Сонячне випромінювання, що проходить через верхні шари атмосфери і досягає поверхні Землі складається з електромагнітних хвиль з довжиною 300-10.000 нм.
75% падаючого на Землю світла - це видима частина спектра - охоплює діапазон 390-760 нм. Ця частина сприймається людським оком.
20% - інфрачервоне випромінювання (ближнє) з # 955; хвиль від 790 нм і далі (790-1100).
5% - УФ з # 955; хвиль 300-380 нм.
Озоновий шар поглинає хвилі з довжиною 220-300 нм.
Вплив видимого світла на мікроорганізми
Видиме світло використовується фотосинтезуючими мікроорганізмами. Спектральний склад ФАР різний для різних груп мікроорганізмів і залежить від набору пігментів. Оксигенів фотосинтез (ціанобактерії, прохлорофіти) можливий в діапазоні від 300 до 750 нм. У цих бактерій хлорофіл а і b. з максимумом поглинання 680-685 і 650-660 нм, відповідно. У ціанобактерій фікобіліпротеіди (червоні і сині пігменти) поглинають світло з довжиною 450-700 нм.
Аноксигенний фотосинтез (пурпурні, зелені бактерії) - в діапазоні від 300 до 1100 нм. Бактеріохлорофіл b поглинає світло з довжиною хвилі 1020-1040 аж до 1100 нм.
У всіх фотосинтезуючих прокаріотів додаткові Світлозбираючі пігменти - каротиноїди, які поглинають світло в синьої і синьо-зеленої частини спектру (450-550 нм).
Фототрофние бактерії живуть в анаеробної зоні водойм, де є H2 S. На глибину 10-30 м інфрачервоне випромінювання не проникає, максимум енергії припадає на світло # 955; хвиль 450-500 нм.
Видиме світло впливає на поведінку фототрофних бактерій. Спостерігається явище фототаксису. Ф. - це реакція бактерій на зміну спектрального складу світла або освітленості. У еубактерій фоторецепторами служать бактеріохлорофіл і каротиноїди. У архей виявлені спеціальні сенсорні пігменти (у галобактерій сенсорні родопсином). Позитивний фототаксис - рух бактерій до світла, негативний - рух клітин в бік зменшення освітленості.
Для деяких бактерій, що не використовують енергію світла, він служить в якості регулятора певних процесів обміну. Так, у водній бактерії P. putida спостерігали активацію світлом деяких ферментів, що можна розглядати як адаптацію, оскільки саме при висвітленні починається синтез фітопланктону, продукти, якого використовуються цій гетеротрофною бактерією.
Для деяких нефотосинтезирующих бактерій характерна фотохромними. Фотохромними - це залежність освіти пігментів від освітлення. Характерна для міксобактерій, багатьох актиноміцетів і близьких їм мікроорганізмам. Наприклад, синтез каротиноїдів деякими мікобактеріями стимулюється синім кольором. Фотохромними може контролюватися як хромосомними, так і плазмідними генами. Пігменти здатні захищати ці мікроорганізми від дії видимого кольору.
Сонячне світло має сильну антимікробну дію. Дія видимого світла відповідально менш, ніж за 1% летальний ушкоджень (80% летальних ушкоджень пов'язані з дією світла довжиною хвилі менше 312 нм). Видиме світло довжиною хвилі 450 нм індукує заміни пар основ і мутації зсуву рамки у E. coli. Світлові хвилі довжиною 550 нм, і особливо 410 нм викликають фотолізіс Myxococcus xanthus. Ефект визначається поглинанням світла железопорфіріна.
Існують речовини фотосенсибілізатори, в молекулі яких є хромофор, що поглинає світло і передає його енергію іншим молекулам, нездатним поглинати світло. Через безбарвні клітини світло проходить без наслідків. Але якщо ввести в таку клітину фотосенсибілізатор, вона пошкоджується. Природні фотосенсибілізатори - хлорофіл, фікобіліни, порфірини і ін.
Вплив інфрачервоного випромінювання на мікроорганізми
Для випромінювання з довжиною хвилі понад 1100 нм до теперішнього часу не з'являлися будь-яких біологічних ефектів. Основна дія інфрачервоного випромінювання - нагрівання.
Вплив ультрафіолетових променів на мікроорганізми
Для мікроорганізмів найбільш небезпечно УФ-випромінювання. Розрізняють ближній, середній і дальній УФ.
Близький УФ - це випромінювання з довжиною хвилі 400-320 нм.
Близький УФ в невеликих дозах порушує механізми руху і таксіса. При цьому хромофором є флавопротеїнів.
У сублетальлними дозах викликає уповільнення росту, швидкість ділення клітин, пригнічується індукція ферментів, здатність бактерій підтримувати розвиток фага.
Ці ефекти визначаються тим, що у бактерій в т-РНК в 8-й позиції присутній незвичайне підставу 4-тіоурідін (відсутній у еукаріот). Це підстава інтенсивно поглинає УФ, найбільший ефект надає світло з довжиною хвилі 340 нм. Збуджений світлом 4-тіоурідін зв'язується з цитозином, що знаходиться в 13-м положенні в т-РНК, що перешкоджає зв'язуванню т-РНК з амінокислотами, і, отже, веде до припинення синтезу білка.
При відносно високих дозах ближнього УФ - мутагенний і летальний ефекти. Порушення ДНК при цьому не стільки самі УФ-промені, скільки інші порушені світлом молекули. Також в цих ефектах має значення поглинання ближнього УФ 4-тіоурідіном. Мутагенну і летальну дію залежить від присутності кисню.
Летальний ефект пов'язаний не тільки з ушкодженнями ДНК, але і мембран (їх транспортних систем).
Біологічні ефекти середнього і далекого УФ подібні. ДНК інтенсивно поглинає УФ в області 240-300 нм. тобто в області середнього та далекого УФ з піком поглинання в області 254 нм В лаб. УФ-лампах переважає випромінювання в області 260 нм (нижня межа довжини хвилі світла, що падає на земну поверхню, близько 290 нм).
Середній і дальній УФ викликає мутагенний і летальний ефекти. Основний механізм дії, що ушкоджує - освіти піримідинових димерів. До складу димарів можуть входити два сусідніх тимінових (Т-Т) або цитозинових (С-С) або тимінових і цитозинових (Т-С). Освіта димарів відбувається за рахунок ковалентних взаємодій між основами ДНК. Крім цього, відбувається розрив водневих зв'язків в ДНК. Це (і 1, і 2) веде до появи нежиттєздатних мутантів. Також під дією УФ відбувається гідроксилювання цитозину і урацила, освіту зшивок ДНК з білком, формування поперечних зшивок ДНК, денатурація ДНК.
У зв'язку з шкідливою і летальною дією УФ-промені, незважаючи на те, що це найбільш багаті енергією промені, в процесі фотосинтезу не використовуються. Нижня межа фотосинтезу - це використання хвиль з довжиною 450 нм.
Вплив іонізуючого випромінювання на мікроорганізми
Іонізуюче випромінювання - це випромінювання з дуже високою енергією, здатне вибивати електрони з атомів і приєднувати їх до інших атомам з утворенням позитивних і негативних іонів. Вважають, що іонізація - основна причина радіаційного пошкодження цитоплазми, і ступінь пошкодження пропорційна числу пар іонів.
Світло і велика частина сонячного випромінювання не володіють такою здатністю.
Джерелом іонізуючого випромінювання служать радіоактивні речовини, що містяться в гірських породах. Також надходить з космосу. У період сонячних спалахів підвищується радіаційний фон.
Штучне іонізуюче випромінювання виникає в результаті випробувань ядерної зброї, роботи АЕС, застосування радіоізотопів в медицині, науці і т.д.
Важливе екологічне значення мають наступні види іонізуючого випромінювання:
1. # 945;-випромінювання - корпускулярне випромінювання - це ядра атомів гелію. Довжина пробігу в повітрі кілька см. Їх зупиняє аркуш паперу або роговий шар шкіри людини. Однак, будучи зупиненими викликають сильну локальну іонізацію.
2. # 946;-випромінювання - корпускулярне випромінювання - це швидкі електрони. Довжина пробігу в повітрі кілька метрів, а в тканини кілька см.
# 945;-випромінювання і # 946;-випромінювання володіють найбільшим ефектом, будучи поглинені живою тканиною.
3. # 947;-випромінювання - іонізуюче електромагнітне випромінювання. Має високу проникаючу здатність. Легко проникає в живі тканини. Може впливати, коли джерело випромінювання знаходиться поза організмом.
4. Рентгенівське випромінювання - електромагнітне випромінювання, дуже близько до # 947; -Випромінювання.
До іонізуючого випромінювання найбільш стійкі мікроорганізми (більше 10 6 Рад). 1 Радий - це така доза випромінювання, при якій на 1 г тканини припадає 100 ерг енергії. 1 Рентген = 1 Радий. Ссавці чутливі до дозі 100 Рад.
Механізм дії, що ушкоджує
Основна мета для іонізуючого випромінювання - ДНК. Пошкодження ДНК бувають прямими і опосередкованими. Прямі - це одноцепочечниє або дволанцюжкові розриви ДНК. Бувають рідко.
Найбільш часті опосередковані пошкодження. Виникають у зв'язку з утворенням вільних радикалів, які викликають одно- і дволанцюжкові розриви (модифікують піримідинові підстави), що веде до денатурації ДНК. Крім того, виникають вільні радикали викликають денатурацію білка. Все це призводить до загибелі мікроорганізмів, в т.ч. вірусів.
1. Основним механізмом радиорезистентности (як до УФ, так і іонізуючого опромінення) є добре налагоджена система репарації ДНК.
2. Пігменти (каротиноїди) мають радіопротекторними властивостями, але забезпечують ефективний захист від дії УФ.
3. Наявність в клітинах речовин-радіопротекторів (наприклад, серусодержащие амінокислоти у D. radiophilus), захищає клітину від випромінювання, але цей механізм недостатній.
4. Клітинна стінка може грати роль в системах репарації ДНК. У D. radiophilus під дією радіації вивільняється фермент екзонуклеаза, який бере участь у репарації ДНК.
Радіорезистентність мікроорганізмів варіює в широких межах. Ступінь стійкості організму до випромінювань різних типів, особливо УФ і іонізуючих випромінювань можуть не збігатися.
Одним з найбільш резистентних до УФ-випромінювання вважається морський жгутиконосец Bodo marina. Стійкість може бути пов'язана з особливостями місця проживання. Так, мікроорганізми, виділені з родонові джерел, виявляються в 3-10 разів більше резистентними до радіації, ніж їх родичі з звичайних місць проживання.
В охолоджувальних системах ядерних реакторах, де доза випромінювання перевищує 10 6 Фер (фізичний еквівалент рентгена) мешкають різні бактерії, в т.ч. роду Рseudomonas.
Одна з найбільш стійких бактерій як до УФ, так і # 947; -Випромінювання відноситься до дейнококкам (р. Deinococcus) - D. radiophilus. Ця бактерія, мабуть, здатна репарирувати навіть двухнитьові розриви ДНК, летальні для більшості мікроорганізмів.