1.2. Бактерии

Департамент образования города Москвы
Северо-Западное окружное управление образования города Москвы
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ГОРОДА
МОСКВЫ
«КУРЧАТОВСКАЯ ШКОЛА»
__________________________________________________________________________________
123060, Москва, улица Маршала Конева, дом 10. Тел: (499) 194-10-44.
E-mail: kurchat@edu.mos.ru
Микроорганизмы и их устойчивость к
антибиотикам
Медведовская Мария Павловна
Класс: 11 «Б»
Москва
2015
Оглавление
1. Обзор литературы .................................................................................................... 4
1.1. Микроорганизмы ............................................................................................ 4
1.1.1 Классификация микроорганизмов ......................................................... 4
1.2. Бактерии ........................................................................................................... 5
1.2.1 Форма бактерий......................................................................................... 6
1.2.2 Питание бактерий ..................................................................................... 7
1.2.3 Дыхание бактерий..................................................................................... 8
1.2.4 Размножение бактерий ............................................................................ 8
1.2.5 Бактерии и человек ................................................................................. 10
1.3. Антибиотики .................................................................................................. 10
1.3.1 Ампициллин ............................................................................................. 13
2. Материалы и методы ............................................................................................. 14
3. Результаты .............................................................................................................. 15
3.1 Разнообразие и количество колоний .......................................................... 15
3.2 Устойчивость к ампициллину ...................................................................... 16
4. Выводы .................................................................................................................... 19
5. Перспективы исследования.................................................................................. 19
6. Список литературы ................................................................................................ 19
2
Введение
Актуальность темы
Микроорганизмы окружают человека повсеместно. Каждая среда
обитания наполнена разнообразными их видами. Отдельный интерес
для человека представляют бактерии, в особенности патогенные.
Благодаря особенностям своей физиологии они могут сопротивляться
действию лекарств антибактериальной направленности. Адаптация
отдельных штаммов болезнетворных микроорганизмов к действию
антибиотиков – серьезная проблема для медицины. После их
адаптации к уже имеющимся антибиотикам приходится создавать
новые лекарства.
Цель
Изучить устойчивость микроорганизмов воздуха квартиры к
антибиотикам (на примере ампициллина).
Задачи

Определить количество и разнообразие микроорганизмов в
воздухе различных помещений моей квартиры.

Определить устойчивость микроорганизмов к антибиотикам
(на примере ампициллина).
3
1. Обзор литературы
1.1. Микроорганизмы
1.1.1 Классификация микроорганизмов
Микроорганизмы (микробы) – это все мельчайшие организмы,
которые невозможно увидеть невооруженным глазом (их размер –
менее 0,1 мм). Это единственный признак, которых их объединяет. Их
подразделяют
в
зависимости
от
молекулярно-биологической
организации на прокариот и эукариот.
Таблица 1. Сравнение прокариот и эукариот
Структуры и
функции
Прокариоты
Эукариоты
Наличие ядра
Обособленного ядра нет
Имеется обособленное ядро,
отделенное от цитоплазмы
двойной
мембраной
(оболочкой)
ДНК
Кольцевая, не
организованная в
хромосомы
Линейная, организована в
хромосомы, находится в ядре
Рибосомы
Небольшие (70s)
Крупные (80s)
Митоз и мейоз
Отсутствует
Имеется
Одномембранные
органеллы
Отсутствуют
Многочисленны: ЭПС, аппарат
Гольджи, вакуоли, лизосомы и
т.д.
Двухмембранные
органеллы
Отсутствуют
Митохондрии – у всех
эукариот; пластиды – у
растений
Клеточный центр
Отсутствует
Имеется в клетках животных,
грибов; у растений – в клетках
водорослей и мхов
Капсула или
слизистый слой
Имеется у некоторых
Отсутствует
бактерий
4
1.2. Бактерии
Бактерии
(прокариоты)
многочисленных
и
–
надцарство
разнообразных
микроскопических
организмов,
для
которых
характерно отсутствие наличия оформленного ядра.
Жгутик
Капсула
Клеточная стенка
Фотосинтетические
мембраны
Плазматическая мембрана
Рибосомы
Запасные питательные вещества
Пили, или фимбрии
Цитоплазма
Мезосома
Кольцевая молекула ДНК
Рис. 1. Строение клетки прокариота [1]
Клеточная стенка – опорный материал клетки, прочная, позволяет
клетке сохранять свою форму (у прокариот состоит из муреина).
Капсула нужна клеткам для дополнительной защиты. Благодаря ей
капсулированные штаммы пневмококков свободно размножаются в
организме
человека,
некапсулированные
фагоцитами
и
вызывая
штаммы
воспаление
легко
поэтому
легких,
атакуются
совершенно
и
тогда
как
разрушаются
безвредны.
Плазматическая мембрана – эластическая молекулярная структура,
состоящая из липидов и белков. Отделяет содержимое любой клетки
от внешней среды, регулирует обмен между клеткой и средой.
Фотосинтетические мембраны – это мембраны, схожие по строению
и химическому составу с плазматическими мембранами, но кроме того
содержащие пигменты, поглощающие свет (бактериохлорофиллы,
каротиноиды). Имеются только у цианобактерий. Мезосома –
многоскладчадчатая структура, представляющая собой впячивания
5
плазматической мембраны клетки. Во время клеточного деления
мезосомы, связываются с ДНК, обеспечивая разделение двух дочерних
молекул
ДНК после репликации и способствуя образованию
перегородки
между
дочерними
клетками.
Жгутик – это органоид движения, совершающий вращательные
движения. Рибосомы – это мельчайшие органоиды клетки, открытые
после изобретения электронного микроскопа, имеющиеся как у
прокариот, так и у эукариот. У прокариот мелкие рибосомы (70s)
содержатся в цитоплазме. Рибосомы обеспечивают синтез белка на
основе информации, заложенной в иРНК, а также на рибосомах
осуществляется
сборка
только
первой
организации
белковой
молекулы. Кольцевая молекула ДНК – это генетический материал
клетки длиной около 1 мм (т.е. она значительно длиннее, чем сама
клетка), отвечает за хранение и передачу информации. Пили, или
фимбрии – многочисленные палочковидные выросты, которые короче
и тоньше жгутиков, служащие для прикрепления к специфическим
клеткам или поверхностям.
1.2.1 Форма бактерий
Таблица 2. Форма бактерий.
Название
бактерии
Форма бактерии
Кокки
Шарообразная
Бацилла
Палочковидная
Вибрион
Негнущийся,
представляет собой
лишь часть витка
спирали
6
Изображение
бактерии
Спирилла
Спиралевидная
Стрептококки
Цепочка из кокков
Стафилококки
Грозди кокков
Диплококки
Две круглые бактерии,
заключенные в одной
слизистой капсуле
1.2.2 Питание бактерий
Питание – это процесс поглощения и усвоения энергии пищи,
получение стройматериалов для создания новых клеток. Источником
энергии для бактерий служат свет, неорганические и органические
вещества.
По характеру использования углерода и источника энергии бактерии
подразделяют на следующие группы:
 Фототрофы – организмы, использующие энергию света.
 Хемотрофы – организмы, использующие только энергию
химических связей.
 Автотрофы – организмы, источником углерода для которых
является неорганическое соединение (диоксид углерода).
 Гетеротрофы – организмы, источником углерода для которых
являются органические соединения.
7
Таблица 3. Типы питания бактерий
ИСТОЧНИК УГЛЕРОДА
Автотрофные
Гетеротрофные
ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ
Фототрофные
Фотоавтотрофные
Фотогетеротрофные.
Используют энергию
Например, сине-зеленые
Например, пурпурные
солнечного света
бактерии
несерные бактерии
(фотосинтезирующие)
(цианобактерии)
Хемотрофные
Хемоавтотрофные
Хемогетеротрофные
Используют
Например, Nitrosomonas
Большинство бактерий
химическую энергию
и Nitrobacter,
– все сапрофиты,
(хемосинтезирующие)
натрифицирующие
паразиты и мутуалисты
бактерии, участвующие
(симбиониты)
в круговороте азота
1.2.3 Дыхание бактерий
По типу дыхания выделяют анаэробные и аэробные бактерии.
Анаэробные бактерии – это вид микроорганизмов, которые растут и
развиваются при отсутствии кислорода (пример - столбнячная
палочка). Аэробные бактерии – это вид микроорганизмов, которым
необходим кислород для роста и развития (пример - туберкулезная
палочка).
1.2.4 Размножение бактерий
Бесполое размножение бактерий
После того, как клетка вырастит до определенных (критических)
размеров, то она подвергается делению. Для большинства бактерий
характерно равновеликое бинарное поперечное деление, при котором
8
образуются
две
одинаковые
дочерние
клетки,
идентичные
материнской клетке (рис. 2). Деление клетки в благоприятных
условиях наступает каждые 15-20 минут.
Рис. 2. Бесполое размножение бактерий.
1 – исходная клетка;
2 – редупликация;
3 – разделение дочерних молекул ДНК;
4 – образование двух дочерних клеток.
Половое размножение бактерий
В 1946 г. у бактерий было обнаружено половое размножение. Этот
процесс называется конъюгацией (рис. 3). Во время этого процесса
бактерии
обмениваются
частью
генетического
материала
(плазмидами, хромосомами). Интересно, что именно этот процесс
лежит в основе быстрой адаптации бактерий к антибиотикам.
Рис. 3. Половое размножение бактерий.
9
1.2.5 Бактерии и человек
Таблица 4. Значение бактерий [2].
Представители
Значение в природе и хозяйственной деятельности
человека
Бактерии
молочнокислого
брожения,
расщепляющие
углеводы
Положительное: приготовление молочнокислых
продуктов, закваска капусты, засолка огурцов и
помидоров.
Бактерии
укскуснокислого
брожения,
расщепляющие
углеводы
Положительное: окисление спирта в уксусную кислоту,
которая применяется для маринования,
консервирования плодов и овощей.
Бактерии
гнилостные,
расщепляющие
белки
Положительное: санитарная роль – минерализация
органических остатков.
Бактерии
болезнетворные
Вызывают инфекционные заболевания человека,
животных. Для борьбы с ними применяют
антибиотики, бактериофаги, прививки, а также
организуют профилактическую работу по ликвидации
очагов заражения, закаливают организм, соблюдают
правила санитарии и гигиены организма
Бактерии
клубеньковые
Клубеньковые бактерии вступают в симбиоз с
бобовыми растениями. В результате на корнях бобовых
растений образуются опухоли – клубеньки,
заполненные бактериями, которые из атмосферного
азота синтезируют азотистые соединения, доступные
как растению-хозяину, так и другим растениям. Это
природное обогащение почвы азотными удобрениями
учитывается при составлении полевых севооборотов,
куда обязательно включают бобовые растения
Отрицательное: порча продуктов
Отрицательное: порча продуктов
Отрицательное: порча продуктов; во избежание
гниения применяют сушку, соление, маринование,
стерилизацию, пастеризацию, засахаривание
1.3. Антибиотики
Антибиотики – разновидность химиотерапевтических препаратов.
Это химические вещества биологического происхождения и их
10
полусинтетические производные, подавляющие рост патогенных
микроорганизмов,
а
в
ряде
случаев
задерживающие
рост
злокачественных новообразований.
Антибиоз (anti – против, bios – жизнь) – явление антагонизма между
различными видами микробов. Его сущность заключается в том, что
одни виды микроорганизмов подавляют жизнедеятельность других
видов
с
помощью
выделяемых
ими
в
окружающую
среду
специфических средств – антибиотиков. Источником получения
большинства антибиотиков являются микроорганизмы и низшие
грибы. В соответствии с современной классификацией антибиотики
характеризуются по механизму действия, химической структуре,
противомикробному спектру, типу действия на клетку. С учетом
механизма действия антибиотики разделяют на три основные
группы:

ингибиторы
синтеза
клеточной
стенки
микроорганизма
(пенициллины, цефалоспорины, ванкомицин, тейкопланин и
др.);

антибиотики,
нарушающие
молекулярную
организацию,
функции клеточных мембран (полимиксин, нистатин, леворин,
амфотерицин и др.);

антибиотики, подавляющие синтез белка и нуклеиновых
кислот, в частности, ингибиторы синтеза белка на уровне
рибосом
(хлорамфеникол,
тетрациклины,
макролиды,
линкомицин, аминогликозиды) и ингибиторы РНК-полимеразы
(рифампицин) и др.
По
химическому
строению
выделяют
следующие
группы
антибиотиков: бета-лактамы (пенициллины, цефалоспорины и др.);
аминогликозиды;
хлорамфеникол,
11
тетрациклины;
фузидин;
ансамакролиды (рифампицины), полимиксины, полиены; макролиды
и др.
В зависимости от типа воздействия на микробную клетку
антибиотики классифицируют на две группы:

бактерицидные (пенициллины, цефалоспорины,
аминогликозиды, рифампицин, полимиксины и др.);

бактериостатические (макролиды, тетрациклины, линкомицин,
хлорамфеникол и др.).
Для инфекциониста-клинициста особенно важно знать спектр
противомикробного действия антибиотиков, так как с его учетом
определяется выбор антибиотика. По спектру противомикробного
действия антибиотики разделяют на следующие группы:
1)
Препараты,
действующие
преимущественно
на
грамположительные и грамотрицательные кокки (стафилококки,
стрептококки,
менингококки,
гонококки),
некоторые
грамположительные микробы (коринебактерии, клостридии). К этим
препаратам
относятся
бензилпенициллин,
бициллины,
феноксиметилпенициллин, пенициллиназоустойчивые пенициллины
(оксациллин,
метициллин),
цефалоспорины
1-го
поколения,
макролиды, ванкомицин, линкомицин.
2) Антибиотики широкого спектра действия, активные в отношении
грамположительных и грамотрицательных палочек: хлорамфеникол,
тетрациклины, аминогликозиды, полусинтетические пенициллины
широкого спектра действия (ампициллин, азлоциллин и др.) и
цефалоспорины 2-го поколения.
12
3) Антибиотики с преимущественной активностью в отношении
грамотрицательных палочек (полимиксины, цефалоспорины 3-го
поколения).
4)
Противотуберкулезные
антибиотики
(стрептомицин,
рифампицин, флоримицин).
5)
Противогрибковые
антибиотики
(нистатин,
леворин,
гризеофульвин, амфотерицин В, кетоконазол, анкотил, дифлюкан и
др.) [4].
1.3.1 Ампициллин
Ампициллин
–
это
полусинтетический
антибиотик,
который
относится к группе пенициллинов широкого спектра действия.
Используется для лечения различных инфекционных заболеваний
дыхательных
путей
(пневмония,
бронхопневмония,
ангина),
мочевыводящих путей, печени и желудочно-кишечного тракта.
Мелкокристаллический порошок белого цвета, горький на вкус;
устойчив в кислой среде. Мало растворим в воде, практически
нерастворим в спирте. Активен в отношении грамположительных
микроорганизмов, на которые действует бензилпенициллин. Кроме
того, он действует на ряд грамотрицательных микроорганизмов
(сальмонеллы, шигеллы, протей, кишечная палочка, клебсиелла
пневмонии
(палочка
Фридлендера),
палочка
Пфейффера.
Ампициллин рассматривается как антибиотик широкого спектра
действия и применяется при заболеваниях, вызванных смешанной
инфекцией [4].
13
2. Материалы и методы
Для определения санитарного состояния воздуха использовали
микробиологический тест. Чашки Петри, с залитой в них стерильной
питательной средой LB-агар, открывали на 60 мин в комнатах
квартиры. Под действием силы тяжести находящие в воздухе
бактерии оседали на питательную среду. После этого чашку
закрывали, и инкубировали при комнатной температуре в течение
недели. Затем проводили подсчет количества колоний, выросших на
питательной среде площадью 100 см². В каждом помещении
одновременно открывали чашки Петри со средой без антибиотиков и
чашки Петри со средой, содержащей ампициллин в концентрации 100
мкг/мл.
Для определения количества клеток, содержащихся в 1 м³ воздуха
использовали формулу:
Х=100*N/ (S*t),
где
X – количество клеток, выпавших на поверхность чашки за 1 час,
N – количество колоний, выросших за 7 дней на питательной
среде, S – площадь чашки Петри, t – время (час).
Y = X/12*100
где
Y – количество клеток в 1 м³.
После инкубации я описывала колонию по следующим признакам:
 форма выпуклости колонии над поверхностью питательной
среды (плоская, приподнятая, выпуклая, с вдавленным
центром, с приподнятым центром);
 форма колонии (округлая, амебовидная, неправильная,
ризоидная и т.д);
14
 размер колоний;
 блеск и прозрачность (блестящая, матовая, тусклая, мучнистая,
прозрачная);
 цвет колоний (бесцветные или пигментированные);
 край колоний (ровный, волнистый, зубчатый, бахромчатый и т.д.).
3. Результаты
3.1 Разнообразие и количество колоний
В результате работы было обнаружено, что в воздухе различных
помещений моего дома содержится от 25 до 483 кл/м³. Исходя из норм
санитарной микробиологии, воздух в моей комнате является очень
чистым;
в
гостиной
воздух
соответствует
нормальной
загрязненности, т.к. по нормам санитарной микробиологии более 500
колоний, выросших на среде, соотвествуют очень грязному воздуху; от
250 до 500 – нормальной загрязненности, менее 250 – очень чистому
воздуху [3]. Вполне возможно, что в гостиной воздух более загрязнен
по причине того, что ранее там проживали несколько кошек, а также
всегда находится больше человек, нежели в моей комнате. Помимо
этого, в чашках Петри, которые находились в гостиной, было
разнообразие колоний больше, чем в моей комнате.
15
3.2 Устойчивость к ампициллину
В результате исследования было обнаружено, что большинство
бактерий воздуха квартиры неустойчивы к ампициллину, но, тем не
менее, в воздухе находятся от 25 до 100 кл/м³, устойчивых к
ампициллину. Среди устойчивых микроорганизмов преобладают
грибы. Результаты представлены в таблицах 5,6,7 и на рисунках 4 и 5.
Таблица 5. Количество микроорганизмов в воздухе различных помещениях
квартиры
Питательная среда без
ампициллина
Питательная среда,
содержащая ампициллин
Количество
клеток в 1
м³ (кл/м³)
Моя
комната
4
33
3
25
Гостиная
58
483
12
100
Помещение
Количество
клеток,
выпавших
на
поверхность
чашки за 1
час (кл/час)
16
Количество
клеток,
выпавших на
поверхность
чашки за 1
час (кл/час)
Количество
клеток в 1
м³ (кл/м³)
Таблица 6. Описание микроорганизмов, выросших на питательной среде
(помещение – моя комната).
Чашка Петри без
ампициллина
Чашка Петри с
ампициллином
Количество грибов
1 гриб
3 гриба
Количество колоний
бактерий
3 колонии
0 колоний
Размеры грибов
8 мм.
2 мм. – 8 мм.
Размеры колоний
бактерий
1 мм. – 2 мм.
-
Форма грибов
округлая
округлая
Форма колоний
бактерий
округлая
-
Профиль грибов
бугристый
бугристый
Профиль колоний
бактерий
бугристый
-
Блеск и прозрачность
грибов
матовый
матовый
Блеск и прозрачность
колоний бактерий
матовый
-
Край грибов
зубчатый
зубчатый
Край колоний
бактерий
гладкий
-
Цвет грибов
коричневосерый
коричнево-серый
Цвет колоний
бактерий
бежевый
-
без антибиотика
+ ампициллин
17 с питательной средой.
Рис. 4. Фотографии чашек Петри
Таблица 7. Описание микроорганизмов, выросших на питательной среде
(помещение – гостиная).
Чашка Петри без
ампициллина
Чашка Петри с
ампициллином
Количество грибов
6 грибов
7 грибов
Количество колоний
бактерий
52 колонии
5 колоний
Размеры грибов
1 мм. – 10 мм.
2 мм. – 7 мм.
Количество колоний
бактерий
1 мм. – 20 мм.
1 мм. – 5 мм.
Форма грибов
округлая, круглая с
ризоидным краем
округлая
Форма колоний
бактерий
округлая
округлая
Профиль грибов
бугристый
бугристый
Профиль колоний
бактерий
плоский, выпуклый
плоский
Блеск и прозрачность
грибов
матовый
матовый
Блеск и прозрачность
колоний бактерий
матовый
матовый
Край грибов
зубчатый, гладкий
гладкий
Край колоний бактерий
гладкий
гладкий
Цвет грибов
коричнево-серый
коричнево-серый
Цвет колоний бактерий
бежевый,
оранжевый,
желтый, розовый
розовый, бежевый;
бежевый с розовым
краем
без антибиотика
+ ампициллин
18
Рис. 5. Фотографии чашек Петри с питательной средой.
4. Выводы
1.
Исследование показало, что в воздухе содержится большое
разнообразие микроорганизмов.
2.
Воздух в гостиной более загрязнен, чем в моей комнате.
3.
Большинство бактерий в моей квартире не обладают
устойчивостью к ампициллину.
5. Перспективы исследования
Данное исследование может быть продолжено. Например,
можно расширить спектр антибиотиков. Помимо этого мы
планируем провести подобное исследование в школе и изучить
устойчивость
микроорганизмов
воздушной
среды
школы
к
действию антибиотиков.
6. Список литературы
1. Д. Тейлор, Н. Грин, У. Стаут «Биология» изд. Бином, 2013
2. Т. Л. Богданова, Е. А. Солодова «Биология. Справочник для
старшеклассников и поступающих в вузы», 2012
3. К. Д. Пяткин, Ю. С. Кривошеин «Микробиология». М., Медицина», 1981
4. Энциклопедия Википедия
5. http://www.infectology.ru/
19