1

На правах рукописи

МУХАЧЕВ ЕВГЕНИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

МЕТОДЫ БИОТЕСТИРОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЗОНЕ РАБОЧЕГО МЕСТА

ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ПЭВМ

03.02.08 – экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва – 2013 2

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-исследовательский институт прикладных проблем» Федеральной службы по техническому и экспортному контролю (ФГУП «ГосНИИПП»

ФСТЭК России), г. Санкт-Петербург.

Научный руководитель: Носов Виктор Николаевич, доктор медицинских наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник ФГУП «ГосНИИПП» ФСТЭК России

Официальные оппоненты: Глухов Дмитрий Валерьевич, доктор медицинских наук, доцент, директор ЗАО «Российские наукоемкие технологии», г. Москва;

Лебедев Андрей Андреевич, доктор биологических наук, профессор, старший научный сотрудник ФГБУ «НИИ экспериментальной медицины»

СЗО РАМН, г. Санкт-Петербург.

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт гигиены, профпатологии и экологии человека» Федерального медико-биологического агентства (ФГУП «НИИ ГПЭЧ» ФМБА России), Ленинградская область, Всеволожский район, г.п.

Кузьмоловский.

Защита состоится «25» апреля 2013 г. в 14 часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.203.17 при Российском университете дружбы народов по адресу: 115093, г. Москва, Подольское шоссе, д. 8/5.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов» по адресу: 117198, г. Москва, ул.

Миклухо-Маклая, д. 6.

Автореферат разослан «_» марта 2013 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета кандидат биологических наук, доцент Е. А. Карпухина

I.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В настоящее время происходит значительный рост использования на рабочих местах средств хранения, обработки и передачи информации. Вклад персональных компьютеров и средств беспроводной передачи данных по протоколам «Wi-fi» и «Bluetooth» в экологическую обстановку рабочего места складывается из совокупности продуцируемых ими абиотических факторов, основным из которых является ЭМИ нетепловых уровней интенсивности (Кураев Г.А. и др., 2000; Мырова Л.О., 2008; Usman A. et al., 2011). Параметры электромагнитного поля в точке контроля являются результатом взаимодействия полей всех действующих источников (ПЭВМ в соседних помещениях, модули беспроводной передачи данных и т.п.) в зоне их охвата, а потому, являются непостоянными и не поддающимися прогнозированию.

Оценка соответствия параметров ЭМП действующим гигиеническим и санитарным нормам (СанПиН 2.1.8/2.2.4.1190-03; СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03;

СанПиН 2.2.4.1191-9603), как частного случая интегральной оценки качества окружающей среды, производится, главным образом, на основе результатов измерения значений интенсивности энергетических экспозиций ЭМИ (Колебания и волны…, 2006). Однако проведение качественного экологического мониторинга таким образом не всегда возможно ввиду множественности параметров этого фактора загрязнения, необходимостью привлечения высококвалифицированных специалистов и высокой стоимости реализации подобных технологий.

Результирующий отклик тест-системы на комбинированное воздействие абиотических факторов трудно предвидеть, пользуясь результатами физического измерения и его анализа. Таким образом, особо востребованными оказались методы интегральной оценки качества экологической обстановки, такие как биотестирование - процедура выявления загрязнения среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие факторы и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций. Благодаря простоте, оперативности и доступности, биотестирование получило признание во многих отраслях промышленности и ЖКХ (Kamman U.

et al., 2006).

Общепризнанных биоиндикаторов электромагнитной среды в настоящее время не существует, а разработанные модели, как правило, чувствительны к тепловым эффектам ЭМИ и не пригодны для оценки информационных воздействий.

Решение актуальных проблем современной экологии, касающихся изучения биологического действия факторов различной природы и интенсивности, требует разработки тест-систем, отличающихся относительно низким порогом чувствительности и быстротой получения результата (Вишневский В.Г. и др., 2007; Иголкина Ю.В., 2009; Биологический контроль…, 2010), что, как правило, подразумевает использование простых по организации организмов (эмбрионы, протисты, одноклеточные грибы и т.п.).

Несмотря на востребованность методов биотестирования в ряде отраслей промышленности и актуальность проблемы интегральной оценки условий труда, в настоящее время не существует оперативных методов биотестирования электромагнитной обстановки, характерной для рабочих мест пользователей ПЭВМ и (или) распространения беспроводных сетей передачи данных.

Таким образом, актуальность настоящего исследования связана с низким качеством оперативной экологической диагностики ЭМИ, особенно информационной составляющей, традиционными методами, основанными на регистрации энергетических экспозиций ЭМИ, и заключается в необходимости разработки эффективных высокочувствительных методов биотестирования с использованием объектов различного уровня сложности.

Из представленного несоответствия актуальности проблемы и степени её проработанности и решения в отечественной и зарубежной прикладной науке, определена следующая научная задача данного исследования: разработка принципов и способов оперативного биотестирования экологического эффекта ЭМИ в зоне рабочего места пользователя ПЭВМ, вызывающего изменения на уровне физиологии нервной системы.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются электромагнитные факторы экологической обстановки в зоне рабочего места пользователя ПЭВМ.

Предметом исследования являются закономерности влияния сверхслабого ЭМИ на интегральные биологические процессы на различных уровнях организации живых организмов.

Цель и задачи исследования. Цель данной работы состоит в повышении чувствительности, оперативности и эффективности способов интегральной оценки неблагоприятных эффектов электромагнитного излучения в зоне рабочего места пользователя ПЭВМ, различных по типам аппаратной загрузки, путем разработки комплекса методов биотестирования с использованием модельных систем различных уровней организации.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

разработать и экспериментально опробовать комплекс методов экологического биотестирования, основанных на использовании организмов различного уровня сложности и онтогенетической зрелости;

экспериментально обосновать структурно-физиологические мишени воздействия сверхслабых ЭМИ;

исследовать влияние ЭМИ ПЭВМ на ряд интегральных и прогностических параметров физиологии нервной системы: эмоциональную реактивность, долговременную память крыс и вариабельность сердечного ритма пользователей ПЭВМ;

дать сравнительно-аналитическую оценку биологического эффекта ЭМИ ПЭВМ в различных режимах загрузки аппаратных средств (стандартная и с попеременной активацией модулей «Wi-fi» и «Bluetooth»);

Научные результаты.

Разработано пять методов биотестирования, обладающих оперативной чувствительностью к сверхслабым ЭМИ ПЭВМ.

Получены результаты биотестирования экологических эффектов электромагнитного излучения в зоне рабочего места пользователя ПЭВМ.

Получены результаты исследований длительного воздействия ЭМИ ПЭВМ, различных по типам аппаратной загрузки, на ряд параметров нервной системы животных и пользователей ПЭВМ.

Положения, выносимые на защиту.

Разработанные методы биотестирования на основе использования организмов различного уровня сложности позволяют реализовать принципы динамичности и дифференцированности экологической диагностики ЭМИ в зоне рабочего места оператора ПЭВМ, что повышает её объективность, надежность и эффективность.

дифференцированный биологический эффект, состоящий в значительном усилении последствий воздействия ЭМИ при загрузке модулей беспроводной передачи данных по протоколам «Wi-fi» и «Bluetooth».

Сверхслабые ЭМИ ПЭВМ и средств беспроводной передачи данных, при условии длительного (от пяти суток) непрерывного воздействия, являются причиной снижения уровня эмоционально-поведенческой реактивности, нарушения долговременной памяти, парасимпатического сдвига регуляции вегетативной нервной системы.

Научная новизна. Научная новизна исследования состоит в том, что впервые:

электромагнитной чувствительности дрожжей Sacharomyces и инфузорий Paramecium применительно к ЭМИ ПЭВМ путем неполного ингибирования роста колоний и повышения генетической и онтогенетической однородности популяции, соответственно;

разработан и опробован метод оценки пролиферативного статуса популяций эмбриональных полипотентных клеток, основанный на наведенном метафазном блоке.

Теоретическая значимость.

доказана оперативная чувствительность ряда тест-реакций к ЭМИ ПЭВМ;

определены соответствующие мишени ЭМИ ПЭВМ на клеточном и системном уровнях.

Практическая значимость.

разработаны и внедрены новые методы биотестирования, позволяющие проводить оперативный анализ электромагнитного загрязнения окружающей среды сверхслабой интенсивности;

представлены рекомендации по дифференциальному применению разработанных методов и перспективы их практического использования;

определены временные пределы эффективного применения ряда тест-реакций для биотестирования.

Соответствие диссертации Паспорту научной специальности.

Диссертационное исследование соответствует п. 2.1 “ Факториальная экология – исследование влияния абиотических факторов на живые организмы в природных и лабораторных условиях с целью установления пределов толерантности и оценки устойчивости организмов к внешним воздействиям, возникающим в результате строительной хозяйственной деятельности и эксплуатации ЖКХ.” и п. 2.4 “Экология человека – изучение общих вопросов взаимодействия человека и биосферы, исследования влияния условий среды обитания (в том числе созданной в результате строительной, хозяйственной деятельности и эксплуатации ЖКХ) на человека” паспорта специальности 03.02.08 – “Экология”.

Апробация и реализация результатов работы. Основные положения диссертации изложены в виде: шести докладов на научно-практических конференциях, докладе на заседании секции «Биология развития» СанктПетербургского Общества Естествоиспытателей (2007 г.), двух докладах на заседаниях научно-технического совета ФГУП «ГосНИИПП» (2011, 2012 гг.), отчета по инициативному исследованию ФГУП «ГосНИИПП» «Отработка методики экспресс тестов абиотических факторов окружающей среды с использованием дрожжевых колоний» (2010 г.).

Материалы диссертации реализованы в научной работе ФГУП «ГосНИИПП» (Акт об использовании), учебном процессе биолого-почвенного факультета Санкт-Петербургского государственного университета (Справка о практической ценности), практической деятельности сети ветеринарных клиник «Вега» (Акт о внедрении), научно-исследовательской и производственной деятельности фармакологической компании ООО «АТГ Сервис Ген» (Акт о реализации).

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано десять работ (пять статей и пять тезисов докладов), пять из которых в изданиях перечня ВАК РФ.

Декларация личного участия. Личный вклад соискателя состоит в выполнении всего объема теоретической работы, разработке и апробации методов оперативного биотестирования, непосредственном участии в получении исходных экспериментальных данных, их обработке и интерпретации. При участии автора подготовлены основные публикации по выполненной работе.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и выводов. Объем работы составляет 150 страниц, включая 23 таблицы и 45 рисунков. Список литературы включает источника, 98 из которых - на иностранных языках.

Благодарности. Считаю своим долгом выразить признательность моему научному руководителю д.м.н. В.Н. Носову за неоценимую помощь на всех этапах исследования, особую благодарность выражаю С.А. Егорову, д.т.н. О.В.

Цветкову и к.т.н. А.И. Сиренко – за оказанное доверие и возможность проведения работы, д.т.н. А.В. Корякину, к.м.н. А.С. Титову, к.б.н. А.И.

Ерофееву - за ценные замечания по содержанию рукописи, д.т.н. Г.М.

Дегтяреву, к.м.н. Ф.В. Арсеньеву, к.т.н. А.А. Вишнякову, к.м.н. С.П.

Кропотову, к.м.н. Д.О. Белогорцеву, к.м.н. Л.И. Глико – за поддержку и внимание к работе, к.т.н. К.Г. Лямову – за помощь в автоматизации методов исследования, д.в.н. С.В. Баушеву и к.т.н. В.П. Турусову – за консультации по методическим вопросам. Отдельную благодарность выражаю своим учителям из СПбГУ: к.б.н. В.И. Ефремову, к.б.н. Д.Г. Полтевой и к.ф.н. Л.Н. Румянцевой – за приобщение к университетским принципам науки и мировоззрения.

II СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность исследования, сформулированы цель и задачи, показаны научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы.

Раздел 1. Современное состояние проблемы влияния электромагнитного В разделе представлена и обобщена информация об электромагнитном факторе окружающей среды. Выделены основные этапы и направления исследований по данной проблеме. Приведены общие сведения об электромагнитных излучениях, в т.ч. характерных для персональных компьютеров.

Показано, что живые организмы различных систематических групп чрезвычайно чувствительно к ЭМИ во всех частотных диапазонах (Григорьев Ю.Г. и др., 2003). Приведены экспериментальные данные влияния ЭМИ на все системы и органы млекопитающих, наиболее уязвимой из которых является нервная (Пальцев Ю.П. и Суворов Г.А., 1998).

Приведен обзор современных представлений о механизмах и специфических мишенях воздействия ЭМИ, среди которых выделяют: кальцийзависимые эффекты (Bawin S.M. et. al., 1975), водную компоненту клеток (Емец Б.Г., 1999), рецепторные системы мозга (Юринская М.М. и др., 1996).

Приведена теория информационных воздействий на биосистемы (Акоев И.Г. и др., 1986) как научное обоснование воздействия ЭМИ сверхслабых интенсивностей на биологические системы. Дана характеристика зависимости биологического эффекта от различных параметров ЭМИ.

Дана характеристика принципам нормирования ЭМИ для основного населения с приведением действующих гигиенических стандартов (СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03).

Представлены основные методические концепции исследований влияния ЭМИ на биологические системы: хронические исследования, биотестирования и способы их экстраполяции.

Раздел 2. Материалы и методы исследований Исследования влияния ЭМИ ПЭВМ и средств беспроводной передачи данных (2008-2011 гг производства) на биологические системы различного уровня сложности и онтогенетической зрелости проводились в 2009–2012 гг. на базе ФГУП «ГосНИИПП».

В качестве источников ЭМИ использовали: портативные ПЭВМ «Acer», «Asus», «Sony», «Toshiba», «HP» и стационарные ПЭВМ «Lenovo».

Компьютеры работали как в стандартном режиме загрузки аппаратных средств, так и в режимах активации модулей беспроводной передачи данных по протоколам iEEE 802.11 «Wi-fi» и iEEE 802.15.1 «Bluetooth». Величины напряженности электрического и магнитного полей ПЭВМ и величины плотности потока энергии (ППЭ) приведены в таблице 1.

Для корректности интерпретации полученных результатов, все условия экспозиций, за исключением параметров ЭМИ, поддерживались на одном уровне.

Комплексное исследование воздействия ЭМИ ПЭВМ на живые организмы осуществляли посредством проведения хронических экспериментов и с использованием методов интегральной оценки качества экологической обстановки – биотестирования.

Напряженности магнитного и электрического полей ПЭВМ и величины ППЭ Напряженность Напряженность Интенсивно Интенсив Интенсивно Торговая Марка ПЭВМ Toshiba В качестве модельного организма в длительных исследованиях использовали самцов белых беспородных крыс в возрасте от 4-х до 10-ти месяцев. Для определения влияния ЭМИ ПЭВМ на эмоциональную реактивность и долговременную память животных, оценивали влияние длительной экспозиции на горизонтальную двигательную активность в автоматизированном тесте «Открытое поле» и выработку условного пищевого рефлекса в автоматизированном тесте «Трехлучевой лабиринт». Объемы выборок в тестах составили 80 и 70 животных, соответственно В качестве объектов биотестирования использованы организмы различного уровня сложности и онтогенетической зрелости. Перечень методов биотестирования, а также, соответствующие объемы экспериментальных выборок приведены в таблице 2.

инфузорий P. Caudatum Ингибируемый рост колоний Проницаемость клеточной дрожжей Sacharomyces мембраны Вылупляемость зародышей D. rerio Частота сердечных Регуляция вегетативного сокращений личинок D. rerio гомеостаза Статмоинетика метафазного Пролиферация блока у зародыша D. rerio плюрипотентных клеток Все методы биотестирования разработаны для решения поставленных задач. Так, для корректной оценки результатов экспериментов с использованием модели размножения инфузорий (Носов В.Н. и др., 2011), предварительно проводили клонирование одной клетки, что повышало генетическую однородность и синхронность клеточных циклов экспериментальных выборок.

Метод использования роста колоний дрожжей (Мухачев Е.В. и др., 2011) разработан с применением модели неполного ингибирования размножения, обеспечившего повышенную чувствительность к сверхслабым ЭМИ.

Разработан (Мухачев Е.В., 2006, 2007; Ефремов В.И. и др., 2007;

Efremov V.I. et al., 2007) и использован статмокинетический метод оценки пролиферативного статуса клеточных популяций ранних зародышей Danio rerio, позволяющий произвести проверку признаков влияния ЭМИ на пролиферацию в размножении инфузорий на уровне плюрипотентных клеток позвоночных.

Анализ воздействия ЭМИ ПЭВМ на вегетативный гомеостаз пользователей проводился по методике Р.М. Баевского (1968).

Статистический анализ осуществлялся с использованием пакетов STATISTICA и EXEL. После проверки гипотезы о соответствии распределения