Влияние химических веществ на рост и развитие колоний бактерий
Введение
Микробиология на сегодняшний день - активно развивающаяся наука, которая имеет огромное практическое и научное значение. Известно, что микроорганизмы способны быстро приспосабливаться к условиям окружающей среды, изменяя свой генетический аппарат, и поэтому изучение механизмов изменчивости очень важно для развития современной естественной науки. Также микроорганизмы являются основными объектами изучения процессов жизнедеятельности и развития внутри клетки, так как колонии бактерий способны к быстрому размножению, имеют простое строение, процессы жизнедеятельности и химический состав.
Колоссальное значение микробиология имеет и в медицине, ведь очень часто возбудителями болезней являются бактерии или грибки, зачастую вирусы. Нередко эти заболевания сильно вредят здоровью, а то и угрожают жизни человека. Микробов, возбудителей болезней, называют болезнетворными, или патогенными микробами, или паразитами. Болезнетворные микробы, проникая в организм, обладают способностью питаться соками и тканями организма, размножаться и накапливаться в нем. В процессе своего развития в организме они разрушают клетки и ткани и образуют вредные, ядовитые для организма продукты жизнедеятельности. Болезнетворные микробы являются паразитами для организма, нарушающими нормальную деятельность его клеток, тканей, органов и различных систем организма (нервная, кровеносная, пищеварительная, дыхательная и другие системы) и вызывают инфекционную (заразную) болезнь с более или менее характерными для нее особенностями течения и признаками, или симптомами. Но кроме того, в природе существует множество микробов, неспособных причинять вред животным и вызывать заразные болезни. Такие микробы названы сапрофитами (не болезнетворными микробами) - организмы, питающиеся мертвой органикой. Значение и роль микробов-сапрофитов очень велико. Их значительно больше, чем микробов-паразитов. Они имеют огромное значение в разложении органических веществ в природе, вызывают различные процессы гниения, брожения, участвуют в выработке (синтезе) витаминов и других веществ, полезных и необходимых для человека и животных.
Также микроорганизмы являются материалом для генетических исследований. Многие из них являются источником незаменимых лекарственных средств, например, антибиотики. В 1896 г. Б. Гозио получил антибиотик из жидкости, содержащей культуру грибка из рода Penicillium (Penicillium brevicompactum) и выделил кристаллическое соединение - микофеноловую кислоту, подавляющую рост бактерий сибирской язвы. В 1899 г. Р. Эммерих и О. Лоу сообщили об антибиотическом соединении, образуемом бактериями Pseudomonas pyocyanea, и назвали его пиоцианазой; препарат использовался как местный антисептик. В 1929 г. А. Флеминг открыл пенициллин, однако ему не удалось выделить достаточно стабильный "экстракт". В 1937 г. М. Вельш описал первый антибиотик стрептомицетного происхождения - актиномицетин. В 1939 г. Н.А. Красильников и А.И. Кореняко получили мицетин, а Р. Дюбо - тиротрицин. В 1940 г. Э. Чейн выделил пенициллин в кристаллическом виде. В 1942 г. З. Ваксман впервые ввел термин "антибиотик".
Активно используются в производстве молочных продуктов молочнокислые бактерии. С недавнего времени в металлургии стали использоваться железобактерии, которые в ходе своей жизнедеятельности восстанавливают железо из его соединений. Также бактерии используются в генной инженерии, например, для получения человеческого инсулина, исследований по омоложению организма и т.д.
Объектом нашего исследования являются бактерии, предметом исследования - влияние химических веществ на рост, развитие и жизнедеятельность бактерий.
Проблема нашего исследования заключается в выявлении основных химических веществ, которые влияют на рост колоний бактерий, описать доступным языком и сравнить с экспериментальными данными, так как литературных данных много, но большинство написано с использованием сложных научных терминов.
Целью исследования является систематизация сведений о влиянии химических веществ на жизнедеятельность бактерий и сравнение с экспериментальными данными.
Для реализации данной цели были поставлены задачи:
* Изучить наиболее популярные и доступные материалы по интересующей нас проблеме
* Систематизировать полученную информацию
* Провести эксперименты, подтверждающие литературные данные,
* Сравнить с литературными источниками
* Сделать выводы о влиянии химических веществ на рост и развитие колоний бактерий
В качестве основных литературных источников были взяты учебник по биологии Тейлор Д., Грин Н., Стаут У., том 2 издательства «Мир», 2005. В нем имеется информация о необходимых бактериям веществах и условиях, благоприятных для жизни, в частности, о температуре, концентрации кислорода, ионном и осмотическом балансе, PH среды и т.д. Далее описывается виды питательных сред, заливка чашек Петри, методы посева. Но все же мы не смогли ограничиться только одним источником информации, т.к., очевидно, в нем нет всей необходимой нам информации. В качестве дополнительных источников информации мы взяли многочисленные интернет источники, а также книгу Смирнова И.А., Евсенко М.С., «Тайны микробиологии. Царство грибов», издательство «Научные развлечения», 2009. Из них мы брали определения, информацию о строении и развитии, разновидностях, применении бактерий и др.
1.История исследования бактерий
болезнь химический бактерия наука
Микроорганизмы через микроскоп начали изучать еще в начале ХVII века. Считается, что голландский мастер очков Ханс Янсен и его сын Захарий Янсен изобрели первый микроскоп в 1590, но эти сведения не подтверждены. Другим претендентом на звание изобретателя микроскопа был Галилео Галилей. Он разработал «occhiolino» («оккиолино»), или составной микроскоп с выпуклой и вогнутой линзами в 1609 г. Галилей представил свой микроскоп публике в 1603 г. В 1613 г. Галилея Корнелиус Дреббель изобретает новый тип микроскопа, с двумя выпуклыми линзами. Кристиан Гюйгенс изобрел простую двулинзовую систему окуляров в конце 1600-х. Окуляры Гюйгенса производятся до сих пор.
В результате исследований Роберта Гука в 1665 появился термин «клетки». Антон Ван Левенгук (1632--1723) считается первым, кто сумел привлечь к микроскопу собственной конструкции внимание биологов, микроскопы Ван Левенгука представляли собой очень небольшие изделия с одной очень сильной линзой, однако были неудобны в использовании, хотя и позволяли детально рассматривать изображения. Антони Ван Левенгук впервые увидел бактерии в оптический микроскоп и описал в 1676 году. 2 Его письма, в которых он писал о своих открытиях, сначала печатались в научных журналах, а потом, в 1695 г., были изданы на латинском языке отдельной большой книгой под названием "Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком при помощи микроскопов".
Термин «бактерии» ввёл в 1828 году Христиан Эренберг.
В 1850-х годах Луи Пастер положил начало изучению физиологии и метаболизма бактерий, а также открыл их болезнетворные свойства. Метод, предложенный Пастером - пастеризация. Это однократное нагревание жидкостей или пищевых продуктов обычно до 60--70 °С в течение 15--30 мин.
При этом неспороносные бактерии погибают, но полной стерилизации не происходит, так как споры бактерий такое нагревание выдерживают. Применяется главным образом для предохранения от порчи пищевых продуктов, которые не выдерживают нагревания до более высокой температуры.
Роберт Кох сформулировал общие принципы определения возбудителя болезни - постулаты Коха. 4 Это утверждения, которые можно сделать относительно микроорганизма, доказывающие, что он является возбудителем некоторой болезни:
1. Микроорганизм постоянно встречается в организме больных людей (или животных) и отсутствует у здоровых;
2. Микроорганизм должен быть изолирован от больного человека или животного и его штамм должен быть выращен в чистой культуре;
3. При заражении чистой культурой микроорганизма здоровый человек (или животное) заболевает;
4. Микроорганизм должен быть повторно изолирован от экспериментально заражённого животного или человека.
В 1905 году он получил Нобелевскую премию за исследования туберкулёза.
Основы общей микробиологии и изучения роли бактерий в природе заложили М. В. Бейеринк и С. Н. Виноградский. Изучение строения бактериальной клетки началось с изобретением электронного микроскопа в 1930-е. В 1937 году Э. Чаттон предложил делить все организмы по типу клеточного строения на прокариот и эукариот.
Большинство бактерий (кроме актиномицетов и нитчатых цианобактерий) являются одноклеточными. По форме клеток они могут быть округлыми, палочковидными, извитыми, реже -- звёздчатыми, тетраэдрическими, кубическими, C- или O-образными.
В каждой бактериальной клетке есть нуклеотид, рибосомы и цитоплазматическая мембрана (ЦПМ)
Для нормального развития бактерии необходимы следующие вещества:
1) Источник углерода, так как бактерии являются гетеротрофами - организмами, т. е. они нуждаются в органическом источнике углерода (глюкоза или соль органической кислоты, реже жирные кислоты, спирты, белки, углеводы и метан). Некоторые почвенные бактерии и грибы, а также ряд бактерий, живущих в кишечнике травоядных животных, могут усваивать целлюлозу и используют её в качестве источника углерода. Для некоторых водорослей и бактерий источником углерода для них является диоксид углерода.
2) Источник азота может быть органического происхождения (аминокислоты, пептиды и белки), или неорганического (соли аммония, нитраты).
3) Факторы роста, или витамины - органические вещества, которые важны для роста и требуются в очень небольших количествах. К ним относятся витамины группы В, фолиевая кислота и парааминобензойная кислота, редко пурины и пиримидины.
4) Минеральные соли. Для роста требуются положительно заряженные ионы кальция, калия, натрия, железа и магния, и отрицательно заряженные хлорид-, фосфат-(источник фосфора) и сульфат-ионы (источник серы).
5) Источник энергии. Энергия может поставляться в форме химической энергии(глюкоза) или энергии света. Организм, потребляющий химическую энергию, называется хемотрофным; организм, использующий энергию света, называется фототрофным, или фотосинтезирующим.
6) Вода, так как она необходима всем живым клеткам.
Микроорганизмы можно выращивать на твердой или жидкой среде (бульоне).
Твердые среды более удобные для выращивания колоний бактерий. Их готовят путем смешивания жидкого питательного раствора с гелеобразующим компанентом (чаще всего, агаром) в концентрации 1-2%. Микроорганизмы рассеивают по поверхности агара после его застывания.
Жидкие среды используются для изучения роста колоний. Бактерии помещают в закрытый сосуд, который содержит около 25 см3 среды. Добавление небольшого количества клеток называется посевом (инокуляцией). После посева сосуд оставляют в оптимальной для роста данного организма температуре. Существуют обогащенные и селективные среды. В обогащенных средах необходимые клетке вещества комбинируются так, чтобы удовлетворить потребности какого-то определенного организма. Селективная среда - такая среда, в которую добавляют вещества, подавляющие рост всех организмов, кроме изучаемого.
1. Питательность. Бактерии должны содержать все необходимые питательные вещества.
2. Изотоничность. Бактерии должны содержать набор солей для поддержания осмотического давления, определенную концентрацию хлорида натрия.
3. Оптимальный рН (кислотность) среды. Кислотность среды обеспечивает функционирование ферментов бактерий; для большинства бактерий составляет 7,2-7,6.
4. Оптимальный электронный потенциал, свидетельствующий о содержании в среде растворенного кислорода. Он должен быть высоким для аэробов и низким для анаэробов.
5. Прозрачность (чтобы был виден рост бактерий, особенно для жидких сред).
6. Стерильность (чтобы не было других бактерий).
Классификация питательных сред:
1. По происхождению:
1) естественные (молоко, желатин, картофель и др.);
2) искусственные - среды, приготовленные из специально подготовленных природных компонентов (пептона, аминопептида, дрожжевого экстракта и т. п.);
3) синтетические - среды известного состава, приготовленные из химически чистых неорганических и органических соединений (солей, аминокислот, углеводов и т. д.).
2. По составу:
1) простые - мясопептонный агар, мясопептонный бульон, агар Хоттингера и др.;
2) сложные - это простые с добавлением дополнительного питательного компонента (кровяного, шоколадного агара): сахарный бульон, желчный бульон, сывороточный агар, желточно-солевой агар, среда Китта--Тароцци, среда Вильсона--Блера и др.
3. По консистенции:
1) твердые (содержат 3-5 % агар-агара);
2) полужидкие (0,15--0,7 % агар-агара);
3) жидкие (не содержат агар-агара).
4. По назначению:
1) общего назначения - для культивирования большинства бактерий (мясопептонный агар, мясопептонный бульон, кровяной агар);
2) специального назначения:
а) элективные - среды, на которых растут бактерии только одного вида (рода), а род других подавляется (щелочной бульон, 1 %-ная пептонная вода, желточно-солевой агар, казеиново-угольный агар и др.);
б) дифференциально-диагностические - среды, на которых рост одних видов бактерий отличается от роста других видов по тем или иным свойствам, чаще биохимическим (среда Эндо, Левина, Гиса, Плоскирева и др.);
в) среды обогащения - среды, в которых происходит размножение и накопление бактерий-возбудителей какого-либо рода или вида, т. е. обогащение ими исследуемого материала (селенитовый бульон).
Для получения чистой культуры необходимо владеть методами выделения чистых культур.
2.Методы выделения чистых культур