Антибиотики в сельском хозяйстве - Ботаника и сельское хоз-во - Скачать бесплатно
|
а) Стрептомицин (Streptomycin) - аминогликозидный антибиотик.
В группу аминогликозидных антибиотиков включаются биологически
активные соединения, содержащие в молекулах гликозидные связи. К этим
антибиотикам относятся стрептомицины, неомицины, канамицины, гентамицины,
гигромицин и некоторые другие вещества.
Антибиотики этой группы имеют большое практическое значение, многие из
них применяются в медицинской практике.
Актиномицет, образующий стрептомицин, впервые выделен в лаборатории
микробиологии Раттерского университета в 1943 г.
Первое сообщение о выделении антибиотика было сделано Шатц, Буги и
Ваксманом в январе 1944 г. Антибиотик получил название стрептомицин (от
родового названия актиномицетов Streptomyces), а организм, образующий этот
антибиотик, был определен как Streptomyces griseus.
Стрептомицин образуют не только штаммы Act. Streptomycini, но и другие
актиномицеты - Act. bikiniensis, Act. raneus, Act. humidus, Act. reticuli,
Act. griseocarneus, Act. mashuensis.
Актиномицет, продуцирующий стрептомицин, как и другие виды
актиномицетов, может размножаться с помощью спор или отдельных участков
мицелия.
Культура актиномицетов вообще и Act. streptomycini в частности, весьма
вариабельны. На изменчивость актиномицетов оказывают влияние условия их
культивирования и, в особенности, состав среды. На более богатых по составу
средах наблюдается более быстрая изменчивость актиномицетов.
В результате изменчивости продуцента стрептомицина нередко появляются
аспорогенные формы, т.е. формы, лишенные воздушного спороносного мицелия.
Как правило, эти варианты или вообще неактивны, или же образуют
незначительное количество стрептомицина.
Снижение образования антибиотика наблюдается и у вариантов с усиленной
стимуляцией.
Образующиеся в результате изменчивости Act. streptomycini варианты
могут отличаться от исходной культуры окраской воздушного мицелия;
последний может быть белым, беловато-палевым, светло-серым, серым и серо-
зеленым. Различные варианты отмечаются друг от друга по величине и форме
колоний. Встречаются так же формы, неспособные образовывать стрептомицин.
Однако установить какие-либо цитологические различия между активными и
неактивными вариантами не удалось.
б) Антибиотические свойства стрептомицина.
По отношению к стрептомицину все микроорганизмы условно можно
разделить на три группы (Шемякин, Хохлов и др., 1961).
1. Весьма чувствительные микроорганизмы, которые подавляются в
большинстве случаев при концентрации стрептомицина 10 мкг/мл. союда
можно отнести организмы, принадлежащие к следующим родам: Bacillus,
Bordetella, Brucella, Klebsiella, Mycobacterium, Bacteroidum и
некоторые другие.
2. Умеренно чувствиетльные. Для подавления которых in vitro необходимо
иметь концентрацию стрептомицина в пределах 10 - 100 мкг/мл. К этой
группе относятся многие бактерии из родов Aerobacter,
Corynebacterium, Diplococcus, Proteus, Staphylococcus,
Strepticoccus, Vibrio.
3. Устойчивые формы микробов, для подавления которых необходима
концентрация антибиотика, превышающая 100 мкг/мл. сюда относятся
виды Bacteroides, Clostridium, некоторые виды Proteus, многие виды
грибов, дрожжей, риккетсий, вирусы.
Итак, различные организмы по-разному реагируют на присутствие в среде
стрептомицина. Степень антимикробного действия антибиотика также различна в
отношении различных видов организмов (таблица 11).
Таблица 11.
Антибиотическая активность стрептомицина in vitro.
|Микроорганизм |Концентрация стрептомицина (мкг/мл), |
| |вызывающее подавление |
| |Наиболее |Наиболеее |Большинство |
| |чувствительные |устойчивые |штаммов |
| |штаммы |штаммы | |
|Aerobact. aerogenes |0,300 |1000 |25 |
|Bac. anthracis |0,250 |10 |5 |
|Bac. megatherium |0.250 |4 |2 |
|Bac. subtilis |0.056 |128 |25 |
|Candida albicans |- |- |Устойчивы |
|Clostridium botulinum |- |- |>> |
|Corinebact. giphtheriae |0.400 |200 |20 |
|Diplococcus pneumniae |0.500 |50 |25 |
|E. coli |0.015 |>1000 |25 |
|Mycob. tuberculosis |0.100 |12,5 |5 |
|Proteus vulgaris |1.000 |>1000 |15 |
|Ps. aeroginosa |0,100 |1000 |50 |
|Bact. thyphi |0,004 |20 |5 |
|Bact. dysenteriae |2,000 |8 |5 |
|Bac. cereus |0,830 |2 |1 |
Наряду с тем, что стрептомицин подавляет рост многих видов
микроорганизмов, к нему довольно легко появляется устойчивость, возникают
формы бактерий, резистентные к стрептомицину. По данным Прайса (Price et
al., 1947), повышение устойчивости к стрептомицину в 1 000 раз возникает у
золотистого стафилококка всего лишь через три пассажа на бульоне с
возрастающими концентрациями антибиотика, а у Bact. typhi повышение
устойчивости в 22 600 раз происходило через 14 пассажей.
Образование устойчивых форм бактерий к стрептомицину происходит также
in vivo. Приобретенная к стрептомицину устойчивость сохраняется у
организмов довольно длительное время. С возникновением устойчивости
появляются некоторые изменения в характере обмена веществ. так, у
резистентного к стрептомицину хромогенного микроорганизма происходит резкое
изменение его окраски. Стрептомициноустойчивая форма синегнойной палочки
теряет способность образовывать пигмент, изменяются и некоторые другие
стороны обмена.
Однако у устойчивых и чувствительных к стрептомицину штаммов бактерий
не наблюдается заметных различий в вирулентности.
В ряде случаев под действием стрептомицина в опытах in vitro возникают
не только устойчивые к нему штаммы, но и зависимые от стрептомицина формы,
способные развиваться только в присутствии данного антибиотика.
Описаны случаи, когда штаммы менингококка, Mycob. ranae и другие
микроорганизмы развиваются лишь на среде, содержащей от 100 до 150 мкг/мл
стрептомицина.
Стрептомициноустойчивые и зависимые от стрептомицина штаммы обычно
получаются из чувствительных форм микроорганизмов. Соотношение между
чувствительными, устойчивыми и зависимыми от стрептомицина штаммами
изображено на рисунке.
3. Поглощение антибиотиков клетками микробов.
Первый этап во взаимодействии микроорганизмов с антибиотиками -
адсорбция его клетками. Пасынский и Косторская (1947) впервые установили,
что одна клетка Staphylococcus aureus поглощает примерно 1 000 молекул
пенициллина. В последующих исследованиях эти расчеты были подтверждены.
Так, по данным Мааса и Джонсона (1949), приблизительно 2(10-9 М пенициллина
поглощается 1 мл стафилококков, причем около 750 молекул этого антибиотика
необратимо связываются одной клеткой микроорганизма без видимого эффекта на
ее рост.
Игл с сотрудниками (1955) определил, что при связывании бактериальной
клеткой 1 200 молекул пенициллина угнетения роста бактерий не наблюдается.
Угнетение роста микроорганизма на 90 % наблюдается в тех случаях, когда
клеткой будет связано от 1 500 до 1 700 молекул пенициллина, а при
поглощении до 2 400 молекул на клетку происходит быстрая гибель культуры.
Установлено, что процесс адсорбции пенициллина не зависит от
концентрации антибиотика в среде. При низких концентрациях препарата
(порядка 0,03 мкг/мл) он может весь адсорбироваться клетками, и дальнейшее
повышение концентрации вещества не поведет к повышению количества
связанного антибиотика.
Имеются данные (Купер, 1954) о том, что фенол препятствует поглощению
пенициллина клетками бактерий, однако он не обладает способностью
освобождать клетки от антибиотика.
Пенициллин, стрептомицин, грамицидин С, эритрин и другие антибиотики
связываются различными бактериями в заметных количествах. Причем
антибиотики-полипептиды адсорбируются микробными клетками в большей
степени, чем, например, пенициллины и стрептомицин.
Булгакова и Полин (1966) установили, что грамицидин С адсорбируется
как чувствительными, так и устойчивыми к нему бактериями. Причем адсорбция
этого антибиотического вещества бактериями происходит сразу же после
внесения антибиотика в суспензию клеток и достигает значительных величин
(до 500 мкг/мг сухой биомассы).
В присутствии положительно заряженных ионов (Na+, K+, NH+, Mg2+), а
также при рН среды, равном 4, поглощение грамицидина С бактериальными
клетками заметно снижается.
Адсорбированный чувствительными клетками грамицидин С прочно
связывается с бактериями и снимается с них лишь при длительной экстракции
подкисленной спиртово-водной смесью.
У устойчивого к антибиотику штамма E. coli при промывании клеток
раствором NaCl удается удалить лишь до 30% адсорбированного грамицидина С.
Ванкомицин, образуемый Actinomyces orientalis, необратимо и
относительно быстро связывается клетками бактерий, чувствительными к нему.
По данным Reunolds (1966), при концентрации антибиотика в среде, равной 30
мкг/мг массы сухих бактерий, около 90% ванкомицина связывается с
бактериями. Показано, что максимальное связывание ванкомицина
бактериальными клетками достигает величин 107 молекул антибиотика на
клетку.
Связанные клеткой антибиотики могут проявлять двоякого рода действия:
содной стороны, некоторые из них могут действовать как поверхностно-
активные вещества, а с другой стороны, антибиотики, проникая вглубь клетки,
нарушают отдельные стороны метаболизма организма.
Гибель клеток под воздействием поверхностно-активных антибиотиков
может быть связана с нарушением механизма осмотического равновесия,
имеющего место на поверхности микробной клетки; она может также наступить в
результате способности этих веществ, скапливающихся у поверхности раздела
жидкая фаза - микробная клетка, связываться с компонентами клеток.
Экспериментальные данные в этом отношении показали, что изменения в
регулировании осмотического давления сопровождаются разрушением систем
клеточной стенки микроба. Нарушение проницаемости клеточной стенки является
или результатом прямого вливания антибиотических веществ, или же может быть
результатом вторичных процессов.
Действие антибиотиков как поверхностно-активных веществ может вызывать
диссоциацию белка с отделением от него простетических групп или нуклеиновых
кислот. Эти вещества могут также приводить к денатурации белков и, таким
образом, непосредственно влиять на энзиматические системы, связанные с
клеточной стенки (инвертазы, фосфатазы, различные дегидрогеназы,
цитохромные системы).
Таким образом, если антибиотик обладает способностью нарушать системы,
регулирующие осмотические свойства клеточной стенки, иными словами, если
антибиотик выступает в качестве поверхностно-активного соединения, то он
может оказывать бактерицидное действие.
К числу антибиотических веществ, механизм действия которых связан с
поверхностно-активными свойствами, следует отнести грамицидин С, тироцидин,
полимиксины, а также тетрациклины, если последние применяются в
концентрациях, во много раз превышающие бактериостатические.
Вместе с тем, как уже отмечалось выше, антибиотики, попадая в
микробную клетку, могут нарушать отдельные этапы метаболизма организма,
подавлять некоторые звенья в цепи биохимических процессов.
Подавление отдельных звеньев в биохимической цепи превращений может
происходить как путем необратимого связывания антибиотиком одного из
компонентов реакции, так и в результате конкурентного подавления
биологически важных метаболитов клетки.
Если в организме или в среде одновременно присутствуют два вещества -
обычный для организма субстрат S и ингибитор I, сходный по структуре с
субстратом и оба они могут вступать в связь с энзимом (Е), как показано в
уравнениях (1 и 2):
S+E SE (1)
I+E IE (2)
то мы имеем типичный пример конкурентного подавления или конкурентного
обмена.
В качестве примера конкурентного обмена можно привести участие
сульфаниламина как антиметаболита n-аминобензойной кислоты в витамине
фолиевой кислоты.
Как только сульфаниламид, в случае его присутствии в клетке,
включается в фолиевую кислоту вместо ПАБК, ферментативные функции
бактериальной клетки блокируются. Это в свою очередь приводит к нарушению
механизма обмена веществ клетки и, вслед за этим, к ее гибели.
В качестве примера конкурентного действия антибиотика при биосинтезе
белка можно назвать пуромицин. Этот антибиотик образуется культурой Act.
alboniger. По химическому строению пуромицин - нуклеозидное производное 6-
диметил-амино-9(3'-пара-метокси-L-фенилаланил-амино-3'-дезокси-(-D-
рибофуранозил)-пурина. Пуромицину соответствует следующая формула:
Анализ химической структуры пуромицина показал, что он представляет
собой структурный аналог 3-конечной аминоацилированной группировки тРНК.
Суммирование имеющихся данных по механизму биологического действия
пуромицина дает возможность заключить, что оно выступает в качестве
конкурентного аналога аминоацил-тРНК, заменяя последнюю в реакции с
пептидил-тРНК, что приводит к освобождению пептидила в виде пептидил-
пуромицина из рибосомы и, таким образом, прекращая синтез белка (Спирин,
Гаврилова, 1971).
Есть указания на то, что окситетрациклин выступает в качестве
конкурентного ингибитора дифосфопиридиннуклеотида при действии его на E.
coli.
Установлено, что актитиазовая кислота (антибиотик актиномицетного
происхождения) - конкурент витамина биотина, сходного по строению с
кислотой. Вместе с тем необходимо подчеркнуть, что явление конкурентного
ингибирования не имеет широкого распространения в механизме действия
антибиотических веществ.
Существует гипотеза, впервые высказанная Ч. Кэвеллито, что
биологическая активность многих антибиотиков (бензилпенициллина,
стрептомицина, аллицина, пиоцианина и др.) обусловлена тем, что они
вступают в связь с сульфгидрильными группами (-SH) ферментов, превращая их
в неактивные вещества, но такая точка зрения на механизм действия
антибиотиков не была строго обоснованной.
Однако появились указания (Gross, Morell, 1967) на то, что механизм
биологического действия антибиотика низина связан с взаимодействием его с
сульфгидрильными группами метаболитически важных ферментов (глютатин,
ацетилкоэнзим А).
V. Симбиотические связи бактерий с бобовыми.
Симбиотические связи бактерий с бобовыми благодаря широкому
использованию их в полевом растениеводстве, луговодстве и, частично, в
лесоводстве, изучались весьма интенсивно. Установлено, что не все виды
бобовых имеют на корнях клубеньки. При обобщении имеющихся данных,
оказалось, что из 1285 изученных бобовых (в широком понимании этой группы)
клубеньки отсутствовали у 166 (13,0%), в том числе у 77,4% изученных
цезальпиновых, у 13% мимозовых и 7% - мотыльковых (Fabaceae) (E. Allen, O.
Allen, 1961).
Отсутствие клубеньков на корнях не всегда означает неспособность
данного вида бобовых к симбиозу с клубеньковыми бактериями, иногда это
происходит из-за местных условий, неблагоприятных для образований
клубеньков, или по тому, что в почве нет соответствующих рас клубеньковых
бактерий. В то же время наличие клубеньков на корнях бобовых не всегда
указывает на активную фиксацию азота клубеньковыми бактериями. Установлено,
что многочисленные мелкие белые клубеньки на боковых корнях травянистых
бобовых образованы малоэффективной расой клубеньковых бактерий, неспособной
связывать атмосферный азот или фиксирующий его в незначительном количестве,
в то время как крупные, окрашенные в розовый цвет клубеньки на стержневом
корне обычно характеризуют энергично идущий процесс усвоения азота.
А процесс естественного отбора и сопряженной эволюции возникло много
рас клубеньковых бактерий, способных выступать в эффективные симбиотические
отношения с определенными видами бобовых. Значение отдельных рас
клубеньковых бактерий давно было выяснено для возделываемых видов бобовых,
и, в связи с необходимостью в ряде случаев вносить бактериальное удобрение
(нитраты), содержащие соответствующие клубеньковые бактерии, они были
разделены на ряд групп в соответствии с пригодностью для определенных видов
бобовых. Принято выделять следующие расы клубеньковых бактерий по их
способности к эффективному симбиозу со следующими определенными видами или
группами видов бобовых:
1) горох, вика, кормовые бобы;
2) фасоль; 3) соя; 4) люпин, сераделла;
5) вигна, магу, арахис; 6) нуж; 7) клевер;
8) люцерна, донник, пажитник; 9) эспарцет;
10) лядвенец (Вознесенская, 1969).
На самом деле число рас клубеньковых бактерий значительно больше.
Выявлена специфичность рас клубеньковых бактерий в пределах уже
установленных групп, в частности в "клеверной группе", например у клевера
несходного, клубеньки возникают лишь при участии особой расы клубеньковых
бактерий.
Эта специфичность проявляется также в значительных различиях
фиксируемого ими азота в зависимости от вида клевера, с которым они
связаны. В таблице 12 показано, что наиболее эффективные для клеверов
лугового и ползучего расы клубеньковых бактерий для клевера подземного были
наименее эффективными, и наоборот. Расы, обеспечивающие фиксацию очень
значительных количеств азота при инокуляции ими клевера подземного, в
симбиозе с клевером луговым и ползучим фиксировали незначительное
количество азота. Все это обусловило выделение среди "клеверной группы"
трех подгрупп: А - клевера ползучий, луговой, розовый, простертый,
зямляничный; В - подземный, инкармантный, скученный, александрийский; С -
несходный. Три подгруппы выделяют и среди "люцерновой группы".
Таблица 12.
Способность отдельных рас клубеньковых бактерий фиксировать
атмосферный азот при симбиозе с различными видами клевера (содержание азота
в мг на 8 растений; по White et al., 1953).
|Виды клевера |Расы бактерий |
| |№1 |№16 |№8 |№13 |
|Клевер луговой |51,4 |34,3 |2,8 |1,9 |
|Клевер ползучий |59,6 |46,5 |10,5 |7,0 |
|Клевер подземный |7,9 |7,2 |138,5 |153,5 |
Возможность фиксации атмосферного азота клубеньковыми бактериями и
количество фиксированного азота определяются также средой - отсутствием
условий, ограничивающих жизнедеятельность бактерий и бобовых растений
(высокая кислотность, высокое содержание растворимого алюминия, плохая
аэрация и др.), а также достаточной обеспеченностью фосфором, калием,
кальцием, молибденом, серой, кобальтом, водой и др. Фиксация азота
клубеньковыми бактериями снижается по мере увеличения содержания в почве
растворимых форм азота, доступных для бобовых. Большое значение имеют
условия освещения, поскольку клубеньковые бактерии получают от бобового
углеводы, необходимые им как энергетический материал для фиксации азота, и
потому зависят от фотосинтеза. При затенении резко снижается не только
число клубеньков, но и их размеры, а также предельная глубина их
образования.
Клубеньковые бактерии более экономно используют энергию, необходимую
для фиксации азота, затрагивая 3-4 г углеводов на 1 г азота, в то время как
свободноживущие азотфиксирующие бактерии затрачивают 50 - 100 и более
граммов на фиксацию 1 г азота. Это связано с тем, что у свободноживущих
азотфиксаторов фиксация азота происходит в процессе их роста, и потому
большое количество энергии потребляется на этот рост. Кроме того, в целях
создания благоприятных условий для активности нитрогеназы - фермента,
участвующего в фиксации азота, для снижения парциального давления кислорода
усиливается дыхание, что связано с затратой энергии. Эти расходы энергии
отсутствуют у клубеньковых бактерий. Поскольку фиксация азота происходит в
бактероидах, клетках, прекративших рост, а внутри клубеньков создаются
благоприятные условия для активности нитрогеназы. В том числе сниженное
содержание кислорода. Очень существенно то, что фиксируемый клубеньковыми
бактериями азот на 90 - 95% передается бобовым растениям. Бобовые, получая
связанный азот от клубеньковых бактерий, не зависят или мало зависят от
обеспечения минеральным азотом почвы и потому могут успешно произрастать
совместно с другими растениями на почвах, бедных доступными формами азота.
Количество азота, фиксируемого клубеньковыми бактериями бобовых,
сильно варьирует от фитоценоза к фитоценозу, а в пределах конкретных
фитоценозов может изменяться от года к году. Оно определяется участием
бобовых в фитоценозах, условиями среды и эффективностью соответствующих рас
бактерий. Для некоторых лугов в Новой Зеландии с травостоями, где
преобладает клевер, отмечена фиксация азотом до 450 - 550 кг/га.
Фиксация азота в столь больших количествах возможна лишь в условиях
исключительно благоприятного
|
