XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Бактерии
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Когда говорят о животных, многие представляют себе зверей. Но животные — это не только звери. Изучая в третьем классе тему «Бактерии» на уроке «Окружающего мира», я заинтересовался этими микроорганизмами и решил побольше узнать о них. (Приложение 1 Рис.1)
В 20-е годы XX века советским ученым Александром Ивановичем Опариным была выдвинута гипотеза о возникновении жизни на Земле. Согласно данной теории, возникновение жизни на земле происходило в три этапа. А зарождение живых микроорганизмов по теории Опарина произошло именно на первом этапе в результате накопления простых органических веществ, которые накапливались миллиарды лет в древнем океане. Теория Опарина подвергалась критике и сомнениям, но была доказана американским химиком Стенли Миллером и физиком Гарольдом Юри в 1953 году.
Обладая высокой жизнестойкостью эти древние живые организмы выполняют многочисленные функции в природе и обитают во всех средах окружающего нас мира. Ежегодно из континента на континент переносятся более миллиарда различных видов живых бактерий.
Актуальность работы– интерес к бактериям возрастает с каждым днем, благодаря применению бактерий в различных сферах: здравоохранения, сельского хозяйства, промышленности, биобезопасности, космических исследованиях, обеспечение безопасности экосистемы доказывает их уникальность и необходимость в проведении исследований.
Цель проекта – исследовать воздействие микроорганизмов на процесс разложения органических веществ.
Задачи проекта:
-
Изучить и систематизировать знания о бактериях.
-
Определить положительное и отрицательное значение бактерий в жизни человека и окружающей среде.
-
Провести экспериментальное исследование процесса разложения органических веществ посредством воздействия микроорганизмов.
-
Разработать рекомендации по профилактике распространения вредных бактерий.
Объект исследования: бактерии.
Предмет исследования: условия способствующие или препятствующие размножению бактерий.
Проблема исследования: в настоящее время исследованием бактерий, уделяется большое внимание, ученые всего мира работают над применением бактерий в различных сферах жизнедеятельности, говорят о пользе и отрицательном влиянии на организм человека. Но в тоже время нам известны лишь некоторые виды бактерий, большая же часть микроорганизмов не изучена. Возникает противоречивый вопрос, человек использует лишь малую часть микроорганизмов, недостаточно знает о влиянии современного мира, экологических проблем на микромир и его окружающую среду, зачастую не задумываясь, что это может привести к непредсказуемым последствиям для экосистемы и здоровья человека.
Гипотеза проекта - предполагаем, что процесс разложения органических веществ значительно ускоряется и завершается благодаря жизнедеятельности бактерий, отсутствие бактерий приведет к замедлению или полному отсутствию этого процесса.
Для решения поставленных задач использовались следующие ресурсы: литература по теме проекта, электронные ресурсы, халат, одноразовая маска для защиты дыхания, одноразовые перчатки, лупа, два куска хлеба, два герметичных пакета, нож для нарезки банана, горшок, почва.
Этапы проекта:
1. Сбор и анализ информации по теме (апрель, 2025г.)
2. Работа над теоретической частью проекта (май-июнь 2025 г.)
3. Практическая работа (июль- октябрь 2025 г.)
4. Создание презентации для представления проекта (ноябрь-декабрь, 2025г.)
5. Представление проектной работы на школьной НПК (январь, 2026г.)
1.Основная часть
1.1. Бактерии что нам о них известно
О бактериях стало известно благодаря голландскому микроскописту Антониум ван Левенгуку, в 1676 году. Он не был ученым, в свободное от работы время использовал собственный микроскоп, чтобы наблюдать за микроорганизмами, которые он называл «животными». Свои наблюдения он зарисовывал и описывал в письмах, которые на протяжении 50 лет отправлял в Лондонское королевское общество. Всего было направлено более 300 писем. В 1695 году Левенгук издал книгу «Тайны природы». Его открытия стали важным шагом в микробиологию и фундаментом для изучения микроскопических организмов.
В 1838 году впервые стало употребляться немецким ученым ботаником Иоганном Генрихом Фридрихом Кохом название «бактерия». Оно происходит от греческого слова «bakterion», что в переводе означает «палочка». Название было выбрано Кохом из-за того, что многие бактерии имеют форму палочек. Первым русским ученым, обнаружившим бактерии считается Илья Ильич Мечников. В 1880 –х годах он проводил исследования в области микробиологии и внес значительный вклад для последующего изучения бактерий, определил роль микроорганизмов в заболеваниях. За свои исследования в 1908 году Мечников получил нобелевскую премию по физиологии и медицине.
Строение бактерии отличается от других живых существ, они живут вокруг нас, но для глаза человека недоступны. Для того чтобы рассмотреть бактерии необходим микроскоп. Тело состоит из клетки покрытой оболочкой. Именно благодаря оболочке у бактерии держится форма и имеется защитная функция, а также через неё бактерия может взаимодействовать с окружающей средой. У некоторых видов бактерий имеется дополнительный внешний слой -слизистая капсула. Внутренняя часть клетки называется цитоплазмой, это вязкая жидкость, которая содержит в себе органоиды – рибосомы, которые обязательны для строения клетки и помогают соединять белковые молекулы в виде капель, зерен, комочков разной формы, отложенных в прок запасы питательных веществ или помогают изолировать уже ненужные клетке отработанные продукты обмена веществ. В клетке бактерии нет ядра, в котором у большинства представителей животного мира содержится ДНК. Генетический материал бактерии, содержится в цитоплазме и в большинстве случаев это кольцевая молекула ДНК. ДНК отвечает за уникальность бактерии, ведь у каждого живого организма свой индивидуальный код. Именно он отвечает за вид, строение, форму, особенности обмена веществ, предрасположенность взаимодействия с другими бактериями. У бактерий имеются плазмиды – это дополнительные участки ДНК, которые отвечают за обмен генетическим материалом при делении клеток.
Размножение бактерий - это произведения себе подобного организма, происходит при помощи деления, увеличения микроорганизмов. Для процесса деления микроорганизму необходима благоприятная среда и условия: температура, влажность, пища и другое в зависимости от вида бактерий. Процесс деления происходит при разрастании клетки, содержание клетки разделяется пополам перетяжкой, при этом посередине клетка истончается, образуется поперечная оболочка и клетка разделяется пополам на две совершенно одинаковые клетки. Вновь образованная клетка бактерии полностью самостоятельна не проходит дополнительных этапов развития и сразу способна к размножению. Скорость деления клеток различна и зависит от внешних факторов, наличия условий окружающей среды и питательных веществ. При благоприятных условиях клетки многих видов бактерий способны делится каждые 20-30 минут. Например, молочные бактерии при температуре 30 С0 способны увеличиваться в численности каждые 30 минут. Для образования бактерий, вызывающих кариес необходимо 3-6 часов на и на зубах появляется ощущаемый зубной налет, а до образования полной бактериальной пленки потребуется около 24 часов, активное размножение бактерий вызывает кариозные полости. Такое заболевание как чума, вызванная возбудителем бактерии чумная палочка способна погубить человека всего за несколько часов.
Ученые выделяют три группы бактерий:
-
Архебактерии или археи – это самые древние бактерии. Например, к ним относятся метанообразующие бактерии, они образуются в пищеварительной системе человека и жвачных животных, оказывают помощь в переваривании пищи.
-
Эубактерии – это бактерии, зачастую вызывающие заболевания. Представителями данной группы являются: стафилококки, кишечная палочка и др.
-
Цианобактерии или сине-зелёные водоросли- данные бактерии способны питаться за счет фотосинтеза. Именно эти бактерии участвовали в формировании озонового слоя миллионы лет назад, который защищает нашу планету от солнечного ультрафиолетового излучения. Цианобактерии способны в процессе фотосинтеза выделять в атмосферу кислород, который обеспечивает озоновый слой нашей планеты.
С течением времени и развитием технологий, изучение бактерий стало более эффективным. Современные методы и подходы позволяют применять синквенирование ДНК, что позволяет наиболее точно, благодаря распознанию ДНК бактерий определить их вид и появление.
В России были разработаны множество уникальных техник системной биологии, этот подход позволяет рассматривать бактерии как часть более сложной системы изучая взаимодействие бактерий с окружающей средой и другими организмами. Развитие нового поколения ведется в направлении синтетической биологии, которая помогает исследовать модифицированные бактерии, для создания новых образцов с заданными свойствами, что особенно важным становится в развитии медицины и биотехнологий.
1.2. Значение бактерий
Первые бактерии стали участниками формирования всей экосистемы нашей планеты. Микроорганизмы обеспечивают круговорот веществ, без которого жизнь на Земле не смогла существовать.
О бактериях можно сказать, что они главные «мусорщики» нашей планеты. Основная роль бактерий отведена переработке. Разлагая мертвые тела животных, растений, опавшие листья, ветки, отходы жизнедеятельности человека и других организмов они очищают экосистему от мертвой органики и возвращают питательные вещества в почву и воду. Благодаря такому процессу происходит круговорот и образование плодородия почвы (гумуса). Современные исследования показали, что некоторые виды бактерий способны разлагать и токсичные вещества, такие как нефть, пестициды, тяжелые металлы помогая восстанавливаться природе от загрязненных территорий. В очистных сооружениях бактерии используются человеком для очистки сточных вод.
Уникальным становится и значение микроорганизмов для человека. Оказывается, в нашем теле количество клеток бактерий примерно равно количеству клеток всего нашего организма. Получается, что каждый человек- это «планета» или «экосистема» для бактерий. Учитывая влияния бактерий на жизнь человека определяются положительные и отрицательные их роли. Рассматривая положительную роль бактерий - это наши друзья. Внутри и на поверхности тела человека живут триллионы бактерий, ученые доказывают, что их масса может достигать 2-3 кг. Бактерии помогают нашему пищеварению, при этом они всегда проживают в нашем кишечнике, помогая расщеплять пищу, которую наш организм не может переварить сам. (например, клетчатку). Такие бактерии имеют названия лактобактерии и бифидобактерии. Микроорганизмы активно участвуют в синтезе витаминов, так, например, происходит выработка жизненно важных для человеческого организма витаминов группы В и К. Полезные бактерии занимают важное место по формированию нашего иммунитета. Это происходит посредством закрепления бактерий на слизистых оболочках, что позволяет отстранять и не давать «болезнетворным» микроорганизмам и «вирусам» закрепится и развиться различным заболеваниям.
Использование бактерий в медицине имеет широкий спектр, от производства лекарств при помощи модифицированных бактерий, например, кишечной палочки до производства инсулина, гормонов роста и вакцин. Не секрет, что многие антибиотики получают из бактерий и даже из почвенных, так получают стрептомицин –антибактериальное средство, широкого спектра действий, является противотуберкулезным препаратом.
Бактерии употребляются человеком в пищу. Современная пищевая промышленность получает многие продукты благодаря бактериям и использует их в процессе брожения. Так получают молочные продукты: сыр, сметана, йогурт, кефир, творог. Закваски для хлебобулочных изделий, квашеная капуста, соленые огурцы.
Бактерии участвуют в очистке воды. Это направление применения микроорганизмов становится приоритетным для экологии. Использование бактерий позволяет использовать специальные бактерии, которые поедают органические соединения масла, жиры и т.д.
Человек научился использовать бактерии в космосе для создания условий, для очистки воды, переработки отходов.
Отрицательная роль бактерий тоже существует. Бактерии передаются различными способами: по воздуху зараженный человек может распространить микро капли несущие бактерии (при чихании и кашле), через открытую рану (порез, ожег), через укус насекомых или животных, при употреблении воды, пищи, при контакте с инфицированным человеком. Бактерии являются возбудителями многих опасных болезней (ангина, менингит, конъюнктивит, отит, туберкулез, чума, сибирская язва и тд.), провоцируют пищевые отравления (сальмонеллез, ботулизм). Быстрое размножение болезнетворных бактерий может привести к эпидемии, что усугубляется несоблюдением правил личной гигиены и антисанитарией.
Бактерии гниения и брожения делают продукты питания непригодным для употребления их в пищу (гниение мяса, рыбы, овощей, скисание молока). Существуют бактерии, которые разрушают бетонные и металлические конструкции, исторические памятники. Доказано что такие бактерии вредят космическим аппаратам.
В отношении «вредных бактерий» ведутся исследования, микроорганизмы отслеживаются и контролируются, создают специальные препараты, которые зачастую основаны на модифицированных микроорганизмах. Человеком придуманы различные способы защиты от вредных бактерий, так антисептики позволяют уничтожать или подавлять рост микроорганизмов. Вакцинация с медицинской точки зрения помогает защитится и справится организму человека с болезнетворными микроорганизмами. Средства личной гигиены: мытьё рук, обработка рук специальными гелями или спиртовыми салфетками, использование индивидуальных масок в общественных местах. Употребление фильтрованной, бутилированной или кипяченой воды.
При использовании продуктов, человек также использует защиту от гниения и разлагающихся бактерий. Проводит обязательную термическую обработку, использует консервирование, соблюдение правил хранения и применение консервантов (соль). Важным остается, то, что, если продукт ранее осеменен микроорганизмами, никакие консерванты уже не помогут. Санитарно-гигиенические службы проводят оценку качества воды, водопроводная вода проходит через отстойники и фильтры, обрабатывают хлором или озоном для уничтожения микроорганизмов.
В быту необходимо проводить ежедневную уборку, проветривание и дезинфекцию, соблюдать правила безопасности при санитарно-гигиенических обработках.
2. Практическая часть
2.1. Экспериментальное исследование процесса разложения органических
веществ
Чтобы исследовать процесс разложения органических веществ, я провел опыты.
Опыт № 1. Цель эксперимента: изучить развитие бактерий, которые способствуют разложению продуктов питания в созданных мной условиях.
Для проведения опыта потребуются: два одинаковых кусочка хлеба отрезанных в стерильных перчатках, два стерильных пакета, лупа.
Этапы опыта и наблюдения: Я отрезал два одинаковых куска хлеба в стерильных перчатках. Взял два герметичных пакета. (Приложение 2 Рис. 2)
1.Образец №1 положил в пакет вымытыми с мылом руками, а Образец №2 положил грязными руками, которыми перед этим пользовался телефоном и ноутбуком. (Приложение 2 Рис. 3)
2.Через три дня наблюдения я заметил, что на образце № 2 появилась плесень, а образец № 1 оставался чистым. (Приложение 2 Рис. 4, Рис.5)
3.Спустя неделю плесень появилась на образце №1, а на втором колония плесени разрослась и поменяла цвет. (Приложение 2 Рис. 6)
4.Через месяц образец № 1 остался почти не тронут плесенью, а образец № 2 полностью покрылся колонией бактерий и грибов. (Приложение 2 Рис. 7 Рис. 8)
5. Анализ результатов:
Вывод: опыт помогает доказать, что на грязных руках, на телефоне и ноутбуке обитают микроорганизмы, вызывающие порчу продуктов питания, что служит процессом разложения органических веществ, а плесень, которая появляется на хлебе является примером существования микроорганизмов, которые участвуют в процессе разложения. Результат опыта показывает нам, что на кусочке, к которому прикоснулись грязными руками, развилась целая «вселенная» бактерий. При помощи интернета я узнал, что бактерии, которые были на образце № 2 могут скорее всего относится к микроорганизмам пенициллин, колонии этих бактерий плотные, бархатистые, обычно окрашены в зеленые, голубоватые или желтоватые оттенки. Некоторые штаммы бактерии рода пенициллин используются для производства антибиотиков. Белые цвета плесени могут служить основанием предположения, что это бактерии рода Мукор «белая плесень». Мукор выглядит как пушистый налет, может быть опасен для человека, поскольку является паразитом и может вызвать заболевание мукоромикоз, заболевание при котором поражаются внутренние органы человека. Пораженные мукором продукты запрещается употреблять в пищу. При этом практически все плесневые бактерии, могут быть опасны для здоровья человека, так как могут выделять токсины, отравляющие организм. На уроках окружающего мира и при изучении теоретического материала по теме проекта, я узнал, что бактерии, вызывающие плесень, могут вызывать заболевания у человека и такие продукты не пригодны для употребления в пищу. Из проведенного мною опыта образец № 2 был полностью покрыт бактериями, следовательно, грязные руки помогают создать благоприятную среду для развития бактерий и развитию заболеваний пищеварения человека. Становится понятным почему, важно мыть руки с мылом. Согласно опыту, мыло действительно помогает защитится на более длительный срок от появления бактерий и это можно рассмотреть на образце № 1 который сохранился почти не тронутым микроорганизмами, а это значит гигиена человека, позволяет укрепить наш иммунитет и не создавать в нашем организме благоприятную среду для развития болезнетворных бактерий. Важным остается соблюдение товарного соседства – принцип организации перевозки, хранения, продажи с обязательным исключением одного вида продуктов от другого. Необходимым становится и проверка сроков годности продуктов питания, ведь защитная система (упаковка, пленка, банка или коробка) не постоянна, а только на время защищает и служит препятствием для развития бактерий, не зря установлены проверки качества и сроков годности для производителей продуктов.
При работе над проектом. Я узнал, что бактерии находятся среди нас могут существовать в различных условиях и они очень выносливы. В природе они являются помощниками по переработке органических отходов. Мне стало интересным изучить процесс разложения органических веществ при помощи бактерий в воде и почве.
Для проведения опыта № 2 я решил использовать кусочки банана, поместить их в горшок с землей и изучить процесс разложения и превращения образцов в гумус. А также провести наблюдение как процесс разложения повлияет, на развитие растения в этом горшке. Если поместить кусочки банана в грунт, это создаст условия для естественного процесса разложения с участием почвенных микроорганизмов, грибов и других организмов. Такой эксперимент позволит наблюдать, как органические материалы взаимодействуют с почвой и как происходит их превращение в питательные вещества для растений. Цель эксперимента: изучить процесс разложения банана в грунте под воздействием почвенных микроорганизмов и факторов окружающей среды.
Этапы опыта:
-
Подготовка: для опыта мной выбран горшок, в котором посажен цветок с плохо развивающимися побегами.
-
Помещение банана в грунт: нарезаю банан на небольшие кусочки, так же использую для эксперимента и кожуру. Кусочки банана закапываю в грунт на глубину 1-2 см.
-
Для формирования благоприятных условий, с целью развития и размножения микроорганизмов: поддерживаю умеренную влажность почвы, периодически увлажняя её (но не заливая). Ставлю его в теплое место с доступом света.
-
Провожу наблюдение. Для этого ежедневно или через день проверяю состояние кусочков банана. Фиксирую изменения: появление плесени, изменение цвета, текстуры, запаха. Обращаю внимание на изменения в почве вокруг банана например, я заметил появление белого налета грибков, изменение структуры грунта).
-
Анализ результатов: Через 1–2 недели аккуратно выкапываю кусочки банана и осматриваю их. Сравниваю степень разложения в зависимости от времени, проведенного в земле.
Результаты моих наблюдений.
Первые дни: кусочки банана начали темнеть и размякли. На поверхности кусочков появился белый и зеленый налет (плесень). (Приложение 3 Рис. 9, Рис 10)
Через неделю: банан начал активно разлагаться, превращаясь в кашицеобразную массу. В грунте появились мелкие организмы. С помощью интернета, я выяснил, что это почвенные клещи и нематоды, которые питаются органическими остатками. Нематоды – это круглые черви, среди них могут быть и паразиты. (Приложение 3 Рис. 11)
Работы с опытом провожу в перчатках, с соблюдая меры безопасности. (Приложение 3 Рис. 12)
Через 3-4 недели: банан почти полностью разложился, превратившись в гумус (органическое вещество почвы). Почва вокруг банана стала более рыхлой и насыщенной питательными веществами. (Приложение 3 Рис. 13)
Выводы: банан разлагается быстрее в теплой и влажной среде, так как это способствует активности микроорганизмов. Глубина закапывания влияет на скорость разложения, ведь на поверхности банан может разлагаться быстрее из-за доступа кислорода, активности микроорганизмов и насекомых. Почвенные микроорганизмы (бактерии, грибы) играют ключевую роль в превращении органических отходов в питательные вещества для растений. Грунт вокруг кусочков банана приобрел более черный, «жирный» оттенок. Листья цветка стали темно-зелеными, появились новые побеги с более крупными листьями. (Приложение 3 Рис. 14)
В результате, работы над проводимыми мною опытами, я старательно и аккуратно работал, соблюдая меры безопасности, ведь бактерии не до конца изучены человеком, а значит созданная среда и развитие бактерий на моих образцах, может быть опасна и не только для пищеварения, но и создавая свою уникальную экосистему, может вызвать заболевания дыхательных путей, различные кожные и аллергические заболевания.
2.2. Рекомендации по профилактике распространения вредных бактерий
В рамках работы по теме проекта, разработан информационный буклет, который содержит рекомендации по профилактике распространения вредных бактерий. Считаю, необходимым рассказать о том, что я узнал о бактериях, привлечь интерес к данной теме. Данный буклет поможет повысить знания о бактериях и подчеркнуть важность изучения и соблюдения гигиенических норм. (Приложение 4)
Заключение
Бактерии – это одно из самых древних царств живой природы, которое до сих пор таит в себе тайны и загадки. Эти микроорганизмы зародились задолго до появления человека, но продолжают развиваться, формируя экосистемы и способствуя жизни всех живых организмов. Важным становится то, что современная экология меняется, становится уязвима по вине человека и сама экосистема нашей планеты. В 2020 году ученые сообщили, что на Байкале произошло исчезновение большинства микроорганизмов, которые отвечали за чистоту воды, и выполняли роль фильтров. Установлено, что гибель бактерий произошла по вине человека, из-за загрязнения воды. На Байкале это привело к потере прозрачности воды. Как и все живые организмы, бактерии подвергаются гибели и исчезновению различных их видов, о которых мы не знаем и можем не узнать, ведь они не вносятся в «Красную книгу», но могут играть значительную роль в экосистеме, поэтому требуется их защита, бережное отношение или возможность помощи по восстановлению некоторых видов бактерий.
Выдвинутая в проекте гипотеза, о том, что процесс разложения органических веществ значительно ускоряется и завершается благодаря жизнедеятельности бактерий, отсутствие бактерий приведет к замедлению или полному отсутствию этого процесса, доказана. Задачи и цели успешно решены, изучен и проработан теоретический материал по данной теме, разработана и практически опробована - значимая часть, проведены опыты, сделаны выводы. Цель проектной работы достигнута в полном объеме.
Тема бактерий, как живых микроорганизмов, изучена не до конца, а её исследования благодаря современным технологиям не ограничено.
Результаты проекта позволяют использовать полученные знания на уроках окружающего мира и в повседневной жизни.
Список литературы
1. Возникновение жизни на земле/ А.И. Опарин._М.: Издательство академия наук СССР 1980
2. Окружающий мир. 3 класс. Учебник. В 2 частях. Ч.1/ А.А.Плешаков. – 8 –е изд._ М.: Просвещение, 2023. -178 с.: ил.
3. Человеческое тело. Невороятное путешествие вокруг и внутри/Анна Клейборн. – М.: Эксмо, 2019 -128 с.: ил.
4. Изучаем царство бактерий [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.yaklass.ru/p/biologia/7-klass/izuchaem-tcarstvo-bakterii-14964
5. Катола В.М. Древние прокариоты: происхождение, эволюционный путь и роль в истории Земли [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/drevnie-prokarioty-proishozhdenie-evolyutsionnyy-put-i-rol-v-istorii-zemli-kratkiy-obzor-literatury
6. Роль болезнетворных бактерий в природе – чем опасны. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://wika.tutoronline.ru/biologiya-prirodovedenie/class/5/rol-boleznetvornyh bakterij-v-prirode--chem-opasny
Приложение 1
Рис. 1 изучение бактерий.
Приложение 2
Рис. 2 Подготовка образцов № 1 и № 2.
Рис. 3 Подготовка образцов № 1 и № 2.
Рис. 4 Образец № 1 через 3 дня.
Рис. 5 Образец № 2 через 3 дня, следы плесени.
Рис. 6 Образцы № 1 и №2 через неделю
Рис. 7 Образец № 2 через месяц.
Рис. 8 Образец № 2 Через месяц.
Фотография выполнена с увеличением через лупу.
Приложение 3
Рис. 9 Подготовка к проведению опыта № 2
Рис. 10 опыт № 2. Кусочки банана первые 3 дня.
Рис. 11 опыт № 2. Кусочки банана через неделю.
Рис. 12 Работы проводятся с соблюдением мер безопасности.
Рис. 13 Опыт № 2.
Рис. 14 Опыт № 2.