XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование загрязнения окружающей среды антибактериальными лекарственными препаратами пенициллинового ряда

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Алеева А.С. 1

---

1МАОУ Ильинская СОШ им.полного кавалера ордена Славы И.И. Сидорова

Крапчатова А.В. 1

---

1МАОУ Ильинская СОШ им.полного кавалера ордена Славы И.И. Сидорова

Работа в формате PDF

566 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Загрязнение окружающей среды антибиотиками происходит, когда препараты выбрасывают в мусор или смывают в канализацию. Они попадают в почву и водоёмы и оказывают долгосрочное негативное воздействие на экосистемы. 

Загрязнение водоёмов. Это негативно влияет на водные экосистемы и местную фауну. Например, в 2019 году учёные из МГУ имени М. В. Ломоносова обнаружили в реках Москвы следы различных антибиотиков, включая ципрофлоксацин и эритромицин. 

Загрязнение почвы. Антибиотики, применяемые в животноводстве, попадают в почву через навоз. Это приводит к накоплению этих веществ в сельскохозяйственных угодьях и может влиять на качество продукции. Например, в одном из исследований, проведённых в Санкт-Петербурге, было выявлено, что почвы вблизи полигонов ТБО содержат остатки антибиотиков, что связано с неправильной утилизацией медицинских отходов. 

Попадая в окружающую среду, антибиотики способствуют появлению новых лекарственно устойчивых бактерий, которые могут представлять серьёзную угрозу для здоровья человека.

В 2024 году Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) опубликовала руководство по управлению фармацевтическими отходами от производства антибиотиков, чтобы снизить масштабы загрязнения окружающей среды этими препаратами. 

Актуальность исследований связана с увеличением производства, потребления и последующего поступления в окружающую среду антибиотиков, создающих потенциальную угрозу для природных сообществ и человека.

Гипотеза исследования: из-за неправильной утилизации просроченных лекарственных препаратов антибиотики попадают в окружающую среду, нанося серьезный вклад в загрязнение природы.

Цель проекта: Проверить наличие следов антибактериальных препаратов в образцах почвы.

Задачи проекта:

1. Проанализировать литературные данные по данной проблеме;

2. Провести опрос среди обучающихся МАОУ Ильинской СОШ о способах утилизации просроченных лекарственных препаратов;

3. Провести качественный анализ почвенных проб на наличие следов антибактериальных препаратов пенициллинового ряда.

4. Предложить способы уменьшения попадания антибактериальных препаратов в окружающую среду.

Объектом исследования являются лекарственные препараты (таблетки и порошки для инъекций) пенициллинового ряда (Амоксициллин). Метод основан на различиях в кислотно-основных свойствах пенициллинов и их способности к образованию комплексных соединений с ионами металлов. Внешние эффекты взаимодействия пенициллинов с растворами солей меди (II), такие, как изменение окраски и образование осадков, индивидуальны для каждого антибиотика.

Предметом исследования является почва с. Ильинское, г.о. Домодедово, Московской области.

Глава 1. Роль антибактериальных лекарственных препаратов в жизни человека

1. 1. История открытия антибиотиков

История открытия антибиотиков началась в XIX веке, когда французский ученый Луи Пастер обнаружил, что ферментация вина предотвращается под действием микроорганизмов.

В 1870-х годах немецкий химик Пауль Эрлих предположил, что бактерии могут быть уничтожены специфическими химическими веществами, названными впоследствии «волшебными пулями».

В начале XX века британский бактериолог Александр Флеминг случайно обнаружил первый антибиотик - пенициллин - при исследовании плесневого гриба Penicillium notatum. Флеминг заметил, что плесень способна убивать бактерии, растущие рядом с ней, и в 1928 году опубликовал свое открытие.

Однако широкое применение пенициллина стало возможным только после Второй мировой войны, когда ученые смогли произвести его в достаточных количествах для массового использования.

В середине XX века были открыты другие антибиотики, такие как стрептомицин, тетрациклин и эритромицин.

С развитием науки и технологий стало возможным создание новых, более эффективных антибиотиков.

Сегодня антибиотики играют ключевую роль в борьбе с инфекционными заболеваниями и продолжают оставаться одним из основных инструментов в арсенале врачей для лечения бактериальных инфекций.

Первый антибиотик – пенициллин был открыт А. Флемингом в 1928 году, однако, сам термин «антибиотическое вещество» был использован З. А. Ваксманом лишь в 1945 году.

В настоящее время антибиотиками принято называть химиотерапевтические агенты, которые предотвращают рост таких форм жизни, как бактерии, грибы, вирусы и простейшие.

1. 2. Классификация антибиотиков

Согласно наиболее распространенному в научном сообществе определению, антибиотиками называются вырабатываемые различными живыми организмами вещества, которые способны уничтожать бактерии, грибы, вирусы, обычные и опухолевые клетки или подавлять их рост. Но это не означает, что все существующие ныне антибиотики произведены живыми клетками. Химики давно научились улучшать, усиливать антибактериальные свойства природных веществ, модифицируя их с помощью химических методов. Полученные таким образом соединения относятся к полусинтетическим антибиотикам. Из огромного количества природны

полусинтетических антибиотиков в медицинских целях используют всего лишь около ста.

Классификация антибиотиков

В наше время существует классификация антибиотиков по:

По характеру воздействия на бактериальную клетку:

бактериостатические препараты

бактерицидные препараты

По способу получения:

природные (биосинтетические)

синтетические

полусинтетические (комбинация биосинтеза и химического синтеза)

По направленности действия различают:

антибактериальные

противоопухолевые

противогрибковые

По спектру действия различают:

антибиотики широкого спектра действия

антибиотики узкого спектра действия

Механизм действия

Основное действие антибиотиков направлено на микроорганизмы, проникающие в организм, но к сожалению. действие антибиотиков неоднозначно. Например, они н оказывают воздействия на вирусные возбудители и подавляют рост и развитие бактерий. Выделяют 2 принципа действия антибиотиков:

Бактериостатический механизм - чаще всего его называют вспомогательным, так как основывается на том, что лекарство прекращает размножение бактерий, и в дальнейшем иммунная система уничтожит чужеродные микроорганизмы.

Бактерицидный механизм - при проникновении лекарство действует на бактерию, и защитная оболочка бактерии разрушается. Таким образом микроорганизм погибает.

Интенсивное развитие животноводства приводит к усилению производства и использования ветеринарных препаратов. Общее ежегодное потребление антибиотиков период с 2000 по 2023 годы в 76 странах мира увеличилось на 65% и достигло 42 миллиардов установленных суточных доз. Согласно прогнозам, к 2030 году глобальное потребление антибиотиков возрастет на 200% в сравнении с 2015 годом, преимущественно в странах с низким и средним уровнем дохода. Помимо медицинской практики, антибактериальные препараты применяются для лечения заболеваний свиней, крупного рогатого скота, птицы, аквакультуры и растений, в качестве кормовой добавки для увеличения массы сельскохозяйственных животных [Хотя включение ветеринарных антибиотиков в корм было запрещено в странах Европейского Союза еще в 2006 году, в других государствах, таких как Канада, Республика Корея, КНР, США, Российская Федерация, данная практика все еще присутствует. Поскольку большинство антибактериальных препаратов не полностью метаболизируются в организме людей и животных, 30–90 % выводятся через мочу и фекалии. Таким образом, высокий процент применяемых лекарств поступает в воду и почву непосредственно через экскременты скота или при использовании навоза в качестве удобрения, а также муниципальных сточных вод, их осадков и биосолидов, применяемых для орошения и удобрения сельскохозяйственных земель. Кроме того, источниками поступления могут служить медицинские отходы, утилизация неиспользованных или просроченных лекарственных препаратов, технологические стоки производственных предприятий, сброс из очистных сооружений, утечки из септических систем. Обнаруживаемые концентрации антибиотиков в почвах составляют от нескольких нг/кг до 900 мг/кг. Тетрациклины, сульфонамиды, β-лактамы, макролиды, аминогликозиды, фторхинолоны являются широко используемыми антибактериальными соединениями. После приема лекарств, антибиотики в основном выделяются в качестве исходных соединений. Однако установлено, что метаболиты антибактериальных препаратов, обнаруженные в экскрементах животных, являются биологически активными и могут потенциально преобразовываться в исходное соединение. Остаточные концентрации антибактериальных препаратов в окружающей среде обусловлены не только их постоянными выбросами, но и высокой устойчивостью. Судьба антибиотиков в почве, в том числе скорость поглощения, зависит от физико-химических характеристик почвы, климатических условий, а также от свойств самого препарата, концентраций и сроков его воздействия. Из почв антибиотики могут вымываться в более глубокие слои и подземные воды. В настоящее время разрабатываются методы, направленные на снижение концентраций остаточных препаратов, позволяющие сократить их поступление в почву. Важное значение имеет способность растений снижать токсический эффект антибиотиков на ферментативную активность почв. Обработки сточных вод и их осадков такими методами, как флокуляция, озонирование, ускоренное окисление, мембранная фильтрация, фотокатализ, отстаивание (сорбция), биодеградация, гидролиз и фотолиз, могут быть использованы для предотвращения попадания антибиотиков в почвы через сточные и поверхностные воды.

1. 3. Загрязнение антибиотиками почвы

Загрязнение почвы антибиотиками происходит, например, через сточные воды животноводческих предприятий, при применении навоза в качестве удобрения почв, орошения и выпаса скота на пастбищах. Также источниками поступления антибиотиков могут быть медицинские отходы, утилизация неиспользованных или просроченных лекарственных препаратов, технологические стоки производственных предприятий, сброс из очистных сооружений, утечки из септических систем. 

Негативное влияние антибиотиков на почву заключается в том, что они подавляют рост не только патогенных, но и полезных почвенных микроорганизмов, нарушая состав и численность микробного сообщества. Ряд антибиотиков при высоких концентрациях ингибируют процессы нитрификации, фосфатмобилизации и деятельность железобактерий, что сказывается на доступности азота, фосфора и железа для сельскохозяйственных культур. 

Кроме того, устойчивость антибиотиков в почвах способствует отбору резистентных к антибиотикам бактерий, что приводит к увеличению их распространённости и создаёт риск для здоровья людей и животных. 

1. 4. Загрязнение антибиотиками природных вод

Загрязнение воды антибиотиками — проблема, которая представляет угрозу для здоровья человека и экологической среды. 

Источники загрязнения: сточные воды фармацевтических предприятий и больниц, сбросы от сельскохозяйственных предприятий, аварийные сбросы антибиотиков фармацевтических предприятий. Также к загрязнению окружающей среды приводит обработка и утилизация просроченных лекарств. 

Влияние загрязнения антибиотиками на воду:

Антибиотики могут убивать микроорганизмы или подавлять их рост, нарушать баланс. Это приводит к сокращению биоразнообразия и деградации экосистем. 

Развитие устойчивости бактерий. Под воздействием антибиотиков бактерии мутируют, в результате появляются новые штаммы, всё более устойчивые к имеющимся препаратам. 

Контроль над загрязнением антибиотиками важен для защиты здоровья человека и безопасности окружающей среды.

Проблема загрязнения водной среды лекарственными препаратами привлекает к себе повышенное внимание. Особое место в этом ряду занимают антибиотики, которые полностью не удаляются из сточных вод в процессе их очистки на канализационных очистных сооружениях и попадают в природные водоемы и питьевую воду. В связи с малой изученностью остаются открытыми все аспекты данной проблемы: мониторинг антибиотиков в водах, их взаимодействие с другими препаратами, оценка степени токсичности, определение эффективности методов удаления.

Источниками антибиотиков в городских сточных водах являются жилищный сектор, лечебные учреждения, ветеринарные клиники и фармацевтические предприятия. В организме человека антибиотики подвергаются в разной мере метаболизму и затем выводятся наряду с не претерпевшими трансформацию исходными препаратами.

Водные организмы в результате сброса сточных вод постоянно подвергаются комплексному воздействию смеси лекарственных препаратов, присутствующих в очень низких концентрациях (от нг/л до пг/л). Эта ситуация сохраняется на протяжении многих десятилетий и будет лишь усугубляться, поскольку с каждым годом в обиход вводятся все новые и новые лекарственные препараты. При этом уровень экспозиции водных организмов в разных регионах отличен и определяется плотностью населения и предпочтением и масштабом потребления определенных лекарств. Также имеют значения гидродинамические параметры водных потоков, определяющих степень разбавления лекарств, попадающих в реки со сточными водами.

Глава 2. Методы исследования

Анализ образцов почвенных проб проводился с помощью качественного химического анализа, а также с применением оборудования центра естественнонаучной и технологической направленности «Точка Роста» на базе МАОУ Ильинской СОШ им. И.И.Сидорова.

Метод качественного определения антибиотиков основан на различиях в кислотно-основных свойствах пенициллинов и их способности к образованию комплексных соединений с ионами металлов. Исследования показывают, что внешние эффекты взаимодействия пенициллинов с растворами солей меди (II), такие, как изменение окраски и образование осадков, индивидуальны для каждого антибиотика. Особенности качественных реакций пенициллинов зависят от структуры их радикалов. Карбоксильная группа придаёт антибиотикам кислотные свойства, аминогруппы – основной, а фенольная и амидная группы слабо участвуют в кислотно-основных взаимодействиях. Феноксиметилпенициллин очень плохо растворим в воде, поэтому он практически не взаимодействует с солями меди (II), и раствор соли не меняет цвет. Оксациллин входит в состав лекарств в виде хорошо растворимой натриевой соли. Взаимодействие анионов оксациллина с катионами меди в слабокислой и нейтральной средах приводит к образованию осадка. Бензилпенициллин и карбенициллин также хорошо растворимы, и их кислые растворы длительное время сохраняются без изменений. При их взаимодействии с CuSO₄ очень быстро выпадают осадки, причём одинакового цвета. Различаются сами растворы. Анионы ампициллина и амоксициллина в щелочной среде (рН > 7,5), образуют с ионами меди устойчивые комплексы сине-фиолетового цвета. Со временем структура комплекса меняется, и его окраска становится жёлто-коричневой. Время перехода окраски зависит от мольного соотношения Cu(II)/атибиотик и составляет 40-50 минут при эквимолярном соотношении до 5-6 часов при шестикратном избытке антибиотика. В кислой и нейтральной средах, при рН 3-7,5 ампициллин и амоксициллин с ионами меди не взаимодействуют. Но вид раствора всё же меняется: из-за гидролиза ионов меди постепенно образуются осадки или коллоидные растворы основных солей меди(II).

2.1. Методика приготовления раствора для исследования

1. В 25 мл дистиллированной воды растворяют навеску лекарственной формы, содержащую 0,5 г антибиотика. Растворы получаются мутными из-за присутствия нерастворимых вспомогательных веществ, которые добавляют в порошки и таблетки. Чтобы антибиотик полностью растворился, надо подождать 30 минут, а затем профильтровать раствор через бумажный фильтр. В результате получаем бесцветный прозрачный раствор антибиотика с концентрацией 0,045 - 0,055 моль/л. Таблетки амоксициллина - слабокислые, близкие к нейтральным.

2. Наливаем раствор антибиотика в стакан и добавляем 10 мл 0,1 М раствора CuS0₄ или другой растворимой соли меди (II). Получаем систему, содержащую небольшой избыток антибиотика (примерно 1,125 ммоль антибиотика и 1 ммоль медной соли).

3. Перемешиваем содержимое стакана стеклянной палочкой и наблюдаем происходящие эффекты.

4. Делаем вывод о наличии антибиотика в образце на основании изменения цвета раствора. При наличии амоксициллина в пробе образуется прозрачный раствор бледно-голубого цвета, который через 5-10 мин приобретает светло зелёную окраску. Осадок не выпадает.

Методика предусматривает некоторый избыток антибиотика в реакционной смеси (мольное соотношение антибиотик/ Cu(II) = 1,1-1,5). При соотношении менее 1, то есть при избытке соли меди, картина искажается, особенно при экспериментах с препаратами ампициллина и амоксициллина - сразу же начинается выпадение зеленых осадков основных солей меди.

2.2. Анкетирование обучающихся

Основные вопросы анкеты:

1. Как часто вы используете лекарственные препараты?

2. Где хранятся лекарственные препараты у вас дома?

3. Как часто вы проводите ревизию лекарственных препаратов на предмет срока годности?

4. Как вы утилизируете лекарственные препараты с истекшим сроком годности?

5. Знаете ли вы о последствиях неправильной утилизации лекарственных препаратов?

Глава 3. Результаты исследования

В ходе исследования нами был проведен качественный анализ почвенных проб на предмет содержания в них следов антибактериальные лекарственных препаратов пенициллинового ряда (Приложение 1. рис.1).

Для исследования были взяты образцы почвенных проб №1 - из домашней теплицы, №2 - рядом с мусорным полигоном и №3 - недалеко от фермы.

В качестве контрольного образца был взят лекарственный препарат «Амоксициллин» в форме капсулы

Качественный анализ показал, что образец под номером 1 и под номером 3 не содержит следов амоксициллина.

Образец под номером 2 показал наличие в пробе следов антибактериального препарата пенициллинового ряда – амоксициллина. Что свидетельствует о неправильной утилизации лекарственных препаратов, и как следствие, загрязнение ими окружающей среды.

Таблица 1. Присутствие в образцах следов антибактериального препарата Амоксициллин.

Следующим этапом нашего исследования стало анкетирование обучающихся МАОУ Ильинской СОШ им. И.И. Сидорова.

По результатам анкетирования было выявлено, что 90% обучающихся не знают, как правильно утилизировать просроченные лекарственные препараты, а также плохо разбираются в вопросах загрязнения окружающей среды лекарственными препаратами.

Было предложено обучающимся принять участие в акции по сбору просроченных лекарственных препаратов и последующей их правильной утилизации.

Заключение

1. Нами было проверено три образца почвенных проб, взятых их различных мест. Качественный анализ показал присутствие в одной из проб следов амоксициллина, что свидетельствует о неправильной утилизации лекарственных препаратов.

2. В ходе исследования по результатам опроса было выявлено, что подавляющее большинство школьников не знают как правильно утилизируются лекарственные препараты. И, как следствие, не задумываются о роли лекарственных препаратов в загрязнении окружающей среды.

3. Среди обучающихся МАОУ Ильинской СОШ им. И.И. Сидорова была проведена акция по сбору лекарственных препаратов с истекшим сроком годности и их дальнейшей правильной утилизацией.

4. Также в ходе работы были намечены перспективы дальнейшего исследования проблемы, такие как, проверки антибиотиков цефалоспоринового и тетрациклинового рядов.

Литература

1. Акименко, Ю. В. Влияние загрязнения антибиотиками на биологические

свойства чернозема обыкновенного : монография / Ю. В. Акименко, К. Ш. Казеев, С. И. Колесников. – Ростов-на-Дону : Изд-во Южного федерал. ун-та, 2015. – 154 c. – ISBN 978-5-9275-1797-8.
2. Егоров, Н. С. Основы учения об антибиотиках : учеб. для студентов вузов /

Н. С. Егоров. – 6-е изд., перераб. и доп. – Москва : Изд-во МГУ : Наука, 2004. –524 с. – ISBN 5-211-04669-2

3. «Химия и жизнь», 2008, № 5, с.42-45

4. «Химия и жизнь», 2008, № 2, с.37-48

5. «Вопросы вирусологии», 2008, № 5, с.31-33

6. Л.Ю. Аликберова, Н.С. Рукк «Полезная химия: задачи и истории», М.: Дрофа, 2008.

7. А.И. Артеменко «Удивительный мир органической химии», М.: Дрофа, 2004.

Приложение 1

Рис.1. Качественный химический анализ почвенных проб.