4. Eredmények és értékelésük

4.1. Folyadékáramoltatásos kísérletsorozat eredményei

4.1.1. Sejtroncsoló hatás

A 18. ábrán az effektív kezelési idő függvényében a relatív túlélő sejtszámok láthatóak az egyes ultrahang teljesítményeknél. A kezelés folyamán kialakult abszolút és relatív élősejtszámok a VII. melléklet 1. táblázatában, a „D” tizedelési idők és a „k” pusztulási sebesség értékek pedig a VII. melléklet 2. táblázatban láthatóak.

18. Ábra: Élesztő sejtszám változása az effektív kezelési idő és a kibocsátott teljesítmény függvényében

A 18. ábrán látható, hogy a nagyobb teljesítményű ultrahangkezelés hatására gyorsabb sejtkárosítás mutatkozik (Neményi & Lőrincz, 2002^b). A 19. ábra a tizedelési idők kisugárzott teljesítmény függvényében való változását mutatja be.

19. Ábra: „D” értékek alakulása a kibocsátott ultrahang teljesítmények függvényében

A 19. ábrán az látszik, hogy a nagyobb kisugárzott teljesítményeken a sejtszámok csökkenése az idő függvényében sokkal gyorsabb, vagyis a tizedelési idő sokkal rövidebb. Az ultrahang tehát a teljesítménye függvényében intenzíven befolyásolta a sejtek túlélését (Neményi & Lőrincz, 2001^a,b).

4.1.2. Intenzitásváltozás folyadékáramoltatásos rendszerben

A 13. képlet alapján meghatároztuk a küvetta kezelőterébe (20. ábra) jutó ultrahang intenzitás relatív értékét. Ebből illetve az ismert kibocsátott intenzitások alapján meghatároztuk az effektív küvettába jutó intenzitást (Lőrincz & Neményi, 2001^a,b és Lakatos et al., 2002). A számításnál az abszorpciót nem vettük (Neményi et al., 2003) figyelembe elhanyagolhatóan kis értéke miatt (kvarcüvegben 0,7dB/m, ami 0,0001m-en 0,00007dB, vízben 0,9dB/m ami 0,1m-en 0,09dB ezek pedig a 130dB körüli kibocsátott intenzitások mellett elhanyagolható értékek.)

20. Ábra: A sugárzó és az ultrahangos kezelő küvetta (R=reflexiós fok, Á=átbocsátási fok)

A vízbe merülő adott geometriájú kvarclemezen kialakuló visszaverődési fok 1,66%, ebből az átbocsátási fok 98,34%, innen az 1. táblázatban, a kisugárzott ultrahang intenzitások függvényében a küvettába jutó ultrahang intenzitásokat mutatja.

1. Táblázat: A küvetta belsejébe bejutó intenzitás értékek

Kibocsátott ultrahang intenzitás	Küvettába jutó ultrahang intenzitás
7,5W/cm²	7,37W/cm²
9,6W/cm²	9,43W/cm²
10,5W/cm²	10,32W/cm²
12W/cm²	11,79W/cm²

4.1.3. Mikrobiológiai elemzés pusztulási dinamikára

Felrajzoltuk a különböző kisugárzott és küvettába jutó ultrahang teljesítményekhez tartozó túlélési görbéket (21. ábra).

21. Ábra: Az élesztő túlélési görbéi különböző teljesítményszinteken (N= élősejtszám)

A hőpusztulás analógiájára meghatároztuk a „z” értéket, vagyis a tizedelési időintervallum értékek tizedére csökkenéséhez szükséges ultrahang teljesítményváltozást, a tizedelési időintervallum és küvettába jutott teljesítmény értékek alapján, a [10]. egyenlet átalakításával, a [17]. egyenlet szerint:

Q = D₁/D₂, [17.]

ahol D₁ az alacsonyabb, D₂ a magasabb ultrahang teljesítményhez tartozó tizedelési idő érték és a Q innen a pusztulási sebesség ultrahang teljesítmény koefficiense. Ebből a „z” érték meghatározását a [11.] egyenlet átalakításával a [18.] egyenletből kaptuk:

z = (P₂-P₁)/lgQ, [18.]

ahol P₂ a magasabb, P₁ az alacsonyabb ultrahang intenzitás, vagy teljesítmény. Ha behelyettesítjük a mért tizedelési és teljesítmény sarokértékeket, a következő értékhez jutunk:

Q = 209,36/53,65=3,9 és

z = (11,79-7,37)/lg3,9=1,14/0,589=7,47

ahol 3,9 azt jelenti, hogy a 4,42W küvetta belsejébe jutó ultrahang teljesítmény-növekmény miatt, vagyis a kibocsátott teljesítményt 7,5W/cm²-ről 12W/cm²-re növelve a D tizedelési érték az alacsonyabb teljesítményhez tartozó D érték 3,9-ed részére csökken. A 7,47 érték pedig azt jelenti, hogy (11,79-7,37=4,42), azaz 4,42W/cm²+7,47W/cm²=11,89W/cm² teljesítménynövekményre a D érték a tizedére csökken, az alacsonyabb (7,37W/cm²) teljesítményre jellemző D értékhez képest. A 7,37W/cm² küvettába jutó ultrahang teljesítményhez 209,36sec, 11,79W/cm²-hez 53,65sec effektív tizedelési idő tartozik, illetve így 7,37W/cm²+7,47W/cm²=14,84W/cm²-hez 20,9sec tizedelési idő tartozhat. A 22. ábrán az élesztő ultrahang rezisztenciagörbéjét ábrázoltuk. Az élesztő pusztulási görbéje TDT= D*10 esetén úgy alakul, hogy a 22. ábrán látható pontok lgD+1-el feljebb kerülnek, a görbe meredeksége nem változik.

22. Ábra: Az élesztő rezisztenciagörbéje az ultrahangra („D” másodpercben)

4.2. Nem állandó hőmérsékletű ultrahang sugárzófejjel végzett kísérletek eredményei

A 6,5W kisugárzott teljesítménnyel, vagyis 2,07W/cm² felületre eső teljesítménnyel kezelt különböző koncentrációjú sejtszuszpenziók túlélése relatív sejtszámokra a 23. ábrán, a 8,5W kisugárzott teljesítményre, vagyis 2,7W/cm² felületre eső teljesítményre a 24. ábrán láthatóak.

23. Ábra: 2,07W/cm² melletti relatív élő sejtszám alakulás

A magasabb kiinduló sejtszuszpenzió koncentrációk esetén általában, viszont az alacsonyabb teljesítményszinteken mindig hosszabb időszakot igényel a kiinduló élő sejtszámok hasonló mértékű csökkenése.

24. Ábra: 2,7W/cm² melletti relatív élő sejtszám alakulás

Megfigyelhető, hogy a 2,7W/cm² felületre eső teljesítményhez tartozó kezeléseknél a 2,41*10⁷/ml sejtszám esetében a kezelés kezdetén „lankásabb” pusztulási zóna van, mert a kavitáció öt percet késett, az összes többi esetben a kavitáció dominált. A fenti tapasztalatunk alapján egyetértünk Rooney (1970) és Miller és Williams (1989) kijelentéseivel, hogy a pusztulási dinamika alakulása használható a kavitáció detektálásra is. A 2,07W/cm² felületre eső teljesítményhez tartozó kezelések sejtszám értékeinek ábrázolásakor az 50-85. percben, az egyes eltérő kiinduló sejtkoncentrációjú minták esetében nagyon hasonló túlélési dinamikát mutatnak, a gyors élő sejtszám csökkenési szakasz után lassabb pusztulás, majd utána ismét egy gyorsabb pusztulási szakasz látható. A görbék tapasztalataink szerint tehát több huzamúak lehetnek, hasonlóan Thacker (1973) megfigyeléséhez.

A tizedelési időintervallumok meghatározását szintén Deák (1997) szerint végeztük, melyhez felhasznált adatok a VII. melléklet 3. 4. és 5. táblázatban találhatóak. A különböző teljesítményszintekhez tartozó kezelések különböző kiinduló koncentrációjú mintáinak tizedelési időintervallum értékeinek ábrázolása a 25. ábrát adja.

25. Ábra: 2,07 és 2,7W/cm² teljesítményszinten végzett különböző kiinduló koncentrációval rendelkező mintákon végzett kísérletek tizedelési időintervallumainak alakulásai

A 25. ábra alapján látható, hogy az alkalmazott teljesítmények nagymértékben befolyásolták a túlélés dinamikáját. A magasabb teljesítmény szintekhez jóval alacsonyabb tizedelési időintervallumok tartoznak. A 2,7W/cm² teljesítményszinthez tartozó tizedelési időintervallum értékek 30-52 perc körüli értéket mutatnak, melyek az alkalmazott koncentráció növekedésével kismértékben növekvő tendenciájúak. A 6,5W kisugárzott teljesítményszinthez, vagyis 2,07W/cm² felületre eső teljesítményhez tartozó „D” értékek 158-91 perc körüli tizedelési időintervallum értékeket adtak, csökkenve a növekvő kiinduló sejtkoncentrációval.

A nem állandó hőmérsékletű berendezéssel végzett kísérletek tizedelődési időintervallum eredményeit a 22. ábrából várható értékekkel az azonos kezelt mennyiségek alapján összehasonlítva, látható, hogy a 2,7W/cm²–nál kapott 30perc körüli értékek a 22. ábrából várható értékeknél némileg magasabbak, de arányaikban annak megfelelőek. Viszont 2,07W/cm²-nél kapott 100perc körüli értékek a várhatónak több mint a duplái, így itt szóba jöhet a sugárzótér térintenzitásának egyenetlensége, az ultrahang hővesztesége, illetve az, hogy az alacsonyabb intenzitás gyengébb akusztikai áramlást produkál, így a sejteknek a „holttérből” a magas intenzitású akusztikai zónába történő szállítása valószínű, hogy nem volt biztosított megfelelő mértékben. Így e berendezésben az effektív kezelési idő meghatározása fontos feladat lett volna, azonban a térintenzitás meghatározása meghaladta eszközfelkészültségünket, emiatt egyenletes térintenzitású kezelő berendezés tervezését és kivitelezését végeztük el.

4.3. Ultrahang hőhatásvizsgálatának eredményei

4.3.1. A mérőeszközök összehasonlítása

Először meghatároztuk, hogy a termoelemes és az infrahőmérős adatok összeegyeztethetők-e azonos mérési körülmények között. Ennek érdekében desztillált vizet alkalmaztunk mintaként, 20ºC állandó vízköpeny hőmérséklet mellett, 1117kHz frekvencia és 9W/cm² kicsatolt teljesítmény szinten. A mérés eredményei a 26. ábrán figyelhetők meg.

A termoelemet a hangtérbe helyezve, ott abszorberként funkcionált és nemcsak, hogy megzavarta a hangteret, de hangenergia elnyeléséből adódóan hamis eredményt is mutatott. A kísérlet kezdetén 70ºC feletti értékre „ugrott” a termoelem hőmérséklete, ezután viszonylag gyorsan lehűlt majd ezután ismét felmelegedett. A jelenségek oka az lehetett, hogy a termoelem ultrahang abszorpciója bár állandó érték, azonban a kezelés kezdetén még nem alakult ki a rektifikált diffúzió miatt a hangabszorpcióban elsődleges szerepű akusztikai kavitáció, tehát intenzív termoelem hőemelkedés következhet be. A besugárzás első időszaka után kialakult a kavitáció, majd folyamatosan növekedett a hangtérben az akusztikai áramlás intenzitása. Az akusztikai folyadékáramlás a kezelés folyamán, a termoelemen keletkezett hőt intenzíven elszállíthatta, a hűtött csőfalnak pedig leadhatta, emiatt a termoelem lehűlhetett. A termoelem folyadéknak leadott hője miatt maga a folyadék is nagyobb mértékben melegedhetett a nem bolygatott hangterű mintához képest, így a termoelem hőmérséklete folyamatosan növekedhetett az expozíció alatt, kiegyenlítődési görbe–szerűen.

26. Ábra: Kontakt és infra hőmérővel mért hőmérsékleti értékek összevetése

Infrahőmérővel való mérés során folyamatos hőmérsékletemelkedés tapasztalható, kiegyenlítődési görbe-szerűen az ultrahangkezelés alatt. Az infrahőmérős mérés alatt kizárólag a hangtér abszorpciójából származó hőmérsékletváltozást mérhettük, ami abból is jól látszik, hogy az azonos 1500 sec időintervallumon keresztül történő ultrahangkezelés folyamán a két hőmérési módszer által mért végső, ultrahangmentes hőmérsékleti értékek csupán néhány ºC-kal térnek el egymástól, méghozzá a termoelemes minta hőmérséklete a magasabb, ami a termoelem önabszorpciójából származó többlet hő elméletet bizonyítja.

Következésképpen a fentiek alapján megállapítottuk, hogy a további ultrahangkezelés alatti hőmérsékletváltozási vizsgálatokhoz, a hamis eredmények kizárása érdekében, kizárólag az infrahőmérőt alkalmazzuk.

A három kísérletsorozat összes eredménye ábra formában a III.A. mellékletben található.

A vizsgálatsorozatokban a fő vizsgálati szempontunk az volt, hogy a sorozat differenciál szono-termogramjait összevessük egymással.

4.3.2. Hőmérsékletváltozási vizsgálatok eredményei

A 27. és a 28. ábrán, a 9W/cm² teljesítménnyel kezelt víz és szuszpenzió hőmérsékletének alakulása (szono-termogramja és differenciál szono-termogramja) figyelhető meg 20ºC-os vízköpeny és kiinduló hangtér hőmérséklet mellett, 10g/l élesztő szuszpenzió koncentrációnál. A kezeléseket a 150. másodpercben indítottuk, a hőmérsékletbeállás miatt. A 27. és a 28. ábrán, illetve a teljes 10g/l kísérletsorozatból is megfigyelhető, hogy a hangtér hőmérséklete soha nem emelkedett, még hosszabb kezelési periódus hatására sem a kiinduló vízköpeny hőmérséklete fölé 10ºC-kal. A kezelés alatti hangtér hőmérséklet csak mintegy 25,5 ºC-ig emelkedett mind a víz, mind a szuszpenzió esetében, sőt a szuszpenzió hőmérséklete a differenciál szono-termogramból láthatóan, a kezelés alatt alacsonyabb volt, mint a vízé (27., 28. ábra). Ebből adódóan nem lehet a 4.1., illetve a 4.2. fejezetben tapasztalt sejtpusztulást megmagyarázni csak a hőhatással, mivel 20ºC-os vízköpeny hőmérséklet mellett is történt a kezelés alatt sejtpusztulás. A hőhatás miatti sejtpusztulás inkább hangabszorpció következménye lehetne. Ginzburg (1980) szerint az élesztőgombának 70,6% (4.5.2. fejezet) nedvességtartalom mellett 24ºC-on 3634J/kgK a fajhője, így a 10g/l koncentrációjú 25ml szuszpenziónak 104,51, a 20g/l-esnek 104,37J/25gK a fajhője, a vízé pedig 104,65J/25gK. A szuszpenzióktól tehát a víznél magasabb hőmérsékletet várhatnánk. Ehelyett ennek az ellenkezője következett be az erőteljes hőhatással rendelkező forralás-szerű akusztikai kavitáció intenzitásának szuszpenziók általi csökkentése miatt. Az ultrahang hőhatásának modellezése a III.B. mellékletben található.

27. Ábra: 9W/cm² teljesítménnyel kezelt víz és szuszpenzió hőmérsékletének alakulása 20ºC-os vízköpeny mellett, 1g/100ml koncentrációnál

28. Ábra: A fenti ábra differenciál szono-termogramja

A kavitáció hőhatásának szuszpenzió általi csökkenésére további bizonyíték a differenciál szono-termogramok kísérletsorozatokon belüli egybevetése, mely a 29. ábrán látható. A 29. ábrán látható, hogy a 10g/l koncentrációval rendelkező 30 és 40ºC-os mintán kívül, a kezelés kezdetéti szakaszától eltekintve, ahol a 30, 40, 50, 60ºC-os minta is magasabb hőmérsékletű volt, mint a víz, nem volt más minta, mely viszonylag folyamatosan a víz kezelése alatti hőmérsékleténél magasabb hőmérsékletű lett volna. Ez alapján állítható, hogy a 30 és 40ºC-os vízköpeny hőmérsékletű kísérleteken kívül ez a 10g/l koncentráció csökkentette a kavitáció aktivitását, ezáltal a hőképződés mértékét is.

Még érdekesebb eredményre juthatunk, ha a 10 és a 20g/l koncentrációval rendelkező sejtszuszpenzió minták vizsgálatának eredményeit is összevetjük (29. ábra). Megfigyelhető, hogy a 20g/l koncentrációval rendelkező minták, az 50ºC-os vízköpeny hőmérsékletű minta kivételével mindig alacsonyabb hőmérsékletűek voltak, mint az ugyanolyan körülmények között kezelt 10g/l koncentrációjú szuszpenzió és tiszta víz minták.

A kezelés alatt tapasztalt alacsonyabb szuszpenzió hőmérséklet eredmények oka a Brayman és Miller (1992) által felfedezett kavitációs buborékok körüli rozettaképződés lehet, amiből a kavitációs aktivitás csökkenése következik. Három esetben tapasztalt, víznél magasabb szuszpenzió hőmérséklet oka pedig a szakirodalom által szintén sokszor említett kavitációs magképzés folyamata lehet a szemcsék által, melynek az adott hőmérsékletek mellett kedvezhet az alkalmazott sejtszuszpenzió koncentráció. A fent említett rozettaképzési és kavitációs magképzési elméletek főleg a kezelések 450. másodperc feletti időszakaira vonatkozhatnak.

29. Ábra: A 9W/cm² teljesítménnyel, 1-60ºC-os vízköpeny mellett kezelt 1 és 2g/100ml élesztő szuszpenzió és víz kezelés alatti hőmérsékleteinek különbségei (differenciál szono-termogramjai)

4.3.3. A kavitáció dinamikájának hatása a hőképződésre

Amikor a kezelés kiinduló pillanataitól alacsonyabb hőmérsékletű volt a víznél a szuszpenzió, vagy a kísérlet kezdete után meredeken esni kezdett a szuszpenzió hőmérséklete a vízhez képest, akkor a kavitáció megindulása késett az ultrahang sugárzófejre csatolásának időpillanatához képest ugyanúgy, mint a 24. ábra 2,41*10⁷/ml (20g/l) mintája esetén. Amennyiben például kizárólag a 20ºC-os vízköpeny hőmérséklettel jellemezhető minták eredményeit vizsgáljuk, a 10 és 20g/l koncentráció mellett, a 30. és a 31. ábrát megvizsgálva globális következtetést vonhatunk le a kavitáció dinamikájára.

30. Ábra: 9W/cm² mellett víz, illetve 1 és 2g/100ml sejtszuszpenzió hőmérsékletének alakulása 20ºC-os vízköpeny mellett

31. Ábra: A 9W/cm² teljesítménnyel, 20 ºC-os vízköpeny mellett kezelt 1 és 2g/100ml koncentrációjú élesztő szuszpenzió és víz kezelés alatti hőmérsékleteinek különbsége (differenciál szono-termogramja)

A 30. és a 31. ábrát megfigyelve látható, hogy a két különböző sejtkoncentrációjú szuszpenzió esetében egymáshoz hasonló görbéket kaptunk. A kettő között mindössze az a különbség, hogy a 20g/l koncentrációval rendelkező sejtszuszpenziónál a hőmérséklet-különbség a kezelés első időszakában sokkal nagyobb mértékűvé válik, mint az alacsonyabb 10g/l esetében. Amíg nem jelentkezett kavitáció a hangtérben, hiába volt bekapcsolva az ultrahang, a nagymértékű hőképződés elmaradt, ebből adódóan egyre nagyobb lett a hőmérséklet-különbség. Viszont amint megindult a kavitáció, azonnal megindult a hőképződés is. A 30. és a 31. ábrát tanulmányozva megfigyelhető még, hogy a magasabb szuszpenzió koncentráció esetén később indult be a kavitáció, ennek okán pedig késett a hőemelkedés, ezáltal minél később indult meg a kavitáció annál nagyobb lett a különbség a víz és a szuszpenzió hőmérséklete között. A 10g/l koncentrációnál a 195. másodpercben indult a kavitáció, ez a kezelés kezdeti pillanatától 45 másodperces késést jelent és a víz hőmérsékletétől 1ºC-os elmaradást, míg a 20g/l szuszpenzió koncentráció esetében az elmaradás 150 másodperc és 2,5ºC körüli érték. Hasonló esetek fordultak elő mindkét sejtkoncentráció kísérletsorozatai esetén, amikor már a kezelés kiindulása után negatív irányú hőmérsékletkülönbség növekedés mutatkozott a szuszpenzió és a víz között.

Ugyanez a hatás következett be dolomit szuszpenzió esetében is, amit a 32. ábra mutat. A 32. ábrán megfigyelhető, hogy a 20g/l koncentrációval rendelkező dolomit szuszpenzió esetén a kezelés folyamán az 1500. másodperc körül leállt a kavitáció, a hőmérséklet abban a pillanatban esni kezdett a hűtött vízköpeny miatt, majd a kavitáció ismételt beindulása után a hőmérséklet rövid idő elteltével ismét emelkedésnek indult, viszont az nem érte el a víz hőmérsékletét. A jelenség dinamikájának az lehet az oka, hogy a kísérlet kiindulásakor a magasabb folyadékbeli oldott oxigén szintnél, magasabb hangtérbeli szemcsekoncentráció mellett is kialakulhat az akusztikai kavitáció. A kavitáció során csökkenő oldott oxigén szint alakul ki a folyadékokban és dinamikus szemcse szedimentáció – felkavarodás történik az ultrahangtérben. Így a kezelés során csökkenő oldott oxigén szint kialakulása mellett, a kavitáció során jelenlévő akusztikai áramlás hatására az aljzatról felkavarodó szemcsék, az akusztikai nyomás amplitúdó hangtérbeli értékét a hangszórás és hangabszorpció miatt a kavitációs küszöb alá csökkenthették. Ennek hatására a kavitáció leállhatott, majd a kavitációmentes hangtérben a visszafogottabb akusztikai áramlás miatt, a szemcsék ismételt kiülepedése során az akusztikai nyomás amplitúdó a kavitációs küszöb fölé emelkedhetett, így újból kialakulhatott a kavitáció a csökkent oldott oxigén szint ellenére is. Azonban a csökkent oldott oxigén szint mellett kialakult kavitáció intenzitása miatt alacsonyabb lehetett a tiszta vízhez képest, ezért a szuszpenzió hőmérséklete elmaradt a tiszta víztől. A szuszpenzió hőmérsékletének alakulását mutató görbe két kavitációs szakasza közt ez lehet a különbség.

32. Ábra: 9W/cm² teljesítménnyel kezelt víz és dolomit szuszpenzió hőmérsékletének (szono-termogramjainak) alakulása 20ºC-os vízköpeny mellett, 1 és 2g/100ml szuszpenzió koncentrációnál

A 29. és a 32. ábrán megfigyelhető, hogy a kavitációs anomáliák miatt, csak a vizsgálat végső fázisában alakult ki az akusztikai jelenségek átváltásától függetlennek tűnő hőmérséklet érték. Viszont ebben a zónában, főleg az élesztőgomba szuszpenziók esetén nincs mérhető különbség az egyes anyagok, de még az egyes koncentrációk hőmérsékletkülönbség értékei között sem.

Független vizsgálatból 10 és 20g/l dolomit szuszpenzió koncentrációknál felvettük a szemcsék aprózódását, mely kezdeti és végpontjait a 33. ábra, illetve az egész kezelést a IV. melléklet mutatja. Az ábrákon jól megfigyelhető a dolomit szemcsék aprózódása, töredezése a kezelés hatására a kavitáció miatt.

33. Ábra: A 25ml 10g/l és a 20g/l koncentrációjú dolomit szuszpenzió, 20ºC-os vízköpeny és 9W/cm² ultrahang teljesítménnyel történt kezelésének kiinduló és végső állapotai

Ezek alapján szükségesnek tartottuk az akusztikai jelenségek kialakulásának, átalakulásának körülményeit megvizsgálni, e nélkül a kialakuló fizikai jelenség, mint például a szuszpenziókban vizsgált hőhatás hektikusnak tűnhet, így nem tervezhető nélküle a célszerű ultrahangos munka. Ezért a következőkben az ultrahang szuszpenzióbeli reakcióját, akusztikai jelenségeit vizsgáltuk kísérletek segítségével.

4.4. Az akusztikai jelenségek vizsgálati eredményei

4.4.1. Kavitációs zaj vizsgálatának eredményei

Az oszcilloszkóp segítségével végzett vizsgálatok során a háttérzajhoz képest a kavitációs és háttérzaj együttes görbéje látványos jól kivehető eltérést mutatott a periódusidőbeli oszcillációk sűrűségében, illetve spektrumanalíziskor a vizsgált 0,2-20kHz-es tartományon belüli kibocsátott frekvenciák intenzitásának változásában.

4.4.2. Akusztikai jelenségek hangtérbeli kialakulásának vizsgálati eredményei

A kavitációs határkoncentráció, illetve a kavitáció kialakulási időpillanat meghatározásánál a 34. ábra által stilizált akusztikai jelenségeket tapasztaltuk (Lőrincz, 2003^b).

34. Ábra: A hangtérben tapasztalt akusztikai jelenségek

Nyugalomban lévő 20ºC-os 25ml csapvízből indultunk ki, majd az ultrahang rákapcsolása után akusztikai áramlás miatt szökőkút jelenség alakult ki, amelyet követően néhány másodperc után a rektifikált diffúzió hatására hosszú időn keresztül megfigyelhető stabil, illetve a műszeresen is érzékelt kavitációs zajból következően tranziens kavitáció alakult ki. A szuszpendálandó szemcsés anyag hangtérbe szórásának megkezdése után a kavitációs buborékok és a szuszpendált szemcsék is jelen voltak a hangtérben, intenzív akusztikai áramlásban. A szemcsék további hangtérbe adagolásakor egy adott beszórt szemcsemennyiség elérésekor a kavitációs határkoncentrációnál megszűnt a műszeresen is érzékelhető kavitációs zaj, az intenzív akusztikai áramlás vált dominánssá, ez a kavitációs határkoncentráció.

A kavitáció kialakulási időintervallum, vagy visszakavitálási időintervallum vizsgálatakor az előszuszpendáltatás után, az ultrahang bekapcsolásakor először akusztikai áramlás, majd egy adott időintervallum után a szemcsék nyomási csomósíkokba terelésével állóhullám alakult ki, olyan módon, ahogy Gould et al. (1992) publikálták. Az állóhullám szemcsekoncentrációs, térfogattömeg növelő hatására az akusztikai erőtérből a szemcse aggregátumok folyamatosan kiülepedhettek, hasonlóan Bondy és Söllner (1935) leírásához. A hangtér szemcsekoncentrációjának lecsökkenése miatt az akusztikai nyomás amplitúdó kavitációs küszöb fölé emelkedhetett, kialakult a műszeresen elemezhető kavitációs zaj. A kísérlet beindításától a kavitáció kialakulási időpillanatáig eltelt időintervallum a kavitáció kialakulási időintervallum, vagy visszakavitálási időintervallum (Lőrincz & Neményi, 2002^d). E tapasztalatunk szorosan illeszkedik a 4.3.3. fejezetben vázolt megfigyelésekhez és feltételezésekhez (Neményi & Lőrincz, 2002^c).

A kavitációs határkoncentráció meghatározásának eredményeit liofilizált élesztőre és dolomitlisztre a 35. ábra, préselt élesztőre a 36. ábra mutatja be, különböző ultrahang teljesítmények függvényében. Az eredmények vizsgálatakor megfigyelhető, hogy az egyes vizsgált anyagok esetében a kavitációs határkoncentráció értékek a kezelési teljesítménnyel egyenes arányban változtak, tehát a teljesítmény növelésére a kavitációs határkoncentráció növekedése figyelhető meg, illetve fordítva.

Másik nézőpontból szemlélve úgy is megfogalmazható a tapasztalatunk, hogy a magasabb részecskekoncentrációknál egyre magasabb intenzitás szükséges az akusztikai kavitáció jelenlétéhez. A kiegészítő vizsgálatok kavitációs határkoncentráció eredményei minden vizsgált anyag, minden kezelési teljesítmény szintjén kisebb értékeket mutatnak, mint az alapvizsgálat eredményei. Oka, hogy a felületi feszültség miatt a folyadékfelszínen szemcsék maradtak fenn, ezért nagyobb mennyiségű szemcsét kellett beszórnunk az alapvizsgálatnál, hogy ugyanolyan szemcsekoncentrációjú szuszpenziókhoz jussunk, mint a kiegészítő vizsgálat kavitációs határkoncentráció értéke.

35. Ábra: Kavitációs határkoncentráció eredmények szárított élesztő és dolomitliszt esetén, 4 ismétlésből

36. Ábra: Kavitációs határkoncentráció eredmények préselt élesztő esetében, 4 ismétlésből

A 37. ábra a kavitáció kialakulási időintervallum értékeket mutatja másodpercben az alkalmazott ultrahang teljesítmények függvényében a liofilizált élesztő, a 38. ábra pedig a dolomitliszt esetében.

37. Ábra: Kavitáció kialakulási időintervallum liofilizált élesztő esetében, 4 ismétlésből

38. Ábra: Kavitáció kialakulási időintervallum dolomitliszt esetén, 4 ismétlésből

Az eredmények a kavitációs határkoncentrációk 1,5-szeres szemcsekoncentrációjára vonatkoznak a hangtérben. Látható, hogy a beadagolt anyagmennyiségben nagy eltérések voltak az egyes vizsgált anyagok esetében különböző ultrahang teljesítmények mellett. Liofilizált élesztő esetén például 3W/cm² teljesítményen 3g/l, míg 12W/cm² teljesítményen 6,3g/l a kavitációs határkoncentráció másfélszerese. A két különböző formátumú élesztőgomba kavitációs határkoncentrációja közötti majdnem háromszoros eltérés oka az lehet, hogy a préselt élesztőgomba átlagos nedvességtartalma nedves bázisra 70,6%, míg a liofilizálté pedig 7%. Ezek alapján, ha a kavitációs határkoncentráció vizsgálatakor kapott eredményeket, a hangtérbe szuszpendált élesztő szárazanyagra vonatkoztatjuk, akkor (V. melléklet 1. ábra) nagyon hasonló kavitációs határkoncentráció értékeket kapunk a két különböző élesztőgombára. Ez alapján kijelenthető, hogy a szuszpendált anyagok szárazanyag tartalma mérvadó a hangsugár elváltozásban.

A kavitáció kialakulási időintervallum értékek egyes anyagoknál mért nagy hasonlósága abból eredhetett, hogy minden anyagnál, minden teljesítményszinten, a kavitációs határkoncentrációhoz képest mindig ugyanabban a mértékben (KHK*1,5) emelt hangtérbeli szemcsekoncentrációval dolgoztunk (Lőrincz & Neményi, 2002^a). A préselt élesztő kavitáció kialakulási időintervallum eredményei hiányoznak az ábrákról, mivel olyan erőteljes sávok jöttek létre az állóhullámtér nyomási csomósíkjaiban, hogy nem történt meg a szedimentáció, nem következhetett be a kavitáció kialakulása harminc perces ultrahangkezelés esetén egyik teljesítmény szinten sem. Ezzel vizsgálataink igazolták Hawkes et al. (1998^b) megfigyelését, hogy földi gravitációs körülmények (1g) között nagyon stabil sávok alakulnak ki ultrahang térben, hidratált Saccharomyces cerevisiae szemcsék esetén. Ebből adódóan a Coakley (1997) által publikált részecske szeparáció, az akusztikai jelenségek jelen szakában kivitelezhető lehet. Más speciális felhasználási lehetőséget is nyújthat ez az akusztikai jelenségszakasz, amelynek kapcsán például a sejtek gélbe zárása valósítható meg tetszőlegesen nagy felületen, a szubsztrátból való leghatékonyabb termékképzés céljára (Radel et al.,1999^a). További ok lehet a tartós állóhullám jelenlétére, az hogy az élesztőgomba Brayman és Miller (1993) szerint, az élettevékenysége során felhasználhatta a potenciális kavitációs magként szereplő oldott oxigént, a már egyébként is gáztalanított, csökkentett oldott oxigén tartalmú vízből, amely elképzelés szintén összeegyeztethető lehet a 4.3.3. fejezetben vázolt feltételezéssel.

A liofilizált élesztőgomba és a dolomitliszt szuszpenzió kavitáció kialakulási időintervallumai közötti eltérés oka az lehet, hogy az akusztikai áramlás miatt mozgásban lévő, dehidratáltan 0,65g/cm³ fajsúlyú élesztő szemcsék az egységnyi erősségű akusztikai erőtér részéről, állóhullámban könnyebben csapdázhatók a nyomási csomósíkokban, mint a nagyobb tehetetlenséggel rendelkező 2,85g/cm³ fajsúlyú akusztikai áramlásban lévő dolomit részecskék. Az ultrahangtérben kialakuló akusztikai jelenségek egymás utáni sorrendje: akusztikai áramlás, állóhullám és az akusztikai kavitáció. Tapasztalataink szerint a préselt élesztőnél az állóhullám sávjai tartósabbak voltak, a dolomit lisztnél pedig az akusztikai áramlás jelensége volt erőteljesebb, mint a többi akusztikai jelenség. Így mérési eredményeink fentiek szerinti átértékelése alapján is igazolva látjuk Radel et al. (1999^a) megállapítását, hogy pékélesztő sejtek akusztikai állóhullám által, térbeli rendszerbe hozhatóak, azzal a hozzátétellel, hogy tartósan fenntartható ez az aktív térbeli struktúra, a sejtek gélbe zárása nélkül is, a szubsztrát sávok közötti hidrodinamikai odaszállításának és a termék elszállításának előnyével. Ebben az esetben biológiai reakció katalizátorának stabil pozicionálására és a legnagyobb diffúziós felület biztosítására használható az akusztikai állóhullám.

A vizsgálati módszereink által lehetőség nyílik a hangtérben diszpergált anyagok kvalitatív és kvantitatív paramétereinek szemcseanalitikai meghatározására is (Lőrincz & Neményi, 2003^a). Az eredményeket ultrahang analitikai nézőpontból szemlélve, az anyagok meghatározásával kapcsolatosan látható, hogy a legtöbb esetben már a kavitációs határkoncentráció eredményekkel is nagy pontossággal jellemezhető egy anyag. Azonban a szárított élesztő és a dolomit szuszpenzió 9W/cm² mellett mért kavitációs határkoncentráció eredményeinek hasonlósága mellett a kavitáció kialakulási időpillanat eredményeket, mint kiegészítő vizsgálati eredményeket felhasználva, tökéletes biztonsággal képesek lehetünk meghatározni egy adott anyagot ezzel a módszerrel (Neményi & Lőrincz, 2002^a).

Az eredeti célunknak megfelelően, az akusztikai jelenségek hangtérbeli bekövetkezésének és átalakulásának dinamikáját az alkalmazott modellanyagok segítségével körültekintően vizsgáltuk, az általunk kidolgozott új vizsgálati módszerek szerint. Az eredmények által a hangtérben kialakuló akusztikai jelenségek előre jelezhetők, ezáltal a 4.2. fejezet bizonytalanságai esetleg a későbbiekben kiküszöbölhetővé válhatnak.

A hangtér akusztikai jelenségeinek dinamikájában komplex jelenség-láncreakciót mutattunk ki. A mérési eredmények egytényezős varianciaanalízis szignifikancia eredményeivel az V. mellékletben számszerűen megtalálhatóak.

4.5. A Saccharomyces cerevisiae élesztőgomba túlélési dinamikájának eredményei az akusztikai jelenségek figyelembevételével

4.5.1. A túlélési dinamika alapvizsgálatainak eredményei

A 2. táblázat a 4.4. fejezet alap és kiegészítő vizsgálataiból származó kavitációs határkoncentráció (KHK) értékeit 9W/cm² ultrahang teljesítménynél, a 3. táblázat pedig a biológiai vizsgálatoknál alkalmazott mintakoncentrációkat mutatja.

2. Táblázat: Kavitációs 3. Táblázat: Az alkalmazott

határkoncentrációk (KHK) szuszpenzió koncentrációk

A 39. ábra a kavitációs határkoncentráció 1,7-szeres koncentrációjú kezelés egy ismétléséből származó, különböző időpillanatokban vizsgált állapotának mikroszkópos képeit mutatja, arra bizonyítékként, hogy az ultrahangnak objektívan vizsgálható hatása van a kezelt sejtekre, mivel a kék színű pusztult sejteknek egyre nagyobb a részaránya a kezelés előrehaladta folyamán (Lőrincz & Neményi, 2002^b,c).

39. Ábra: A kavitációs határkoncentráció 1,7-szeres koncentrációja mellett végzett kezelés egy ismétlésének kiinduló, 60. és 195. másodpercében vett mintáinak 1-1 immerziós látótere a vitális sejtszám csökkenésével

A relatív túlélő sejtszámok vizsgálatának eredményei az egyes kísérletekben a 40. ábrán és a VII. melléklet 6. táblázatában láthatóak egytényezős varianciaanalízis eredményekkel. A kezelés nélküli kontroll minták esetében, nem történt élő sejtszám változás, még órákkal a szuszpendálás és metilénkék indikátorcseppentés után sem. A kísérletsorozat egy ismétlésének mikroszkópi fényképsorozata a VI. mellékletben látható.

A vitális festés módszer alacsony relatív túlélő sejtszám értékek mellett nagy mérési bizonytalanságot eredményezett, így a VII. melléklet 6. táblázatában látható utolsó mintavételi időpillanatban feltüntetett nulla értékek hipotetikusak, azt jelentik, hogy beállt az egyensúlyi állapot, és a túlélő sejtszám csökkenése nagy valószínűséggel ugyanabban az ütemben folyik tovább, mint az utolsó akusztikai jelenségzónában. A VII. melléklet 6. táblázatban a piros számok az állóhullám kialakulási, a zöld számok a kavitáció kialakulási időpillanatokat jelölik, melyeket a 40. ábrán trendvonalakkal kötöttünk össze.

4.5.2. Az ultrahangtér akusztikai jelenségei

A 40. ábrán az állóhullám kialakulási időpillanatok és a kavitáció kialakulási időpillanatok relatív túlélő sejtszám értékeit trendvonalakkal tehát összekötöttük. Ezt azért tettük meg, mert az egyes grafikusan ábrázolt zónák által, az időben határolt akusztikai jelenségszakaszok, egy kísérleten belül diszkrét egymás utáni sorrendben következtek be. Emiatt három (I. akusztikai áramlás, II. állóhullám, III. kavitáció) különálló zóna látszik az ábrán. A zónák tehát eltérő hangtérbeli akusztikai jelenségeket mutatnak.

Az egyes üzemállapotok, vagy akusztikai jelenségzónák egymás utáni megjelenése főleg ultrahang fizikai okokra vezethető vissza. Az általunk használt akusztikai rendszerben a hangtér részecskekoncentrációja befolyásolhatta az egyik vagy másik akusztikai jelenség érvényre jutását az ultrahangtérben, a 4.3.3. és a 4.4.2. fejezetben felvázolt fizikai mechanizmusok alapján. Akkor következik be az akusztikai áramlás, ha a részecskéken több akusztikai energia nyelődik el, mint ami a sugárzóval szembeni sík akusztikai reflektorról visszaverődik. Esetünkben az akusztikai áramlás, a kvázi akusztikai reflektor nélküli hangtér domináns jelensége volt, amely a szemcsék ultrahangtérbe történő kavitációs határkoncentráció feletti túladagolása miatt következett be. Emiatt a sugárzóval szembeni légréteg reflexiós képessége nem érvényesülhetett, ami miatt állóhullám alakulhatott volna ki. Ez nem azt jelenti, hogy egyáltalán nem történik meg a reflexió, hanem, hogy kisebb mértékű, mint a részecskék abszorpciója és szórása a reflektorfelületig megtett hang úton.

A szuszpenziókban a részecskék akusztikai áramlás mellett részlegesen ülepednek, illetve gyenge állóhullám miatt részlegesen sávosan strukturálódhatnak. Ennek oka és okozata, hogy sugárzófejjel szembeni levegőréteg reflexiós képessége egyre fokozottabb mértékben érvényesülhet. Egy adott felületegységre eső reflektált teljesítmény mellett jellemző akusztikai nyomás amplitúdónál alakulhat ki az állóhullám, mely egy adott anyag esetén állandó érték, így jó viszonyítási alapot szolgáltat az egyes kísérletek között.

A kavitáció a részecskék állóhullámban történő ülepedése miatti növekvő akusztikai nyomás amplitúdó hatására alakulhat ki, mivel az egyre alacsonyabb hangtérbeli szemcsekoncentráció egyre kevesebb akusztikai energiát nyel el, illetve szór szét. Ez azt jelenti, hogy esetünkben az állhullám addig maradhatott fenn a letisztuló szuszpendáló szerben, amíg az akusztikai nyomás amplitúdó meg nem haladta a kavitációs küszöböt.

E tapasztalatok alapján elmondható, hogy a hangtérben bármely üzemállapot, vagyis akusztikai jelenség a részecskekoncentráción keresztül befolyásolható, tehát szükség esetén fenn is tartható, vagy át is ugorható. Továbbá adott esetben az akusztikai jelenségek láncreakció-szerűen is elindíthatóak, úgy ahogy ezt a kísérleteink során tapasztaltuk.

40. Ábra: Minták relatív élő sejtszám alakulásai és az állóhullám kialakulási időpillanatok (ÁKI) és a kavitáció kialakulási időpillanatok (KKI) relatív élő sejtszámaira fektetett trendvonalak (4 ismétlés, I. Akusztikai áramlás, II. Állóhullám, III. Kavitáció)

Az I. grafikusan feltűntetett akusztikai jelenségzóna a 80% körüli relatív élő sejtszámtól kiindulva az állóhullám kialakulásának időpillanatáig tart. Ennek során az akusztikai áramlás jelensége dominál. Szilárd szemcséket szuszpendálva tehát a hangtérbe, azok adszorpciós és hang diszperziós képessége miatt az akusztikai nyomás amplitúdó a kavitációs határ alá csökkenhetett, tehát az akusztikai reflektor nagyrészt érvényét vesztette, gomolygó akusztikai áramlást eredményezve. Ez jellemző az I, vagyis az akusztikai áramlás jelenségzónára, ami a 40. ábrán a szemcsék hangtérbeli koncentrációjának kavitációs határkoncentrációja feletti értéke mellett adódik, mely a kísérlet beindításától az állóhullám kialakulásáig terjedt az időben. Az akusztikai áramlási jelenség hangtérbeli fennmaradásának időintervalluma láthatóan a magasabb szuszpenzió koncentrációk mellett hosszabb volt. Az akusztikai áramlás a vizsgálat során addig az időpillanatig maradhatott fenn egy adott minta esetén, amíg a sugárzási erők a részecskéket be nem csapdázták a nyomási csomósíkokba és ki nem alakult az állóhullám.

A II. zóna, az állóhullám kialakulási időpillanattól a kavitáció kialakulási időpillanatig terjed az időben (40. ábra). Állóhullámban a sejtek a hangterében szemmel látható módon, egymástól fél hullámhossz távolságra koncentrálódtak Whithworth és Coakley (1992) és a 2.7. fejezet szerint leírt módon, ami mellett a szuszpendált szemcsék szedimentációja zajlott. A különböző sejtkoncentrációjú mintákkal végzett vizsgálatokban a kísérletek beindítása után, az állóhullám kialakulási időpillanatokban mért relatív sejtszám értékekre lineáris trendvonalat fektettünk, ami az akusztikai áramlás és az állóhullám zónáját határolja (40. ábra). Az állóhullám részecske agglomerációs hatása miatt szedimentáció történt, melynek hatására az élesztőgombasejtek a rezonátor aljba kiülepedtek, így ezzel a hangtér adszorpciós és szóró centrumainak koncentráció csökkenése következhetett be, ezzel az akusztikai nyomás amplitúdó a kavitáció kialakulási küszöbérték fölé emelkedhetett, kialakult a műszeresen elemezhető kavitáció.

A kavitáció kialakulásának időpillanatában mért relatív élő sejtszámokra szoros exponenciális trendvonalat illesztettünk, ami az állóhullám és a kavitáció jelenségzónáját határolja. A 40. ábrán a III. zóna, a kavitáció kialakulási időpillanattól a végtelenbe tart. A harmadik zóna üres területet mutat a 40. ábrán, azonban ez a jel az akusztikai jelenség időzóna határára vonatkozik csakúgy, mint az előző zónák is, nem pedig a biológiai hatásokra, amelyek ezen akusztikai jelenségeknek a következményei, amit pedig a 42. ábra mutat. Mivel a kavitáció mellett a sejtek pusztulása gyorsabb, mint állóhullám mellett, tehát a relatív sejtszám nem lépi túl ezt a zónahatárt, ezért ezen a diagramterületen elvileg nem is lehetnek pontok. A kavitáció, nagyobb koncentrációk melletti egyre későbbi kialakulásának oka lehet, hogy a hangtérbeli szemcsekoncentráció csökkenés egyre növekvő akusztikai nyomás amplitúdót alakíthat ki, ami a szemcsék ülepedése ellen hat.

Megállapítható, hogy a hangtérbeli szuszpenzió koncentráció alapvetően befolyásolta a hangtérben tapasztalt akusztikai jelenségeket és azok kialakulásának időbeli küszöbértékeit. A kavitációs határkoncentrációról, vagyis 3,2g/l koncentrációról indított kísérletben egyáltalán nem alakult ki állóhullám és akusztikai áramlás, a kísérletek beindításától kezdve állandósult az akusztikai kavitáció. A 3,2g/l koncentrációnál magasabb szuszpenzió koncentrációk esetében a növekvő szuszpenzió koncentrációknál egyre később alakult ki az állóhullám és a kavitáció. A kísérletek egyes ismétlései jó reprodukálhatóságot mutatnak, alacsony szórás értékekkel. A hangtérben az akusztikai jelenségek bekövetkezésének egymás utáni rendszerét neveztük el az ultrahangtérbeli jelenség - hatás láncreakciónak. A 41. ábrán a jelen és a 4.4.2. fejezetből származó kavitáció kialakulási időintervallum értékeket ábrázoltuk a sejtkoncentráció és az alkalmazott ultrahang intenzitás függvényében TableCurve3D (S/N: 3773020) segítségével.

41. Ábra: Kavitáció kialakulási időintervallum (KKI) értékek a sejtkoncentráció és az ultrahang teljesítmény függvényében

4.5.3. Túlélési dinamika vizsgálat eredményei

Bürker-kamrás sejt számlálás alapján 1g/l sejtszuszpenzió koncentráció esetén a sejtszám N=5,6*10⁶/ml volt. Így a kiindulási abszolút sejtszámok és a kísérletek alatt mért relatív élő sejtszámok alakulásának ismeretében mindhárom (I. akusztikai áramlás, II. állóhullám, III. kavitáció) akusztikai jelenség szakaszokhoz tartozó túlélési dinamikát, vagyis a tizedelési időintervallumokat Deák (1997) alapján meghatározhattuk a [7.] és a [8.] egyenletek szerint. Minden kísérlet minden akusztikai jelenségszakaszára meghatároztuk a kezdeti összes sejtszám (N) értékek ismeretében a kiinduló élő sejtszám (N₀) és a végső abszolút túlélő sejtszám (N_t) értékeket, illetve az egyes szakaszok abszolút sejtszámainak tízes alapú logaritmusának (lgN₀, lgN_t), valamint a hozzájuk tartozó kezdeti (t₀) és végső időpontok (t_t), értékét (VII. melléklet, 7. táblázat). Ezek ismeretében meghatároztuk az egyes kísérletek mindhárom jelenségszakaszára a „D” tizedelési és a „k” pusztulási sebességi együtthatót is.

A 4. táblázat a különböző minták ultrahangkezelés alatt mutatott „D” tizedelési és „k” pusztulási sebesség értékeit tartalmazza másodpercben és a feltüntetett tizedelési időintervallum értékek tízes alapú logaritmus értékeit és a teljes pusztulási időintervallum (TDT) értékeket a TDT=10D esetén. A 42. ábrán az egyes kísérletek különböző jelenségszakaszainak túlélési dinamikái kerültek ábrázolásra. A meredekebb szakaszok gyorsabb sejtpusztulást, tehát az adott jelenségre kisebb rezisztenciáját mutatják a sejteknek, mint a kevésbé meredek szakaszok.

A 42. ábra a 40. ábrán feltüntetett relatív élő sejtszám értékekből és a kiinduló abszolút élő sejtszám értékekből ered. A 40. ábra főleg a hangtér akusztikai jelenségeit, a 42. ábra pedig főleg az ultrahang biológiai hatásait mutatja be az egyes akusztikai jelenségek mellett.

4. Táblázat: Akusztikai jelenségszakaszokra jellemző, túlélési dinamika

Kiinduló koncentráció		Akusztikai jelenség	k [sec^-1]	D [sec]	lg D	TDT lg(10D)
g/l	Cfu/ml	Akusztikai jelenség	k [sec^-1]	D [sec]	lg D	TDT lg(10D)
3,2	1,79*10⁷	Akusztikai áramlás	-	-	-	-
3,2	1,79*107	Állóhullám	-	-	-	-
3,2	1,79*10⁷	Kavitáció	0,05833	39,48	1,59	2,59
4,8	2,68*10⁷	Akusztikai áramlás	0,01535	150,01	2,17	3,17
4,8	2,68*10⁷	Állóhullám	0,00153	1505,2	3,17	4,17
4,8	2,68*10⁷	Kavitáció	0,04599	50,07	1,69	2,69
5,44	3,04*10⁷	Akusztikai áramlás	0,0143	161,04	2,206	3,206
5,44	3,04*10⁷	Állóhullám	0,001535	1500,13	3,17	4,17
5,44	3,04*10⁷	Kavitáció	0,0403	57,14	1,75	2,75
7,04	3,94*10⁷	Akusztikai áramlás	0,01573	146,4	2,16	3,16
7,04	3,94*10⁷	Állóhullám	0,002686	857,4	2,94	3,94
7,04	3,94*10⁷	Kavitáció	0,02446	94,17	1,97	2,97
9,6	5,37*10⁷	Akusztikai áramlás	0,01749	131,67	2,11	3,11
9,6	5,37*10⁷	Állóhullám	0,00263	875,6	2,94	3,94
9,6	5,37*10⁷	Kavitáció	0,01543	149,25	2,17	3,17

A 42. ábrából és a 4. táblázatból kitűnik, hogy az akusztikai áramláshoz (I.) és a kavitációhoz (III.) gyorsabb túlélő sejtszám csökkenések, kisebb „D” értékek tartoznak, mint az állóhullám (II.) jelenségéhez. Ahol haladó hullám jelensége dominált, erősebb sejtpusztulás volt tapasztalható, míg állóhullám esetében elenyésző volt a sejtpusztulás. A magasabb kiinduló sejtszámok esetén az állóhullámú akusztikai jelenségszakasz egyre hosszabb időtartamon keresztül maradt fenn, ami lehetőséget ad a sejtek hangtérbeli hosszabb időtartamú manipulációjára. A 42. ábrán szembetűnő, hogy az egyes jelenségcsoportoknak egységes jellegű túlélési dinamikája van (Lőrincz, 2003^a és Lőrincz & Neményi, 2002^e).

42. Ábra: Az egyes kiinduló sejtkoncentrációkhoz tartozó túlélési görbék

(4 ismétlés, I. Akusztikai áramlás, II. Állóhullám, III. Kavitáció, N= élősejtszám)

Alacsony sejtkoncentrációk mellett a kavitáció hatására történt a leggyorsabb sejtpusztulás, itt a legrövidebb a „D” tizedelési időintervallum, az akusztikai áramlás hatására némileg hosszabb, az állóhullám hatására pedig egészen elnyújtott a sejtszám tizedre csökkenéshez szükséges időintervallum.

Magas hangtérbeli részecskekoncentrációk mellett az előbb leírtak némileg módosulnak, melynek megértéséhez akusztikai jelenségek szerint kellett szemlélni a kapott eredményeket (Neményi & Lőrincz, 2002^d,e).

Egyenként megvizsgáltuk az egyes akusztikai jelenségek túlélési dinamikát befolyásoló hatását, az alkalmazott szuszpenzió koncentráció függvényében. A túlélési dinamikát akusztikai jelenségcsoportokra vonatkoztatva megfigyelhető volt, hogy az akusztikai áramlás szakaszában a tizedelési időintervallum értékek, az egyre magasabb kiinduló sejtkoncentrációjú minta esetén általában egyre alacsonyabbak voltak (43. ábra).

43. Ábra: Akusztikai áramlás melletti tizedelési idők különböző sejtkoncentrációknál, (4 ismétlésből; ¨számított „D” értékek, ------ trendvonal, y²=a+bx*lnx^-1; a=69735,3, b=-16771,2, R²=0,838)

Az állóhullám jelenség sejtek túlélésére gyakorolt hatásának vizsgálatakor kitűnik, hogy magasabb sejtkoncentrációk esetén szintén egyre alacsonyabb „D” értékek mutatkoznak. Ennek az egyre hosszabb hangtérben töltött tartózkodási idő lehet az oka (44. ábra). Carstensen et al. (1993) szintén rámutatnak, hogy az állóhullámú térben kismértékű sejtpusztulás tapasztalható.

44. Ábra: Állóhullám melletti tizedelési idők különböző sejtkoncentrációknál,

(4 ismétlésből; ¨számított „D” értékek, ------ trendvonal, y=a+b e^-x; a=748,4277, b=12322,29, R²=0.87033)

A kavitáció túlélési dinamikára gyakorolt hatása eltért az akusztikai áramlás és az állóhullám jelensége által kiváltott dinamikától (45. ábra).

45. Ábra: Kavitáció melletti túlélési idők, különböző koncentrációknál

(4 ismétlésből; ¨számított „D” értékek, ------ trendvonal, y=a+bx³; a=34,11, b=0,896 R²=0.9954)

A kavitációnál a magasabb sejtkoncentrációjú minták esetén lassabb, míg alacsonyabb koncentrációk esetében gyorsabb volt a tizedelési idő (Lőrincz & Neményi, 2002^f). A trendvonalakat TableCurve2D (S/N: 3669527) segítségével fektettük. Ez a jelenség több okra vezethető vissza, az egyik, hogy ha a hangtérben azonos besugárzási körülmények között azonos számú kavitációs mag aktiválódik, akkor azok nagyobb számú sejtet arányosan hosszabb idő alatt inaktiválnak. Másik ok lehet, hogy az állóhullám jelensége alatt kiülepedett sejtek a kavitáció által indukált, intenzív hangtérbeli áramlás hatására folyamatosan felkavarodtak, így a kavitációs buborékokkal való találkozás folyamatosan biztosítottá vált. További ok lehet a Brayman és Miller (1992) szerinti buborékok körüli sejt rozettaképződés, ami elfojthatja a kavitációs aktivitást.

Vizsgálatainkban az egyensúlyi állapotot a kavitáció jelenségének állandósulása jelentette, az állóhullámú jelenségszakaszt követően, így ennek a szakasznak a túlélésre gyakorolt hatása érvényesülhetett a túlélő sejtszám nullára csökkenéséig.

Az egyes kísérletekben az állóhullám jelenség melletti élősejtszám csökkenés 42. ábrán felrajzolt szakaszait, az ordináta tengelyig meghosszabbítva, éppen a 3,2 g/l szuszpenzió koncentrációjú kísérlet kiindulási pontjáig, vagyis a kavitációs határkoncentrációig, lg7,14 sejtszámig jutunk. Az állóhullám melletti túlélési dinamika, mint egy egybefüggő virtuális egyenes választja el így egymástól az egyenes feletti akusztikai áramlás és az egyenes alatt található kavitáció túlélési zónáját (Lőrincz et al., 2003^a). Kölcsönhatás mutatkozott tehát a hangtérbeli szuszpenzió koncentráció és az akusztikai jelenségek kialakulása között, illetve így a sejtszuszpenzió túlélési dinamikája és a szuszpenzió koncentrációja között. Az ultrahangtérben átfogó akusztikai jelenség-sejtbiológiai hatás láncreakciók játszódtak le a besugárzás alatt.

Az ultrahangtérben kialakuló akusztikai jelenségek egyértelműen befolyásolták az ott lévő sejtek túlélési dinamikáját, mint arra Veress és Vincze (1977), Ellwart et al. (1988), Loverock és ter Haar (1991), Carstensen et al. (1993) is utaltak. Viszont nem a koncentrációtól függött a sejtroncsoló hatás erőssége, hanem az ebből következő akusztikai jelenségek intenzitásától, amire egyik szerző sem volt figyelemmel. Az akusztikai jelenségek kialakulása célirányosan befolyásolható, méréseink szerint éppen magával a sejtkoncentrációval, ami viszont kapcsolódik Frizzel (1988) megfigyeléséhez. Az általunk kapott eredmények segítségével tehát módunk lehet befolyásolni a sejtek túlélési dinamikáját magán az ultrahangtér sejtkoncentrációján keresztül, az akusztikai jelenségek tulajdonképpeni befolyásolásával.

4.6. A sejtanalitikai módszerek alkalmazásának eredményei

4.6.1. Analóg módszer eredményei

A vizsgálatokat 9W/cm² teljesítmény, 1117kHz frekvencia és 25ml kezelt Saccharomyces cerevisiae szuszpenzió mellett végeztük, a 4.5. fejezettel megegyező módon. Az analóg álszín kódolóval történő pusztulási analízis eredményét a 46. ábra mutatja. Négy ismétlést végeztünk el KHK*1,7, vagyis az élesztőgomba 5,44g/l-es koncentrációjánál. Látható, hogy ±10%-os eltérés szinten belül van a négy ismétlés szórása az átlaghoz képest. Ha a 46. és a 40 ábrákat összevetjük, illetve ha a VII. melléklet 1. ábráját megfigyeljük látható, hogy a kézi számoláshoz mennyire hasonló eredményekhez jutunk az analóg sejtanalitikai berendezésünk segítségével. Az elemzés élő sejtszám kalibráció nélkül az összes területhez képest az adott szürkeségi fok relatív borítottságát mutatja az ordinátán, így kalibráció nélkül a sejtanalitikai görbék bemutatása a módszer használhatóságának bizonyítását célozza.

46. Ábra: Túlélési analitikai felvétele analóg elven mesterséges látás alkalmazásával, kalibráció nélkül

4.6.2. Digitális sejtanalitikai módszer alkalmazásának eredményei

A digitális sejtanalitikai, vagy képfeldolgozási módszer alapja a térinformatikai „Idrisi” szoftver alkalmazása. Amennyiben ezzel megvizsgáltuk a 4.5.1. fejezetben bemutatott 39. ábrákat színekké konvertált szürkeségi fokok szerinti hisztogram alakulására vonatkozóan, a következő eredményre jutottunk. A 47. ábra bal oldalán a 39. ábra kiinduló időpillanatában vett minta képének beolvasott 8 bites, tehát 256 szürkeségi fokra bontott képe látható az Idrisi menüvezérelt kezelőfelületén. A 47. ábra jobb oldalán a kép nem kumulált oszlopdiagramja látszik, amely hisztogram 256 szürkeségi kategóriát kezel. A 47 és a 48. ábrák bal oldalán tehát a beolvasott 256 szürkeségi fokkal rendelkező, de azokat eltérő színekkel ábrázolt bitképek, a jobb oldalakon a bitképek hisztogramjai látszanak, amelyeken a képek egyes szürkeségi fokainak területei kerülnek ábrázolásra oszlopdiagramként.

Az egyes szürkeségi fokok és az azokhoz tartozó területek pixelben természetesen „DAT” fájl formában lehívhatók, ami bármilyen táblázatkezelő programmal feldolgozható.

Az ultrahangkezelés folyamán, különböző időpillanatokban vett minták hisztogramjain megfigyelhető, hogy a kiinduló, tehát kontroll minta esetében a 200-nál magasabb skálaosztásoknál a háttér szürkeségi fokai és azok képen belüli területei jönnek le. A 100-150-ig terjedő skálaosztásoknál jönnek le a sejtek túlélési adatai. Látható, hogy az egyes képeken a kezelés időszakának növekedésével, több lesz a sötét tónusok területének részaránya az összes területhez képest, ami a hisztogram 100-150-ig terjedő skálaosztályában egyre gyakoribb oszlopsűrűséggel és egyre nagyobb területei borítottságot jelentő oszlopmagasságokkal jelenik meg. A vizsgálatot az időszakosan vett minták elemzésére használtuk, tehát nem a valós időben dolgoztunk vele. A vizsgálati módszer nagy előnye lehet, hogy az egyes sejtalkotók elváltozásait is tudná követni a kezelési idő függvényében, amennyiben annak megfelelő indikátormódszert alkalmaznánk.

A továbbiakban vizsgálatokat lehetne végezni a szinkronizálatlan és más fajokból álló sejtpopulációk egyedeinek ultrahangos érzékenységének vizsgálatára, melynek segítségével a populáción belüli fejlődési stádiumok eloszlását is el lehetne különíteni az ultrahang rezisztencia alapján, így a környezeti analitikában akár toxicitás, vagy mutagenitási vizsgálatokra is alkalmasak lehetnének a fenti módszerek.

4.7. Pseudomonas aeruginosa HNCMB170001 baktériumtörzs ultrahangkezelésének sejtbiológiai hatásai

A Pseudomonas aeruginosa feltételesen kórokozó gennykeltő baktérium, melynek élelmiszerekben, például ásványvizekben történő előfordulása súlyos emésztőszervi megbetegedéseket idézhet elő, továbbá antibiotikum rezisztenciája miatt bizonyos esetekben problémát jelenthet elpusztítása.

A kavitáció jelensége volt tapasztalható a hangtérben a minden ultrahangkezelés folyamán, melynek kapcsán műszeresen a 4.4.1. fejezetben leírt módon, érzékelhető volt a tranziens kavitáció zaja. Az alkalmazott 5,4*10⁷, 5,6*10⁷, 2,79*10⁷, 2,4*10⁷, 2,06*10⁷, 1,24*10⁷ és 1,41*10⁷ sejtkoncentrációk a 4.5.1. fejezetben meghatározott koncentrációkkal összeegyeztethetőek, az ott alkalmazott sejtkoncentrációk tartományába esnek.

Az 5. táblázat a 6 és 9W/cm² ultrahang teljesítménnyel végzett kezelések 0., 1., 2., 3., 5., 8. és 15. percében vett mintáinak élő csíraszám értékeit mutatja milliliterenként.

5. Táblázat: Különböző kiinduló csíraszámmal és ultrahang teljesítménnyel végzett kísérletek milliliterenkénti túlélő csíraszám (N) értékei (*10⁷/ml)

Az 5. táblázatban megfigyelhető, hogy a kiindulási csíraszámhoz képest erőteljes élő sejtszám változások alakultak ki az ultrahangkezelés folyamán. Látható, hogy az élő sejtszámok minden minta esetében a kiindulási sejtszámhoz képest a 15. percben vett minta esetén alacsonyabb értéket mutattak. Azonban a kezelés különböző időpillanataiban más a helyzet. Több esetben élő csíraszám növekedés következett be a kiinduló sejtszámhoz, vagy az előző időpillanatban vett minta élő sejtszámához képest. A legszembetűnőbb ez a szaporodásserkentő hatás az alacsonyabb, 6W/cm² teljesítményszinten mindkét, 5,6*10⁷ és 1,41*10⁷ sejtkoncentráció esetében, főleg a rövidebb időperiódusú kezelések esetén. Az 5,6*10⁷ minta esetében egészen drasztikus a szaporodásserkentés, mivel az 1 perces időintervallumú 6W/cm² teljesítményszintű kezelés esetén az élő csíraszám éppen a duplájára emelkedett a kiinduló csíraszámhoz képest, tehát úgy tűnik, mintha a sejtpopuláció osztódásra kényszerült volna. Ezután ismét csökkenő, majd növekvő élő csíraszám értékek követték egymást, amiből az derül ki, hogy az osztódó sejtek érzékenyebbek az ultrahangkezelésre. Hasonló hatás mutatkozott az 1 és 2 perces időintervallumú 1,41*10⁷ kiinduló sejtkoncentrációjú, 6W/cm² teljesítményszintű kezelés esetén is. Meglepő módon 9W/cm² teljesítményszintű kezelés esetén is bekövetkezett a kezelés folyamán, a kiindulónál magasabb élő csíraszám kialakulása, így a 2,79*10⁷ és a 2,06*10⁷ kiinduló csíraszámú minták esetén is ezt tapasztaltuk az 5. percben. A legtöbb esetben, így a 2,4*10⁷ kiinduló csíraszámú, 9W/cm² ultrahang teljesítményű ultrahangkezelés folyamán is hullámzás figyelhető meg az élő csíraszámban a kezelési periódus alatt.

Általános tapasztalatként leszögezhető, hogy 9W/cm² ultrahang teljesítménnyel kezelt minták esetében, az ultrahangkezelés első időszakában az élő csíraszám gyors csökkenése, majd utána az esetenként kiinduló csíraszám fölé emelkedése, majd ismét, az előzőnél nagyobb mértékű csökkenése következett be. A 6W/cm² ultrahang teljesítménnyel kezelt minták esetében mindkét esetben a besugárzás kezdeti időszakában a csíraszám a kiinduló csíraszámhoz képesti erőteljes emelkedése, majd a kezelés előrehaladtával a csíraszám csökkenése, majd esetlegesen a magasabb kiinduló csíraszám esetén ismételt emelkedése, illetve csökkenése következett be. Ez a két eltérő túlélési dinamikajellemzője az alkalmazott két különböző ultrahang teljesítménynek a baktériumsejtekre.

Ha azonban a kezelések csíraszám csökkentő hatását vizsgáltuk, úgy a kiinduló és a 15. percben vett minták csíraszámát vettük alapul minden minta esetében, mivel ekkorra már jelentős csíraszám csökkenés következett be a kiinduló csíraszámhoz képest. A túlélési görbéket a 49. ábrán ábrázoltuk, ahol az egyes mintákhoz tartozó sejtszámok logaritmusa került ábrázolásra a kezelési időintervallumok függvényében. A két pont közötti egyenes azért lehet használható itt is, mivel a fizikai behatások eredményeként kialakuló túlélést exponenciális lefutásúnak vehetjük (Deák, 1997), mivel a pusztulás üteme az élősejtszám csökkenésével nem változik, ez pedig log-normál diagrammban egyenest ad. A VII. melléklet 8. táblázata az egyes minták (D) tizedelési időintervallumait, (TDT) teljes pusztulási időintervallum értékeit, illetve (k) pusztulási sebesség együtthatóit, valamint a kiszámításukhoz figyelembevett adatokat tartalmazza.

49. Ábra: Baktérium túlélési görbéi eltérő kiinduló csíraszám és teljesítmények esetén

Amennyiben a 9W/cm² teljesítmény mellett mért tizedelési időintervallumokat (50. ábra) és a 6W/cm² teljesítmény mellett mért tizedelési időintervallumokat (51. ábra) ábrázoljuk, megfigyelhető, hogy mindkét teljesítmény esetén a „D” értékek a növekvő kiindulási csíraszám függvényében csökkenő tendenciát mutatnak a kavitáció mellett. A kisebb térfogatú baktériumsejteknek, élesztőgomba sejtekkel való, 4.5.1. fejezetben használt csíraszámával összeegyeztethető alkalmazott koncentrációja még nem vonta maga után az akusztikai jelenségek befolyásolását, vagyis az abszorpciós képesség nem érhette el a kavitációs maximumát, tehát a kavitációs határkoncentrációt. Ez lehet az oka az ellentétes túlélési dinamikának a kavitáció mellett.

50. Ábra: Pseudomonas aeruginosa „D” értékei 9W/cm² mellett

(y=a+b/lnx, a=-246,069, b=2186,163, R²=0,9676)

51. Ábra: Pseudomonas aeruginosa „D” értékei 6W/cm² mellett

4.8. Biológiai ultrahang kísérletek eredményeinek összesítése

4.8.1. Az ultrahang hatásának összesítése Saccharomyces cerevisiae élesztőgombára

Az eredmények összesítését a 4.1., a 4.2. és a 4.5. fejezet biológiai hatásai alapján végeztük. Az eredmények összesítéséhez minden „D” tizedelési időintervallumot másodpercre, illetve minden kezelt mennyiséget 25ml-re vonatkoztattunk, azaz a 4.1. és a 4.2. fejezet 50ml-re vonatkozó másodpercbeli D érték eredményeit feleztük.

Ha a 4.5. fejezetnek az akusztikai jelenségekre vonatkozó hatását elhanyagoltuk, az iparilag legegyszerűbben kivitelezhető „batch” alkalmazásokra való tekintettel, akkor kizárólag a kezdeti (N₀) és a végső vizsgált élő sejtszámot (N_t) vettük figyelembe. Ekkor a VII. melléklet 9. táblázatban látható tizedelési időintervallumokat, TDT értékeket és pusztulási sebesség (k) értékeket kaptuk. Amennyiben az akusztikai jelenségek elhanyagolására vonatkozó túlélési görbéket felrajzoltuk, úgy a 42. ábra helyett az 52. ábrát kaptuk.

52. Ábra: A Saccharomyces cerevisiae túlélési görbéi az akusztikai jelenségek elhanyagolásával

Amennyiben a [12.] egyenletet a [20.] egyenlet szerinti formába írtuk át, úgy a különböző kiinduló sejtkoncentráció értékekre is ki tudtuk fejezni „z” értéket, vagyis a „D” tizedelési időintervallum tizedére csökkenéséhez szükséges koncentrációváltozást.

z = ((c₁-c₂)/(lgD₂-lgD₁)), [20],

ahol c₁ az alacsonyabb, c₂ a magasabb kiinduló sejtszám, a D₁az alacsonyabb, D₂ a magasabb kiinduló sejtszámhoz tartozó tizedelési időintervallum. Az eredményeket abszolút értékben hozzáadtuk a c₁-hez, majd a c₁-hez tartozó D₁ értéket egy nagyságrenddel növeltük, vagy csökkentettük, attól függően, hogy a c₁-ről c₂-re növelés hatására a D₁ nőtt vagy csökkent. A D érték egy nagyságrenddel való növelését vagy csökkentését megadta maga az eredmény is, mivel ha negatív számot kaptunk, akkor egy nagyságrenddel növelni kellett a D₁-et, mert ekkor a kezelésre csökken a mikroorganizmus érzékenysége, illetve fordítva. Ezeket a mért és számított koncentráció értékeket, illetve az adott, mért, vagy számított másodpercben kifejezett logD és kezelési teljesítmény értékeket a 6. táblázatban tüntettük fel, így a 6. táblázat a 4.1. és 4.2. és 4.5. fejezet mért, adott és számított teljesítmény, koncentráció és logD értékeit tartalmazza.

A 4.5. fejezetből az logD és kiinduló sejtkoncentráció értékeket ábrázoltuk, ahol az adott akusztikai jelenségek, illetve azok elhanyagolása melletti logD értékeket összekötő képzeletbeli vonalak az élesztőgomba rezisztenciagörbéi (53. ábra).

53. Ábra: A Saccharomyces cerevisiae élesztőgomba ultrahang rezisztenciagörbéi, különböző akusztikai jelenségek mellett

Tizedelési időintervallum tízszeresére, vagy tizedére változásához szükséges kiinduló sejtszám változás számítás alapján való extrapolálást az akusztikai áramlás kivételével, csak a mérések alapján számított tizedelési időintervallum tartományon belül végeztünk.

6. Táblázat: Az ultrahang biológiai hatásának összesítése élesztőgombára

		Koncentráció	Teljesítmény	log D
		((*10⁷/ml)	(W/cm²)	(sec)
Akusztikai áramlás 4.5. fejezetből	Mért	2,68*	9***	2,17*
		5,37*	9***	2,11*
	Számított	47,51**	9***	1,17**
Állóhullám 4.5. fejezetből	Mért	2,68*	9***	3,17*
		5,37*	9***	2,94*
	Számított	14,37**	9***	2,17**
Kavitáció 4.5. fejezetből	Mért	1,79*	9***	1,59*
		5,37*	9***	2,17*
	Számított	7,96**	9***	2,59**
Elhanyagolt	Mért	1,79*	9***	1,59*
akusztikai jelenségek		5,37*	9***	2,316*
4.5. fejeztből	Számított	6,72**	9***	2,59**
Nem állandó hőmérsékletű ultrahang sugárzófejjel végzett vizsgálat (4.2. fejezet)	Mért	0,42*	2,07***	3,47*
		2,47*	2,07***	3,43*
		0,45*	2,7***	3,01*
		2,41*	2,7***	3,19*
Folyadékáramoltatásos kísérletből (4.1. fejezetből)	Mért	2,54***	7,37***	2,01*
		2,81***	11,79***	1,42*
	Számított	2,5***	14,84**	1,01**

*mért, **számított, ***adott érték.

A 4.1., a 4.2. és a 4.5. fejezet kavitáció mellett mért, számított és adott pontjait háromdimenziós grafikonokban ábrázoltuk és azokra rezisztenciagörbe-szerűen a legszorosabb tendenciasíkokat fektettük (54. ábra).

54. Ábra: A 4.6. fejezet kavitáció, valamint a 4.1. és a 4.2. fejezetek mért adott és számított pontjai, illetve az ezekre fektetett rezisztenciagörbe-szerű tendenciasík

4.8.2. Az ultrahang hatásának összesítése a Pseudomonas aeruginosa baktériumra

Amennyiben a 4.7. fejezet Pseudomonas aeruginosa túlélése esetén ábrázoltuk a rezisztenciasíkot, a 4.7. fejet 5. táblázatának az adatai alapján, az 55. ábrát kaptuk. Az ábrán megfigyelhető, hogy a nagyobb ultrahang teljesítmények, illetve a magasabb kiinduló csíraszám értékek mellett alacsonyabb tizedelési időintervallumok mutatkoznak, mint fordított esetben.

55. Ábra: Pseudomonas aeruginosa kavitáció melletti rezisztenciasíkja

4.8.3. Szelektivitási kritéruimok

Az 54. és az 55. ábrákat, vagy az 5. és a 6. táblázatot összevethetjük, illetve ha a 45. és az 50. ábrákat a kavitáció akusztikai jelensége mellett egymásra helyezzük, az 56. ábrát kapjuk. Az optimális vizualizáció miatt 54. és az 55. ábra tengelyei nem azonosak. A Saccharomyces cerevisiae élesztőgomba és a Pseudomonas aeruginosa baktérium azonos alkalmazott kiinduló csíraszámai, mind az azonos alkalmazott teljesítményei figyelembevételével, a baktérium esetén hozzávetőleg egy nagyságrenddel magasabb tizedelési időintervallumok adódtak, mint az élesztőgomba esetében. A tizedelési tendenciák között azonban alapvető különbségek mutatkoztak (56. ábra). Látható az 56. ábrán, hogy a kiinduló csíraszámok alapvetően meghatározták a túlélési dinamikát, méghozzá az élesztőgomba esetén a kiinduló csíraszámmal nőtt, a baktérium esetén pedig csökkent a tizedelési időintervallum. Ha trendvonalakat fektetünk a tizedelési időintervallum értékekre, szembetűnő jelenségre következtethetünk.

10⁴

10³

10²

10¹

56. Ábra: Az élesztőgomba (4.5. fejezet, R²=0,9954) és baktérium (4.7. fejezet, R²=0,9676) túlélési dinamikája 9W/cm² ultrahang teljesítménynél, kavitáció és különböző kiinduló sejtszámok mellett

A 7. táblázat a baktérium és az élesztőgomba kiinduló csíraszám függvényében adódó tizedelési időintervallum értékeire fektetett néhány egyszerűbb tendenciafüggvényt tartalmaz, melyből az 1. sor trendfüggvényeit alkalmaztuk a szelekció előrejelzésekor.

7. Táblázat: A mikroorganizmusok túlélésére fektetett tendenciafüggvények

	Pseudomonas aeruginosa		Saccharomyces cerevisiae
	D (sec)	C (*10⁷/ml)	D (sec)	C (*10⁷/ml)
1	D=-246,06+(2186,1/lnC) (R²=0,9676) C=e^{(2186,163/D-46,069)}		D=34,117+0,896C³ (R²=0,9954)	C=³√D-34,117/0,896
2			D=18,635*e^0,2181C (R²=0,9844)	C=ln(D/18,635)/0,2181
3			D=16,175+5,077C² (R²=0,996)	C=²√D-16,175/5,077
4			D=26,91+2,11C^2,5 (R²=0,9956)	C=^2,5√D-26,91/2,11
D = tizedelési időintervallum (sec), C = Kiinduló sejtkoncentráció (*10⁷/ml) A függvények értelmezési tartománya: {D; C ≥ 0}

A 7. táblázatból és az 56. ábrából adódóan, az akusztikai kavitáció mellett, elméletileg azonos 9,22*10⁷/ml körüli élesztőgomba és baktérium kiinduló sejtszám és 9W/cm² mellett hozzávetőleg 5896 másodperces kezelés után (mivel az előre jelzett keresztesési pont 737 másodperc körüli „D” értéket mutat) a közeg csíraszáma 9,22*10^-1/ml-re csökkenthető, illetve a kezelés alatt a két sejttípus egymáshoz viszonyított aránya nem változik. A fentiek alapján amennyiben 9,22*10⁷/ml csíraszámnál alacsonyabb mindkét szervezet sejtszáma, úgy az élesztőgombát, ha magasabb, úgy a baktériumot lehet gyorsabban kipusztítani a másik sejttípus mellől. Elméletileg abban az esetben viszont, ha a 9,22*10⁷/ml-nél alacsonyabb baktériumkoncentráció mellől, mégis a 9,22*10⁷/ml-nél alacsonyabb kiinduló csíraszámú élesztőgombát akarjuk kiirtani, akkor az ultrahangnak, a 4.7. fejezetben tapasztalt alacsonyabb, 6W/cm² ultrahang teljesítmény és rövidebb, 1-2 perces kezelési periódus mellett jelentkező szaporodásserkentő hatását alkalmazva, akár több lépcsőn keresztül is, elméletileg a baktérium csíraszáma kellő mértékben megsokszorozható ahhoz, hogy kellő mértékű tizedelési időintervallum-különbség alakuljon ki a két szervezet között és így már az alacsonyabb kiinduló csíraszám mellett rezisztensebb, baktériumot lehessen kiirtani az élesztőgomba mellől. A baktérium csíraszám-növekménye ilyenkor az kipusztítása szempontjából azért nem olyan lényeges, mivel az egyik sejttípus kiinduló csíraszámának egy egységnyi megváltoztatása, az egységnyinél nagyobb tizedelési időintervallum különbséget eredményez, a két vizsgált sejttípus között. A tizedelési időintervallum különbség a fogékonyabb sejttípus ultrahangkezelés miatti kipusztításakor, a rezisztensebb sejttípusnál kisebb mértékű sejtszám változást eredményez, amit annak növekedése a kezelés után kompenzálhat, amit Mikio et al. (1994) a fermentált tej kezelésével kapcsolatban figyeltek meg. Amennyiben a teljesítmény szelektivitását vesszük alapul látható, hogy élesztőgomba esetén, a 6. táblázatban a tizedelési időintervallum 9W/cm²-en lg1,59, azaz 40 másodperc körüli érték 2*10⁷ körüli kiinduló kezdeti sejtszám esetén, míg a baktériumnál ez 2113 másodperc. A teljesítménnyel tehát az azonos túlélési tendenciák miatt csak egy irányban reális a szelektivitás kifejezés, mégpedig az élesztő baktérium mellőli kiirtásánál, fordított esetben mindössze elvi jelentőségű lehetőség van erre, a rendkívül nagy sejtszám-különbség esetén, vagyis a több mint tíz nagyságrenddel magasabb élesztőgomba szám esetén.

Ezek alapján, a fajon belüli és a fajok közötti szelektív ultrahanghatás lehetősége biztosítható lehet (Lőrincz et al., 2003^b).