Biological effects of electromagnetic radiation

Abstract

The objective of the present study was to investigate whether exposure of chicken eggs to 900 MHz continuous wave (CW) and low intensity electromagnetic radiation during the first five days of embryonic development may cause; teratogenic effect, behaviour aberrations and/or poor immune response ability. To verify such hypothesis, four series of experiments were carried out. For all the experiments, the eggs were incubated at 37 ºC and a relative humidity of 55-60%. The average (±SD) specific absorption rate (SAR) in the exposed eggs was determined numerically and it was calculated as high as 0.13 ± 0.02 mW/kg. Temperature rise due to radiation was theoretically estimated to a worst-case maximum of 0.03 ºC. The first experiment was to investigate the teratogenic effect at 5 days-old chicken embryos. Gross, head and limb embryo morphological malformations as well as anatomy anomalies (neural tube curvature) were assessed by stereoscopic examination. The number of the dead embryos remained very low (1-2 cases per batch) and did not discriminate between the two groups. The exposed embryos displayed significantly higher morphological anomalies when contrasted to controls (15 vs. 4 respectively). There were also significantly increased anatomical anomalies as shown by the light (55 vs. 43) and strong (27 vs. 7) cases of the neural tube curvature in the exposed embryos. In total, more multiple abnormalities cases were observed in the EMF-exposed embryos (10 vs. 2). Moreover, exposed embryos exhibited significantly higher body weights (1001 vs. 832 mg) when contrasted to the controls. No dose dependent effect on abnormality rate was established. The second series of experiments was to investigate the effect of exposure on the typical daily behaviour. The general activity as well as the feeding and drinking behaviour of 236 chicks (110 radiated and 126 controls) was recorded using 4 video cameras during the first 7 days after hatching. A total number of 8285 observations were obtained. Birds’ feeding, drinking and moving probabilities were modeled using a trivariate logistic regression with correlated random effects. Radiation resulted in higher probabilities of moving (0.04 vs. 0.01), feeding (0.31 vs. 0.17) and drinking (0.03 vs. 0.02). The highest feeding and drinking activities were observed during morning times. Positive significant correlations between the probabilities of the feeding, drinking and moving were calculated. No radiation effect on the body weight at hatching (43.7 vs. 43.3 g) or at the 7 days of age (136 vs. 131 g) was detected. The third experiment was to investigate the effects of exposure on chickens' later spatial learning and spatial memory. The spatial learning and memory performance were assessed by simple Y-maze tasks on 40 chicks per group aged 14-17 days. Three distinct positions were used during learning and a hidden position during the short term (directly after the last learning trial) and the long memory test (24h after the Abstract A 4 short memory trial), respectively. Survival analysis was used to compare time-to-an event i.e. latency of the various tasks among controls and exposed animals. Radiation resulted in prolonged latencies (40.09 vs. 18.3 sec) during the first (acquisition) trial at the first learning position and the long term-memory test (13.42 vs. 8.32 sec). Radiation had no statistically significant effect(s) on the starting time, at the accomplishment times in the remaining two learning as well as the short memory trials. Finally, the fourth series of experiments aimed at investigating whether exposure of chicken eggs affects immune response ability of young chicken. The blood samples were collected at 1, 6 and 10 daysold from 66 chicks that randomly selected after hatching. Blood macrophages and heterophils were isolated and the following parameters were determined: total membranebound urokinase plasminogen activator (u-PA) and superoxide anion production on heterophils and microphages as well as nitric oxide production by macrophages. Data analysis showed an overall statistically significant effect of radiation on all parameters studied with lower values for the exposed eggs. Age and batch had no statistically significant effect on the parameters studied. In conclusion, the present study suggests that 900 MHz electromagnetic radiation exposure during the first five days of the embryonic development resulted in increased morphological as well as anatomical abnormality rates and embryo weight. Moreover, the exposure resulted in modifications of the daily behvioural pattern as well as impairment of the long-term memory function. Additionally, the reduced levels of important macrophages and heterophils parameters studied here may suggest a serious adverse effect of the EMF exposure on the immune system.

Σκοπός της διδακτορικής διατριβής ήταν η μελέτη των βιολογικών επιδράσεων της έκθεσης εμβρύων (όρνιθας) σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία χαμηλής ισχύος 900 ΜΗΖ. Η συχνότητα αυτή αφορά την περιοχή λειτουργίας των κεραιών κινητής τηλεφωνίας (GSM-900). Το πρωτόκολλο έκθεσης περιλάμβανε τη συνεχή έκθεση των εμβρύων κατά τις 5 πρώτες ημέρες της εμβρυογένεσης. Στα πλαίσια του πειραματισμού κατασκευάστηκαν δύο όμοιες εκκολάπτικές συσκευές περιορίζοντας στο ελάχιστο την ύπαρξη μεταλλικών τμημάτων προς αποφυγή φαινομένων παρεμβολής (interference). H μια από τις δύο συσκευές αποτέλεσε τη μονάδα μάρτυρα και η άλλη τη μονάδα έκθεσης με τοποθέτηση της κεραίας εκπομπής (τύπου Yagi) σε απόσταση 1,5 m από το κέντρο της. Ακολούθησαν μετρήσεις ηλεκτρικού πεδίου τριών σημείων (ανώτερο, κέντρο και κατώτερο) στη μονάδα έκθεσης. Οι τιμές αυτές τροφοδότησαν ειδικό λογισμικό το οποίο προσομειώνει τις δεδομένες συνθήκες έκθεσης επιτρέποντας τον υπολογισμό των επιπέδων της παρεχόμενης ακτινοβολίας σε επίπεδο αυγού (Ειδικός Ρυθμός Απορρόφησης, SAR: Specific Absorption Rate σε mW/kg) καθώς και της αναμενόμενης αύξησης της θερμοκρασίας ως αποτέλεσμα της έκθεσης. Η ανάλυση δοσιμετρίας έδειξε ότι ο μέσος όρος (±ΤΣ) του ΕΡΑ ανήλθε σε χαμηλά επίπεδα της τάξεως του 0,13±0,02 mW/kg ενώ τα επίπεδα και η διάρκεια έκθεσξς δεν οδηγούν σε σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας των αυγών (μέγιστη τιμή 0,03 ºC). Στα πλάισια της διδακτορικής διατριβής, ακολουθώντας το ίδιο πρωτόκολλο έκθεσης διενεργήθηκαν συνολικά 4 πειράματα. Στο πρώτο πείραμα διερευνήθηκαν τυχόν επιδράσεις της ακτινοβολίας στην εμβρυϊκή ανάπτυξη. Ακολούθησαν 2 πειράματα στα οποία εξετάστηκε εάν η έκθεση επηρεάζει συγκεκριμένες πτυχές της συμπεριφοράς νεαρών ορνίθων και τέλος στο 4ο πείραμα διερευνήθηκε εάν η ακτινοβολία τροποποιεί το ανοσοποιητικό σύστημα των νεαρών ορνίθων. Στο πρώτο πείραμα χρησιμοποιήθηκαν συνολικά 360 γονιμοποιημένα αυγά ενός κρεοπαραγωγικού υβριδίου (ISA Brown) σε τρείς πειραματικές σειρές (3x120 αυγά). Μετά από πενθήμερη έκθεση στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, ακολούθησε στερεοσκοπική εξέταση της μορφολογίας όλων των εμβρύων. Συγκεκριμένα, καταγράφησαν μορφολογικές ανωμαλίες σχετιζόμενες με τη κεφαλή ή /και τα άκρα καθώς και δυσπλασίες της σπονδυλικής στήλης. Η εξέταση αυτή κατέδειξε μεγαλύτερο αριθμό εμβρύων με μορφολογικές ανωμαλίες (15 έναντι 4) καί έντονες δυσπλασίες στην σπονδυλική στήλη (27 έναντι 7) στην ομάδα των ακτινοβοληθέντων εμβρύων σε σύγκριση με τον μάρτυρα (10 έναντι 2). Επιπλέον, συγκριτικά με τους μάρτυρες, τα ακτινοβoληθέντα έμβρυα παρουσίασαν υψηλότερο βάρος (1001 έναντι 835 mg). Στο δεύτερο πείραμα χρησιμοποιήθηκαν συνολικά 360 Abstract A 2 γονιμοποιημένα αυγά σε τρείς πειραματικές σειρές ενός κρεοπαραγωγικού υβριδίου (RedBro). Ακολουθώντας το ίδιο πρωτόκολλο έκθεσης εκκολάφθηκαν συνολικά 236 ορνίθια από τα οποία τα 110 αποτέλεσαν το μάρτυρα. Από την 1η μέρα της εκκόλαψης έως την 7η ημέρα μετά την εκκόλαψη καταγράφηκαν τυπικές συμπεριφορές των ορνιθίων όπως: επισκέψεις στην ταϊστρα ή/και την ποτίστρα καθώς και η γενικότερη κινητικότητά τους. Η σύγκριση των δύο ομάδων (έκθεσης-μάρτυρα) κατέδειξε ίδια ποσοστά εκκόλαψης και παρόμοια πρότυπα ημερήσιας συμπεριφοράς. Ωστόσο, η ομάδα έκθεσης παρουσίασε υψηλότερα επίπεδα δραστηριότητας έναντι του μάρτυρα με μορφή επισκέψεων στην ταϊστρα, την ποτίστρα και υψηλότερη κινητικότητα εν γένει. Στο τρίτο πείραμα χρησιμοποιήθηκαν συνολικά 240 γονιμοποιημένα αυγά σε 2 πειραματικές σειρές ενός κρεοπαραγωγικού υβριδίου (RedBro). Χρησιμοποιήθηκαν συνολικά 40 ορνίθια ανά ομάδα (έκθεσης και μάρτυρα). Κατασκευάστηκαν 2 λαβύρινθοι σχήματος Υ και τα ορνίθια υποβλήθηκαν σε απλές δοκιμασίες εύρεσης της τροφής εντός των λαβυρίνθων στην ηλικία των 14-17 ημερών μετά την εκκόλαψη με σκοπό την αποτίμηση της ικανότητας χωρικής εκμάθησης (spatial learning) και μνήμης. Κατά το πείραμα αυτό διαπιστώθηκε ότι η ακτινοβολία προκαλεί έλλειμμα στη μνήμη μακράς διαρκείας χωρίς εμφανείς επιδράσεις στην ικανότητα χωρικής εκμάθησης. Διαφορές οι οποίες διαπιστώθηκαν σε μία μόνο παράμετρο κατά τη διαδικασία την χωρικής εκμάθησης αποδόθηκαν στο συναισθηματικό status των ζώων. Στο τέταρτο πείραμα χρησιμοποιήθηκαν συνολικά 240 γονιμοποιημένα αυγά σε 2 πειραματικές σειρές ενός κρεοπαραγωγικού υβριδίου (RedBro). Διενεργήθηκαν αιμοληψίες σε ορνίθια κατά την 1η, 6η και 10η μέρα μετά την εκκόλαψη με σκοπό την μέτρηση παραμέτρων του ανοσοποιητικού συστήματος οι οποίες σχετίζονται με τη γενικότερη ικανότητα ανοσολογικής αντίδρασης. Συγκεκριμένα μετρήθηκαν ο ενεργοποιητής του πλασμινογόνου (u-PA) και τα επίπεδα του ανιόντος υπεροξειδίου (SO) στα ουδετερόφιλα και μακροφάγα καθώς και τα επίπεδα του μονοξειδίου του αζώτου (ΝΟ) στα μακροφάγα κύτταρα. Η σύγκριση των τιμών των παραμέτρων μεταξύ των 2 ομάδων έδειξε ότι η έκθεση σε ακτινοβολία συχνότητας 900 ΜΗz προκαλεί ανοσοκαταστολή.