Образование электромагнитного поля, его источники и негативное влияние на окружающую природную среду

Интенсивное использование электромагнитной и электрической энергии в современном информационном обществе привело к тому, что в последней трети XX века возник и сформировался новый значимый фактор загрязнения окружающей среды — электромагнитный. К его появлению привело развитие современных технологий передачи информации и энергии, дистанционного контроля и наблюдения, некоторых видов транспорта, а также развитие ряда технологических процессов. В настоящее время всемирной организацией здравоохранения признано, что электромагнитное поле (ЭМП) искусственного происхождения является одним из опасных и значимых для здоровья человека, животных, а также жизнедеятельности растений факторов, характеризующихся активным биологическим действием[1].

Сейчас электромагнитное загрязнение окружающей среды приобрело глобальные масштабы вследствие широкого распространения источников электромагнитного поля. Поэтому ЭМП, как фактор внешней среды, необходимо рассматривать с двух позиций: биологической вредности и социальной полезности.

Живые организмы в процессе эволюции приспособились к определённому уровню ЭМП, однако, резкое значительное повышение (в историческом аспекте) уровня ЭМП вызывает напряжение адаптационно-компенсаторных возможностей организма, долговременное действие этого фактора может привести к их истощению, что повлечёт необратимые последствия на системном уровне.

Электромагнитные поля в настоящее время пронизывают практически всю биосферу, не оставляя без внимания и гидробионтов. Значительные по величине электромагнитные поля возникают при электролове рыбы, работе электрорыбозаградителей, в процессе морской геофизической разведки методами электрозондирования, а также при эксплуатации подводных переходов нефтегазотрубопроводов, оборудованных системами катодной защиты. Кроме того, сильные поля наводятся в воде под высоковольтными линиями электропередач, при работе мощных радиостанций, радиолокаторов и других источников или преобразователей электрической энергии[3].

Целью данной работы является: обзор и анализ литературных источников по проблеме образования ЭМП, его источников, негативного влияния на окружающую природную среду; выявление наличия и характера действия МП и ЭМП методом биотестирования на культуре Cereodaphnia afinis.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1) Изучение методов и объектов биотестирования.

2) Биологическая оценка ЭМП и МП.

3) Определение влияния ЭМП и МП на выживаемость Cereodaphnia.

4) Оценка действия защитных материалов.

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Источники электромагнитных излучений

Установлено, что в состав биосферы входят ЭМП естественного и искусственного происхождения. В спектре естественных ЭМП условно выделяют несколько компонентов земного, околоземного и космического происхождения — это постоянное геомагнитное поле Земли, электрическое поле Земли, переменные ЭМП в диапазоне частот от 10³ до 10¹² Гц, ЭМИ, порождаемое биообъектами. Источником переменных электромагнитных полей являются атмосферные явления и радиоизлучения Земли, Солнца и галактик.

Поля искусственного происхождения излучаются техническими средствами, созданными человеком. Диапазон излучаемых ЭМП — промышленные частоты и весь радиочастотный диапазон. Интенсивность излучения зависит от мощности технических средств, параметров излучателей, удалённости точки наблюдения и т. д. Характерная особенность этого вида излучения — высокая когерентность, т. е. частотная и фазовая стабильность, а также пространственная концентрация электромагнитной энергии. Выделяют радиофон, как суммарный эффект всех излучающих радиосредств земного шара. В настоящее время ЭМП искусственного происхождения стали намного превышать естественный фон.

Приведём примерный перечень видов телекоммуникационной деятельности и оборудования, которые являются причиной насыщения окружающей среды электромагнитной энергией в различных диапазонах:

— до 300 Гц (до 1000 км) — статические поля различного происхождения, энергетические установки, линии электропередачи, видеодисплейные терминалы;

— 0,3…30 кГц (1000…10 км) — модуляторы радиопередатчиков, медицинские приборы, электрические печи индукционного нагрева, закаливания, сварки, плавления, очистки, видеодисплейные терминалы;

— 30…300 кГц (10…1 км) — радиовещание, радионавигация, морская и авиационная связь, радиолокация, видеодисплейные терминалы, электрофорез, индукционный нагрев и плавление металла;

— 0,3…3 МГц (1…0,1 км) — радиовещание, радионавигация, морская радиотелефония, любительская радиосвязь, индустриальные радиочастотные приборы, передатчики с амплитудной модуляцией, сварочные аппараты, производство полупроводниковых материалов, медицинские приборы;

— 3…30 МГц (100…10 м) — радиовещание, любительская радиосвязь, глобальная связь, ВЧ терапия, магнитные резонансные возбудители, диэлектрический нагрев, сушка и склейка дерева, плазменные нагреватели;

— 30…300 МГц (10…1 м) — подвижная связь, частотно — модулированное радиовещание, телевизионное вещание, скорая помощь, диэлектрический нагрев, магнитные резонансные возбудители, сварка пластмасс, плазменный нагрев;

— 0.3…3 ГГц (100…10 см) — радиорелейные линии, подвижная связь, радиолокация, радионавигация, телевизионное вещание, микроволновые печи, медицинские приборы, плазменный нагрев, ускорители частиц;

— 3…30ГГц (10…1 см) — радиолокация, спутниковая связь, подвижная связь, метеорологические локаторы, радиорелейные линии, защитная сигнализация, плазменный нагрев, установки термоядерного синтеза;

— 30…300 ГГц (10…1 мм) — радиолокация, спутниковая связь, радиорелейные линии, радионавигация[4].

1.2 Определение подходов к нормированию воздействия антропогенного электромагнитного поля на природные экосистемы

Интенсивное использование электромагнитной и электрической энергии в современном информационном обществе привело к тому, что в последней трети XX века возник и сформировался новый значимый фактор загрязнения окружающей среды — электромагнитный. К его появлению привело развитие современных технологий передачи информации и энергии, дистанционного контроля и наблюдения, некоторых видов транспорта, а также развития ряда технологических процессов. В настоящее время мировой общественностью признано, что ЭМП искусственного происхождения является важным значимым экологическим фактором с высокой биологической эффективностью.

Анализ планов отраслей связи, передачи и обработки информации, транспорта и ряда современных технологий показывает, что в ближайшем будущем будет нарастать использование технических средств, генерирующих электромагнитную энергию в окружающую среду.

С начала 90-х годов произошли изменения в структуре источников ЭМП, связанные с возникновением их новых видов, освоением новых частотных диапазонов телеи радиовещания, развитием средств дистанционного наблюдения и контроля и т. д. Особенностью этих источников является создание равномерной зоны «радиопокрытия», что является ничем иным, как увеличением электромагнитного фона в окружающей среде.

Термин «глобальное электромагнитное загрязнение окружающей среды» официально введён в 1995 году Всемирной Организацией Здравоохранения (ВОЗ), включившей эту проблему в перечень приоритетных для человечества. В числе немногих всемирных проектов ВОЗ реализует Международный электромагнитный проект, что подчёркивает актуальность и значение, придаваемое международной общественностью этой теме. В свою очередь практически все культурно и технически развитые страны реализуют свои национальные программы исследования биологического действия ЭМП и обеспечения безопасности человека и экосистем в условиях нового глобального фактора загрязнения окружающей среды.

Живые организмы в процессе эволюции приспособились к определённому уровню ЭМП, однако, резкое значительное повышение (в историческом аспекте) уровня ЭМП вызывает напряжение адаптационно — компенсаторных возможностей организма, долговременное действие этого фактора может привести к их истощению, что повлечет необратимые последствия на системном уровне[5].

1.3 Биологические эффекты действия ЭМП антропогенного происхождения на живые организмы и экосистемы

Проведённый анализ литературы показал, что до настоящего времени в РФ не проводилось комплексных и методически грамотных исследований воздействия ЭМП различных источников на окружающую среду. Как правило, в работах изучается реакция отдельных особей или различных видов живых организмов на воздействие ЭМП. Есть материалы единичных разрозненных исследований, посвящённых изучению влияния ЭМП на природные биологические системы организменного и надорганизменного уровня (популяции, сообщества, экосистемы), но нет работ по изучению состояния и функционирования экосистем в целом в условиях действия ЭМП, влиянию ЭМП на различные виды экосистем. При этом следует ожидать, что биологическая активность ЭМП будет различной в отношении экосистем, обладающих различной устойчивостью (толерантностью) к действию этого фактора. Известно, что существуют природные экосистемы с очень хрупкой организацией, когда малейшее вмешательство человека вызывает серьёзные нарушения в функционировании сообщества, и на восстановление гомеостаза требуется длительное время. В этом случае техногенные ЭМП могут оказаться лимитирующим для экосистемы фактором и сильно изменить её свойства.

Известно, что некоторые живые организмы обладают большей чувствительностью к ЭМП по сравнению с человеком. В этом случае обоснованность принятия в качестве предельно допустимых уровней, установленных для человека является спорным. О высокой чувствительности многих животных к ЭМП свидетельствует наличие геомагнитного тропизма, т. е. использование геомагнитного поля Земли в качестве ориентира. Такая способность обнаружена у многих живых организмов: простейших (планарии, волвоксы, парамеции, улитки и др.), насекомых (майские жуки, мухи, термиты, пчёлы, бабочки), ракообразных, амфибий и рептилий (тритоны, пещерные саламандры, крокодилы, черепахи), рыб (угри, лещи и др.), птиц. Повышенной чувствительностью к ЭМП обладают мигрирующие на дальние расстояния животные — птицы, рыбы, насекомые и т. д. Кроме того многие животные используют ЭМП для осуществления дистантных взаимосвязей, обеспечивающих согласованное выполнение двигательных манёвров в стаях рыб и птиц, в стадах млекопитающих; в скоплениях насекомых и одноклеточных организмов. Проявления геомагнитного тропизма экспериментально обнаружены у растений — семена, высаженные параллельно силовым линиям геомагнитного поля прорастают быстрее, чем при перпендикулярном или беспорядочном расположении, такая ориентация семян усиливает не только их рост, но и интенсивность различных физиологических процессов, что приводит к повышению урожайности.

Сильные отклонения ЭМП от естественного уровня в большую или меньшую стороны, выходят за границы оптимума жизнедеятельности живых организмов и являются стрессорным фактором. Об этом свидетельствуют проведённые экспериментальные работы, так при полном экранировании ГМП изменяется скорость размножения некоторых микроорганизмов, наблюдаются нарушения процессов жизнедеятельности, такие как атипический рост клеток и тканей, изменений морфологии и функции органов животных. В условиях повышенного уровня ЭМП отмечалось нарушение ориентации и увеличение двигательной активности различных насекомых. Приведённые данные свидетельствуют о высокой биологической активности ЭМП во всех частотных диапазонах.

Можно выделить два основных вида источников ЭМП в окружающей среде: источники низкочастотного (0−3 кГц) и радиочастотного (3кГц — 300ГГц) ЭМП[6].

1.4 Экспериментальные исследования биологических эффектов ЭМП

Эти исследования охватывают всю рассматриваемую область ЭМП — от постоянных полей до миллиметровых радиоволн. Наиболее значительный материал накоплен в исследованиях с УВЧи СВЧ-диапазонами; в меньшей мере освоены постоянные магнитные и электрические поля и низкочастотный диапазон, сравнительно небольшое число работ связано с ЭМП высоких частот.

Была проведена серия экспериментов для изучения воздействия на организм собак, кроликов и крыс импульсных и непрерывных СВЧ-полей высоких интенсивностей (2800 и 200 МГц соответственно). В результате экспериментов выяснили, что гибель животных наступает в тех случаях, когда под действием ЭМП высокой интенсивности температура тела животных (определяемая по ректальной температуре) повышается до уровня выше критического, т. е. до 41−42⁰C для крупных животных и 42−43⁰C для мелких. При таких условиях происходит необратимое нарушение терморегуляции в организме и животное погибает. Гибель животных под действием ЭМП нельзя рассматривать просто как результат перегрева тела, так как наблюдается ряд глубоких нарушений регуляторных процессов в организме, которые зависят не только от величины электромагнитной энергии, преобразующейся в тепловую, но и от частоты ЭМП, от локализации воздействия и от физиологического состояния животного. Пришли к выводу, что данный эффект можно рассматривать как результат теплового стрессорного действия ЭМП, т.к. фазы изменения температуры соответствуют трём стадиям стресса — «реакции тревоги», «стадии резистентности» и «стадии истощения», а наблюдаемые изменения крови характерны для ранних проявлений теплового стресса. Особенность летального эффекта микроволн проявляется в адаптации к ним организма животных при повторных облучениях[7].

1.5 Морфологические изменения в тканях и органах под действием ЭМП

Морфологические изменения в органах и тканях животных происходит как в результате однократного воздействия ЭМП высоких интенсивностей, так и кумулятивно — при многократных воздействиях ЭМП малых интенсивностей.

Поражаются тем более глубокие ткани, чем ниже частота ЭМП и чем меньше размеры животного. Однако менее выраженные изменения в глубоко расположенных органах и тканях отмечаются и в тех случаях, когда ЭМП полностью поглощаются в поверхностных, кожных тканях. Характер морфологических изменений под действием ЭМП может быть самым различным — от резких поражений при летальных воздействиях (ожоги, некроз тканей, кровоизлияния, дегенеративные изменения в клетках и т. д.) до умеренных или слабых обратимых изменений при воздействиях ЭМП малых интенсивностей.

Морфологические изменения в органах и тканях под действием ЭМП различных частот и постоянного магнитного поля могут появляться и в отсутствие какого — либо существенного теплового эффекта. По-видимому, они возникают за счёт кумуляции каких-то функциональных нарушений регуляции обменных процессов.

Наиболее часто наблюдаются морфологические изменения в тканях периферической и центральной нервной системы, нарушаются её регуляторные функции, как за счёт разрыва соответствующих связей, так и за счёт изменения структуры самих нервных клеток. Такие нарушения однотипны при воздействии ЭМП самых различных частот вплоть до постоянного магнитного поля[8].

1.6 Эффекты МП на клеточном уровне

Исследования магнитобиологических эффектов на клеточном уровне проведены аргентинским биофизиком Валентинуззи, который руководил магнитобиологической лабораторией национального института микробиологии в Буэнос-Айресе. Уже в 1955 г. Валентинуззи вёл курс магнитобиологии в медицинской школе Уругвая. В отличие от многих американских коллег он впервые употребил термин «магнитобиология» вместо широко распространённого на Западе термина «биомагнетизм».

Ещё в 1886 г. немецкий учёный Дюбуа отметил изменение роста колоний микроорганизмов в МП. За прошедшие годы опубликовано много работ, в которых чаще всего отмечали угнетение роста и развитие микробов.

Однако некоторые исследователи не обнаружили влияния МП на микроорганизмы.

В 1950 г. Л. Г. Букса из Пермского медицинского института, сравнивая влияние МП, электромагнитного поля УВЧ и УФ излучения, обнаружил угнетающее влияние этих физических факторов на размножение дрожжей. Это обстоятельство ещё раз, но уже на клеточном уровне подтверждает, что МП часто действует как неспецифический фактор, вызывая общую реакцию биологического объекта, вероятно защитного характера.

Цитологические исследования показали, что после тридцатиминутного пребывания в МП 7,5 А/м ядро инфузорий поворачивается на 15−30⁰ относительно продольной оси клетки, повышается её фагоцитарная активность. При использовании цитохимических методов обнаруживали, что общее количество ДНК в ядре при этом не меняется, а количество цитоплазматической РНК значительно увеличивается, количество гликогена уменьшается[9].

В настоящее время показано, что МП оказывает влияние на микроорганизмы, но результат воздействия определяется природой поля, его интенсивностью, длительностью воздействия и особенностями биологического объекта. При длительном воздействии МП эффект более чёткий и меньше зависит от характера поля.

Говоря о магнитобиологических исследованиях на клеточном уровне, нельзя ограничиваться только результатами исследований на одноклеточных. Клетки многоклеточных организмов также претерпевают изменения в МП. В условиях целостного многоклеточного организма изменения в клетках под влиянием МП могли возникать по двум причинам: через реакции нейрогуморального регуляторного механизма и при прямом действии на клетки. В опытах с одноклеточными действовал только последний механизм.

В 1965 г. французские физиологи Халазонитис и Арванитаки, регистрируя электрическую активность изолированного сердца виноградной улитки обнаружили снижение частоты сердечных сокращений в МП 188, А/м и объяснили это явление изменением проницаемости мембран клеток миокарда. Такое объяснение эффекта не оригинально. Ещё в 1948 г. пермские медики писали, что вес изолированной мышцы лягушки, находящейся в физиологическом растворе, под воздействием МП увеличивется. В других опытах показано, что такая мышца в МП окрашивается интенсивнее, чем контрольная.

Итальянский физиолог Гуалтиротти, используя меченные атомы натрия, обнаружил, что проницаемость кожи лягушки в МП 8,8 — 12,6 А/м изменяется примерно на 30%. Параллельно изменяется и уровень кожного потенциала. В последнем случае наилучший эффект наблюдался в поле 62,8 А/м.

В лаборатории А. Б. Когана, работавшего в ростовском университете, обнаружили в опытах на водоросли Nitella уменьшение мембранного потенциала покоя при действии МП 7,5 А/м.

Перечисленные факты позволяют предполагать, что на клеточном уровне действие МП может осуществляться через неспецифическое изменение поляризации клеточных мембран и их проницаемости.

МП иногда вызывает генетические эффекты. Считается, что в отличие от физиологических эффектов генетические влияния МП могут наблюдаться через длительный интервал времени после прекращения воздействия. Этот интервал сравним со временем деления клетки. Например, у мышей только через 6−18 месяцев после воздействия МП наблюдали патологические изменения в надпочечниках, торможение симптомов старения (старые мыши в отличие от контрольных не лысели) и снижение числа спонтанных опухолей. У стафилококков торможение развития обнаруживали в 6−8-ом поколении, торможение роста вируса — через 12 часов. У грибов аскомицетов увеличивалось число мутаций после пребывания в сильном МП.

Но особенно ярко изменения выявляются на фоне радиационного повреждения. А. А. Позолотин из Института Биологии Уральского Филиала РАН показал, что импульсное МП напряжённостью 2500 А/м не вызывая хромосомных аберраций (повреждений), увеличивало на 30−40% число клеток с хромосомными повреждениями в облучённых клетках гороха. Интересно, что воздействие МП на покоящиеся и набухшие семена к такому эффекту не приводило. В стадии наклёвывания у облучённых семян задерживалось начало деления. Первые делящиеся клетки появились на несколько часов позже, чем в контроле.

На плодовой мушке дрозофиле показано, что пребывание яиц в МП 37,7 А/м на протяжении суток приводит к увеличению числа мутаций летальных или выражающихся в ненормальном развитии крыльев. В полях 1,3; 7,5 и 18,8 А/м подобный эффект не наблюдался.

Нужно признать, что механизм влияния МП на генетический аппарат клетки неясен. До сих пор мутагенное действие приписывали той области электромагнитного спектра, где кванты энергии значительны, то есть для гамма, УФ и частично ИК лучей. В последнее время находят, что электромагнитные поля радиочастотного спектра, и даже, МП обладают слабым генетическим эффектом[10].

1.7 Молекулярные механизмы низкочастотных ПеЭМП

Имеются, в частности, сведения о том, что действие слабых ПеЭМП на микроорганизмы сопровождается изменением активности каталазы, а действие фактора на растительные организмы приводит к изменению активности амилазы.

Цитохимическими методами показано, что действие ПеЭМП вызывает частичную инактивацию щелочной фосфатазы и М-нади-оксидазы.

Статистически достоверные изменения содержания SH-группы в экстрактах тканевых белков, подвергавшихся действию ПеЭМП при сравнении с результатами контрольных опытов, обнаружены при анализе белков головного мозга и сыворотки крови, что, по видимому, обусловлено конформационными изменениями этих белков. Вместе с тем изменения в белках печёночной и почечной ткани не были существенными; более высокая резистентность этих белков, по-видимому, свидетельствуют о существовании различий в чувствительности различных органов и тканей к действию слабого низкочастотного ПеЭМП. Более высокой чувствительностью в условиях опыта из числа обследованных тканей обладали белки мозга[11].

Оценка осмотической резистентности эритроцитов (гемолиз в гипотоническом растворе NaCl) показала, что воздействие слабого ПеЭМП (50 Гц) на свежие отмытые эритроциты кролика приводит в большинстве случаев к снижению резистентности их мембраны, обусловленному, по-видимому, модификацией её липопротеинового каркаса.

Наблюдаемые эффекты, можно расценивать как результат энергоинформационного взаимодействия магнитного потока с данным биологическим субстратом, причём информационные характеристики поля являются комплиментарными по отношению к энергетическим.

Макромолекулы могут находиться в нескольких различных состояниях (конформациях), практически не отличающихся энергетически друг от друга и, следовательно, переходы между этими состояниями молекулы должны характеризоваться очень небольшой собственной частотой и, естественно, очень длинной электромагнитной волной[12].

Любое из колебательных состояний молекулы белка характеризуется определёнными энергетическими параметрами, разрешающими те или иные энергетические переходы при поглощении электромагнитного излучения.

Факт существования различных колебательных состояний в макромолекулах позволяет определить позиции для объяснения первичных механизмов биологического действия низкочастотного ПеЭМП (и ПМП).

Степень взаимодействия макромолекулы с МП будет, вероятно, обусловлена её кооперативным колебательным состоянием, в котором достигается суммация (резонанс) восприимчивостей к МП отдельных звеньев.

В итоге МП может перевести макросистему на другой конформационный уровень без существенных энергетических изменений, например:

1). При ассоциации биологических молекул в МП в замкнутом экспериментальном объёме должен наблюдаться осмотический выход воды и концентрирование биологических молекул.

2). При ассоциации возможно пространственное экранирование активных групп и изменение реакционной способности БМ и их связывания с неорганическими ионами.

3). Изменение связывающей способности БМ в МП может привести к нарушению распределения ионов Na и K.

Любое воплощение вышеперечисленных механизмов влияния МП может трансформироваться в виде макроэффектов на клеточном или организменном уровнях[13].

1.8 Допустимые дозы ЭМП

Многочисленные гигиенические исследования показали, что у людей, систематически подвергающихся воздействию ЭМП радиочастот, возникают обратимые функциональные изменения нейрогуморальной регуляции. В нашей стране (в бывшем СССР) установлены допустимые интенсивности ЭМП: для СВЧ — полей — 0,01 мВт/см2, для УВЧ — 5 В/м, для ВЧ — 20 В/м. Для устройств, работающих в области частот 30 — 300 МГц была введена предельная напряженность электрического поля волны в 80 В/м. Для частот свыше 300 МГц установлена предельно допустимая мощность излучения 10 микроватт на кВ см. (для облучаемого персонала). Для населения этот уровень меньше в 5 — 10 раз без ограничения времени облучения.

Европейская комиссия подготовила рекомендации по ограничению воздействия широкого диапазона статических электрических и магнитных полей на людей.

Эти поля, известные также под названием неионизирующих излучений, создаются такими устройствами, как дисплеи, широковещательные передатчики, сотовые и мобильные телефоны, электробытовые приборы и линии электропередач. Например, электромагнитные поля частотой от 100 КГц до 300 ГГц, используемые в мобильных телефонах и ретрансляторах GSM, могут вызвать тепловое воздействие, способное привести к повышению температуры живых организмов более чем на один градус Цельсия. В России число пользователей сотовых телефонов уже превышает 100 тыс. Вряд ли кому-нибудь из них приходила мысль засунуть голову в микроволновую печь — представление о том, что высокочастотное электромагнитное излучение в считанные секунды может сделать с курицей, убережет их от такого шага. Но, к счастью, согласно выводам американских исследователей, опасения, что мобильные телефоны могут вызывать рак мозга, не обоснованы. Однако, те же ученые предупреждают: дети, пользующиеся мобильными телефонами, подвергаются повышенному риску расстройства памяти и сна.

Рекомендации стали очередным аргументом в продолжающемся уже не один год обсуждении воздействия электромагнитных излучений на человеческий организм. В числе возможных последствий облучения специалисты называют заболевание раком. Рекомендации не имеют статуса официального документа до принятия квалифицированным большинством Совета министров стран Европы. В них содержится призыв к странам — участницам Европейского союза принять соответствующие меры для защиты населения, ограничивая вредное воздействие за счет контроля допустимой частоты. 14]

1.9 Возможные механизмы биологического действия электромагнитного поля

Механизм действия электромагнитного излучения на живые организмы до сих пор окончательно не расшифрован. Существует несколько гипотез, объясняющих биологическое действие электромагнитного поля. В основном они сводятся к индуцированию токов в тканях и непосредственному воздействию поля на клеточном уровне, в первую очередь с его влиянием на мембранные структуры. Предполагается, что под действием электромагнитного поля может изменяться скорость диффузии через биологические мембраны, ориентация и конформация биологических макромолекул, кроме того, состояние электронной структуры свободных радикалов. По-видимому, механизмы биологического действия электромагнитного поля имеют, в основном, неспецифический характер и связаны с изменением активности регуляторных систем организма.

1.10 Влияние электромагнитного поля на клетку

антропогенный электромагнитный поле экосистема Мишенью для инициации любого адаптирующего эффекта, в первую очередь, являются мембраны, плазматические и внутриклеточные, ограничивающие различные органеллы и внутриклеточные компоненты. Известна большая чувствительность клеточных мембран к действию самых различных химических и физических агентов, в том числе к облучению. Морфологические и функциональные нарушения мембран обнаруживаются практически сразу после облучения и при очень малых дозах. Изменение ионного состава, возникающее при этом, может инициировать в клетке пролиферативные процессы. Помимо изменения проницаемости биологических мембран и ускорения активного транспорта катионов натрия, под влиянием электромагнитного излучения происходит активация перекисного окисления жирных ненасыщенных кислот и разобщение процессов окисления и фосфорилирования в митохондриях.

Предполагается, что все эти изменения на уровне клетки развиваются по следующим причинам:

Электромагнитное поле воздействует на заряженные частицы и токи, вследствие чего энергия поля на уровне клетки преобразуется в другие виды энергии.

Атомы и молекулы в электрическом поле поляризуются, полярные молекулы ориентируются по направлению распространения магнитного поля.

В электролитах, которыми являются жидкие составляющие тканей, после воздействия внешнего поля возникают ионные токи.

Переменное электрическое поле вызывает нагрев тканей живых организмов как за счет переменной поляризации диэлектрика (сухожилий, хрящей, костей), так и за счет появления токов проводимости. Тепловой эффект есть следствие поглощения энергии электромагнитного поля. Чем больше напряженность поля и время воздействия, тем сильнее выражены указанные эффекты (табл.1). До величины J = 10 мВт/м, условно принятой за тепловой порог, избыточное тепло отводится за счет механизма терморегуляции. Кроме того, чувствительность органов к перегреву определяется их строением. Наиболее чувствительны к перегреву органы зрения, мозг, почки, желчный и мочевой пузырь.

Таблица 1. Значения напряженности магнитного поля, при котором начинает проявляться его воздействие на организм человека.

Экспериментальные данные как отечественных, так и зарубежных исследователей свидетельствуют о высокой биологической активности электромагнитных полей во всех частотных диапазонах. При относительно высоких уровнях облучающего электромагнитного поля современная теория признает тепловой механизм воздействия. При относительно низком уровне действия поля (к примеру, для радиочастот выше 300 МГц это менее 1 мВт/см²) принято говорить о нетепловом или информационном характере воздействия на организм. Механизмы такого воздействия еще мало изучены.

Многочисленные исследования в области биологического действия электромагнитных полей позволют определить наиболее чувствительные системы организма человека: нервная, иммунная, эндокринная и половая. Эти системы организма являются критическими. Реакции этих систем должны обязательно учитываться при оценке риска воздействия электромагнитных полей на население.

Биологический эффект магнитного поля в условиях многолетнего длительного воздействия накапливается, в результате возможно развитие отдаленных последствий, включая дегенеративные процессы центральной нервной системы, рак крови (лейкозы), опухоли мозга, гормональные заболевания.

Электромагнитные поля могут быть особенно опасны для детей, беременных (эмбрион), людей с заболеваниями центральной нервной, гормональной, сердечно-сосудистой системы, аллергиков и людей с ослабленным иммунитетом.

1.11 Действие ЭМП на глаза и семенники

Глаза и семенники — органы, бедные кровеносными сосудами. Следовательно, Они должны сильнее нагреваться под действием ЭМП, чем органы, в которых возможен интенсивный отвод тепла за счёт усиления кровотока. Обнаружено, что при однократном облучении глаз микроволнами (от 3 до 30 см), в результате многократных облучений (10 сеансов по 30 минут с интенсивностью 150 мВтсм2) и при хроническом (несколько лет) воздействии микроволн с интенсивностью несколько мВтсм2 в хрусталике глаза возникает помутнение (катаракта).Также под действием микроволн обнаружены понижение активности ферментов аденозинфосфатазы и пирофосфатазы, ау кроликов, облучавшихся ежедневно в течение 3,5 месяца микроволнами интенсивностью 1 мВтсм2, понижалось внутриглазное давление. Мужские половые органы в высшей степени чувствительны к тепловому воздействию и, следовательно, особенно уязвимы при облучении. Безопасная плотность излучения в виде максимального уровня 5 мВт/см2 значительно ниже, чем для других чувствительных к облучению органов. В результате облучения семенников может наступить временное или постоянное бесплодие. Повреждение половых тканей рассматривают особо, так как некоторые генетики считают, что небольшие дозы облучения не приводят к каким-либо физиологическим нарушениям, в то же время могут вызвать мутации генов, которые остаются скрытыми в течение нескольких поколений. Для семенников было обнаружено, что дегенеративные изменения в семенниках крыс при 10-минутном облучении микроволнами (2800 МГц) возникают при повышении температуры до 30−35⁰C.При многократном облучении 3-сантиметровыми волнами с интенсивностью 100 мВтсм2, вызывающее повышение температуры в тканях семенников только на 3,3⁰C, приводило к атрофии семенных канальцев. Морфологические изменения в семенниках возникали у морских свинок под действием постоянного магнитного поля (7000 э, 500 часов) в форме некробиотических изменений клеток сперматогенного эпителия, наблюдалось понижение в них содержания ДНК и РНК. Эффекты ЭМП при злокачественных опухолях и лучевых поражениях.

Введение

больным животным экстрактов злокачественных жировых и кожных тканей, предварительно облучённых микроволнами с частотой 3000 МГц, временно замедляло развитие опухоли и увеличивало сроки выживаемости. Однако эти эффекты наблюдались не во всех случаях, а иногда отмечалось и обратное действие. Инъекции больным животным облучённых (в течении 5 мин) экстрактов тканей, взятых у здоровых животных всегда приводили к замедлению роста опухоли, если на период леченья из питания исключали жиры. Инъекции облучённого раствора гликогена ускоряли развитие опухолей. Наблюдалось полное рассасывание саркомы у крыс в результате облучения микроволнами с частотой 6000 МГц при весьма малой интенсивности. Торможение развития злокачественных опухолей у мышей под действием микроволн (3000 и 10 000 МГц) наблюдалось и при интенсивном облучении, сопровождавшемся значительным нагреванием тканей. Действие постоянного магнитного поля на развитие раковой опухоли у мышей давало отрицательные результаты — возрастало число смертных случаев. Но комбинированное действие магнитного поля и микроволн оказалось весьма плодотворным. Обнаружено положительное влияние микроволн на сопротивляемость животных к ионизирующему излучению. Итак, в опытах по действию ЭМП на злокачественные опухоли выявлено, что дело здесь не в тепловом действии ЭМП, а в их влиянии на регуляторные функции в организме, на регуляцию внутриклеточных процессов. При лучевых поражениях обнаруживается влияние ЭМП на регуляцию кроветворения и на другие системы нервно-гуморальной регуляции в организме[15].

1.12 Действие ЭМП на различные части тела и органы

Отсутствие кровеносных сосудов в некоторых частях тела делает их особенно уязвимыми к облучению сверхвысокими частотами. В этом случае теплота может поглощаться только окружающими сосудистыми тканями, к которым она может поступать только путем теплопроводности. Это в частности справедливо для тканей глаза и таких внутренних органов, как желчный пузырь, мочевой пузырь и желудочно-кишечный тракт. Малое количество кровеносных сосудов в этих тканях затрудняет процесс авторегулирования температуры. Кроме того, отражения от граничных поверхностей полостей тела и областей расположения костного мозга при определенных условиях приводит в образованию стоячих волн. Чрезмерное возрастание температуры в отдельных участках действия стоячих волн может вызвать повреждение ткани. Отражения такого рода вызываются также металлическими предметами, расположенными внутри или на поверхности тела. Головной и спинной мозг чувствительны к изменениям давления, и поэтому повышение температуры в результате облучения головы может иметь серьезные последствия. Кости черепной коробки вызывают сильные отражения, из-за чего оценить поглощенную энергию очень трудно. Повышение температуры мозга происходит наиболее быстро, когда голова облучается сверху или когда облучается грудная клетка, так как нагретая кровь из грудной клетки непосредственно направляется к мозгу. Облучение головы вызывает состояние сонливости с последующим переходом к бессознательному состоянию. При длительном облучении появляются судороги, переходящие затем в паралич. При облучении головы неизбежно наступает смерть, если температура мозга повышается на 6 °C. В результате сильного облучения энергией СВЧ может произойти удушье. Пострадавшим необходимо сделать искусственное дыхание, обеспечить быстрое охлаждение тела и кислородное питание. Следует подчеркнуть, что у человека нет органа чувств, который своевременно предупреждал бы об опасности излучения. Из-за большой глубины проникновения электромагнитного излучения никто не должен полагаться на очень обманчивые тепловые ощущения кожи. Действие ЭМП на нервно-гуморальную регуляцию обнаруживается как по внешне проявляемым реакциям, так и по нарушениям характера и интенсивности физиологических процессов. К первым эффектам можно отнести изменения поведения животных: безусловные реакции на ЭМП, изменение ранее выработанных условных рефлексов; ко вторым — изменение функций различных отделов нервной системы, нарушение гуморальной регуляции, изменения характера и интенсивности биохимических процессов. Экспериментальные данные о влиянии ЭМП на рост животных и растений не позволяют делать какие либо заключения. Можно отметить только общие черты в действии магнитного поля: на рост животных оно оказывает угнетающее действие, а на рост растений — стимулирующее. Что касается влияния ЭМП на различные стадии развития организмов — от зародышевой клетки до растущего организма, то в этом отношении можно пока отметить только одну общую черту: в большинстве опытов проявлялось нарушающее действие ЭМП на эти процессы[16, 31, 32].

1.13 Влияние на иммунную систему

В настоящее время накоплено достаточно данных, указывающих на отрицательное влияние электромагнитного поля на иммунологическую реактивность организма.

Результаты исследований российских ученых дают основание считать, что при воздействии электромагнитного поля нарушаются процессы иммуногенеза, чаще в сторону их угнетения. Установлено также, что у животных под воздействием поля, изменяется характер инфекционного процесса — он отягощается. Возникновение аутоиммунитета связывают не столько с изменением антигенной структуры тканей, сколько с патологией иммунной системы, в результате чего она реагирует против нормальных тканевых антигенов. В соответствии с этой концепцией, основу всех аутоиммунных состояний составляет в первую очередь иммунодефицит по тимусзависимой клеточной популяции лимфоцитов. Влияние электромагнитных полей и их интенсивности на иммунную систему организма проявляется в угнетающем эффекте на Т-систему клеточного иммунитета. Так же электромагнитные поля могут способствовать неспецифическому угнетению иммуногенеза, усилению образования антител к тканям плода и стимуляции аутоиммунной реакции в организме беременной самки[16,25].

1.14 Влияние на эндокринную систему и нейрогуморальную реакцию

Многие российские ученые в 60-е годы, трактуя механизмы функциональных нарушений при воздействии электромагнитного поля, ведущее место отводили изменениям в гипофизнадпочечниковой системе. Исследования показали, что при его воздействии, как правило, происходила стимуляция гипофизарно-адреналиновой системы, что сопровождалось увеличением содержания адреналина в крови, активацией процессов свертывания крови. Было признано, что одной из систем, рано и закономерно вовлекающей в ответную реакцию организма на воздействие различных факторов внешней среды, является система гипоталамус — гипофиз-кора надпочечников. Результаты исследований подтвердили это положение.

1.15 Влияние магнитных полей на систему крови и кровообращение

Значительная роль в изучении влияния различных повреждающих факторов на организм человека принадлежит гемореолологии — науке, изучающей биофизические особенностей крови как вязкой жидкости. Известно, что система крови является одной из быстро реагирующих систем организма на изменения его внешней и внутренней среды. В механизмах нарушения системы кровообращения при различных экстримальных воздействиях существенную роль играют изменения транспорта кислорода и биоэнергетики. Эту проблему разрабатывают Е. А. Коваленко и соавт.(1980). Важную роль в обеспечении организма кислородом выполняют эритроциты. Их морфо — функциональные свойства, такие как деформируемость и способность к агрегации, обеспечивающие продвижение эритроцитов по кровяному руслу, а, следовательно, транспорт кислорода к органам и тканям, определяются лабильностью эритроцитарной мембраны. Изменения реологических свойств крови являются одним из главных механизмов, определяющих характер внутрисосудистой микроциркуляции. Эритроциты традиционно используют в качестве объекта изучения при различных экстремальных воздействиях. Их использование позволяет достаточно простыми методами давать объективную оценку степени стрессорных повреждений клеточных мембран.

Важное значение при исследованиях имеют взаимные соотношения между направлением силовых линий магнитных полей и направлением кровотока. Магнитные поля способны тормозить циркуляцию крови (очень сильные — на 0.1%). Такое влияние магнитных полей на кровеносную систему используется при лечении атеросклероза. Эритроциты способны ориентироваться в малых магнитных полях. Под влиянием постоянного магнитного поля лейкоциты образуются быстрее. Но срок их жизни уменьшается, зато костный мозг очень быстро воспроизводит их. Подобное влияние на костный мозг используется при лечении лучевой болезни. Воздействие магнитных полей замедляет свертываемость крови[17, 18, 19, 23, 24].

1.16 Система санитарно — гигиенического нормирования электромагнитных полей в России

В России система стандартов по электромагнитной безопасности складывается из Государственных стандартов (ГОСТ) и санитарных правил и норм (СанПиН). Эти взаимосвязанные документы являются обязательными для исполнения на всей территории России.

Государственные стандарты по нормированию допустимых уровней воздействия электромагнитных полей входят в группу системы стандартов безопасности труда — комплекс стандартов, содержащих требования, нормы и правила, направленные на обеспечение безопасности, сохранения здоровья и работоспособности человека в процессе труда.

Ввод в действие ГОСТов осуществляет Государственный комитет по стандартизации РФ, В зависимости от отношения подвергающегося воздействию ЭМП человека к источнику излучения в условиях производства в стандартах России различаются два вида воздействия: профессиональное и непрофессиональное.

Санитарные правила и нормы регламентируют гигиенические требования к более конкретным ситуациям облучения, а также к отдельным видам продукции. Санитарные правила по своей структуре включают те же основные пункты, что и Государственные стандарты, однако излагают их более подробно. Как правило, санитарные нормы сопровождаются Методическими указаниями по проведению контроля электромагнитной обстановки и проведению защитных мероприятий.

По состоянию на 2003 г. в соответствии с СанПиН 2.2.4/2.1.8.055−96 «Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ)» для лиц, работа и обучение которых не связаны с необходимостью пребывания в зонах влияния источников ЭМИ РЧ, т. е. фактически для всего населения, оценка воздействия осуществляется по значениям интенсивности электромагнитного излучения, — напряженности электрического поля Е, магнитного поля Н (или индукции В) к плотности потока энергии ППЭ. Предельно допустимые уровни электрической составляющей электромагнитного поля, создаваемого радиотехническими объектами источниками электромагнитного излучения для различных диапазонов частот имеют следующие значения (для всего населения):

30 кГц — 300 кГц 25 В/м;

0,3 МГц — 3 МГц 15 В/м;

3,0 МГц — 30 МГц 10 В/м;

30 МГц — 300 МГц 3,0 В/м, (кроме телевизионных станций и радиолокационных станций, работающих в режиме кругового обзора сканирования);

300 МГц — ЗОО ГГц ЮмкВт/см².

Кроме этого имеется особая регламентация ЭМИ для источников, создаваемых телевизионными станциями и радиолокационными станциями специального назначения. Воздействие на пациентов излучением медицинских аппаратов не регламентируется, поскольку уровни воздействия определяются необходимым лечебным эффектом.

Ввод в действие Санитарных правил осуществляет Министерство здравоохранения РФ[21].

Глава 2. Объекты и методы исследования

2.1 Токсикологические исследования с использованием дафний

2.1.1 Характеристика тест объекта

Тип: Arthropoda

Класс: Crustacea

Отряд: Cladocera

Семейство: Daphniidae

Род: Ceriodaphnia

Вид: Ceriodaphnia affinis

Этот вид распространён по всему земному шару, на территории России — повсеместно. Населяет неглубокие, преимущественно небольшие озёра, пруды, реки и разнообразные маленькие водоёмы, а также каменистые лужи побережий полярных морей. В маленьких водоёмах этот вид встречается реже, чем другие цериодафнии, В больших, глубоких водохранилищах и озёрах встречается единично. В Европе встречаются только в литоральном планктоне на открытых местах между зарослей тростника и между растениями над заиленным дном.

Тело цериодафний заключено в прозрачный хитиновый панцирь, створки которого не соединены и образуют щель. Тело подразделено на голову, туловище, абдомен. Благодаря прозрачности тела есть возможность на живых экземплярах наблюдать процесс созревания яиц в гонадах, прохождения пищи по пищеварительному тракту, дыхательных движений, ритм сердцебиения. Эти показатели являются весьма важными при постановке токсикологических опытов для оценки степени токсичности и механизма действия вещества.

2.1.2 Принцип методики

Методика основана на определении выживаемости Cereodaphnia affinis при воздействии ЭМП и МП.

Кратковременное тестирование — до 96 часов позволяет определить острое действие ЭМП и МП на дафний по их выживаемости. Показателем выживаемости служит среднее количество особей, выживших в тестируемой воде или в контроле за определённое время. Критерием Опасности ЭМП и МП является гибель 50 и более процентов дафний за период времени до 96 часов в тестируемой воде по сравнению с контролем.

2.2 Подготовка к проведению биотестирования

2.2.1 Подготовка культивационной воды

Культивационная вода используется: для культивирования цериодафний, в качестве контрольной при биотестировании, для разбавления исследуемых объектов.

Для подготовки культивационной воды питьевую воду отстаивают и аэрируют в течение 3 — 7 суток (до полного дехлорирования) в бутылках из бесцветного стекла. При отсутствии питьевой воды удовлетворительного качества допускается использование пресной поверхностной или грунтовой воды, отобранной вне зоны влияния источников загрязнения.

Культивационная вода должна удовлетворять следующим требованиям:

— отсутствие органических загрязняющих веществ, хлора, токсических веществ, антагонистических для цериодафний организмов (сине-зелёных водорослей) и пищевых конкурентов (простейших, многоклеточных);

— PH= 7,0- 8,2;

— жесткость общая от 80 до 250 мг/ дм³ (выраженная в CaCO₃);

— отсутствие углекислого газа, метана и других газов (при наличии газов для их удаления культивационную воду кипятят в течение 30 минут, затем охлаждают и аэрируют);

— концентрация растворённого кислорода не менее6 мг/дм³ (если концентрация растворённого кислорода в контроле и разбавляющей воде ниже 6 мг/дм³, последняя аэрируется при помощи аквариумного компрессора до начала биотестирования);

— температура + 19 до + 24⁰C.

2.2.2 Выращивание и содержание культуры цериодафний

Культуру цериодафний выращивают в выбранном культиваторе, обеспечивающем поддержание искусственного освещения лампами дневного света с интенсивностью света от 500 до 1000 лк; 16-часовой световой и 8- часовой ночной (без освещения) период; температуру от + 19 до + 24 ⁰C.

В качестве культиваторов используют чашки кристаллизационные, которые наполняют на ¾ объёма культивационной водой, сажают туда самок цериодафний среднего размера с выводковыми камерами, заполненными эмбрионами, и неплотно прикрывают (от попадания пыли и для уменьшения испарения) пластинами из стекла толщиной не менее 6 мм. Маточная культура поддерживается в одном или двух сосудах.

Один или два раза в неделю осуществляется пересадка культуры в свежую культивационную воду. Частота пересадки определяется содержанием растворённого кислорода в культиваторах. Плотность маточной культуры 40−50 особей на 1 дм³ культивационной воды. В удовлетворительных условиях продуктивность маточной культуры 500−700 особей каждую неделю. Не допускается использование молоди маточной культуры для биотестирования.

Биотестирование воды и водных вытяжек проводят только на синхронизированной культуре цериодафний. Синхронизированной является одновозрастная культура, полученная от одной самки путём ациклического партеногенеза в третьем поколении. Такая культура генетически однородна. Для получения синхронизированной культуры отбирают одну самку средних размеров с выводковой камерой, заполненной эмбрионами, и помещают в стакан, заполненный культивационной водой. Появившаяся молодь переносится по одной в 10−60 (в зависимости от планируемого количества опытов) стаканов, заполненных культивационной водой. Третье поколение рачков можно использовать как синхронизированную культуру.

Взрослые самки при удовлетворительных условиях культивирования продуцируют 2−8 молодых особей на 3−4 день развития. За три генерации (обычно за 7 суток) взрослая самка даёт, по меньшей мере, 15 особей.

2.3 Подготовка корма и кормление

Цериодафниям необходимо обеспечить комбинированное дрожже-водорослевое питание. Для выращивания водорослей в качестве водорослевого корма используются зелёные водоросли родов Chlorella и Selenastrum.