А.А. Лопатин1, В.П. Мещанов2, К.А. Саяпин3, А.И. Тома4

1–3 ООО «НПП «НИКА-СВЧ» (г. Саратов, Россия)
4 ФГБУ «Объединенная больница с поликлиникой» Управления делами Президента Российской Федерации (Москва, Россия)
1 elomasar@yandex.ru, 2 nika373@bk.ru, 3 sayapin.k.a@mail.ru, 4 al_toma@mail.ru

Постановка проблемы. Исследованию эффектов микроволнового облучения биологических объектов посвящены сотни научных трудов. Но интерес к изучению этой проблемы не ослабевает в связи с широкой возможностью их широкого применения в различных областях науки и техники: в биологии, химии, физике, медицине, сельском хозяйстве, пищевой промышленности, в разработке технологий и производстве материалов широкого спектра назначения и т.д.  Результаты исследований воздействия микроволнового излучения на биологические структуры зачастую носят противоречивый характер, поскольку более очевидным, хорошо изученным и реализуемым на практике является проявление теплового эффекта такого воздействия при облучении непрерывным радиосигналом. Наличие нетепловых эффектов на фоне тепловых не всегда является очевидным. Изучить механизмы нетеплового облучения на фоне теплового, как и констатировать его наличие в принципе, затруднительно без систематизации и анализа разрозненных теоретических и экспериментальных результатов, полученных различными научными коллективами.

Цель работы – систематизация и анализ научной литературы, посвящённой исследованию различных механизмов взаимодействия микроволнового излучения с биологическими объектами.

Результаты. Проведен аналитический обзор научных работ, посвящённых проблематике воздействия микроволнового излучения на биологические объекты. Выделены практические результаты использования эффектов теплового и нетеплового воздействия радиоизлучения на биосреды. Приведены аргументы за и против наличия нетепловых эффектов и рассмотрены возможные механизмы и результаты такого воздействия. Изложены перспективы дальнейших исследований.

Практическая значимость. Полученные результаты анализа научной литературы могут быть полезны ученым, занимающимся изучением воздействия электромагнитных волн на биологические объекты, с точки зрения объяснения механизмов этого воздействия, формулирования гипотез, связанных с иными объяснениями процесса взаимодействия электромагнитного поля с биоматериалами. Представленный обзор помогает выбрать направления исследовательских работ, в том числе поиска оптимальных технологий построения и проведения эксперимента.

Лопатин А.А., Мещанов В.П., Саяпин К.А., Тома А.И. Взаимодействие микроволнового излучения с микробиологическими материалами: современные представления и перспективы исследований // Биомедицинская радиоэлектроника. 2023. T. 26. № 6. С. 6−16. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604136-202306-02

1. Patent 2,495,429 (US). Method of treating foodstuffs / P.L. Spencer. Oct. 8, 1945.
2. Documents of the International Radio Conference. Atlantic City, 1947. Doc. № 1-100 -No. 28 R-E. P. 464.
3. Kermasha S., Bisakowski B., Ramaswany H. Thermal and microwave inactivation of soybean lipoxygenase. LWT – Food Sci Technol. 1993. № 26. P. 215–219.
4. Wang N., Zoub W., Lia X., Lianga Y., Wang P. Study and application status of the nonthermal effects of microwaves in chemistry and materials science – a brief review. RSC Adv. 2022. № 12. P. 17158–17181. DOI: 10.1039/D2RA00381C.
5. Tajchakavit S, Ramaswamy H. Thermal vs. microwave inactivation kinetics of pectin methylesterase in orange juice under batch mode heating conditions. LWT – Food Sci Technol. 1997. № 30. P. 85–93. DOI: http://dx.doi.org/10.1006/fstl.1996.0136.
6. Tajchakavit S., Ramaswamy H. Continuous-flow microwave heating of orange juice: evidence of nonthermal effects. J. Microw Power Electromagn Energy. 1995. № 30. P. 141–148. DOI: http://dx. doi.org/10.1080/08327823.1995.11688270.
7. Bohr H., Bohr J. Microwave-enhanced folding and denaturation of globular proteins. Phys. Rev. E. 2000. № 61. P. 4310. DOI: http://dx.doi.org/ 10.1103/PhysRevE.61.4310.
8. Shazman A., Mizrahi S., Cogan U., Shimoni E: Examining for possible non-thermal effects during heating in a microwave oven. Food Chem. 2007. № 103. P. 444–453. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j. foodchem.2006.08.024.
9. Shamis Y., Taube A., Mitik-Dineva N., Croft R., Crawford RJ., Ivanova EP. Specific electromagnetic effects of microwave radiation on Escherichia coli. Appl Environ Microbiol. 2011. № 77. P. 3017–3022. DOI: http://dx.doi.org/10.1128/AEM.01899-10.
10. Kubo M., Siguemoto E.S., Funcia E.S., etc. Non-thermal effects of microwave and ohmic processing on microbial and enzyme inactivation: a critical rewiew. Current opinion in food science. 2020. V. 35. P. 36–48. DOI: 10.1016/j.cofs.2020.01.004.
11. Патент  на изобретение (РФ) № 2735496. СВЧ-устройство для деструкции патологически измененных тканей организма / А.И. Тома, В.А. Ёлкин, В.В. Комаров, Д.С. Дорохов, И.А. Тома, П.Л. Алтухов.
12. Ёлкин В.А., Комаров В.В., Мещанов В.П. Распределение теплового поля в ближней зоне коаксиально-щелевого направленного излучателя для микроволновой термодеструкции новообразований // Успехи современной радиоэлектроники. 2022.
    Т. 76. № 6. С. 26–32 DOI: https://doi.org/10.18127/j20700784-202206-03.
13. Sun, L., Peng. R.Y. Research progress in the effects of terahertz waves on biomacromolecules. Military Med. Res. 2021. V. 8. P. 28.
14. Nguyen THP., Shamis Y., Croft RJ., Wood A., McIntosh RL., Crawford RJ., Ivanova EP. 18 GHz electromagnetic field induces permeability of gram-positive cocci. Sci Rep. 2015. № 5. P. 10980. DOI: http://dx.doi.org/10.1038/srep10980.
15. Савельева Э.Н. Влияние излучения СВЧ на репродуктивную способность колорадского жука // Самарская государственная сельскохозяйственная академия. АГРО XXI. 2009. № 7–9. С. 30–31.
16. Завьялов М.А., Ломачинский В.А., Никонов А.О., Прокопенко А.В., Филиппович В.П. Исследование нетеплового воздействия электромагнитных колебаний СВЧ- диапазона на дрожжевые культуры // Материалы науч. конф. «КрыМиКо». 2008.
    С. 842–843.
17. Epstein M.A., Cook H.F. The Effects of Microwaves on the Rous No. 1 Fowl Sarcoma Virus. Brit. J. Cancer 5. 1951. V. 5 (2). P. 244-251.
18. Лысцов В.Н., Франк-Каменецкий Д.А., Щедрина М.В. Действие сантиметровых радиоволн на вегетативные клетки, споры и трансформирующую ДНК // Биофизика. 1965. Т. Х. Вып.1. C. 136–139.
19. Rostov V.V., Bolshakov M.A., Buldakov N.V., Cherdyntseva N.V., Eltchaninov A.A., Litvyakov N.V., Klimov A.I., Korovin S.D. Suppression of division of tumor cells exposured to nanosecond powerful microwave or X-ray pulse trains. Proc. of 2-nd European pulsed power simposium, DESY, Hamburg, Germany. 2004. P. 62–66.
20. Булдаков М.А., Литвяков Н.В., Астапенко А.Н., Афанасьев К.В. Влияние импульсно-периодического СВЧ-излучения на опухолевые и нормальные клетки // Сибирский онкологический журнал. 2007. Вып. S2. С. 26–27.
21. Большаков М.А. Физиологические механизмы действия радиочастотных электромагнитных излучений на биообъекты разных уровней организации: Дис. … докт. биол. наук: 03.00.13 / Сибирский государственный медицинский университет. 2002. 319 с.
22. Большаков М.А., Алексеев С.И. Влияние импульсного микроволнового облучения на электрическую активность нейронов моллюсков // Изв. АН СССР. Сер.: Биологическая. 1987. № 2. С. 312–314.
23. Князева И.Р., Линдт Т.А., Большаков М.А., Евдокимов Е.В. К вопросу об эмбриотропном действии импульсно-модулированного электромагнитного излучения // Межрегиональная науч. конф. Сибири и Дальнего Востока, посвященная 150-летию со дня рождения акад. Ивана Петровича Павлова. 25–26 ноября 1999 г. Томск. С. 98–100.
24. Князева И.Р., Большаков М.А., Линдт Т.А., Гончарик А.О., Евдокимов Е.В. Сочетанное действие импульсно-модулированного ЭМИ и повышенной температуры на эмбрионы дрозофилы. Экологический аспект // Региональные проблемы экологии и природопользования: Материалы городской конференции молодых ученых и специалистов, 25–26 ноября 1999 г. Томск, Россия. 2000. С. 75–77.
25. Bolshakov М.А., Evdokimov Е.V., Goncharic A.O., Dugaev S.P., Gunin A.V., Klimov A.I., Korovin S.D., Pegel I.V., Rostov V.V. Вiological effects of repetitevely-pulsed high-power microwave radiation. Book of abstracts “Euroem 2000”. Edinburg. 2000. P. 99.
26. Bolshakov M.A., Bugaev S.P., Goncharik A.O., Gunin A.V., Evdokimov E.V., Klimov A.I., Korovin S.D., Pegel I.V., Rostov V.V. Effect of high-power microwave radiation with nanosecond pulse duration on some biological objects. Doklady Biophysics. 2000. V. 370–372. P. 21–24.
27. Bolshakov M.A., Bugaev S.P., Elchaninov A.A., Evdokimov E.V., Goncharik A.O., Gunin A.V., Klimov A.I., Knyazeva I.R., Korovin S.D., Kutenkov O.P., Pegel I.V., Rostov V.V. Effect of repetitive nanosecond HPM pulses on some biological objects. 1st International Congress on radiation physics, high current electronics, and modification of materials: proceedings. Tomsk, Russia. 24–29 September 2000. V. 2.: 12-th symposium on high current electronics. P. 514–518.
28. Большаков М.А., Воскресенский В.В., Ельчанинов А.А., Климов А.И., Князева И.Р., Коровин С.Д., Пегель И.В., Ростов В.В. Действие мощных СВЧ-импульсов наносекундной длительности на развивающийся организм дрозофилы // Физиология организмов в нормальном и экстремальном состояниях: Сб. статей. Томск. 2001. С. 127–130.
29. Bolshakov M.A., Eltchaninov A.A., Klimov A.I., Knyazeva I.R., Korovin S.D., Pegel I.V., Rostov V.V. Voskresensky V.V. Effect of nanosecond HPM pulses on individual development of drosophilas: estimation of comparative contribution by microwave and X-ray components. Modern techniques and technology: MTT’2001: proceedings of the 7th International Scientific and Practical Conference of Students, Post-Graduates and Young Scientists, February 26 – March 2, 2001. Tomsk, Russia. 2001. P. 151–154.
30. Bolshakov M.A., Eltchaninov A.A., Klimov A.I., Knyazeva I.R., Korovin S.D., Pegel I.V., Rostov V.V. Voskresensky V.V. Effect of nanosecond HPM pulses on individual development of drosophilas: estimation of comparative contribution by microwave and X-ray component. KORUS 2001: The 5th Korea-Russia International Symposium on Science and Technology : proceedings, June 26 – July 3 2001. Tomsk, Russia. 2001. V. 3. P. 74–76.
31. Большаков М.А., Климов А.И., Литвяков Н.В., Кушакова Ю.А., Коровин С.Д., Ростов В.В., Чердынцева Н.В. Исследование влияния кратковременного воздействия мощных СВЧ-импульсов на опухолевые клетки мастоцитомы Р-815 // Физиология организмов в нормальном и экстремальном состояниях: Сб. статей. Томск. 2001. С. 130–133.
32. Большаков М.А., Булдаков М.А., Климов А.И., Литвяков Н.В., Коровин С.Д., Ростов В.В., Чердынцева Н.В. Эффект воздействия СВЧ-излучения импульсами субмикросекундной длительности на опухолевые клетки мастоцитомы Р-815. // Труды III Междунар. конф. «Электромагнитные поля и здоровье человека. Фундаментальные и прикладные исследования», Москва – С.-Петербург, Россия. 2002 г. С. 54–56.
33. Литвяков Н.В., Булдаков М.А., Чердынцева Н.В., Ростов В.В., Климов А.И., Большаков М.А. Влияние импульсно-периодического СВЧ-излучения на синтез нуклеиновых кислот в опухолевых клетках // Радиационная биология. Сер.: Радиоэкология. 2005. Т. 45. № 4. С. 460–463.
34. Большаков М.А., Иванова Л.А., Климов А.И., Князева И.Р., Коровин М.С., Ростов В.В. Изменение морфологических и биохимических показателей печени мышей после кратковременного воздействия импульсно-периодического микроволнового излучения // 6-й Междунар. симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии: Материалы симпозиума, 21–24 июня 2005 г. Санкт-Петербург. 2005. С. 316–319.
35. Князева И.Р., Большаков М.А., Климов А.И., Ростов В.В. Изучение биохимических показателей печени мышей после воздействия микроволнового излучения: материалы // Тезисы докладов V Сибирского физиологического съезда. Томск. 2005. С. 60–61.
36. Жаркова Л.П., Афанасьев К.В., Большаков М.А., Князева И.Р., Ростов В.В. Оценка влияния импульсно-периодического рентгеновского и микроволнового излучений на биологические структуры с помощью измерения импедансных характеристик // Вестник Томского государственного университета. 2008. № 312. С. 180–183.
37. Князева И.Р., Жаркова Л.П., Кутенков О.П., Ростов В.В., Большаков М.А. Изучение функционирования митохондрий после воздействия импульсно-периодических микроволнового и рентгеновского излучений // Тезисы докладов 21-го cъезда Физиологического общества им. И.П. Павлова. Москва. 2010. С. 276–277.
38. Жаркова Л.П., Иванов В.В., Князева И.Р., Керея А.В., Кутенков О.П., Ростов В.В., Большаков М.А. Изменение объема митохондрий печени мышей после воздействия наносекундных импульсно-периодических микроволнового и рентгеновского излучений // Вестник Томского государственного университета. Сер.: Биология. 2011. № 3 (15). С. 161–170.
39. Медведев М.А., Князева И.Р., Большаков М.А., Жаркова Л.П., Закирова Г.М., Гостюхина А.А., Афанасьев К.В., Климов А.И., Ростов В.В. Исследование окислительных процессов в тканях белых мышей после кратковременного воздействия импульсно-периодических микроволновых и рентгеновских излучений // Нейрогуморальные механизмы регуляции органов пищеварительной системы в норме и при патологии: Материалы межд. науч. конф., посвященной 100-летию со дня рождения проф. Е.Ф. Ларина. 2 ноября 2007 г. Томск. 2007. С. 89–94.
40. Князева И.Р., Медведев М.А., Жаркова Л.П., Афанасьев К.В., Большаков М.А., Ростов В.В. Воздействие импульсно-периодическим микроволновым и рентгеновским излучениями на эритроциты человека // Бюллетень сибирской медицины. 2019. № 1. С. 24–30.
41. Shaw P., Kumar N., Mumtaz S., Lim J. S., Jang J. H., Kim D., Choi E. H. Evaluation of non-thermal effect of microwave radiation and its mode of action in bacterial cell inactivation. Scientific Reports. № 11 (1). DOI:10.1038/s41598-021-93274-w.
42. Ponne CT., Bartels PV. Interaction of electromagnetic energy with biological material – relation to food processing // Radiat Phys Chem. 1995. № 45. P. 591-607. DOI: http://dx.doi.org/ 10.1016/0969- 806X(94)00073-S.
43. Samaranayake CP., Sastry SK. Effect of moderate electric fields on inactivation kinetics of pectin methylesterase in tomatoes: the roles of electric field strength and temperature. Food Eng. 2016. № 186. P. 17–26. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j. jfoodeng. 2016.04.006.
44. Samaranayake CP., Sastry SK. Effects of controlled-frequency moderate electric fields on pectin methylesterase and polygalacturonase activities in tomato homogenate. Food Chem. 2016. № 199 P. 265–272. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j. foodchem. 2015.12.010.
45. Jaeger H., Roth A., Toepfl S., Holzhauser T., Engel K, Knorr D., Vogel RF., Bandick N., Kulling S., Heinz V., Steinberg P. Opinion on the use of ohmic heating for the treatment of foods. Trends Food Sci Technol. 2016. № 55. P. 84-97. DOI: http://dx.doi.org/ 10.1016/j. tifs.2016.07.007.
46. Zimmermann U., Pilwat G., Riemann F. Dielectric breakdown of cell membranes. Biophys J. 1974. № 14. P. 881–899. DOI: http://dx.doi.org/ 10.1016/S0006-3495(74)85956-4.
47. Weaver J.C., Chizmadzhev Y.A. Theory of electroporation: a review. Bioelectrochem Bioenerg. 1996. № 41. P. 135–160. DOI: http://dx.doi. org/10.1016/S0302-4598(96)05062-3.
48. Soghomonyan D., Trchounian K., Trchounian A. Millimeter waves or extremely high frequency electromagnetic fields in the environment: what are their effects on bacteria? Appl Microbiol Biotechnol. 2016. № 100. P. 4761–4771. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/ s00253-016-7538-0.
49. Kotnik T., Kramar P., Pucihar G., Miklavci D., Tarek M. Cell membrane electroporation – part 1: the phenomenon. IEEE Electr Insul Mag. 2012. № 28. P. 14–23. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/ MEI.2012.6268438.
50. Kozempel M., Cook RD., Scullen OJ., Annous BA. Development of a process for detecting nonthermal effects of microwave energy on microorganisms at low temperature. J. Food Process Preserv. 2000. № 24. P. 287–302. DOI: http://dx.doi.org/ 10.1111/ j.1745- 4549.2000.tb00420.x.
51. Geveke DJ., Kozempel M., Scullen OJ., Brunkhorst C. Radio frequency energy effects on microorganisms in foods. Innov Food Sci Emerg Technol. 2002. № 3. P. 133–138.
52. Loghavi L., Sastry SK., Yousef A.E. Effect of moderate electric field frequency and growth stage on the cell membrane permeability of Lactobacillus acidophilus. Biotechnol Prog. 2009. № 25. P. 85–94. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/bp.84.
53. Park I.K., Kang D.H. Effect of electropermeabilization by ohmic heating for inactivation of Escherichia coli O157: H7, Salmonella enterica serovar typhimurium, and Listeria monocytogenes in buffered peptone water and apple juice. Appl Environ Microbiol. 2013. № 79. P. 7122–7129. DOI: http://dx.doi.org/ 10.1128/aem.01818-13.
54. Kim S.S., Choi W., Kang D.H. Application of low frequency pulsed ohmic heating for inactivation of foodborne pathogens and MS-2 phage in buffered peptone water and tomato juice. Food Microbiol. 2017. № 63. P. 22–27. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j. fm.2016.10.021.
55. Kim S.S., Kang D.H. Effect of milk fat content on the performance of ohmic heating for inactivation of Escherichia coli O157:H7, Salmonella enterica Serovar Typhimurium and Listeria monocytogenes. J. Appl. Microbiol. 2015. № 119. P. 475–486. DOI: http://dx. doi.org/10.1111/jam.12867.
56. Kozempel M.F., Annous B.A., Cook R.D., Scullen O.J., Whiting R.C. Inactivation of microorganisms with microwaves at reduced temperatures. J. Food Prot. 1998. № 61. P. 582–585. DOI: http://dx.doi.org/ 10.4315/0362-028X-61.5.582.
57. Ponne C.T., Bartels PV. Interaction of electromagnetic energy with biological material – relation to food processing. Radiat Phys Chem. 1995. № 45. P. 591–607. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0969- 806X(94)00073-S.
58. Tian X., Yu Q., Wu W., Dai R. Inactivation of microorganisms in foods by ohmic heating: a review. J. Food Prot. 2018. № 81.
    P. 1093–1107. DOI: http://dx.doi.org/10.4315/0362-028X.JFP-17-343.
59. Гуляев Ю.В., Черепенин В.А. О возможности использовании мощных электромагнитных импульсов для обеззараживания бактериологически загрязненных объектов // Журнал радиоэлектроники. 2020. № 4. P. 11. DOI: 10/30898.1684-1719.2020.4.13.
60. Gulyaev Yu.V., Taranov I.V., Cherepenin V.A. The Use of High-Power Electromagnetic Pulses on Bacteria and Viruses. Doklady Physics. 2020. № 65 (78). P. 230. DOI:10.1134/S1028335820070034.
61. Гуляев Ю.В., Таранов И.В., Черепенин В.А. Использование мощных электромагнитных импульсов для воздействия на бактерии и вирусы // Доклады РАН. Сер.: Физика. Технические науки. 2020. № 493. P. 15. DOI:10.31857/S2686740020040069.
62. Гуляев Ю.В., Мещанов В.П., Кац Б.М., Коплевацкий Н.А., Лопатин А.А., Саяпин К.А., Ёлкин В.А., Комаров В.В., Байбурин В.Б., Рытик А.П. Воздействие импульсным СВЧ-излучением на образцы пищевой продукции с целью увеличения показателей ее микробиологической безопасности и сроков хранения // Проблемы особо опасных инфекций. 2022. № 3. С. 70–74.
63. Kaczmarczyk L. S., Marsay K.S., Shevchenko S., Pilossof M., Levi N., Einat M., Oren M., Gerlitz G. Corona and polio viruses are sensitive to short pulses of W-band gyrotron radiation. Environmental Chemistry Letters. 2021. V. 19. Is. 6. P. 1–6.