（制糖工程专业论文）磁场作用下微生物存活规律的研究.pdf

摘要 摘要 冷处理杀菌是食品灭菌的发展方向。磁场杀菌是冷杀菌的手段之一，因其具 有杀菌过程温度升高少、食品营养成分损失少等优点而成为研究的热点。己有不 少有关磁场杀菌的研究报告，显示具有很大的应用潜力。但迄今却罕见实际工业 化应用，重要原因是有关的基础研究少，磁场杀菌机制不明。本论文从研究静态 磁场和动态磁场对微生物存活率的影响着手，探讨磁场影响微生物生存的基本规 律，力图为食品的磁场杀菌或磁场作为食品危害控制的栅栏因子提供理论依据。 主要内容和研究结果包括: 一、静态磁场对微生物的影响 1 .以细菌、 酵母和霉菌为对象， 研究液体中不同强度静态磁场对微生物的影 响，获得磁场作用2 4 h 后微生物的存活率 ( y )与磁场磁感强度 ( x )的拟合方程 如下: ( 1 )啤酒酵母y = 1 1 0 . 2 3 + 1 2 9 4 .7 x 一 3 8 8 5 . 1 x 2 + 3 9 1 5 . 1 x 3 一1 3 3 7 . 1 x 4 ( 2 ) 黑曲 霉y = 8 8 .2 8 + 5 6 .8 1 5 x - 2 8 6 .8 3 x 2 + 3 8 9 .5 5 x 3 一 1 7 7 .7 9 x 4 ( 3 ) 枯草 杆菌 y = 7 6 . 1 2 6 + 9 8 .3 5 3 x - 4 9 . 1 9 5 x 2 - 8 9 .2 5 9 x 3 - 4 5 .2 2 8 x 4 2 .研究静态磁场处理时间对微生物的影响，结果发现: ( 1 ) 0 . 6 t静态磁场处理对啤酒酵母有显著影响，对假丝酵母影响不显著; 1 . 2 t静态磁场作用对啤酒酵母影响极大， 对假丝酵母也有较大影响，1 . 8 t的静态 磁场短时处理对酵母存活率影响显著。 ( 2 ) 0 . 6 t静态磁场对霉菌抱子萌发有一定的抑制作用，1 . 2 t的静态磁场对 其有较显著的影响，1 . 8 t静态磁场处理影响效果显著。 ( 3 ) 1 . 2 t静态磁场处理对枯草杆菌有一定影响，1 . 8 t静态磁场处理对枯草 杆菌的存活率影响极大，而大肠杆菌的存活率随着时间的变化规律为:开始时存 活率随时间延长而升高，接着下降，但下降到一定程度时趋于稳定。 3 .研究了外加介质存在下静态磁场对微生物的影响，发现添加食盐后微生 物的存活率降低，而添加大豆蛋白后微生物的存活率提高。 4 .利用灰色关联度分析法对静态磁场影响微生物的因素进行了关联度分析。 发现， 静态磁场对酵母菌和霉菌灭活的作用因素关联序为: 磁场作用时间 磁场强 度 菌液中加入的大豆蛋白浓度; 而对细菌而言， 磁处理作用因素的关联序为: 磁 场强度 处理时间 二、动态磁场对微生物的影响 研究了动态磁场对微生物的影响规律，发现对不同微生物影响存在一定的差 华南理土大学博士学位论文 异 。 1 . 动态磁场对酵母菌影响显著， 酵母菌的生长受到严重抑制， 菌落形成时间 延长。磁场处理前后酵母菌液的吸光度比较结果显示磁场处理后核酸物质严重泄 漏。正交实验的结果表明:磁场处理时间和菌液中的蛋白含量对酵母菌的存活率 影响显著，蛋白一脂肪的交互作用的影响也较明显。 2 . 动态磁场作用于枯草杆菌时， 枯草杆菌的存活率先升后降， 磁场处理前后 枯草杆菌液的吸光度比较结果显示磁场处理后核酸物质严重泄漏;动态磁场的作 用对大肠杆菌也有显著影响，随着磁场处理次数的增加，大肠杆菌的存活率逐步 下降。 3 . 动态磁场对霉菌影响显著， 磁场处理后霉菌存活率下降， 造成饱子内的核 酸物质泄漏。 4 .在牛奶、 麦芽汁介质存在时利用动态磁场处理酵母菌、枯草杆菌，发现牛 奶、麦芽汁介质的存在对微生物有一定保护作用。 三、磁场处理对微生物的影响机制的初步探讨 通过高倍显微镜和透射电子显微镜对微生物细胞的形态进行观察，结合微生 物菌液的吸光度等数据，研究了静态磁场和动态磁场影响微生物的机制。 1 . 静态磁场影响微生物的机制主要是较长时间的磁处理能使磁场的能量祸合 到微生物细胞的大分子上而引起结构改变，细胞膜的通透性增强，从而导致细胞 物质泄漏，妨碍微生物的生长繁殖。 2 .动态磁场影响微生物的机制与外加脉冲磁场的作用相似，尤其是强磁场 的瞬时作用造成的振荡， 导致细胞结构破坏， 并造成微生物细胞膜通透性的改变， 从而使微生物的生长代谢受到影响， 严重时导致细胞“ 穿孔” ， 造成微生物的死亡。 3 . 通过透射电子显微镜对啤酒酵母的观察首次发现: 动态磁场作用可致使部 分酵母细胞发生 “ 磁致穿孔” 。指出，此 “ 磁致穿孔” 现象会致使细胞内物质向胞 外泄漏增加，是导致微生物死亡的主要原因。 4 . 利用 d n a指纹图谱分析， 发现， 动态磁场处理后细菌菌体内的部分d n a 缺失，证实了其向细胞外的泄漏;而静态磁场处理对细菌 d n a 图谱的影响因菌 而异。 关键词:磁场处理;微生物 ( 细菌、酵母和霉菌) ;存活率:磁场生物效应;机制 abs trac t a b s t r a c t c o l d s t e r i l i z a t i o n i s t h e f u t u r e t e n d e n c y o f f o o d s t e r i l i z a t i o n . a s a n i m p o r t a n t m e a n s , m a g n e t i c f i e l d s t e r i l i z a t i o n i s o n e o f f o c a l p o i n t s f o r c o l d s t e r i l i z a t i o n r e s e a r c h b e c a u s e i t i s w i t h a l o w e r t e m p e r a t u r e r i s e a n d a l i t t l e f o o d n u t r i t i o n l o s s d u r i n g s t e r i l i z a t i o n . t h e r e a r e a l o t o f r e s e a r c h e s o n m a g n e t i c f i e l d s t e r i l i z a t i o n , b u t t h e r e a r e a f e w p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s a s t h e b a s i c s t u d y o n m a g n e t i c f i e l d s t e r i l i z a t i o n i s r a r e a n d t h e m e c h a n i s m o f m a g n e t i c f i e l d s t e r i l i z a t i o n i s n o t y e t v e r y c l e a r . i n t h i s p a p e r , t h e i n fl u e n c e s o f s t a t i c m a g n e t i c f i e l d s ( s mf ) a n d d y n a m i c m a g n e t i c f i e l d s ( d mf ) o n s u r v i v a l o f m i c r o o r g a n i s m s w e r e s t u d i e d . t h e r e g u l a r p a t t e r n o f m a g n e t i c f i e l d s o n m i c r o o r g a n i s m w a s d i s c u s s e d . t h e o b j e c t o f t h i s p a p e r i s t o p r o v i d e t h e t h e o r y b a s i s o f m a g n e t i c t r e a t m e n t f o r f o o d s t e r i l i z a t i o n o r f o r u s e d a s a h u r d l e t o c o n t r o l f o o d h a z a r d . t h e m a i n a s p e c t s a r e a s f o l l o w s : 1 . e f f e c t o f s mf o n mi c r o o r g a n i s m s ( 1 ) t h e i n fl u e n c e s o f m a g n e t i c i n d u c t i o n i n s mf o n m i c r o o r g a n i s ms ( b a c t e r i a , y e a s t a n d m o l d ) w e r e s t u d i e d . t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e i m i t a t i v e e q u a t i o n s b e t w e e n t h e r e l a t i v e s u r v i v a l r a t e ( r s r ) o f m i c r o o r g a n i s m s y a n d t h e m a g n e t i c i n d u c t i o n o f s mf x w e r e a s f o l l o w s : a ) b e e r y e a s t y = 1 1 0 .2 3 + 1 2 9 4 .7 x 一 3 8 8 5 . 1 x 2+ 3 9 1 5 . 1 x 3 一 1 3 3 7 . 1 x 4 b ) a s p e r g i l l u s n i g e r y = 8 8 . 2 8 + 5 6 . 8 1 5 x - 2 8 6 . 8 3 x 2 + 3 8 9 . 5 5 x 3 一 1 7 7 . 7 9 x 4 c ) b a c i l l u s s u b t i l i s y = 7 6 . 1 2 6 + 9 8 .3 5 3 x - 4 9 . 1 9 5 x 2 - 8 9 . 2 5 9 x - 4 5 .2 2 8 x 4 ( 2 ) t h e i n fl u e n c e s o f t r e a t m e n t t i m e i n s mf o n m i c r o o r g a n i s m s w e r e s t u d i e d , a n d t h e r e s u l t s we r e a s f o l l o ws : a ) t h e r e w a s a m a r k e d e f f e c t o n b e e r y e a s t , b u t w a s n o t m a r k e d e f f e c t o n c a n d i d a f o r t h e t r e a t m e n t o f 0 . 6 t s mf . i t w a s a r e m a r k a b l e e f f e c t o n b e e r y e a s t b u t a m a r k e d e f f e c t o n c a n d i d a f o r t h e t r e a t m e n t o f 1 . 2 t s mf . t h e y e a s t r s r w a s g r e a t l y a f f e c t e d b y t h e t r e a t m e n t o f 1 . 8 t s mf b ) t h e r e w a s a n i n h i b i t i o n o n s o m e mo l d s p o r e f o r a t r e a t m e n t o f 0 . 6 t s mf . a r e m a r k a b l e e f f e c t o n mo l d w a s g o t w i t h t h e t r e a t m e n t o f 1 .2 t s mf . t h e m o l d s w e r e g r e a t l y a f f e c t e d b y t h e t r e a t me n t o f 1 . 8 t s mf . c ) t h e r e wa s a n i n h i b i t i o n o n s o me b a c i l l u s s u b t i l i s f o r t h e 1 . 2 t s mf . i t h a d a m 华南理工大学博士学位论文 r e ma r k a b l e e f f e c t o f t h e t r e a t me n t wi t h 1 . 8 t s mf o n b a c i l l u s s u b t i l i s . wi t h t h e t r e a t m e n t o f 1 . 8 t s mf , t h e r s r o f e . c o l i w a s c h a n g i n g w i t h t i m e : r o s e a t t h e b e g i n n i n g , t h e n d r o p p i n g , b u t k e p t a c o n s t a n t a t t h e e n d . ( 3 ) t h e i n fl u e n c e s o f t r e a t m e n t o f s mf o n m i c r o o r g a n i s m s w i t h t h e a d d i t i o n o f e x t e r n a l m e d i u m w e r e s t u d i e d . t h e r s r o f m i c r o o r g a n i s m s w e r e d r o p p e d w i t h t h e a d d i t i o n o f s a l t , b u t r o s e w i t h s o y b e a n p r o t e i n . ( 4 ) i n a d d i t i o n , t h e f a c t o r s a f f e c t i n g t h e a f f e c t o f s mf o n m i c r o o r g a n i s m s w e r e a n a l y z e d w i t h g r e y - r e l a t i o n a l - g t a d e - a n a l y s i s m e t h o d . i t w a s f o u n d t h a t t h e o r d e r o f a f f e c t i n g f o r y e a s t s a n d m o l d s w e r e : t r e a t m e n t t i me ( a t) m a g n e t i c i n d u c t i o n ( a b ) c o n t e n t o f s o y b e a n p r o t e i n ( a c ) ; a n d f o r b a c t e r i a , a s a t 2 . t h e i n fl u e n c e o f d mf o n mi c r o o r g a n i s ms t h e i n fl u e n c e s o f d mf o n mi c r o o r g a n i s m s w e r e s t u d i e d . i t w a s f o u n d t h a t t h e r e w a s s o m e d i v e r s i t y t o d i f f e r e n t m i c r o o r g a n i s m s f o r t h e s a m e t r e a t m e n t o f d mf . ( 1 ) a r e m a r k a b l e e f f e c t o n y e a s t w a s o b s e r v e d u n d e r t h e t r e a t m e n t o f d mr t h e g r o w t h o f y e a s t w a s g r e a t l y i n h a b i t e d , a n d t h e t i m e o f c o l o n y f o r m i n g w a s p r o l o n g e d . c o m p a r i n g t h e a b s o r b a n c y o f y e a s t b r o t h , i t c a n b e s e e n t h a t t h e r e w a s s o m e n u c l e i c a c i d s l e a k i n g f r o m c e l l t o t h e b r o t h b y w i t h d mf t r e a t m e n t . t h e o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e r e w a s a r e m a r k a b l e e f f e c t o f t r e a t m e n t t i m e o f d mf o n t h e r s r o f y e a s t , a n d t h e r s r o f y e a s t c o u l d b e a f f e c t e d b y t h e s o y b e a n p r o t e i n c o n t e n t s i n b r o t h a n d t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n p r o t e i n a n d f a t . ( 2 ) wh e n b a c i l l u s s u b t i l i s w a s t r e a t e d w i t h d mf , i t s r s r w a s r i s i n g a t t h e b e g i n n i n g a n d t h e n d r o p p i n g . t h e r e s u l t s s h o w e d a g a i n t h a t t h e d mf t r e a t m e n t c o u l d c a u s e a l e a k a g e o f n u c l e i c a c i d f r o m c e l l t o b r o t h . t h e e . c o l i w a s i n fl u e n c e d g r e a t l y b y t h e t r e a t m e n t o f d mf , a n d i t s r s r w a s d r o p p i n g g r a d u a l l y w i t h t h e i n c r e a s i n g o f t r e a t me n t t i me . ( 3 ) i t h a d a m a r k e d e f f e c t o n m o l d b y t h e t r e a t m e n t o f d mf . t h e n u c l e i c a c i d w i t h i n s p o r e s c o u l d l e a k o u t a f t e r t h e t r e a t m e n t o f d mf . ( 4 ) t h e i n fl u e n c e s o f d mf t r e a t m e n t o n m i c r o o r g a n i s m s w i t h t h e a d d i t i o n o f e x t e r n a l m e d i u m w e r e s t u d i e d . t h e r s r o f m i c r o o r g a n i s m s c o u l d b e r i s i n g w i t h t h e a d d i n g o f mi l k a n d ma l t w o r t . 3 . me c h a n i s m o f ma g n e t i c t r e a t me n t f o r mi c r o o r g a n i s ms t h e m i c r o b i a l c e l l s w i t h a n d w i t h o u t s mf a n d d mf t r e a t m e n t w e r e i n v e s t i g a t e d s t r u c t u r a l l y w i t h m i c r o g r a p h y a n d t r a n s m i s s i o n e l e c t r o n .m i c r o s c o p y ( t e m) . t h e m e c h a n i s m o f s mf a n d d mf t r e a t m e n t o n m i c r o b i a l c e l l s w a s s t u d i e d b y c o n s i d e r i n g n abs tract t h e a b s o r b a n c y o f b r o t h a n d t h e s t r u c t u r e o f m i c r o b i a l c e l l s . ( 1 ) t h e m e c h a n i s m o f e f f e c t o f s mf o n mi c r o o r g a n i s m s ma y b e r e l a t e d t o t h e t r e a t e d t i m e o f m a g n e t i c f i e l d s . t h e t r e a t m e n t o f l o n g e r t i m e u n d e r s mf m a y c o i n c i d e t h e m a g n e t i c e n e r g y t o t h e m a c r o m o l e c u l e s o f c e l l s , c h a n g e t h e s t r u c t u r e o f c e l l s , i n c r e a s e t h e p e r m e a b i l i t y o f c e l l m e m b r a n e a n d t h e n a f f e c t t h e g r o w t h o f c e l l s ( 2 ) t h e m e c h a n i s m o f e f f e c t o f d mf f o r m i c r o o r g a n i s m s m a y b e s i m i l a r t o a p u l s e d m a g n e t i c f i e l d , e s p e c i a l l y t h e o s c i l l a t i n g a c t i o n b y a s t r o n g e r m a g n e t i c f i e l d , w h i c h m a y c a u s e s o m e d a m a g e o n c e l l s t r u c t u r e a n d i n c r e a s e t h e p e r m e a b i l i t y o f c e l l m e m b r a n e , s o t h e l e a k a g e o f m a t t e r w i t h i n c e l l m a y a f f e c t t h e m e t a b o l i s m i n c u l t i v i t i o n . i t m a y c a u s e s o m e p o r e s o n s o m e c e l l s a n d m i c r o o r g a n i s ms t o b e d e a t h i f i t i s s e r i o u s . ( 3 ) t h e p h o t o g r a p h s o f t e m s h o w e d t h a t s o m e y e a s t c e l l w a l l a n d c e l l m e m b r a n e w e r e d a ma g e d a f t e r d mf t r e a t m e n t , t h e p h e n o m e n o n o f m a g n e t i c f i e l d s c a u s e p o r e s o n c e l l w a s o b s e r v e d , t h i s p h e n o m e n o n , w h i c h h a s n o t b e e n r e p o r t e d b e f o r e , m a y b e a m a i n c a u s e o f m a t t e r l e a k a g e , a n d i t m a y b e a m a i n c a u s e f o r c e l l d e a t h . ( 4 ) u s i n g a d n a f i n g e r p r i n t a n a l y s i s , i t w a s c o n f i r m e d t h a t t h e d n a o f b a c t e r i a w i t h i n c e l l s c o u l d l e a k a f t e r a t r e a t m e n t w i t h d mf , b u t t h e d n a f i n g e r p r i n t o f b a c t e r i a c h a n g e d w i t h d i f f e r e n t s p e c i e s a f t e r s mf t r e a t me n t . k e y w o r d s : m a g n e t i c f i e l d s t r e a t m e n t , m i c r o o r g a n i s m s ( b a c t e r i a , y e a s t s a n d mo l d s ) , s u r v i v a l p r o b a b i l i t y , b i o - m a g n e t i c e f f e c t , m e c h a n i s m v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作 者 签 名 : 戒飞 甘 日 期: 2100l年 月w 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在_ 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不 保 密 u o ( 请在以上相应方框内打 作者签名 导师签名 : 4 1, 1 1 才 诊 地 “j ， ) 日 期: l o 0 y,年 月讨 日 日期: 1 * 0 年 6月，it 日 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1生物与磁场 磁场与生物从生命的起源开始就有着极为密切的联系。一方面，生命形式中 的各种材料都可能存在磁性，生命活动中的电子传递和离子运动都会产生微弱的 生物磁场;另一方面，人类所生活的地球中存在着地磁，并有大量的磁性物体和 各种电磁场，这种环境在生物体的生长和进化过程中都可能产生作用，因而也是 生态环境中不可忽视的因素。 尽管如此，生物磁性、磁场与外来磁场对生物体作用的结果，都可能在生物 体上产生各种各样的效应，这种生物磁效应的多样性以及在实验研究和理论探讨 的复杂性，使得关于生物磁学现象和效应的本质、机制及规律的探讨工作进行得 十分艰难。 许多研究表明 1 l . 1 4 1 5 1磁场造成的生物效应不但发生在生物整体、组织和 细胞水平上，而且还发生在分子水平和离子水平的体外实验中，从而为人们利用 磁学理论来探讨生物磁学效应的机制提供了可能。 1 . 1 . 1生物磁效应的磁学理论 生命运动、生物化学反应及生物物质分子中存在着许多磁性物质，包括顺磁 性和抗磁性物质，同时生物体内还存在大量的电子和离子，这些物质在磁场中都 会受到磁场的作用而产生不同的影响，结果造成了一系列的生物效应。 在磁学理论上，磁性物质或带电物质在磁场中主要受到以下几种作用 : 首先是磁力作用。任何物体只要其磁化率x 不为零，那末，在不均匀的梯度 磁场中都将受到力的作用，这种力称为磁力f ，即 f = 止 m x b 华 林 o a x 式中u 。 为真空磁导率，又称磁常数; x 为磁化率;b为磁感应强度; d b / d x 为磁场梯度;m为磁性物质的质量。 不均匀的梯度磁场就是通过生物体中的这些磁性物质影响生物的行为。 例如， 生物体内许多酶蛋白中存在着微量的过渡金属 ( f e . mn , c o和mo )作为酶活性 中心的组成部分， 这些过渡金属原子通常呈顺磁性 ( x 0 ) ， 在磁场中受到磁力的 影响，因而导致酶活性中心的变化。科学家还发现一些动物、植物和微生物体内 还存在着强磁性的物质f e 3 0 4 2 1 ， 因此这些生物体的许多行为还明显会受到磁场的 华南理工大学博士学位论文 磁力作用。 在均匀磁场中，磁性物质受到的是磁矩作用，产生磁转矩 t ，定义为: t=mvb s i n 6 式中e 是磁场与磁矩之间的夹角，m 为磁化强度，v为磁性物质的体积，b 为磁感应强度。 磁矩作用可能导致磁性生物的地磁定向等作用。一些带强磁性物质的生物之 生长具有趋向性，它们可以顺磁或者逆磁生长。 在变化的磁场中 脉冲磁场和交变磁场等)则存在着电感应现象。所谓 “ 电 感应现象”是指在一个闭合电回路中 ( 回路面积为a ) ，当磁感应强度变化时，会 产生一个感应电动势e ，即 e=一(b/ at ) a 式中 b / a t 表示磁感应强度随时间的变化率，负号表示感生电动势 e是阻 止磁场感应强度的变化。因此，在变化的磁场中，除了存在磁感应外，还需要考 虑生物的电感应现象。 此外，任何磁场都会对运动的带电体产生一个洛伦兹力f l ，即 f l =z e ( v e b ) s i n 9 e 式中z e 是带电体的电荷数， v e 是电荷运动速度，b e 为v e 与b之间的夹角。 生物体中电子的传递、 离子的扩散和自由基的运动都是带电体的运动， 因此， 它们都将受到磁场的洛伦兹力作用。例如，磁场处理水，被认为是由于这种洛伦 兹力的作用影响了水分子之间的氢键缔合作用，使水活化 3 7 物质分子由大量的原子和电子组成，这些原子和电子系统在分子结构中处于 不同的能量状态，其分布遵循着一定的统计力学规律，不同能量状态构成一定的 能级结构。在一定强度的磁场中，一些能级可能发生分裂，形成很多的亚能级， 从而影响电子能级系统的分布，在宏观上影响了物体的特性，这种磁致能级分裂 的裂距与磁感应强度 b成正比例。一般来说，相邻能级裂距 e c 可表示为: e c =2 a b b 式中，p b 为玻尔磁子 ( 电子磁距单位) 。 生物体中同样存在着这种磁致能级分裂作用，但是，由于生物分子结构的复 杂性，造成了研究上存在着一定的困难。 从量子力学的理论知道，对一物质系统施加一定的能量 ( 具有一定频率)激 发量子，并满足一定的量子选择规律，如果外加激发量子的能量与该物质的能级 裂距匹配，就可以有效地激发这一能级裂距间的跃迁，使其从低能级激发到高能 级，这称为共振跃迁。假如这些能级分裂是由磁场引起的，这种磁致分裂的能级 间共振跃迁称为磁共振。并且这种能级分裂和跃迁除了与磁感应强度有关外，还 与磁场的频率有关。 第一章 绪论 1 . 1 . 2 磁场的生物效应及其特点 从动物、植物到微生物，在众多的生物体中产生的电磁效应是多种多样的。 例如， 强度0 .4 t的磁场可以阻止肿瘤的转移; 0 . 3 t的磁场强度使老鼠胚胎受到影 响;0 . 0 5 t磁场磁化老鼠杂交瘤培养基使其细胞生长数增加 1 . 5 倍( a 1 :在 1 . 5 t的 磁场下谷氨酸脱梭酶反应速度受阻，而过氧化氢酶的活力却增加 5 , 6 1 等。所有这 些磁作用效应的事实表明:磁场的作用，不管是促进作用，还是抑制作用，其强 度都必须达到一定的数值才会引起磁场的生物效应，这称为磁场效应的阐值。达 到闽值效应的磁场，称为闽磁场 ( b c ) e 不同的生物或生命的磁效应具有不同的阐磁场，一些生物对磁场的分布十分 敏感。因此有人研究了磁场梯度及磁场与梯度积对生物的影响，于是有了闽磁场 梯度 ( d b / d x ) c 和闽磁场与梯度积 ( b c d b / d x ) o 生物与磁场除了有闽效应以外，还有累积效应。有些生物磁效应中，虽然磁 场强度不高，但在长时间的磁场辐照下也会产生生物效应，于是存在着一个作用 剂量bt ，或者磁场强度和梯度的剂量b ( d b / d x ) t o 到目前为止，在生物体中具有磁效应的磁场主要有:恒定磁场、梯度磁场和 变化磁场 ( 时变磁场) 8 . 9 1 。因为不同的磁场对生物体的作用原理各有差异，所 以，在生物体中体现的效应也就存在差异。例如，低频电磁场在骨组织和软组织 损伤的治疗中有较高的生物活性 7 1 ，这种脉冲电磁场最大强度为地磁感应强度 ( 0 . 0 5 m t )的 1 0倍，实验还证实了这种作用主要是促进骨胶原纤维蛋白质的合 成， 增加骨组织的血液供应， 从而加速骨折的愈合: 而恒定磁场的作用却不明显。 又如，人眼的磁闪光效应不会在恒定磁场中出现，它只受变化磁场的作用，而磁 闪光效应的强度和特征与交变磁场的频率有关。 磁场的作用可以从生物整体、组织、细胞、直到分子中体现出来，这就是所 谓磁场生物效应的多层次性。 磁场作用于生物体内可以产生很多生物效应。这些生物效应不是立刻就产生 的，而是存在着一定的滞后现象，而且，磁场产生的生物效应也不会立刻消失， 而是有一定的维持时间，这种现象称为磁作用的滞后效应。这类滞后不是简单的 物理滞后现象，因为它包括了生物体内的变化和反应过程，所以更加复杂，延迟 时间的变化也更大。例如，磁场对老鼠移植肿瘤的抑制作用，是在加入磁场约 1 0 天后才使肿瘤停止生长，经 1 7 天后才开始缩小，直到2 2 天后肿瘤才消失1 8 1 华南理工大学博士学位论文 表 1 - 1几种磁体中的磁作用剂量和电能消耗 t a b l e 1 一 1 t h e ma g n e t o m o t i v e f o r c e a n d e l e c t r i c p o w e r c o n s u m p t i o n 磁体类型 永磁体 ( 约 1 3 5 k g ) 电磁体 ( 1 0 0 mm铁芯) b i t t e x型 螺线管 mo n t g o me r y 型螺线管 作用时间t ( h ) 磁感强度 b ( t ) 磁场梯度 d b / d t ( t / m ) 磁场作用剂量 b t ( t h ) 磁场梯度作用剂量 ( d b / d t ) t ( t h / m) 消耗电能e ( mwh ) 2 5 0 2 5 0 5 0 0 2 1 2 . 5 1 0 0 2 5 2 2 5 . 0 1 0 0 5 0 2500820200 5 0 0 01 2 5 0 02 0 02 0 0 在许多的磁场效应中，外加磁场的能量常常是很小的，但磁场所引起的生物 效应的能量却往往很大。表 1 - 1列出了几种磁体在直径 2 5 m m、长 5 0 m m的空间 中 磁作用的 剂量和消耗能量的关系19 1 。 采用脉冲磁场， 作用周期缩短到 m s 或u s 级，能量消耗将减少到更少。如果单纯从物理学的能量观点上看，这样的生物学 效应似乎违反了能量守衡定律。实际上，这些磁生物效应与细胞信号系统传递过 程的信号放大作用有关【 t o t 。 许多磁场引起的生物效应， 仅仅由于磁场触发了生物 信号，生物信号的传递引起了生物体内信号传递的多级放大，这种放大效应的能 量来自于生物体本身。 电磁场作用于细胞信号系统，激活一个控制代谢、信使和细胞生长酶系统的 联级反应，导致相应的基因在转录、翻译及以后的水平改变，从而产生细胞增殖 和分化等生物应答，此作用过程称为外遗传毒效应。 除此之外，磁场在生物体内造成的还有电磁感应产生的电效应，磁和电损耗 产生的热效应，磁致伸缩产生的力学效应，以及趋磁生物的矢量效应等。 综上所述，磁场对生物造成的效应具有多样性，首先，因产生磁场的形式和 大小的不同而具有差异;其次，不同的生物种源和不同层次水平的生物材料所产 生的磁感应不同;最后，由于环境条件的差异，往往不同的实验环境和地点，同 一实验，其结果也不尽相同。因此，需要有更多的数据积累和实验探讨。 1 . 1 . 3 磁场生物效应的研究进展 磁场生物效应的研究已经取得许多成果，尤其是磁场在生物整体的作用上的 成果正在不断的实践和应用。这些应用主要体现在医学上，例如，利用磁学原理 和磁效应制成的各种磁疗仪器，可用于治疗骨软组织挫伤、高血压、肿瘤及其炎 症等;利用人体器官对磁场的感应可以进行疾病的诊断等，当然，也有一些成果 已经在农业和工业上得到应用，比如，磁处理水在浸泡种子、育苗、灌溉和改良 土壤等方面;磁性肥料促进植物的生长与发育，酿造工业利用电磁波加速酿酒过 第一章 绪论 程，达到催熟、催陈的效果等。 近年来，环境中低频电磁场造成的污染更加引起人们的关注，例如移动电话 长期使用对人脑的影响等。由于电磁场可以影响基因的转录表达，那末，电磁场 对于细胞增殖分化以至癌变的诱导作用是可以理解的。不过，对于手机导致脑癌 的问题，不少重复实验显示了阴性结果，但至今仍有很大争议。实际上，肿瘤的 发生发展是个多因素影响的复杂过程，肌体还有 d n a损害修复和免疫识别等防 御机制，因此，对于电磁辐射的致癌作用及增加白血病发病的作用等，仍需继续 研究 8 6 , 8 7 1 为了进一步研究磁生物效应的机理和更加有效地利用磁的生物效应，生物科 学家已经开始从细胞水平，甚至分子水平上进行探讨，力图建立一套磁生物学理 论，以期指导实际过程，使磁作用效果不仅能得到更好的解释，而且可以发挥更 大的作用。 1 . 2磁场对生物细胞的影响 大 量的 研究表明 1 1 ,1 9 ,2 0 ,2 6 - 2 8 1 ， 电 磁场可使细胞形态、 d n a , r n a和蛋白 质合 成、营养物质跨膜输送、酶活性以及生物遗传等产生显著变化。事实上，由于一 些蛋白质和酶含有过渡族的金属离子， 这些离子所在的部位常常是酶的活性中心， 因此，电磁场通过对这些离子的作用影响酶活性，从而影响这些酶参与的新陈代 谢反应。 而生物膜对n a , k * , c a + 离子的主动和被动运输不仅是细胞兴奋的基础， 也是进行一些重要新陈代谢的和能量转换过程的条件，这样一来，电磁场对生物 膜的离子运转能力的影响会导致一些生化和生理过程的变化，故而影响与生物电 活动相关的各种过程。 目前，人们进行的大量磁效应的研究主要是在动物和微生物细胞方面。 1 . 2 . 1 静态磁场对生物细胞的影响 最早研究磁场对微生物的影响是从微生物开始的。2