很大的影响。

1.2 磁场对微生物的促进作用

磁场除了对微生物的杀灭作用外，也有研究证明磁场对微生物的生长具有促进作用，同样也具有明显的强度“窗”、频率“窗”和时间“窗”效应。Moore[5]发现0.3 T匀强静磁场对大肠杆菌有刺激生长作用，而发现0.015、0.03 T和0.06 T匀强静磁场对盐生盐杆菌和枯草芽孢杆菌有抑制生长的作用。同时，他磁场强度分别为0.015、0.03 T和0.06 T，脉冲频率0.1～0.3 Hz振荡磁场分别对绿铜假单胞菌和白假丝酵母处理，结果发现都有刺激生长作用，并随着频率的增加，刺激作用越强。Justo等[6]在极低频磁场(0.010～0.10 T)处理大肠杆菌1～12 h，发现0.1 T处理6.5 h大肠杆菌的活力是不加磁场组的100倍，0.055 T处理12 h大肠杆菌的干重量出现最大值。高梦祥等[7]研究发现磁场强度0.563 A/m和0.669 A/m作用时间2 h时，磁场对啤酒酵母促进作用最强，其菌液浓度增长了34.01%。高梦祥等[8]研究磁场对猴头菌的作用发现在1.06 A/m磁场强度下作用12 h时，磁场对猴头菌菌丝的生长促进作用最强，猴头菌的菌质干质量增长率达140.1%;作用24 h 时，猴头菌胞外多糖质量浓度增长率达100.8%；作用48 h 时，磁场对猴头菌胞外多糖的生长促进作用最强，猴头菌胞外多糖质量浓度增长率达271.7%。在作用24 h 时，磁场对猴头菌胞外多糖的生长促进作用最强的磁场强度为0.8 A/m，猴头菌胞外多糖质量浓度增长率达187.5%。代群威等[9]证实静磁场对大肠杆菌的生长有一定的促进作用，它缩短了大肠杆菌生长周期的“迟缓期”，而使“对数期”提前。邵伟等[10]通过100 mT和500 mT的磁场对大肠杆菌作用0～40 h绘制生长曲线，发现磁场对大肠杆菌生长的影响，主要是延长了大肠杆菌的世代时间，减缓衰亡速率。

一般认为细菌菌体本身除了C、H、O、N、S等主要元素外，还有Fe、Mn、Cu等微量的过渡金属元素，它们的含量虽然很少，但对蛋白质和酶的功能来说起着关键性的作用。这些过渡金属元素具有未满的电子壳层，一般呈现顺磁性，在受到外加磁场的作用后，有可能改变其所在的蛋白质和酶的结构和活性，从而影响整个细菌的生理功能。外加电磁场对微生物外环境及菌体内部水的影响也可能是影响微生物生长的原因之一，外环境中所含有的微量金属离子同微生物体内的金属元素一样都容易受到电磁场的影响而改变排列方式，从而影响到微生物的生长。环境和菌体内含有的水在电磁场的作用下介电常数和电导率也会发生明显的变化，并且水的偶极性在电磁场的作用下也会受到影响，从而影响到其他离子和生物大分子的离子键结果。另外，笔者认为细胞膜在电磁场的作用下发生流动性和选择透过性的变化也将影响到环境内营养物质和菌体的交换，导致微生物生长周期的变化。

2 磁场对微生物生长的作用机制

2.1 对细胞膜及跨膜信息传递的影响

(1)电磁场对细胞膜的影响 细胞膜是电磁场作用的靶体，研究电磁场对细胞膜的影响对解释电磁场的非热生物效应有着较大的影响，目前对细胞膜在电磁场作用下形成电穿孔现象研究的比较透彻，并在生物技术和临床医学方面有了广泛的应用。电穿孔(electroporation)是指在脉冲电场作用下，细胞膜脂双层上形成瞬时微孔，导致其通透性和膜电导瞬时增大的生物物理现象。可分为高强度瞬态电磁场脉冲作用下生物膜电穿孔和低强度瞬态电磁场脉冲作用下生物膜电穿孔。

在瞬态脉冲电磁场的作用下，对电压敏感的通道即电压-门通道在跨膜电位的作用下开启，导致能被通道特异转运的无机离子(Na+、Cl-、K+、Ca2+等)，以及半径大于临界半径a0的离子进入到通道中，形成较大的亲水通道.由于亲水通道是由介电常数接近细胞内外液的液体填充，离子在细胞膜中的能量大幅度地减少，临界半径也随之减小，从而导致大量离子的涌入，细胞膜构象发生变化，形成电穿孔。膜蛋白在膜基质-脂质分子中是无序漂流的，因此蛋白通道也并不是位置固定不变的，这就使得电穿孔的位置也具有随机性.外加的电场是低强度的瞬态脉冲电场，孔径变大是一个逐渐的过程。脉冲信号作用的时间较短，则形成的孔径较小，可自行修复，即为可逆穿孔；使用周期较长的脉冲信号持续作用，则形成的孔径较大，细胞膜无法自行修复，即为不可逆穿孔。穿孔的出现位置随机，部分穿孔不可逆[11～12]。李梅等[13]用脉冲电磁场对污水和纯种的大肠埃希氏菌液进行电磁处理，通过细菌细胞的扫描电镜照片表明电磁作用使细胞表面产生凹陷，孔洞，细胞质溶出现象。

(2)电磁场对跨膜信息传递的影响 研究普遍认为低频电磁场对于细胞信号系统的效应是明显的，低频磁场对细胞信号系统的某一个转导环节或某个信号产生影响则会对整个细胞产生“牵一发而动全身”的生物效应。目前电磁场对Ca2+的影响比较清楚，Ca2+作为胞内重要的第二信使，在细胞信号转导过程中发挥着极其重要的作用。讨极低频电磁场对胞内游离Ca2+浓度的影响，对于从细胞信号转导的角度来解释生物电磁效应，尤其是弱极低频电磁场非热效应的机制有着重要的意义。

1986年，Mcleod等[14]在实验的基础上提出了极低频(extremely low frequency，ELF)磁场生物效应的“离子回旋谐振”模型；随后又在1988年对该理论模型加以完善和发展[15]。该理论假定穿过离子通道的离子的运动学特性由外部电磁场施加的电场力和罗仑兹力的共同作用所决定，致使通透行为被干扰。“回旋谐振”理论指出虽然地磁场并不产生感应电场和感应电流，但地磁场的大小和方向必须予以充分的重视。“回旋谐振”所要求的磁照射条件是交流磁场(Bac)平行于静磁场(Bdc)且频率f满足f=qBdc/2πm(其中q和m分别为离子电荷和质量)。Smith等[16]发现满足回旋谐振条件的ELF磁场对硅藻的运动会产生影响。

另一方面，细胞在磁场下运动时，如果细胞所做运动是切割磁力线的运动，就会导致其中磁通量变化并激励起感应电流，这个电流的大小、方向和形式是对细胞产生生物效应的主要原因。此感应电流越大，生物效应越明显。当细胞处于脉冲场时，可认为是静止不动的，穿过细胞的磁通量为Φ=SH(t)，其中H(t)是随时间变化的磁场值，S是磁场垂直穿过细胞的截面。由于磁场的瞬间出现和消失，必然在细胞内产生一瞬变的磁通量，即dΦ/dt。瞬变的磁通在细胞内激励起感应电流，此感应电流与磁场相互作用的力密度可以破坏细胞正常的生理功能。如果此细胞体积较大，相应产生的力密度亦大，故而大细胞易于死亡，小细胞则反之[17]。

Lednev[18]于1991年提出了“离子参量谐振”模型，随后Blanchard等[19]对该模型进行了修正。此模型假定弱结合在蛋白质分子里的离子(如钙调蛋白calmodulin里的Ca2+)是一个以热动频率振动的带电振子，而钙调蛋白分子里Ca2+结合状态的改变会影响许多受钙调蛋白影响的酶，因此导致各种生理变化。静磁场Bdc中的热诱发离子振动遵从塞曼效应，加在静磁场上的同轴交变场Bac(角频率为ω)会对塞曼频率的跃迁几率进行调制。

Kirschvinkt[20，21]于1992年提出“类谐振磁转导”机制。他认为在从细菌到高级脊椎动物(包括人类)的许多有机体中都有发现的生物磁粒(magnetosome)是解释ELF磁场影响细胞跨膜离子转运的关键。胞内磁粒弹性连接于通道闸门。在相互垂直的静态磁场Bdc和交流磁场Bac的作用下，磁粒偏转角(弧度)呈正弦变化。当振动幅值大于某一数值时，闸门被打开，允许离子通过。该理论所涉及的离子通道是机械门控性的。

随后Blackman 等[22]、Adair[23]提出了新的机制。但迄今为止，尽管人们提出了许多ELF磁场生物效应的生物物理机制，却并无一个能为实验现象提供可信且彻底的解释。揭示ELF磁场激发生物响应的细胞和分子机制还需要不同领域(生物、物理、化学、电子工程等)学者的充分合作和共同努力[24]。

2.2 电磁场对微生物基因的影响

基因转录是细胞响应外界因素刺激的终端反应，因此，从基因转录水平研究电磁场的生物学效应是最终揭示电磁场与生物系统相互作用后果和机制的关键。近年来在研究电磁场对动植物和癌细胞基因的影响取得了一定的进展，对微生物基因的影响也有少量报道，机理尚不明确。

(1)对基因表达的影响 电磁场对微生物基因表达的影响结果不一，一些研究者认为电磁场对微生物基因表达的影响作用微小，Luceri等[25]将酵母细胞暴露于1、10 μT和100 μT的50 Hz磁场18 h，并利用cDNA芯片分析基因表达谱，实验重复3次，结果各筛选到2、15个和2个可重复的差异表达基因；但采用统计学分析软件分析则未能筛选到显著性变化的差异表达基因，因此，他们认为低于100 μT的50 Hz磁场辐照未能影响酵母细胞的基因表达谱。陈光弟[26]以模式生物酿酒酵母为研究模型，结合基因芯片技术和实时 RT-PCR技术分析工频磁场和射频电磁场对酵母细胞基因表达的影响，未能检测到工频磁场辐照酿酒酵母细胞引起的基因表达变化，检测到射频电磁场辐照引起酵母细胞基因表达的微弱变化。

而另一些研究者认为电磁场对微生物基因表达有作用，林影[27]利用94 Hz、14 mT的矩形脉冲电磁场作用于K.fragilis，结果证明脉冲电磁场的作用不仅使K.fragilis菊糖酶基因的表达水平提高，而且还促进了菊糖酶基因转录。May等[28]研究200 mT静态磁场对沙门氏菌的生长，发现16SrRNA的mRNA在磁场作用下稳定，可作为分析沙门氏菌不同基因表达的相关基因，同时发现rpoA、katN和dnaK在200 mT下作用10 h后过量表达。Chow等[29]将带有转座子Tn5的大肠杆菌菌株在暴露于50 Hz、1.2 mT的EMF后会引起Tn5转座活性的提高，Tn5可以转座到附加体上并能通过接合作用转移到受体细胞中，认为Tn5转座活性的提高是由热激蛋白DnaK/J的诱导合成和积累引起的，磁场的处理激活了DnaK/J热激蛋白的表达。

电磁场对微生物基因表达的作用机制，目前尚不清楚。Goodman等[30]研究认为EMF可能通过与DNA分子中运动的电子直接相互作用而激活基因表达。从电磁场可以影响细胞信号来看，笔者认为可能是一定阀值的电磁场提高或降低了某些特定基因转录的信号从而影响到基因的表达。也可能是影响到基因表达所需酶的活性，影响某些响应基因的表达。

(2)对基因的损伤和突变作用 Potenza等[31]研究了静态磁场对大肠杆菌基因组DNA(体内)、质粒pGEM和DNA PCR扩增片段(体外)的作用，结果显示体内实验基因组DNA没有变化；但体外实验则表明磁场诱导了DNA的点突变。Zhang等[32]利用强静态磁场对大肠杆菌不同突变株进行作用，通过对野生大肠杆菌的对比发现磁场对DNA修复酶和氧化还原调节酶有抑制作用，另外，静态磁场作用后增加了soxR和sodAsodB突变菌株发生基因突变，使其失去了对氧胁迫的保护机制，认为氧自由基可能参与了磁场对DNA的损伤过程。

目前认为，电磁场损伤DNA的机制可能是电磁场引起膜内电场变化，诱导膜内脂质过氧化，当脂质过氧化一旦发生在核膜上，所产生的各种活性氧自由基及其非自由基产物，将直接损伤DNA。另外，有些电磁场的能量不足以直接引起DNA的损伤，但它可但它可能通过信号的级联放大作用或引发产生致DNA损伤的中介物，从而间接损伤DNA。

2.3 电磁场对细胞酶活性的影响

电磁场对微生物细胞酶活性和离体酶活性的报告有很多，其对酶的作用是毋庸置疑的。贺华君等[33]研究了磁场对大肠杆菌及胞内谷氨酸脱羧酶的影响，认为磁场的影响是一种综合的因素:对酶活性中心的影响，对酶三级结构的影响以及对酶促反应动力学参数的影响等。酶和蛋白质的活性中心含有锌、锰、铁、铜等顺磁性金属离子。它们在电磁场的作用下会受到洛伦兹力的作用，导致对酶的三维结构的影响，从而影响到酶的活性。另外，胞内含有的自由基由于其非偶电子使其带有自旋磁距，能跟磁场相互作用，在磁场作用下即会受到洛伦兹力的作用，又会使磁距受到转距作用。自由基可以彼此复合成为三重态(自旋相同)或单线态(自旋相反)。磁场可以影响顺磁性自由基的复合速率，这等于影响了自由基的寿命，即影响了自由基的瞬时浓度，从而产生一系列有关的生物效应。而酶内含有的顺磁性金属离子会与自由基相互作用进而影响到微生物细胞的生理功能。

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2010-04-14

湖北省教育厅重点科研资助项目(B200512002)；长江大学博士启动基金资助项目(03000282)

邓光武(1987-)，男，湖北石首人，硕士研究生，研究方向为发酵微生物的磁效应.

高梦祥，E-mail: mxgao0398@yahoo.com.cn.

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

Q64

A

1673-1409(2010)03-S058-05