XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Влияние цефтриаксона на рост и развитие растений. Выявление гормезиса

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Мурзакова А.А. 1

---

1Медико-фармацевтический колледж Казанского государственного медицинского университета

Ахмеджанова Н.А. 1

---

1Медико-фармацевтический колледж Казанского государственного медицинского университета

Работа в формате PDF

313.2 KB

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность исследования.

Антибиотики стали новым типом загрязнителей окружающей среды. В период пандемии COVID-19 потребление антибиотиков, в том числе цефтриаксона (цефалоспорин III поколения), выросло на 30–50% по сравнению с допандемийным уровнем. Значительная часть введённых антибиотиков выделяется в активной форме с фекалиями и мочой, попадая в сточные воды, почву и грунтовые воды. Помимо риска антибиотикорезистентности, эти вещества влияют на высшие растения. Влияние цефтриаксона на растения изучено недостаточно, что определяет актуальность работы.

Цель исследования.

Изучить характер и степень влияния антибиотика цефтриаксона на начальные этапы роста и развития различных растений.

Задачи исследования:

1. Провести анализ литературы по изучаемой проблеме.

2. Экспериментально определить влияние растворов различной концентрации цефтриаксона на энергию прорастания, длину побега и корня выбранных культур.

3. Сравнить толерантность различных видов растений к присутствию антибиотика в субстрате.

4.Создать модель критически загрязненной почвы для демонстрации экологических рисков.

Новизна работы.

В отличие от проделанных работ, наше исследование обладает следующими принципиальными отличиями, определяющими его научную новизну:

1.Объект исследования: цефтриаксон вместо традиционных антибиотиков. Впервые в качестве объекта целенаправленного изучения выбран цефтриаксон- цефалоспорин III поколения (а не традиционные тетрациклины или сульфаниламиды).

2.Сравнительный подход: четыре культуры вместо одной. Проведено параллельное сравнительное исследование четырёх видов растений, принадлежащих к разным классам и семействам.

3.Целенаправленная проверка эффекта гормезиса для цефтриаксона. Впервые для цефтриаксона проведена целенаправленная проверка эффекта гормезиса.

4.Создана модель «Тетра-Грунт»-наглядное пособие для демонстрации последствий загрязнения почвы антибиотиками.

Практическая значимость работы.

1. В наших исследованиях в качестве тест-культур для определения загрязнённости почвы антибиотиками были использованы растения, входящие в разные классы и семейства (Прил.1,2).

2.Было изучено явления гормезиса на примере цефтриаксона.

3.Создана образовательная модель для экологического просвещения.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВЛИЯНИЯ АНТИБИОТИКОВ НА ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ.

1. 1. История открытия и выведения антибиотиков.

В 1928 г. А. Флеминг открыл пенициллин. В 1940-е гг. Г. Флори и Э. Чейн разработали промышленное производство [4, c.45–52]. Позже открыты стрептомицин, тетрациклины, цефалоспорины (из гриба Cephalosporium acremonium) [1, c.35]. Цефтриаксон — полусинтетический цефалоспорин III поколения [7, c.5].

1.2. Характеристика действующего вещества.

В качестве исследуемого антибиотика использован цефтриаксон (цефтриаксон натриевая соль) в виде порошка для приготовления инъекционного раствора. Молекулярная формула: C₁₈H₁₈N₈O₇S₃. Цефтриаксон относится к цефалоспоринам III поколения, действует бактерицидно, ингибируя синтез клеточной стенки.Его особенностью является высокая активность против грамотрицательных бактерий, устойчивость к большинству бета-лактамаз и длительный период полувыведения, что позволяет вводить его один раз в сутки.

Механизм действия бета-лактамных антибиотиков, включая цефтриаксон, заключается в ингибировании ферментов транспептидаз, участвующих в сшивании пептидогликана клеточной стенки бактерий. Это приводит к нарушению структуры клеточной стенки, осмотическому лизису и гибели бактерии. У эукариотических клеток (в том числе растений) клеточная стенка имеет принципиально иное строение (целлюлоза, гемицеллюлоза, пектины), поэтому прямого воздействия на синтез клеточной стенки растений антибиотики не оказывают. Однако могут влиять на растительные клетки косвенно — через воздействие на митохондрии, хлоропласты (сходство рибосом прокариот и органелл растений) или через нарушение гормонального баланса [7, c.10].

Обоснование выбора антибиотика.

Выбор обусловлен следующими факторами:

1.Распространенность: цефтриаксон является одним из наиболее часто назначаемых антибиотиков в период пандемии.

2. Экологическая значимость: согласно данным экомониторинга, цефтриаксон и его метаболиты регулярно обнаруживаются в сточных водах больниц, фармацевтических производств и в почвах, прилегающих к животноводческим комплексам. Его устойчивость к гидролизу и способность сохранять активность в окружающей среде делают его значимым загрязнителем.

3. Механизм действия: как и другие бета-лактамные антибиотики, цефтриаксон ингибирует синтез клеточной стенки бактерий, но его влияние на растительные организмы мало изучено.

1.3. Экологические последствия.

Основные пути поступления антибиотиков в окружающую среду: сточные воды больниц и фармацевтических производств, стоки с животноводческих ферм (навоз, помет), осадки сточных вод, используемые как удобрения, аквакультура (противобактериальная обработка водоемов) [10, p.382].

Цефтриаксон относится к умеренно устойчивым соединениям: период полураспада в почве составляет от 5 до 30 дней в зависимости от типа почвы и влажности [7, c.10]. Длительное присутствие антибиотиков приводит к угнетению полезной микрофлоры [10, p.382], снижению биоразнообразия [3, с.55], нарушению ферментативной активности [3, с.55], накоплению в тканях растений, включая листья и плоды, что может быть опасно для человека, употребляющего такую продукцию[9, p.12590].

1.4. Феномен гормезиса.

Гормезис (от греч. hormesis – «быстрое движение, стремление) – это явление, при котором вещество, токсичное в высоких концентрациях, в умеренных (средних дозах) парадоксальным образом стимулирует рост и развитие живых организмов [6, c.115]. К основным наблюдаемым негативным эффектам относят: снижение всхожести и энергии прорастания семян, угнетение роста, изменение содержания хлорофилла и интенсивности фотосинтеза, нарушение водного обмена, изменение активности антиоксидантных ферментов [5, c.79].

Однако данные литературы и результаты собственных исследований показывают, что положение горметической зоны зависит от вида растений, типа антибиотика и условий эксперимента. В некоторых случаях стимуляция может наблюдаться при концентрациях, которые обычно считаются «высокими».

Примеры гормезиса в природе.

ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

2.1. Методы исследования.

В ходе выполнения работы применялись следующие методы: лабораторный эксперимент, наблюдение, измерение, моделирование.

2.2. Объект исследования.

Процесс роста и развития сельскохозяйственных растений (Raphanus sativus — редис, Pisum sativum — горох, Sinapis alba — горчица белая, Avena sativa — овес) под воздействием антибиотиков.

Обоснование выбора объектов исследования.

В качестве тест-культур выбраны четыре вида растений, что позволяет получить специфические данные для разных ботанических семейств и типов корневых систем:

· Редис (Raphanus sativus) — корнеплодное растение семейства Капустные, характеризующееся быстрым прорастанием и высокой чувствительностью к химическому составу почвы, что делает его удобным биоиндикатором.

· Горох (Pisum sativum) — бобовое растение, обладающее способностью к симбиотической азотфиксации. Выбор обусловлен необходимостью оценить влияние антибиотика не только на само растение, но и на симбиотический аппарат (клубеньковые бактерии), который может быть особенно уязвим к антибактериальным препаратам.

· Горчица белая (Sinapis alba) — быстрорастущая тест-культура, широко используемая в фитотестировании благодаря высокой чувствительности к загрязнителям, четким морфологическим реакциям и короткому вегетационному периоду.

· Овес (Avena sativa) — злаковая культура с мочковатой корневой системой. Выбор позволяет сравнить реакцию на антибиотик однодольных растений (овес) с реакцией двудольных растений,, что расширяет применимость полученных результатов.

2.3.Расчёт концентрации антибиотика.

Концентрация антибиотика в почве до второго внесения: 1000 мг/кг

Масса антибиотика в почве до второго внесения: 1000 мг/кг 0,1 кг= 100 мг

Общая масса антибиотика в почве после внесения:100 мг 1000 мг 1100 мг

Формула для расчета концентрации C= , где C– концентрация антибиотика в почве (мг/кг);m– общая масса антибиотика (мг);M – масса почвы (кг); C= = 11000 мг/кг.

2.4. Условия проведения эксперимента.

Сроки/место: эксперимент проводился в период с 01.03.2026 по 22.03.2026 на базе домашних условий. Продолжительность эксперимента 21 день.

Субстрат (почва): для посадки использовался торфяной питательный универсальный грунт для рассады и овощных культур.

Характеристика грунта представлена в таблице:

Условия эксперимента:

Исследуемые концентрации цефтриаксона:

2.5. Анализ результатов собственных исследований.

В ходе предварительного эксперимента было установлено, что концентрация 1000 мг/кг не вызывает видимых негативных изменений у растений в течение 14 дней. Растения оставались зелёными, росли без признаков угнетения. Для определения токсического порога и изучения визуальных изменений при сверхвысоких нагрузках было принято решение продолжить эксперимент на группе растений, получавшей 1000 мг/кг. Поэтому я добавила к растениям (1000 мг/кг) ещё 10000 мг/кг. В таблицах и на картинках представлены результаты угнетения на 21 день.

1. Влияние различной концентрации цефтриаксона на рост гороха (Pisum sativum).

В контрольной группе семена гороха проросли, длина корня составила 50 мм. Добавление цефтриаксона во всех концентрациях увеличило длину корня: максимальный эффект наблюдался при 100 мг/кг (160 мм, что в 3,2 раза выше контроля). При концентрации 1000 мг/кг стимуляция сохранялась, но была чуть ниже (120 мм). Цефтриаксон в диапазоне исследованных концентраций оказал стимулирующее действие на рост корней гороха. Наибольшая эффективность зафиксирована при дозировке 100 мг/кг, тогда как более высокая концентрация (11000 мг/кг) несколько снижала. (Приложение 2, таблица 1).

В контрольной группе длина побега составила ±200 мм. Добавление цефтриаксона в концентрациях 10 мг/кг и 100 мг/кг увеличило этот показатель до 250 мм (на 25% выше контроля). При высокой концентрации (11000 мг/кг) длина побега снизилась до 160 мм, что ниже контрольных значений. Цефтриаксон в низких и средних дозах оказывает умеренное стимулирующее действие на рост побега гороха. Однако при избыточной концентрации (11000 мг/кг) наблюдается угнетение роста, что указывает на токсический эффект антибиотика в высоких дозах. (Приложение 2, таблица 2).

(Приложение 1, рисунок 1) Как видно: в контроле стебель плотный; листья зеленые, здоровые, без повреждений, при 10 мг/кг : стебель плотный; листья зеленые, здоровые, без повреждений, при 100 мг/кг: стебли плотные; большинство листьев зеленые, однако имеются с легкой желтизной и повреждениями, при 11 000 мг/кг: стебель искривлён; листья желтые, местами коричневые, поврежденные. Такая высокая доза угнетает растение.

II.Влияние различной концентрации цефтриаксона на рост редиса (Raphanus sativus).

При 10 и 100 мг/кг корни были короче контроля (80 и 60 мм против 90 мм в контроле). Редис не проявил толерантность к цефтриаксону. Низкие и средние концентрации (10-100 мг/кг) слегка угнетали корень, но сверхвысокая доза (11000 мг/кг) парадоксальным образом дала минимальный эффект. (Пр.2, Таб.3)

Все концентрации цефтриаксона дали прирост побега. Максимум (80 мм)-при 100 мг/кг. При 11000 мг/кг стимуляция сохраняется, но снижается. Редис отзывчив на цефтриаксон, особенно на концентрацию 100 мг/кг. Сверхвысокая доза снижает, но не отменяет положительный эффект. (Пр.2, Таб.4)

(Приложение 2, рисунок 2) Как видно: в контроле здоровые, зеленые стебли; листья зеленые, без повреждений, при 10 мг/кг: нормальные стебли; листья зеленые, здоровые, без повреждений, при 100 мг/кг: стебли крепкие; большинство листьев зелёные, но есть несколько пожелтевших, при 11000 мг/кг: растение угнетённое: листья пожелтели, часть из них засохла.

III.Влияние различной концентрации цефтриаксона на рост горчицы (Sinapis alba).

Горчица показала максимальную длину корня (±160 мм) при 100 мг/кг-это в 4,5 раза выше контроля (±35мм). При увеличении концентрации до 1100 мг/кг длина корня снижалась до ±70 мм соответственно. Для горчицы существует чёткий оптимум стимулирующей концентрации цефтриаксона-100 мг/кг. Более высокая и низкая дозы начинают оказывать слабое угнетающее действие, но всё ещё остаются в пределах контроля или выше него. (Прил.2, Табл.5)

Все концентрации цефтриаксона стимулировали рост побега горчицы. Максимум (±100 мм)-при 100 мг/кг. При 11000 мг/кг побег остается выше контроля. Оптимум-100 мг/кг. (Прил.2, Табл.6)

(Приложение 1, Рисунок 3) Как видно: в контроле стебли крепкие; листья насыщенно-зеленые, без видимых признаков стресса, при 10мг/кг: стебли крепкие; листья зелёные, без видимых признаков стресса, при 100мг/кг: стебли крепкие; листья зелёные, без видимых признаков стресса, при 11000 мг/кг: стебель слегка изогнут; листья пожелтели. Растение угнетённое.

IV.Влияние различной концентрации цефтриаксона на рост овса (Avena sativa).

Овёс в контроле показал самый длинный корень среди всех культур (300мм). При добавлении цефтриаксона длина корня снизилась до 80-150 мм. (Пр.2,Таб.7)

Овёс показал впечатляющий рост: + 50 мм при 10 мг/кг, +100 мм при 100 мг/кг. Даже при 11000 мг/кг побег чуть выше контроля. Овёс-самая отзывчивая культура по длине побега. Оптимальная концентрация-100 мг/кг. Устойчивость к цефтриаксону очень высокая. (Пр.2, Таб. 8).

(Приложение 1, Таблица 4) Как видно: в контроле высокие, зелёные стебли; Листья зелёные, но местами желтоватые, при 10 мг/кг: стебли зелёные, но вялые; листья зелёные, здоровые, без повреждений, при 100 мг/кг: зелёные стебли, но вялые; листья здоровые, без повреждений, при 11 000 мг/кг: растение угнетённое; стебли жёлтые, вялые; листья также имеют жёлтый оттенок, концы листьев засохли.

2.6. Гипотетическая модель «Тетра-Грунт» как инструмент экологического просвещения.

По результатам наших исследований, было выявлено влияние лишь одного антибиотика (цефтриаксона) на рост и развитие растений. Современные данные результатов загрязнения почвы, показали что в почве присутствует смесь антибиотиков [11]. В рамках исследования нами была разработана гипотетическая модель коммерческой почвы с добавлением антибиотиков. Цель создания модели: наглядная демонстрация экологических рисков бесконтрольного применения антибактериальных препаратов. Все марки и составы являются вымышленными и приведены исключительно в иллюстративных целях.

«AGRO-STOP», линейка «BIO-CIDE»; Модель: «Тетра-Грунт»

Состав почвы (на 10 кг) (Приложение 2, таблица 9).

Заявленный производителем эффект:

Полное уничтожение любой инфекции (корневые гнили, фитофтора, черная ножка- исчезают на 100%). Ни один патоген не выживет.

Предложенная гипотеза результата через 2 недели использования: