Департамент образования города Москвы Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение Лицей 1367 Исследовательский проект по биологии для участия в конференции учащихся профильных классов медицинской направленности «ЗДОРОВЬЕ – ГЛАВНАЯ ЦЕННОСТЬ» по теме: «Целый микромир на зубной эмали» Автор: Егорова Мария Михайловна ученица 10 «И» класса Руководитель: Скворцова Я.В. к.п.н., учитель биологии Москва 2015 год ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ................................................................................................... 3 1.1.Зубная эмаль - внешняя защитная оболочка верхней части зубов человека. ................................................................................................... 4 1.2 Характеристика химический состав слюны, как средообразующего фактора ................................................................... 5 1.3. Биологическое разнообразие микроорганизмов, обитающих на зубной эмали. ........................................................................................... 7 Развитие зубного налета. ..................................................................................... 7 Виды патогенных микроорганизмов, обитающих на зубной эмали .............. 8 1.4. Экспериментальная часть ......................................................... 15 Выводы ................................................................................................... 18 Список литературы ............................................................................... 19 2 Введение Актуальность: В течение дня мы ощущаем, как на наших зубах образуется налет. С утра, как обычно, чистим зубы, но, на какое время наши зубы защищены? Кто они - эти микроорганизмы, которые освоили нашу ротовую полость, как среду обитания? Все ли они наносят вред или есть те, которые наоборот защищают нас? Все эти вопросы натолкнули нас на наше исследование. Предмет исследования: Скорость размножения микроорганизмов на зубной эмали. Объект исследования: Биологическое разнообразие микроорганизмов. Гипотеза: Если не чистить зубы в течение суток, насколько увеличиться количество бактерий в зубном налете? Цель исследования: Выявить динамику появления микроорганизмов на зубной эмали. Задачи исследования: 1. Описать строение зубной эмали, как поверхности для размножения микроорганизмов. 2. Охарактеризовать химический состав слюны, как средообразующего фактора. 3. Выяснить биологическое разнообразие микроорганизмов, обитающих на зубной эмали. 4. Научить технике приготовления окрашенного микропрепарата зубного налета. 5. Описать морфологическую характеристику бактерий в окрашенном микропрепарате. 3 1.1.Зубная эмаль - внешняя защитная оболочка верхней части зубов человека. Эмаль является самой твёрдой тканью, что объясняется высоким содержанием неорганических веществ до 95%. Воды в зубной эмали меньше, чем в остальных органах, всего 0,2%. Её твёрдость достигает 397.6 кг/мм», лишь немного уступает алмазу (250-800 ед. Виккерса). Толщина слоя эмали в различных участках коронки достигает от 0.01 мм, а у шейки зуба до 3.5 мм. [1] Углеводы эмали представлены глюкозой, маннозой, галактозой и др. Вода занимает свободное пространство в кристаллической решётке и органической основе, а также располагается между кристаллами. Гидроксиапатиты очень восприимчивы к кислотам, поэтому разрушение эмали начинается уже при pH 4.5. Гидроксиапатит – неорганический минерал, являющийся главным компонентом зубной эмали и костной ткани. Располагаясь в ротовой полости, естественная среда в которой — щелочная, зубная эмаль также нуждается в поддержке щелочного баланса. Тем не менее, после каждого приёма пищи, при расщеплении сахара, под воздействием разнообразных бактерий, перерабатывающих остатки еды и выделяющие кислоты, щелочная среда нарушается. В результате, кислота разъедает эмаль и приводит к кариесу, для ликвидации необратимых последствий которого необходимы пломбы. Эмаль зуба покрывает тончайшая мягкая пленка — пелликула, состоящая из белков слюны. Пелликула (приобретенная кутикула) бесструктурное образование, в создании которого участвуют гликопротеиды слюны. Она появляется после прорезывания зуба и плотно фиксируется на его поверхности. Если снять пелликулу, то происходит ее быстрое восстановление из-за постоянного контакта с ротовой жидкостью. От состояния пелликулы зависят процессы диффузии и проницаемости в поверхностном слое эмали. Пелликула играет важную роль в избирательном прикреплении бактерий и вследствие этого - в образовании зубного налета. В 4 определенной степени эта оболочка защищает целостность структуры эмали, однако большое количество пелликулы не является показателем устойчивости эмали. При неудовлетворительной гигиене полости рта происходит прикрепление бактерий к пелликуле и образование зубного налета. На нее оседают обитающие в полости рта микробы. Микробные скопления прочно прикрепляются к пелликуле в виде плотного налета или плотных бляшек. Зубной налёт (иногда используется термин «зубная бляшка») — скопление бактерий в виде плёнки, образующееся на зубах (в том числе и здорового человека). Зубной налёт включает как аэробные, так и, факультативно, анаэробные бактерии и начинает образовываться уже через 1—2 часа после чистки зубов. Бактерии зубного налёта выделяют кислоту, но в первые часы она нейтрализуется слюной. А через несколько часов налёт становится толстым и плотным, слюна перестает проникать в него, и кислота начинает растворять эмаль зуба, что со временем приводит к оголению дентина и развитию кариеса. Основу плотного налета составляют плохо растворимые клейкие полисахариды. Они способствуют удержанию микроорганизмов на поверхности зуба. Более того — ограждают их от воздействия антимикробных факторов слюны. Но зато свободно пропускают в глубокие слои зубного налета сахарозу, глюкозу и фруктозу, которые кислотопродуцирующие микробы используют для своей жизнедеятельности. 1.2 Характеристика химический состав слюны, как средообразующего фактора. Слюна является секретом слюнных желез и важной биологической средой полости рта, а потому ее свойства и химический состав существенно влияют на состояние зубов и слизистой оболочки полости рта.[2]. Слюна (лат. saliva) - прозрачная бесцветная жидкость, отделяемая в полость рта секрет слюнных желёз. Слюна смачивает полость рта, способствуя артикуляции, обеспечивает восприятие вкусовых ощущений, смазывает 5 пережёванную пищу. Кроме того, слюна очищает полость рта, обладает бактерицидным действием, предохраняет от повреждения зубы. Под действием ферментов слюны в ротовой полости начинается переваривание углеводов. [3]. Слюна на 99,5% состоит из воды, а остальное - растворенные в ней минеральные вещества и органические компоненты это белки, которые синтезируются в слюнных железах и вне их. Концентрация белков в слюне от 1 до 4 г/л. В слюне также есть небелковые азотистые соединения - 200мг/л - мочевина, мочевая кислота, свободные аминокислоты, нуклеотиды. В минеральный концентрации состав слюны кальция в входят слюне натрий, может калий, приводить кальций. к Рост развитию слюннокаменной болезни и образованию камней в протоках. Наличие кальция и фосфора в слюне обеспечивает поддержание постоянства состава тканей зуба. Высокое содержание кальция и фосфора в слюне: 1) препятствует растворению эмали; 2) обеспечивает поступление ионов кальция и фосфора в эмаль; 3) регулирует рН слюны. Изменение рН в щелочную сторону связано с увеличением количества кальция и фосфора в слюне. Если рН слюны снижается, то это говорит о недостатке кальция и фосфора в слюне. Функции слюны 1 Пищеварительная функция - слюна увлажняет, размягчает еду и формирует первичную пищевую грудку. 2 .Защитная функция - слюна является первым барьером на пути проникновения в организм вредных факторов, а потом содержит мощную ферментативную и иммунную систему защиты, которая включает: защитный фермент-лизоцим, ингибиторы протеина, факторы свертывания крови, муцин, лейкоциты. 6 3.Функция Выделения – со слюной выделяются конечные продукты азотистого обмена, минеральные соли, продукты превращения лекарств, токсинов. 4. Регуляторная функция - это способность слюны поддерживать гомеостаз полости рта. В составе слюны выделяются гормоны и регулярные пептиды, которые имеют высокую биологическую активность. . [4] Среди защитных ферментов слюны следует отметить пероксидазу и каталазу. В ротовой полости происходит два взаимообратных сбалансированных процесса - реминерализации и деминерализация. Первый связан с восстановление минеральных структур зуба, а второй с их вымыванием. Щелочная фосфотаза, которая усиливает процессы реминерализации и кислая фосфотаза, которая имеет деминерализирующее действие, образуются слюнными железами, микроорганизмами и лейкоцитами. Они проникают в эмаль зуба и существенно влияют на эти процессы. [5]. 1.3. Биологическое разнообразие микроорганизмов, обитающих на зубной эмали. Микрофлора полости рта включает представителей всех классов микроорганизмов: бактерий, актиномицетов, спирохет, грибов, простейших, а также вирусов. Преобладают бактерии, причем около 90 % микробных видов составляют анаэробы. Развитие зубного налета. Одним из самых надежных способов защиты зубной эмали является чистка зубов, но уже через 1-2 ч после этого начинает формироваться зубная бляшка. Значительное влияние на образование зубных бляшек оказывает рН среды в ротовой полости. На верхних зубах преобладают аэробы и факультативные анаэробы (стрептококки), на нижних — анаэробы (вейлонеллы и фузобактерии). При образовании бляшек в межзубных щелях микробная колонизация протекает гораздо интенсивнее, но замены аэробных микроорганизмов анаэробами не происходит. 7 Диета может оказывать значительное влияние на развитие зубных бляшек. Высокое содержании в ней углеводов приводит к образованию большого количества молочной кислоты в результате их ферментации стрептококками и лактобациллами. Молочную кислоту разлагают вейлонеллы, нейссерии и фузобактерии до уксусной, муравьиной, пропионовой и других органических кислот, что обусловливает резкий сдвиг рН среды в кислую сторону. В процессе бляшкообразования происходит существенное изменение состава микрофлоры. В первой фазе длительностью 2-4 ч образуется так называемая «ранняя зубная бляшка, в которой преобладают аэробные и факультативно-анаэробные бактерии — стрептококки, стафилококки, нейссерии и лактобактерии. Общее содержание бактерий не превышает 1001000 в 1 г. Во второй фазе (4-5-е сутки) их сменяют анаэробные лептотрихии и фузобактерии. Общее содержание бактерий увеличивается до 1-10 млн в 1 г. В третьей фазе (6-7-е сутки и далее) микробиоценоз приобретает качественный окончательный состав, но в нём постоянно происходят количественные сдвиги. Резко снижается содержание аэробов и факультативных анаэробов (нейссерии, стрептококки) с преобладанием облигатных анаэробов (бактероиды, фузобактерии, вейлонеллы, актиномицеты, пептострептококки). Последние выделяют комплекс токсических субстанций и ферментов (коллагеназа, протеаза, гиалуронидаза и др.), повреждающие прилежащие ткани. Протеазы способны разрушать AT (IgA и IgG), что облегчает дальнейшую микробную колонизацию. Общее содержание бактерий достигает десятков и сотен миллиардов в 1 г. Зубные бляшки могут образовываться и на поверхности пломб; микробный состав бляшек зависит от характера и качества пломбировочного материала. [6] Виды патогенных микроорганизмов, обитающих на зубной эмали Наиболее обширная группа бактерий, населяющих полость рта, кокковидные формы. 8 Стрептококки. Являются одними из основных обитателей полости рта. Обнаруживаются у 100 % людей в слюне (в 1 мл до 108 — 109 стрептококков) и в десневых карманах. Стрептококки имеют шаровидную или овальную форму, грамположительны, неподвижны, не образуют спор. В мазках из культур на плотных средах располагаются попарно или короткими цепочками. 1.Solobacterium moorei (солобактерия Мура) (Рис. 1) Этот анаэробный организм был обнаружен практически у ста процентов пациентов, имеющих неприятный запах изо рта. Она виновна в образовании дурного запаха – в результате выработки сероводорода, индола и скатола. Рис. 1 2.Streptococcus mutans (Стрептококк мутанс) (Рис.2). Этот организм образует на зубах тончайшую пленку. Такая бактерия постепенно разъедает зубную эмаль, а потом и дентин. Все это вызывает кариес, зубную боль, и в итоге приводит к окончательной потере органа. Клетки шарообразной формы диаметром менее 2 мкм располагаются попарно или цепочками. Рис. 2 3.Treponema denticola (Трепонема зубная) (Рис 3.) – бактерия, которая при условии недостаточной гигиены полости рта приводит к разрушениям десен. На фото видно, что она похожа по внешнему виду со своей родственницей – бледной трепонемой, которая вызывает у человека сифилис. Рис. 3 9 Форма с одинаковыми по высоте завитками. Характер подвижности плавные винтообразные и сгибательные движения. Большое количество спирохет, обнаруживается при язвенном стоматите, ангине Венсана, в зубодесневых карманах при тяжелых формах пародонтита, в кариозных очагах и некротизированной пульпе. 4. Porphyromonas (Порфиромон десневой) микроорганизм, который gingivalis (Рис.4) в – большинстве случаев вызывает пародонтоз. Много микробов имеется и в крови, вытекающей из десен, которую исследовали под микроскопом. Рис. 4 5.Veillonella alcalescens (Вейлонелла алкасенсес) (Рис.5) – Представляет собой мелкие грамотрицательные кокки. Клетки имеют сферическую форму, в мазках располагаются попарно, в виде скоплений или коротких цепочек. Неподвижны, не образуют спор. Рис. 5 Облигатные анаэробы. Хорошо растут при 30—37 °С. Не ферментируют углеводы и многоатомные спирты. Вейлонеллы содержат эндотоксины липополисахаридной природы. В полости рта обнаружено два вида этих кокков: Veillonella parvula и Veillonella alcalescens, которые постоянно присутствуют в большом количестве (в 1 мл слюны до 107— 108 ). [4] 6. Актиномицеты. (рис. 6). Обнаруживаются в слюне практически у 100 % людей, очень часто встречаются в десневых карманах. Актиномицеты представляют собой группу нитчатых бактерий. Рис. 6 10 Актиномицеты грамположительны, имеют тенденцию образовывать разветвленные нити в тканях или на питательных средах. Нити тонкие (диаметр 0,3—1 мкм), не имеют перегородок, легко фрагментируются, что приводит к образованию палочковидных или кокковидных форм. Неподвижны, не образуют спор. Количество актиномицетов резко возрастает при различных стоматологических заболеваниях, сопровождающихся увеличением числа анаэробных микроорганизмов - актиномикозы. У здоровых людей в полости рта обнаруживается целый ряд других палочковидных и извитых форм. 7. Neisseria (Нейссерии). (рис.7) Грамотрицательные диплококки бобовидной формы. Род объединяет сапрофитные и патогенные микроорганизмы (к патогенным относятся менингококки и гонококки). Сапрофитные нейссерии аэробы, всегда в большом количестве встречаются в полости рта здоровых людей (1—3 млн в 1 мл слюны). В отличие от патогенных сапрофитные нейссерии хорошо растут на простых питательных средах даже при комнатной температуре. Рис. 7 Оптимальная температура роста 32...37 °С. В биохимическом отношении нейссерии малоактивны — сбраживаются лишь немногие углеводы. Чаще всего обнаруживаются в пульпе и периодонте при остром серозном воспалении 8. Бранхамеллы. Представляют собой кокки, обычно располагаются попарно. Грамотрицательны, неподвижны, не образуют спор, аэробы. Температурный оптимум — около 37 °С. Растут на обычных средах. Углеводы не ферментируют. В полости рта обнаруживается Branhamella catarrhalis. В мазках со слизистой оболочки часто располагаются внутри лейкоцитов. 11 9. Молочнокислые бактерии (лактобациллы). (рис. 8). У 90 % здоровых людей в полости рта обитают молочнокислые бактерии (в 1 мл слюны содержится 103—104 клеток). Палочковидные бактерии, образующие цепочки. Рис. 8 Неподвижны, не образуют спор и капсул. Благодаря образованию большого количества антагонистами других молочной микробов: кислоты лактобациллы стафилококков, Е. coli являются и других энтеробактерий. Антагонистические свойства молочнокислых бактерий были замечены еще И. И. Мечниковым, который предложил употреблять простоквашу из молока, заквашенного L. bulgaricus, для подавления гнилостных бактерий в кишечнике. До 90% обитающих в полости рта лактобацилл относятся к L. casei и L. fermentum. Молочнокислые палочки не обладают патогенными свойствами, однако их количество резко возрастает при кариесе зубов. Для оценки активности кариозного процесса даже предложен «лактобациллентест» — определение количества лактобацилл. 10. Бактероиды. В полости рта здоровых людей всегда присутствуют бактероиды палочки. — анаэробные Отличаются грамотрицательные большим не полиморфизмом спорообразующие — могут иметь палочковидную, нитевидную или кокковидную форму. Не образуют капсул. Большинство видов неподвижно. Количество бактероидов увеличивается при различных гнойно-воспалительных процессах ротовой полости рта. Fusobacteriales (Фузобактерии) (рис. 9) Грамотрицательные анаэробные полиморфные микроорганизмы, часто имеют форму толстых длинных палочек с 12 заострёнными концами размером 0,5—1 × 2—3 мкм, не имеющие жгутиков и не образующие спор и капсул. Фузобактерии входят в состав нормальной микрофлоры верхних дыхательных путей, желудочно-кишечного тракта и половых путей. При ангине, герпетическом стоматите, гипотрофии у детей, при иммунодефицитных состояниях возможно развитие фузоспирохетоза — некротического воспалительного процесса на миндалинах, слизистой оболочки полости рта. 11. Дрожжеподобные грибы рода Candida. (рис.10). Распространены повсеместно. Постоянно обнаруживаются на коже, слизистых оболочках открытых полостей человека, в кишечнике. Большинство из них не патогенны для человека. Рис. 10 Имеются и условно-патогенные виды, способные вызвать заболевания при снижении защитных сил организма - кандидозы или кандидамикозы. Дрожжеподобные грибы обнаруживаются в полости рта здоровых людей (в 1 мл слюны 102—103 клеток), причем наблюдается тенденция к их более широкому распространению. В настоящее время эти грибы встречаются в 40—50 % случаев в полости рта здоровых людей. 12. Простейшие полости рта. У 45—50 % здоровых людей обитателем полости рта является Entamoeba gingivalis. Эти микроорганизмы (Рис. 11). обнаруживаются преимущественно в десневых карманах, криптах миндалин, зубном налете. Е. gingivalis имеет диаметр 20—30 мкм, очень подвижна Аэроб. У 10—20 % людей в полости рта обитает Trichomonas elongata (рис. 11), имеет грушевидную форму длиной 7—20 мкм. На переднем конце расположены четыре жгутика, отходящие от базальных зерен. Один из жгутиков окаймляет ундулирующую мембрану. У основания 13 жгутиков имеется щелевидное углубление. Предполагают, что оно служит для захвата пищи (бактерий). Трихомонады подвижны, хорошо видны в живом состоянии в неокрашенных препаратах. Культивируют их так же, как и амеб. Амебы и трихомонады усиленно размножаются при негигиеническом содержании полости рта, а также при гингивитах и пародонтите. Рис. 11 14 1.4. Экспериментальная часть В экспериментальной части нашего исследования состояла из двух этапов: - наблюдение и описание происходящих изменений с зубным налетом в течение суток. - приготовление микропрепарата с окраской фукорцином и микробиологическое его исследование. Для проведения нашего исследования мы использовали электронный микроскоп ProScope HR, микроскоп Юннат -2П-3, предметные стекла и раствор Фукорцина. Первый этап исследования. С утра, как обычно, мы почистили зубы и сделали фото (рис. 12) при помощи электронного микроскопа для визуального наблюдения за изменением состояния зубной эмали. Рис. 12 Поскольку, зубной налет образуется не так быстро и визуального его можно заметить через 1 день, то следующее фото, мы сделали через сутки, при условии, что зубы в течение этого времени не чистили (рис. 13). Рис. 13 В результате нашего наблюдения мы отметили, что зубной налет на зубах нижней челюсти, по сравнению с зубами верхней челюсти, гораздо заметнее. Он темнее, желтее и зубы покрыты плёнкой, особенно в межзубных промежутках. 15 Второй этап исследования: При помощи деревянного шпателя, мы сделали соскоб перед началом исследования и через сутки с зубов нижней челюсти, поскольку там, визуально зубной налет заметнее. Используя технику приготовления микропрепаратов и простой метод окрашивания, мы приготовили микропрепарат. Для этого нам понадобились (рис. 14): Обезжиренные предметные стекла, стакан с водой, пинцет, полоски фильтровальной бумаги, пипетка для краски. Рис. 14 Техника приготовления микропрепарата: 1. Предметное стекло промыли под проточной водой и хорошо высушили. 2. Стеклянной палочкой тонким слоем размазали зубной налет по поверхности стекла. 3. Затем пипеткой взяли каплю раствора фукрцина и добавили в мазок (рис. 15). Поскольку раствор фукорцина обладает бактерицидным свойством, но нет необходимости обрабатывать стекло сухим жаром в пламени спиртовки, микроорганизмы погибают от красителя. Более того, при наблюдении микропрепарата в микроскоп было замечено ускоренное движение бактерий. Возможно, предположить, что так они пытались избежать действия фукорцина. Рис. 15 16 5. Рассмотрели приготовленный микропрепарат в микроскоп. Рис. 16 Рис. 16 6. Дали высохнуть микропрепарату и повторно рассмотрели его в микроскоп (рис. 17). Рис. 17 Результаты второго этапа исследования: Рассматривая окрашенный микропрепарат в электронный микроскоп, мы увидели большое количество бактерий и смогли по морфологическим признакам определить их. В микропрепарате были заметны бактерии шаровидной и палочковидной формы. После чистки зубов в зубном налете, взятом с зубов нижней челюсти, обнаружились не в значительном количестве бактерии (рис. 18). Через сутки количество бактерий увеличилось (рис. 19). .рис. 18 рис. 19 17 Выводы В результате обзора и анализа литературы, проведённого эксперимента по теме исследования, мы пришли к следующим выводам: 1. Эмаль зуба покрывает тончайшая мягкая пленка — пелликула, состоящая из белков слюны. Если не соблюдать гигиенические процедуры по уходу за полостью рта, то тогда пелликула, может стать поверхностью для прикрепления бактерий и образования в дальнейшем зубного налета. 2.Для развития и роста бактерий необходима кислая среда, а не щелочная, которая поддерживается слюной и непатогенными бактериями ротовой полости. 3.Именно полисахариды, которые составляют основу зубного налета и выделяются бактериями, создавая кислую среду в ротовой полости. Полисахарида защищают микроорганизмы от бактерицидного воздействия слюны. Употребление углеводсодержащей пищи, способствует образованию зубного налета и поддержания кислой среды. 4.В ротовой полости обитает большое количество микроорганизмов: бактерии, грибы, простейшие. Основу составляют бактерии кокковой группы, аэробы. При повышенном росте одного вида, создаются благоприятные условия для усиления роста другого вида. 5. В ходе исследования было выяснено, что чистка зубов зубной щеткой не обеспечивает полного уничтожения бактерий из ротовой полости. 6. Зубной налет образуется достаточно долго в ротовой полости для того чтобы появился плотный зубной налет необходимо не чистить зубы в течение 4-5 дней. В результате нашего исследования, было показано увеличение роста бактерий в зубном налете в течение суток. 7. Основу в образовании зубного налете составляют бактерии, а не другие микроорганизмы, обитающие в ротовой полости. 8. При рассматривании окрашенного микропрепарата зубного налета, были определены кокки и палочковидные бактерии, что позволяет различить их по морфологическим свойствам. 9. Зубной налет на зубах нижней челюсти образуется быстрее, чем на зубах верхней челюсти. Цель исследования достигнута, задачи выполнены. 18 Список литературы 1. et.tdmu.edu.ua 2.Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона 3. blgy.ru/biology8/mouth 4. www/eurolab/ua//anatomy/138 5.http://www.vashaibolit.ru/4411-demineralizaciya-emali 6. http://meduniver.com/Medical/Microbiology/824.html MedUniver 7. Профессиональное самоопределение школьников Москвы. Биотехнология. учеб. пособие для учащихся 9-11 классов / П.М. Скворцов, Я.В. Скворцова. – М.: ОИЦ «Академия»: ОАО «Московские учебники», 2011 8. Мишустин, Е.Н. Микробиология. / Е.Н. Мишустин, В.Г. Емцев – М.: «Дрофа», 2005 9. Ситникова, О. А. Тарасенко А. А. Руководство к лабораторным занятиям по микробиологии. – М., 1982 19