Облучение от кишечной палочки

Первое сообщение о бактерицидном действии рентгеновых лучей появилось в 1901г. [6]. В последующие годы в связи с успехами ядерной физики значительно возрос интерес к действию ионизирующих излучений на живую клетку, в том числе и на микроорганизмы.

Все микроорганизмы по их чувствительности к излучениям могут быть распределены в следующем порядке. Наиболее чувствительны бактерии, затем следуют, плесени, дрожжи, споры бактерий и, наконец, вирусы. Однако такое распределение условно, поскольку среди бактерий известны виды, гораздо более радиоустойчивые, чем споры или вирусы.

На радиочувствительность микроорганизмов влияет множество факторов, зависящих от условий, при которых производится облучение, а также генетическая детерминированность самой клетки. К числу факторов, изменяющих чувствительность клетки к радиации, относятся: температура, присутствие кислорода или других газов, состав и свойства среды, в которой производится облучение и т. д. Эти факторы можно менять до облучения, в процессе облучения и после него.

Чувствительность к действию ионизирующих излучений у представителей животного и растительного мира варьирует в значительных пределах. Микроорганизмы отличаются низкой радиочувствительностью по сравнению с животными и растениями. Средние летальные дозы микроорганизмов превышают средние летальные дозы животных на 1-2 порядка. Если для животных эти дозы равны 4 – 3 Гр, то для бактерий они увеличиваются до 50 – 500 Гр и выше. В ряде случаев бактерицидный эффект для культуры бактерий может быть достигнут только при облучении в дозах порядка 10 – 20 кГр [7 – 8].

Исследования, проведенные в 50-х годах, накопили большое количество фактов о радиочувствительности микроорганизмов, о дозах ионизирующих излучений, вызывающих бактерицидный эффект и инактивацию различных видов и штаммов бактерий. Так, было показано, что доза 50 Гр резко снижает выживаемость кишечной палочки, а доза 200 Гр убивает 95% бактерий [9]. По данным Gunter и Kohn [10], культура микроорганизмов каждого вида содержит смесь клеток, различных по радиочувствительности. Например, для 66% клеток культуры кишечной палочки 50% летальная доза соответствовала 12 Гр, а для 34% бактерий ДЛ50 составляла 35 Гр. Субкультуры как более радиоустойчивых клеток, так и менее радиоустойчивых давали смешанные популяции, в которых содержались клетки, различные по чувствительности к действию радиации.

При облучении бактерий кишечной группы гамма-лучами инактивация их происходит в пределах доз от 0.240 до 1.68 кГр [11]. Гибель всех клеток культуры бактерий кишечной палочки происходит при дозах около 300000 Р [12]. Если кишечная палочка находится в смеси с микроорганизмами, образующими споры, то доза облучения, убивающая споры (от 2000000 до 3000000 Р), убьет и кишечную палочку [13]. При воздействии на кишечную палочку и другие микроорганизмы, находящиеся в почве, гамма-нейтронного излучения атомного реактора при плотности потока нейтронов, составляющей 0,6 * 1011 ? 1,4 * 1012 нейтр./см2 в 1 секунду в течение 2-20 минут, погибало до 100% всех неспоровых форм и 75-99% споровых форм бактерий [14]. Радиочувствительность кишечной палочки к рентгеновым лучам и к бета-излучению почти одинакова и не изменяется при облучении электронами высоких энергий в дозах, эквивалентных рентгенам [15]. При облучении взвеси бактерий в буферном растворе средняя летальная доза бета-излучения равнялась 60 Гр для кишечной палочки. При облучении высушенной культуры этих же бактерий средняя летальная доза повышалась до 200 Гр [16]. Изучалось также действие бета-излучений от радиоактивных изотопов на кишечную палочку, дизентерийные бактерии, золотистый стафилококк и В. subtilis. Так же как и при облучении рентгеновыми или гамма-лучами, наиболее устойчивыми к действию этого вида излучения оказались споры [17, 18, 19]. По данным М. А. Туманян [18], бактерицидное действие радиоактивного фосфора Р32 в отношении кишечной палочки и дизентерийных бактерий Флекснера проявлялось при концентрации, равной 300 мКю.

По чувствительности к действию ионизирующих излучений бактерии брюшного тифа близки к кишечной палочке. Одним из первых признаков лучевого воздействия на бактериальную клетку культуры брюшнотифозных бактерий является потеря подвижности [20, 21]. Исследование влияния радиации на двигательные функции подвижных организмов показало, что облучение в дозах 2 – 4 и 8 кГр не влияло на подвижность микроорганизмов. Двигательная функция В. subtilis, холерного вибриона, кишечной палочки, Proteus vulgaris, Proteus OX2, возбудителей брюшного тифа и паратифа В и Ps. aeruginosa не изменялась. По-видимому, белковый двигательный компонент этих микроорганизмов мало чувствителен к ионизирующим излучениям или клетки микроорганизмов обладают механизмом внутриклеточной защиты двигательных центров [22]. Под влиянием радиоактивных веществ – Ро210 и Sr93, присутствующих в растворе в высоких концентрациях (2*10-5 ? 2*10-з Ки/л), брюшнотифозные бактерии оставались жизнеспособными в течение нескольких месяцев. Было показано также, что чем выше концентрация микробных клеток во взвеси, тем выше количество выживших бактерий [23]. По нашим данным, доза 1 кГр обеспечивала бактерицидный эффект в отношении брюшнотифозных бактерий, штамм Ту24446, при концентрации 1 млрд. микробных тел в 1 мл взвеси в физиологическом растворе. Радиочувствительность бактерий дизентерии Флекснера не отличалась от чувствительности брюшнотифозных бактерий к действию рентгеновых или гамма-лучей. Однако в ряде случаев эта доза облучения убивала не все клетки культуры бактерий; бактерицидный эффект излучения для 100% клеток наблюдается только при повышении дозы до 4 – 6 кГр. Для сибиреязвенных микробов летальное действие радиации наблюдалось при дозах 3 – 5 кГр [24].

Туберкулезные микобактерии более устойчивы к действию ионизирующих излучений по сравнению с бактериями кишечной группы и сибиреязвенными. Бактерицидное действие на них гамма-излучения обнаруживалось при дозах 7 кГр – 10 кГр [25]. Облучение в дозах 1 – 2 кГр не влияло на рост бактерий. Повышение дозы до 4 – 5 кГр снижало вирулентность этих бактерий, а дозы 5 – 10 кГр снижали аллергеногенные свойства микобактерий [26].

Таким образом, для получения одинакового биологического эффекта у различных видов микроорганизмов требуются различные дозы излучения. Эти различия зависят от ряда биологических особенностей облучаемых бактерий, условий облучения, влияния среды, в которой облучаются микроорганизмы, и других факторов. Особое значение придается неодинаковой чувствительности нуклеинового обмена и ДНК различных микроорганизмов к излучению [22]. Значительно варьирует чувствительность бактерий к радиации и внутри одного и того же вида, штамма и даже популяции бактериальных клеток [27]. Популяция клеток состоит из бактерий, располагающихся по устойчивости к радиации в вариационный ряд, так же как и по другим биологическим признакам. Поэтому в популяции всегда присутствуют особо радиорезистентные клетки. Для того чтобы их убить, необходимо облучение в значительно более мощных дозах, чем те, при которых погибает основная масса клеток, менее резистентных к облучению [28].

Грамположительные бактерии менее чувствительны к облучению, чем грамотрицательные [29]. Примером высокой радиорезистентности грамположительных бактерий могут служить сарцины. Как пигментные сарцины (S. aurautica, S. lutea), так и бесцветная (S. ureal) обладают высокой устойчивостью к бактерицидному действию рентгеновых и ультрафиолетовых лучей [30]. По данным 3. Г. Першиной и Т. Д. Есаковой [17], взвесь сарцин густотой в 40 млрд. микробных тел в 1 мл погибала при облучении гамма-излучением в дозе 15 кГр.

Значительно более высокой устойчивостью к действию ионизирующих излучений обладают споры бактерий [14, 19, 22, 31]. Бактерицидный эффект радиации из споры в подавляющем большинстве случаев проявлялся при дозах облучения не ниже 10- 20 кГр. Для полной инактивации спор, по данным Hannan [32], Kuprianof [33], Nickerson с соавторами [34], В. Л. Троицкого и др. [35], нужны дозы порядка 15-20 кГр, а по данным М. Н. Мейселя и Н. Д. Черняева [36], эта доза должна быть увеличена до 25 кГр. Споры В. subtilis убиваются гамма-излучением в дозах от 15 до 20 кГр [12, 13, 37]. Такие же большие дозы нужны для убивания Clostridium sporogenes, Candida albicans, Aspergillus niveus и других видов микроорганизмов. Споры Clostridium botulinum оказались особенно радиорезистентными. Облучение образцов почв в дозе 10 кГр приводило к отмиранию клеток азотобактера, к снижению количества актиномицетов и не влияло на выживаемость спор клостридиа [38, 39]. При облучении спор С1. botulinum (штамм ЗЗА) гамма-излучением в дозах от 10 до 90 кГр зависимость между дозой облучения и гибелью спор характеризовалась экспоненциальной кривой, хотя для спор экспоненциальная зависимость проявляется при дозах облучения до 30 кГр [40].

Радиочувствительность спор различных бактерий варьирует в значительно меньшей степени, чем радиочувствительность различных видов бактерий, не образующих спор [41]. Прорастающие споры более чувствительны к действию рентгеновского или гамма-излучения по сравнению с покоящимися спорами. Так, прорастающие споры В. megatherium в 3 раза более чувствительны к действию излучений, чем покоящиеся споры. Такое изменение радиочувствительности прорастающих спор связывают с биохимическими изменениями, происходящими в это время [42]. Так, резкое повышение радиочувствительности прорастающих спор В. cereus связывают с увеличением содержания воды в живой клетке [43]. Вегетативные клетки спорообразующих бактерий более чувствительны к действию радиации, чем споры [29]. По радиочувствительности они мало отличаются от видов бактерий, не образующих споры. Изучение микрофлоры мясных продуктов, подвергавшихся лучевой обработке, показало, что полная инактивация живых клеток достигается для стафилококка и вегетативных клеток В. cereus дозами 1.50 кГр для кишечной палочки нужна доза 2 кГр, для Salm. typhimurium и Str. faecalis 3 кГр, а для спор В. cereus и Cl. bitermentaus инактивирующая доза повышалась до 20 кГр [44]. Таким образом, радиочувствительность вегетативных форм В. cereus выше или не отличается от радиочувствительности неспорообразующих видов микроорганизмов и более чем в 10 раз выше радиочувствительности спор этих же бактерий.

Если бы споры были наименее радиочувствительными представителями микроорганизмов, то свойства радиочувствительности или радиоустойчивости можно было бы объяснить только биологическими особенностями, характеризующими спору. Однако среди микроорганизмов, не образующих спор, известны такие, которые отличаются чрезвычайно высокой радиорезистентностью, в ряде случаев превышающей радиорезистентность самых устойчивых спор. Эти высокорадиорезистентные микроорганизмы чаще всего встречаются среди кокков и сарцин. Известны микрококки, у которых полулетальная доза равна 4 кГр. По данным Ф. С. Апт с соавторами, при лучевой стерилизации мяса, рыбы и других консервированных продуктов наиболее часто после облучения в дозах от 6 до 15 кГр обнаруживали кокков. Большей частью это были грамположительные диплококки, выдерживавшие облучение в дозе 15 кГр. Примером высокой радиорезистентности могут служить бактерии, выделяемые из вод атомных реакторов. Эти бактерии выдерживают воздействие огромных доз ионизирующей радиации. Бактерии, выделенные из реактора в лаборатории в Лос-Аламосе (США), принадлежали к виду Psеudo-monas. Доза облучения, которому подвергались эти бактерии, составляла 100 кГр за 8 часов, В Австралии бактерии были обнаружены в тяжелой воде реактора. Они размножались, несмотря на то что тяжелая вода токсична для бактерий.

Выделенные 3.Г. Першиной с соавторами из воды реактора грамм-положительные палочки отличались высокой устойчивостью к облучению. Доза 15 кГр не убивала всех бактерий в культуре. Бактерии обладали способностью образовывать красноватый пигмент.

Применение ионизирующей радиации для стерилизации пищевых продуктов и других материалов показало, что облучение в дозах 20 – 30 кГр убивает 99,9% микроорганизмов в стерилизуемом объекте. Однако 0,05-0,1% микроорганизмов остаются живыми. Эти неубитые микроорганизмы оказались высокорадиорезистентными кокками, и для полной стерилизации пищи и других материалов приходилось применять дозы значительно выше 20 кГр. Anderson и соавторы изолировали эти радиорезистентные кокки и изучили их свойства. Чистая культура на агаре этих микроорганизмов, идентифицированных как Micro-coccus roseus и Micrococcus tetragenus, выдерживала облучение 60 кГр. Устойчивость их к радиации была в 6-8 раз выше устойчивости спорообразующих микроорганизмов.

Данные о радиочувствительности фагов и вирусов, различных по величине, имеют большое значение для выяснения первичного механизма действия ионизирующих излучений на клетку. Эти данные используются для подтверждения теории мишени. Таким образом, бактерии и вирусы отличаются высокой радиорезистентностью от всех других видов организмов. По степени радиорезистентности их можно расположить в следующем порядке: бактерии, вирусы, споры. Однако среди бактерий встречаются виды, обладающие такой же высокой радиорезистентностью, что и споры или даже превышающей радиорезистентность спор. Вегетативные клетки споровых видов бактерий и прорастающие споры по радиорезистентности не отличаются от бактерий. Радиочувствительность микроорганизмов и вирусов зависит от целого ряда причин. К числу факторов, влияющих на чувствительность микроорганизмов к действию ионизирующих излучений, относятся: концентрация микробов в облучаемом объекте, фазы роста микроорганизмов, мощность дозы и плотность ионизации, температура при облучении и после него, кислородный эффект, питание, влияние радиопротекторов и др.