VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение влияния синтетических и природных антибиотиков на живые организмы

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Баранова А.А. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение Казанская средняя общеобразовательная школа

Тремясова А.М. 1

---

1МАОУ Казанская средняя общеобразовательная школа

Работа в формате PDF

114.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность исследования

Сегодня антибиотики очень широко используются для лечения различных заболеваний. Производство этих лекарственных препаратов растёт и с каждым годом на полках аптек появляются всё новые и новые названия. Может быть некоторые антибиотики уже не так эффективны и микроорганизмы стали к ним резистентными? А природные антибиотики тоже потеряли свою эффективность?

Я заинтересовалась этим вопросом и решила во всём разобраться.

Цель исследования:

исследовать влияние синтетических и природных антибиотиков на типичных представителей микрофлоры окружающей среды.

Задачи исследования:

1) узнать, что такое антибиотики и историю их открытия;

2) доказать, что чеснок является природным антибиотиком;

3) выяснить, как применяются антибиотики в медицине, причины антибиотикорезистентности;

4) провести анкетирование по проблеме использования антибиотиков;

5) определить чувствительность микроорганизмов воздуха к различным антибиотикам и природным антибиотикам, результаты сравнить;

6) дать рекомендации по правильному использованию антибиотиков

Гипотеза

Если воздействовать на микроорганизмы синтетическими и природными антибиотиками, то результаты будут одинаковые.

Только ли синтетические антибиотики могут бороться с бактериями

Методы исследования:

теоретический (изучение литературы по данному вопросу);

экспериментальный (наблюдение, исследование чувствительности микроорганизмов к антибиотикам);

социологический (анкетирование);

метод фотосъёмки.

2. Основная часть

2.1. Что такое антибиотики

Термин «антибиотик» (в переводе с греческого – «против жизни», т.к. «анти» - против, «биос» - жизнь) предложил в 1942 году американский микробиолог почвы Зельман Ваксман. Он писал, что антибиотики - это химические вещества, образуемые микроорганизмами, обладающие способностью подавлять рост или даже разрушать бактерии и другие микроорганизмы. Согласно наиболее распространенному в научном сообществе определению антибиотиками называют химические вещества природного происхождения или их модификации, обладающие высокой физиологической активностью по отношению к определенным группам микроорганизмов или к злокачественным опухолям, избирательно задерживающие их рост, либо полностью подавляющие развитие. 

Специфичность антибиотиков характеризуется тремя основными признаками.

Во-первых, антибиотики обладают высокой биологической активностью в отношении чувствительных к ним организмов. Это означает, что антибиотические вещества даже в очень низких концентрациях проявляют высокий физиологический эффект. Например, пенициллин в концентрации 0,000001 г/мл оказывает четко выраженное бактерицидное действие по отношению к чувствительным к нему бактериям.

Во-вторых, характерная особенность антибиотиков - избирательность их действия. Это означает, что каждый антибиотик проявляет свое биологическое действие лишь по отношению к отдельным, вполне определенным организмам или группам организмов, не оказывая при этом заметного эффекта на другие формы живых существ.

В-третьих, некоторые антибиотики наряду с антибактериальными свойствами могут проявлять иммуномодуляторное действие или выступать в качестве ингибиторов ферментов.

2.2.История открытия антибиотиков

Учение об антибиотиках - молодая синтетическая ветвь современного естествознания. Многие учёные мечтали о создании таких препаратов, которые можно было бы использовать при лечении различных заболеваний человека, о препаратах, способных убивать патогенных бактерий, не оказывая вредного действия на организм больного.

В конце XIX в. замечательные русские врачи терапевт Вячеслав Манассеин и дерматолог Алексей Полотебнов описали в своих трудах убийственное действие плесневых грибков на болезнетворные микроорганизмы. Полотебнов использовал эмульсию с плесневым грибком для лечения язв у больных сифилисом, что описал в книге «Патологическое значение плесени» (1873 г.). К сожалению, идеи Манассеина и Полотебнова в то время не получили широкого практического применения.

Явление антибиоза подавления и уничтожения одних микроорганизмов другими изучал и микробиолог Луи Пастер. В 1887 г. он описал антибиоз между почвенными бактериями и бактериями возбудителями сибирской язвы.

Разработки Пастера получили продолжение в трудах итальянского исследователя Бартоломео Гозио: он в 1896 г. из жидкости, содержащей культуру пенициллинового грибка, выделил кристаллическое соединение микофеноловую кислоту. Она считается одним из первых лекарств с антибактериальными свойствами.

В 1897 г. французский военный врач Эрнест Дюшен заметил, что арабские конюхи собирают плесень с сырых седел и лечат ею раны лошадей. Дюшен тщательно обследовал плесень, опробовал ее на морских свинках и выявил ее разрушающее действие на палочку брюшного тифа. Результаты своих исследований Эрнест Дюшен представил в парижском институте Пастера, но они не были признаны.

Другим антибиотическим веществом стала пиоционаза, полученная немецкими врачами Рудольфом Эммерихом и Оскаром Ловом в 1899 г. Пиоционаза содержала в себе бактерию, подавляющую другие бактерии возбудители холеры, тифа, дифтерии.

Пауль Эрлих (1854-1915) в результате многочисленных опытов синтезировал в 1912 году мышьяковистый препарат - сальварсан, убивающий in vitro возбудителя сифилиса. В 30-х годах прошлого столетия в результате химического синтеза были получены новые органические соединения - сульфамиды, среди которых красный стрептоцид был первым эффективным препаратом, оказавшим терапевтическое действие при тяжёлых стрептококковых инфекциях.

В 1913 г. американским ученым Карлу Альсбергу и Отису Фишеру Блэку удалось получить из плесени кислоту, обладающую противомикробными свойствами, однако их исследования были прерваны с началом Первой мировой войны.

Официально, «золотая эра антибиотиков» начинается с открытия пенициллина. Это произошло в 1929 году, и первооткрывателем официально считают британского бактериолога Александра Флеминга.

Александр Флеминг проводил рядовой эксперимент в ходе исследования сопротивляемости человеческого организма бактериальным инфекциям. Он обнаружил, что некоторые колонии стафилококковых культур, оставленные им в лабораторных чашках, заражены штаммом плесени Penicillium Notatum. Вокруг пятен плесени Флеминг заметил область, в которой бактерий не было. Это позволило ему сделать вывод о том, что плесень вырабатывает убивающее бактерии вещество, которое ученый назвал "пенициллином", по имени гриба-продуцента, относящегося к роду пенициллов.

Флеминг недооценил свое открытие, полагая, что получить лекарство будет очень трудно. Его работу продолжили ученые из Оксфорда Говард Флори и Эрнст Чейн. В 1940 г. они выделили препарат в чистом виде и изучили его терапевтические свойства. 12 февраля 1941 г. инъекция пенициллина впервые была сделана человеку. Пациентом Флори и Чейна стал лондонский полицейский, умиравший от заражения крови. После нескольких инъекций ему стало лучше, однако запас лекарства быстро закончился, и больной скончался.

В 1943 г. Говард Флори передал технологию получения нового препарата американским ученым, в США было налажено массовое производство антибиотика. В 1945 г. Александр Флеминг, Говард Флори и Эрнст Чейн были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.

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 природных и полусинтетических антибиотиков в медицинских целях используют всего лишь около ста

В 70-х годах ежегодно описывалось более 300 новых антибиотиков. В последующем число антибиотиков росло очень быстрыми темпами.

2.2. Классификация антибиотиков

Огромное разнообразие антибиотиков и видов их воздействия на организм человека явилось причиной классифицирования и разделения антибиотиков на группы.

В зависимости от природы антибиотика, его концентрации, времени действия, микроструктуры клетки организма и внешних условий - температуры рН и других, антибиотические вещества могут проявлять цитостатическое (задерживать рост микробов), цитоцидное (убивать клетки) или цитолитическое (растворять клеточную оболочку и в результате этого приводить к гибели клетки) действие.

По спектру действия антибиотики делят на:

антибактериальные

противогрибковые

антипротозойные

На вирусы антибиотики не действуют!

По спектру действия антибактериальные антибиотики делятся на: узкого (действующие на грамположительные или грамотрицательные бактерии) и широкого (действующие на грамположительные и грамотрицательные бактерии) спектра действия.

Классификация антибиотиков по механизму биологического действия:

1. Антибиотики, ингибирующие синтез клеточной стенки (пенициллины, бацитрацин и др.).

2. Антибиотики, нарушающие функции мембран (альбомицин, грамицидин и др.).

3.Антибиотики, избирательно подавляющие синтез РНК и ДНК (новобиоцин, актиномицин, актидион и др.).

4. Антибиотики, подавляющие синтез белка (тетрациклины, эритромицин, хлорамфеникол и др.).

5. Антибиотики - ингибиторы дыхания (антимицины и др.).

6. Антибиотики - ингибиторы окислительного фосфорилирования (валиномицин, грамицидины и др.).

7. Антибиотики, обладающие антиметаболитными свойствами.

Различают несколько групп антибиотиков в зависимости от действующего вещества:

Цефалоспорины. Отличаются широким спектром действия. Редко вызывают аллергию, относительно безвредны, некоторые антибиотики этой группы назначаются даже беременным женщинам и маленьким детям.

Пенициллины. Препараты с низкой токсичностью.

Макролиды. Приостанавливают размножение бактерий, поэтому действуют медленней, чем антибиотики других групп. Могут терять эффективность при применении с некоторыми видами пищи, поэтому назначаются для применения отдельно от еды.

Фторхинолоны. Обладают сильным бактерицидным действием, поэтому назначаются при тяжелых формах инфекций. Вместе с тем высокотоксичны, могут негативно влиять на формирование хрящевых тканей, поэтому противопоказаны детям и беременным женщинам.

Аминогликозиды. Наиболее опасные и токсичные из антибиотиков, используются в лечении инфекционных заболеваний, таких как фурункулёза и др.

Тетрациклины. Отличаются полной перекрестной устойчивостью – то есть бактерии, выработавшие резистентность к одному из тетрациклинов, будут также невосприимчивы и к другим препаратам этой группы.

Карбапенемы. Препараты последнего поколения, воздействуют на широкий спектр микроорганизмов. Лекарства этой группы применяют только в сложных случаях, когда другое лечение неэффективно, например при развившейся резистентности инфекции к другим группам антибиотиков.

2.3.Применение антибиотиков в медицине 

Антибиотики очень широко применяются в медицинской практике для лечения различных бактериальных, грибковых инфекций и некоторых опухолей.

   Антибактериальные антибиотики широкого спектра действия с успехом применяют при ряде заболеваний дыхательной системы, желудочно-кишечного тракта и мочеполовых путей. Однако все еще остается актуальной проблема изыскания новых эффективных препаратов для лечения кишечных инфекций.

  Большинство антибиотиков, оказывающих противогрибковое дей­ствие, получено из актиномицетов. В последние годы значительно пополнился ряд антибиотиков с противоопухолевым действием. Большинство из них тормозит синтез нуклеиновых кислот раковой клетки.

Противовирусных антибиотиков, которые бы нашли применение в клинике, пока не существует. В качестве активного противовирусного средства применяют интерферон, который рекомендуется для профилак­тики и раннего лечения гриппа.

Одним из условий предупреждения развития устойчивых форм микроорганизмов является периодическая замена широко применяющихся антибиотиков новыми, недавно созданными или редко применяющимися. Такие препараты получили название «антибиотики резерва».

3 .Практическая часть

3.1. Анкетирование

Знания об антибиотических препаратах и правильный выбор во многом определяет здоровье человека, поэтому в самом начале нашего исследования мы решили выяснить, какой информацией владеют гимназисты и что они думают о проблемах, связанных с лечением заболеваний с помощью антибиотиков. С этой целью была составлена анкета, содержащая ряд вопросов по данной теме.

Вопросы анкеты:

Что такое антибиотики?

Когда и кем они были открыты?

В каких случаях применяют антибиотики?

Помогают ли антибиотики при вирусных заболеваниях: гриппе и др.?

Как вы думаете, могут ли антибиотики- природные и синтетические навредить организму?

Какие природные антибиотики вы знаете?

(см. Приложение № 1).

Всего опрашиваемых было 65 человек, ученики 7-9 классов. Однозначных ответов на вопросы не было.

Результаты анкетирования представлены в таблице: Результаты анкетирования представлены в таблице:

Считается, что редко курс лечения антибиотиками проходит бесследно. При их лечении выделяют несколько видов побочных эффектов:

Аллергические реакции. Степень аллергии на лекарство может быть разной: от легкой сыпи до анафилактического шока. Риск внезапной и сильной аллергической реакции очень высок при применении антибиотиков в виде уколов, поэтому рекомендуют проводить данную процедуру только в условиях медицинского учреждения.

Интоксикация организма. Больше всего эти препараты ударяют по печени и способны стать причиной развития токсического гепатита. Разные виды антибиотиков вызывают интоксикацию различных органов, например аминогликозиды могут стать причиной приобретенной глухоты.

Нарушение работы ЖКТ. Угнетение антибиотиками микрофлоры кишечника ведет к различным расстройствам, чаще всего это диарея.

Подавление иммунитета.

А знают ли об этом опрашиваемые? Как же они ответили на последний вопрос? 77% ребят тоже считают, что антибиотики могут навредить организму.

Вывод: анкетирование показало, что опрашиваемые ученики мало знают об антибиотиках и их применении, поэтому следует разъяснить ребятам, что это за вещества и с какой целью они применяются.

3.2. Исследование влияния антибиотиков на микрофлору воздуха

1. Доказательство, что сок чеснока является природным антибиотиком.

Для исследования я решила использовать сок чеснока, который содержит множество сильно пахнущих серосодержащих соединений, которые и  являются антибиотиками, токсичными для микробов, но не токсичными для млекопитающих. Антибиотики чеснока выделяются в форме сложного «коктейля», состоящего из нескольких десятков разных веществ. Некоторые еще мало изучены. Главный антибиотик чеснока - дипропинилтиосульфат, известный также как аллицин, действует антисептически по отношению к стрептококкам даже при разведении 1:125000. Это соединение содержит тиосульфат-ион. Потому я решила провести качественные реакции на тиосульфат-ион, используя в качестве объекта исследования сок чеснока. (см. приложение 1)

Объект исследования – сок чеснока (рис.1)

Цель: обнаружить с помощью качественных реакций в соке чеснока природный антибиотик аллицин (дипропинилтиосульфат).

Оборудование и реактивы: пробирки, штатив для пробирок, воронка, бумажный фильтр, химические стаканы, стеклянная палочка, растворы хлорида бария, нитрата серебра, йода, сок чеснока.

1. Реакция с хлоридом бария. Тиосульфат-ион при взаимодействии с катионами бария образует белый мелкокристаллический осадок тиосульфата бария

Ход опыта:

В пробирку добавила 1 мл фильтрата сока чеснока,  прибавила 1 мл раствора хлорида бария. Наблюдала образование белого осадка тиосульфата бария. Осадок образуется медленно. Для ускорения выделения осадка потерла внутреннюю стенку пробирки стеклянной палочкой.

Ba²⁺ + S₂O₃^2- = ВаS₂О₃↓ (рис.3)

2. Реакция с йодом. Тиосульфат-ион обесцвечивает нейтральные или слабощелочные растворы йода, восстанавливая йод до йодид-ионов I^- 

Ход опыта:  

В пробирку внесла 1 мл фильтрата сока чеснока, добавила по каплям  разбавленный раствор йода, имеющего желтую окраску. Через 2-3 мин. Раствор йода обесцветился.

I₂ +S₂O₃^2-  = 2I^- + S₄O₆^2-  (рис.4)

При взаимодействии с йодом тиосульфат-ион действует как восстановитель, желтая окраска йода обесцвечивается.

3. Реакция с нитратом серебра. Тиосульфат-ион с катионами серебра Ag⁺ образует белый осадок тиосульфата серебра.

Ход опыта:

В пробирку внесла 1 мл фильтрата сока чеснока, добавила 1 мл раствора нитрата серебра.  Выделяется белый осадок тиосульфата серебра:

2Ag⁺ +  S₂O₃^2- =  Ag₂S₂O₃↓ (рис.5)

Осадок тиосульфата серебра Ag₂S₂O₃ разлагается до черного сульфида серебра Ag₂S:                                Ag₂S₂O₃+Н₂О = Ag₂S↓ + Н₂SO₄ (рис.6)

Вывод: Таким образом, обнаружив с помощью качественных реакций тиосульфат-ион в фильтрате сока чеснока, я сделала вывод, что в соке чеснока содержится  дипропинилтиосульфат или аллицин.

2. Приготовление искусственной питательной среды.

Для приготовления питательной среды мы использовали натуральную питательную среду. В нашем случае мы изготовили питательную среду из вареного картофеля. Взяли свежий картофель , очистили его, выдержали 2 часа в 2 % растворе соды, а затем отварили в течении 40 минут. Полученную питательную среду разложили в чашки Петри на фильтровальную бумагу. Далее произвели посев микроорганизмов, закрыли и поставили в теплое темное место. Далее, наблюдали процесс размножения колоний Через трое суток сравнили результаты и подсчитали количество выращенных колоний.

Таблица № 2. Изучение и подсчитывание количества выращенных колоний микроорганизмов.

Вывод: Больше всего колоний бактерий выросло в чашке Петри под номерами 2 и 4 (монета и сотовый телефон).

3. Определение чувствительности микроорганизмов воздуха к антибиоткам

Цель: установить влияние различных антибиотиков на микроорганизмы воздуха.

В ходе исследований применяли следующие антибактериальные препараты: амосин, сумамед и сок чеснока.

Для определения чувствительности микроорганизмов к антибиотикам использовали следующее оборудование: 5 чашек Петри с микробами в питательной среде на основе агара, стерильные одноразовые шприцы, растворы антибиотиков.

Ход работы

Приготовили растворы антибиотиков: на 1 грамм антибиотика – 5 мл воды. В чашки Петри с микроорганизмами в питательной среде стерильным шприцом добавляли раствор антибиотика до заполнения чашки и наблюдали в течении последующих 48 часов изменения (см. Приложение № 5).

Таблица № 3. Чувствительность микроорганизмов к антибиотикам

В таблице представлено воздействие различных антибиотиков на микроорганизмы. Цифрами показана степень эффективности антибиотиков:

0 – вообще неэффективны

1 – малоэффективны (в отношении лишь отдельных представителей)

2 – эффективны в отношении нескольких представителей

3 – эффективны для большинства микробов

Таблица № 3. Изучение и подсчитывание количества выращенных колоний микроорганизмов.

Результаты исследований:

1) В чашках Петри № 2 и № 3 с антибиотиками Амосином и Тетрациклином наблюдали развитие роста колоний после применения препарата

2) Наименьшее развитие и распространение колоний микроорганизмов наблюдали в чашках Петри № 1 и № 4 с соком чеснока и сумамедом.

Вывод: самой сильной антибиотической антивностью обладают антибиотики широкого спектра действия, такие как сумамед. Но и природный антибиотик сок чеснока показал хороший результат.

Заключение и выводы

Итак,  изучив чувствительность микрофлоры воздуха к различным антибиотикам мы установили, что данные микроорганизмы наиболее чувствительны к аллицину и сумамеду. Антибиотики полностью подавляют рост культуры, угнетают колонию. Это объясняется широким спектром данных антибиотиков. Чувствительность к амосину (из группы пенициллинов) минимальна. Такую устойчивость к пенициллину можно объяснить возможностью некоторых бактерий образовывать фермент пенициллиназу, разрушающий пенициллин, поэтому микроорганизмы относительно легко и быстро приобретают к нему устойчивость. Результаты моего исследования позволяют сделать вывод, что чеснок можно использовать при лечении простудных заболеваний, в качестве антисептических средств, как средства повышения иммунитета, не прибегая к синтетическим антибиотикам.

Но нужно знать, что бактерии приспосабливаются к антибиотикам. Поэтому использовать синтетические антибиотики нужно только по назначению врача. Таким образом, я считаю, что полностью игнорировать синтетические антибиотики нельзя, но нужно знать, что существуют природные антибиотики, которые меньше вредят нашему организму.  Если употреблять их в пищу, то это поможет организму бороться с инфекцией и повысить иммунитет.

Литература:

1. Бриан Л. Бактериальная резистентность и чувствительность к химиопрепаратам / Перевод с англ. А. Я. Ивлевой. - Москва: Медицина, 1984.- 270 с.

2. Воробьев А. А., Кривошеин Ю. С., Быков А. С. Основы микробиологии, вирусологии и иммунологии. Москва: Мастерство, 2001.- 224 с.

3. Гусев М. В., Минеева Л. А. Микробиология (третье издание). Москва: Издательство Московского университета, 1992.- с.

4. Егоров Н.С. Основы учения об антибиотиках (5-ое издание, переработанное и дополненное). Москва: Издательство Московского университета, 1994.- 512 с.

5. Покровский В. Н. Антибиотики и бактерии. Москва: Знание, 1990. 64 с.

6. Сазыкин Ю. О. Биохимические основы действия антибиотиков на микробную клетку. Москва: Наука, 1965.- 267 с.