石振华
电磁辐射与生物健康
2021-6-14 21:09
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(一)研究背景:

电磁辐射是指有内在联系、相互依存的电场和磁场周期性变化而形成的波动。随着电力需求的迅速增长,供电设施建设飞速发展,环境中的电磁辐射量日益增加。低于300 Hz的电磁辐射被称为极低频电磁场,高压输电系统运行产生的电磁辐射便属于极低频电磁场。数据显示,2014年全球高压输电线路总里程约550万公里,2020年预计增加至680万公里[1]。环境中的极低频电磁场主要与交流电相关,而交流电从发明到现在也不过100多年的历史,与此同时,生物在地球上的进化已持续了35亿年,这突然出现的电磁场对生物体,尤其对我们人体健康,会有什么影响呢?

电磁场不像化学物质一样具有特定的化学结构,因而,通过探寻电磁场在生物体内的受体蛋白或敏感蛋白来探究电磁场对生物体影响的方法总觉得有点牵强。电子传递链在所有细胞生物中存在,是一系列电子载体按对电子亲和力逐渐升高的顺序组成的电子传递系统。电子载体进一步组成超分子复合体。超分子复合体及代谢电流均在其周围产生电磁场,即内源电磁场[2-4]。外源电磁场与内源电磁场相互叠加生成新的电磁场,该电磁场可通过洛伦兹力影响电子传递链上的电子传递,进而影响生物体的功能。基于此,作者认为可以选择电子传递链作为电磁场对生物体内的监测靶点。然而,对于真核生物而言,电子传递链位于线粒体的内膜上,而线粒体又位于细胞内,这不利于监测电磁场对电子传递链影响。

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胞外电子传递是指厌氧条件下,微生物在胞内彻底氧化有机物释放电子,产生的电子经电子传递链传递到胞外电子受体的过程[5]。具有胞外电子传递功能的微生物统称胞外呼吸菌。胞外呼吸菌电子传递链上的电子流量还可通过微生物电化学技术实时监测,而且监测技术成熟[6-10]。鉴于此,作者选择胞外呼吸研究常用的模式生物硫还原地杆菌作为研究对象

(二)实验装置

1)电磁场处理装置

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 电磁场暴露装置:原理图(AB)及实体图(C)。当两个线圈之间的距离为线圈半径时,线圈内部一定范围内的磁场为匀强磁场。

2)双室微生物电化学系统

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3)单室三电极电化学系统

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(三)产电量分析方法

       将产电量为0.5mA的三电极微生物电化学系统分成两组,一组受电磁场处理,一组不受电磁场处理。以施加电磁场前、后30 min内的电流数据作为对照,电磁场处理时间同样为30 min(Shi, 2019)。利用Excel绘制每种处理的电流-时间(i-t)曲线,利用origin 8.0绘制该曲线的趋势线,并计算其斜率(图1)。通过比较不同处理组的斜率变化来表示不同强度电磁场对硫还原地杆菌产电量的影响。

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1. 利用电流-时间(i-t)曲线趋势线的斜率表征电流的变化

(四)研究结果

       1。产电量的变化主要与菌量和单个菌的代谢能力有关,因此,作者先检测了电磁场对硫还原地杆菌增殖速度的影响,结果显示,电磁场处理不会影响硫还原地杆菌的增殖速度


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100 Gs 电磁场对硫还原地杆菌增殖速度的影响


        2电磁场处理条件下,电化学系统产电量逐渐增加,最后逐渐趋于稳定。当电磁场关闭后,产电量会逐渐降低,最后降回至电磁场处理前的水平。逐渐增加及逐渐降低说明这个结果是生物响应而不是物理响应。电磁场关闭后,产电量降回至电磁场处理前的水平,结合上一个结果,说明电磁场处理可提高单个菌体的产电量,或单个菌体电子传递链上的电子流量。

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100 Gs电磁场处理对硫还原地杆菌产电量的影响   

  

       3以单室三电极微生物电化学系统作为受试系统时发现,电磁场处理可显著提高硫还原地杆菌电子传递链上的电子流量(产电量),而且该效应与电磁场强度呈剂量对应关系(图-A)。以20 Gs为单位,对该微生物电化学系统进行连续电磁场处理时发现,硫还原地杆菌的产电量随电磁场强度的升高而增强,随电磁场强度的降低而逐渐降回至最初水平,再次证明电磁场对硫还原地杆菌产电量的影响与电磁场强度呈剂量对应关系(图-B)。

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 电磁场对硫还原地杆菌产电量影响。A)不同电磁场强度对硫还原地杆菌产电量影响。(B)电磁场强度逐渐增强或降低对硫还原地杆菌产电量影响。


        4)向电磁场处理条件下电流量稳定的单室三电极微生物电化学系统中加入外源ATP,发现硫还原地杆菌的产电量的迅速降低,表明电磁场驱动的产电量的增加与ATP的合成有关(本实验没有直接通过荧光染色法测ATP,是因为该菌是厌氧培养,从取样到染色要20 ~ 30 min,而ATP在细胞内的存在时间大约3 min,这就使得荧光染色法难以准确的反映电磁场暴露条件下,该菌胞内ATP水平。本实验还实施呈现了ATP与电子传递链上的电流之间的关系。

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         5当以双室微生物电化学系统作为受试系统时发现,电磁场处理可引起微生物电池中电流的波动(左图),且波动幅度与电磁场强度呈线性关系(右图)。

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文章来源:

        Zhenhua Shi. Geobacter sulfurreducens-inoculated bioelectrochemical system reveals the potential of metabolic current in defining the effect of extremely lowfrequency electromagnetic field on living cells. Ecotoxicology and Environmental Safety 173 (2019) 8–14.

参考文献:

1.         Qin XY, Wu GP, Ye XH, Huang L, Lei J: A Novel Method to Reconstruct Overhead High-Voltage Power Lines Using Cable Inspection Robot LiDAR Data. Remote Sens-Basel 2017, 9(7).

2.         Guo R, Zong S, Wu M, Gu J, Yang M: Architecture of Human Mitochondrial Respiratory Megacomplex I2III2IV2. Cell 2017.

3.         Vartak R, Porras CA, Bai Y: Respiratory supercomplexes: structure, function and assembly. Protein & cell 2013, 4(8):582-590.

4.         Pokorny J, Hasek J, Jelinek F: Electromagnetic field of microtubules: Effects on transfer of mass particles and electrons. J Biol Phys 2005, 31(3-4):501-514.

5.         Lovley DR: Extracellular electron transfer: wires, capacitors, iron lungs, and more. Geobiology 2008, 6(3):225-231.

6.         Van Trump JI, Sun Y, Coates JD: Microbial interactions with humic substances. Advances in applied microbiology 2006, 60:55-96.

7.         Lovley DR, Holmes DE, Nevin KP: Dissimilatory Fe(III) and Mn(IV) reduction. Adv Microb Physiol 2004, 49:219-286.

8.         Lovley DR: Bug juice: harvesting electricity with microorganisms. Nat Rev Microbiol 2006, 4(7):497-508.

9.         Lovley DR, Phillips EJ: Organic matter mineralization with reduction of ferric iron in anaerobic sediments. Applied and environmental microbiology 1986, 51(4):683-689.

10.       Lovley DR, Phillips EJ: Novel mode of microbial energy metabolism: organic carbon oxidation coupled to dissimilatory reduction of iron or manganese. Applied and environmental microbiology 1988, 54(6):1472-1480.



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