Антибиотики и их роль в микробных взаимодействиях

 

 

 

 

Антагонизм в мире микроорганизмов.

 

В естественных условиях развития микробов довольно часто могут наблюдаться явления не только взаимно благоприятные, но и такие, при которых один вид микроорганизмов тем или иным способом угнетает или полностью подавляет рост и развитие других видов.

 На антагонистические свойства бактерий, стрептомицетов и плесневых грибов обращали внимание многие исследователи как у нас в стране, так и за рубежом еще в 19 веке.

Явление антагонизма широко распространено среди бактерий, актиномицетов, грибов и других организмов.

В зависимости от наследственных особенностей, а также в зависимости от различных экологических факторов и условий культивирования микроорганизмы могут проявлять антагонистические свойства по отношению к другим организмам.

Причины, вызывающие явление антагонизма,- самые разнообразные, и для оценки факторов, связанных с антагонизмом микроорганизмов, следует объединить эти явления в определенные группы.

Если в качестве это использовать главный критерий антагонизма, а именно: причину, вызывающую проявление антагонистических свойств организма, то можно все известные к настоящему времени формы микробного антагонизма объединить в две основные группы: «пассивный» и «активный» антагонизм.

Сущность «пассивного» антагонизма состоит в том, что угнетение роста одного вида микроорганизма другим может происходить только при определенных, иногда крайне ограниченных условиях развития этих организмов. Такие условия могут иметь место лишь при лабораторном культивировании микроорганизмов. В обычных естественных условиях роста подобного проявления антагонизма, как правило, не бывает.

При «активном» антагонизме угнетение роста или полное подавление жизнедеятельности одного вида микроба другим происходит в результате обогащения окружающей среды продуктами обмена, выделяемыми организмами при развитии. Однако при определенных концентрациях этих продуктов метаболизма организмы, их продуцирующие, могут развиваться свободно.

К группе «пассивного антагонизма следует отнести:

а) взаимоотношения микроорганизмов, складывающиеся при совместном развитии разных видов, которые нуждаются в одних и тех же питательных веществах;

б) насильственный антагонизм.

Насильственный антагонизм.

Ассистент И.И.Мечникова И.Шиллер еще в 1914 г. обратил внимание на то, что при совместном засеве в бульон ацидофильной палочки и стрептококка последний полностью погибает примерно через 18 ч культивирования (превращается в аморфную массу).

Если бактериям, которые в естественных условиях не проявляют никаких признаков антагонизма, создать условия недостатка в среде питательных веществ (азотных или углеродных), то одна из бактерий, обладающая протеолитическими ферментами, может использовать в качестве материала клетки других бактерий, не имеющих эти ферменты. В этом состоит основное свойство насильственного антагонизма.

В группу «активного» антагонизма микроорганизмов следует включить взаимоотношения, обусловленные:

а) образованием микробами органических кислот, спиртов или других продуктов обмена, происходящим в результате использования отдельных компонентов субстрата;

б) образованием и выделением в окружающую среду антибиотических веществ.

К этой группе следует отнести явление паразитизма и хищничества:

Паразитизм- форма взаимоотношений, при которой развитие некоторых микробов происходит за счет веществ тела (клетки), других организмов.

Например, бактерии-паразиты в своем эволюционном развитии утратили способность синтезировать многие вещества; они получает их в готовом виде за счет хозяина. Хозяин же никакой пользы взамен от такого сожительства не получает. Бактерии- это, как правило, внеклеточные паразиты, а риккетсии и фаги (вирусы) являются внутриклеточными паразитами.

Хищничество- некоторые микроорганизмы поглощают клетки других видов микроорганизмов и используют их в качестве питательного материала.

К числу микроорганизмов- хищников относятся главным образом миксоформы (миксобактерии, миксоамебы, миксомицеты).

Имшенецкий и Кузюрина (1951) описали наиболее простой тип хищничества, характерный для миксококков. Последние могут использовать в качестве источника питания преимущественно продукты лизиса живых клеток других бактерий. Причем мертвые клетки бактерий менее пригодны для миксококка, чем живые клетки тех же видов.

Надо полагать, что в естественных условиях таких четко очерченных форм взаимоотношений, не наблюдается. На разных этапах роста организмов, а так же в зависимости от условий их развития один тип взаимоотношения может сменяться другим, микробы, взаимодействующие в одном типе, могут меняться местами и т.д.

 

Антагонизм, обусловленный образованием антибиотических веществ.

Наиболее существенной и более яркой формой антагонизма, широко распространенной в мире микроорганизмов, является образование специфических продуктов обмена, угнетающих или полностью подавляющих развитие организмов других видов. Такие вещества получили название- антибиотики.

Явление антагонизма в мире микроорганизмов может быть широко использовано в практике здравоохранения и сельского хозяйства .

 

Применение антибиотиков в сельском хозяйстве.

 

Большинство людей считают, что проблема чувствительности микроорганизмов к антибактериальным препаратам касается только больниц, врачей и их пациентов. Но в тоже время еще одной большой областью применения антибиотиков является сельское хозяйство. Антибиотики применяют у животных, распыляют на различные фрукты и добавляют в воду, используют как для лечения, так и для стимулирования роста. J. Glenn Morris, профессор, руководитель кафедры эпидемиологии и профилактической медицины университета Мэрилэндской медицинской школы, Балтимор, отмечает, что около 40% всех антибиотиков в США используются с этой целью.[3]

Антибиотики применяются в основном в животноводстве (лечебные и кормовые антибиотики, стимуляторы роста животных). Самым крупным производителем и потребителем антибиотиков для животноводства является США. В качестве кормовых добавок антибиотики используют в США примерно для 80% птицы, в рационах 75% свиней и молочного скота, 60% мясного скота.[4]

В настоящее время ведётся очень интенсивноё разведение домашних животных на небольших площадях. Например, курятник вмещает от 15000 до 20000 кур. В этой ситуации сложно лечить одно конкретное животное, поэтому антибиотики добавляют в воду, которую употребляют животные, и очень трудно провести чёткую границу между стимулированием роста и лечением. В обоих случаях практически все животные получают немалые дозы антибиотиков.[3]

Основными причинами применения лечебных антибиотиков в животноводстве являются:

1. Инфекции, вызванные условиями содержания. Большое количество животных содержат на относительно малых площадях, что и предопределяет распространение различных инфекций. Сегодня заболеваемость различных видов животных составляет от 43до 52% к обороту стада, то есть болеет практически каждое второе животное;
2. Необходимость медикаментозной обработки при выращивании и содержание животных;
3. Широкомасштабная профилактика при транспортировке животных для снятия стресса.

Наиболее распространенные лечебные препараты:

1. Антибиотики тетрациклиновой группы: хлортетрациклин, тетрациклин, окситетрациклин представляют собой противомикробные препараты широкого спектра действия.  Тетрациклин применяется для краткосрочного лечения клинически выраженных болезней. Хлортетрациклин дают в профилактических целях. Окситетрациклин используют для лечения разнообразных бактериальных инфекций у крупного рогатого скота, овец, свиней, индеек и кур.
2. Антибиотики группы цефалоспоринов, характеризуются широким спектром действия против бактерий, проявляя при этом бактерицидный эффект.  Эти антибиотики применяют для лечения респираторных заболеваний у крупного рогатого скота и свиней.
3. Антибиотики аминогликозидной группы. Применяются для лечения желудочно-кишечных заболеваний. Среди них наиболее эффективны неомицин, канамицин и гентамицин. Широко используют в США для профилактики и лечения инфекций у животных и домашней птицы, вызванных стафилококками и стрептококками, а также распространенных болезней грушевых деревьев, яблонь, декоративных астр.
4. Антибиотики группы соединений – дестомицины. Обладают антигельминтной активностью и имеют применение в птицеводстве и свиноводстве.
5. Антибиотиков группы виргиниамицинов. Применяются как терапевтические вещества для лечения энтеритов свиней и крупного рогатого скота.

В качестве кормовых широко используют три антибиотика: монензин, ласалоцид и лайдломицин.

В США и Канаде была изучена эффективность использования этих антибиотиков на 62 фидлотах (огороженная площадка для откорма скота) и 55 хозяйствах, практикующих откорм на пастбищах. При откорме на фидлотах монензин и ласалоцид повышали прирост живой массы молодняка на 9-12%, затраты корма на единицу прироста – на 7-16% по сравнению с контрольной группой. При пастбищном откорме скота эти препараты повышали прирост живой массы на 17-22%. Более высокое увеличение прироста живой массы скота, получающих монензин и ласалоцид, по сравнению с контролем способствовало сокращению периода откорма на фидлотах на 7-10%, на пастбищах – 15-18%, что в свою очередь привело к снижению стоимости кормления. Эти антибиотики применяют в рационах откормочного молодняка для ускорения роста животных и снижения стоимости кормления.

Антибиотики используются также как стимуляторы роста. Стимуляторы роста оказывают стимулирующее действие на рост, продуктивность и воспроизводство животных, что приводит в среднем к 4-5% увеличению прироста живой массы животных по сравнению с контрольными группами, затраты корма на единицу прироста снижается на 5-8%, активизируется резистентность организма, сокращается период откорма животных.

Например, если в США 50 лет назад корова набирала убойный вес в 500-600 кг за три года, то сегодня, благодаря стимуляторам роста она набирает тот же вес всего за год.

Препараты антибиотиков, введенные в рацион птицы, оказывают стимулирующее действие на ее рост, яйценоскость, инкубационные качества яиц, эффективное использование корма, снижение расхода протеина. Например, в США 30 лет назад средний цыпленок выкармливался в течение четырех месяцев, сейчас он набирают тот же вес за 6 недель. Курица неслась в среднем один раз в четыре-пять дней, сегодня, благодаря стимуляторам, средняя курица дает более пяти яиц в неделю.

В качестве стимуляторов роста используются: хлор- и окситетрациклин, апрамицин, тилозин, виргиниамицин, пенициллин, авиламицин, моненсин натрия, салиномицин натрия и флавофосфолипол.

Сегодня в России также широко используются антибиотики, как в США и Китае, при этом в отличии от стран Евросоюза в России в качестве кормовых добавок используют группы антибиотиков, широко применяемых для лечения многих болезней человека.[4]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проблемы резистности микроорганизмов к антибиотикам.

 

Отдельные микроорганизмы — обладают резистентностью (устойчивость) к антибиотикам. Эта проблема обусловлена тем, что антибиотики в концентрациях, встречающихся в природных экосистемах, играют роль внутриклеточных сигнальных молекул, регулирующих транскрипцию генов. Изменение реакции бактериального коммуникативного сообщества на определенный сигнал, вызванное приобретением, или, наоборот, утратой антибиотикорезистентности, приводит к образованию новых экотопов. Поэтому проблема антибиотикорезистентности среди клинически значимых микроорганизмов уходит своими корнями в сложные экологические и эволюционные отношения между самими микроорганизмами, сложившиеся задолго до появления человека как биологического вида. В основе механизма распространения генов антибиотикорезистентности между бактериями лежит обмен плазмидами и конъюгативными транспозонами. В эволюции антибиотикорезистентности плазмиды и конъюгативные транспозоны выполняют функцию генетических платформ, на которых посредством рекомбинационных систем бактерий происходит сборка и сортировка генов антибиотикорезистентности, включенных в транспозоны, интегроны, генные кассеты и инсерционные криптические последовательности. К настоящему времени известно не менее четырех биохимических механизмов, отвечающих за развития у бактерий антибиотикорезистентности: детоксикация антибиотика; уменьшение проницаемости стенки микроорганизма для антибиотиков и/или выкачивание его из клетки; структурные изменения в молекулах, являющихся мишенями для антибиотиков; продукция альтернативных мишеней для антибиотиков. Высокие уровни антибиотикорезистентности у грамотрицательных бактерий обусловлены их способностью детоксицировать антибиотики в периплазматическом пространстве. В клеточной стенке грамположительных бактерий периплазматическое пространство отсутствует, поэтому механизмы их детоксикационной резистентности к антибиотикам менее эффективны, чем у грамотрицательных бактерий.[5]

 

Резистентность микроорганизмов к антибиотикам может быть природной и приобретенной. 
• Истинная природная устойчивость характеризуется отсутствием у микроорганизмов мишени действия антибиотика или недоступности мишени вследствие первично низкой проницаемости или ферментативной инактивации. При наличии у бактерий природной устойчивости антибиотики клинически неэффективны. Природная резистентность является постоянным видовым признаком микроорганизмов и легко прогнозируется.  
• Под приобретенной устойчивостью понимают свойство отдельных штаммов бактерий сохранять жизнеспособность при тех концентрациях антибиотиков[4] (например, штамм Salmonella ET-104 устойчив к пяти группам антибиотиков)[3], используемых для лечения подобных инфекций, которые подавляют основную часть микробной популяции. Возможны ситуации, когда большая часть микробной популяции проявляет приобретенную устойчивость. Появление у бактерий приобретенной резистентности не обязательно сопровождается снижением клинической эффективности антибиотика. Формирование резистентности во всех случаях обусловлено генетически: приобретением новой генетической информации или изменением уровня экспрессии собственных генов.

Искусственные корма промышленного производства (комбикорма, минеральные корма, белково-витаминные добавки и др.), применяемые в сельском хозяйстве, попадая в организм животных способны вырабатывать яд, который опасен для человека.

В качестве корма применяется так же мясокостная и рыбная мука. Мясокостную муку изготавливают из павших животных и отходов мясного производства и включают в рационы птицы, свиней, молодняка сельскохозяйственных животных для улучшения белкового баланса рациона. Рыбная кормовая мука вырабатывается из непищевых видов рыб, морских млекопитающих, ракообразных, а также из отходов переработки пищевых рыб, крабов, креветок и других гидробионтов с добавлением антиокислителя. Рыбная мука в основном применяется в птицеводстве и свиноводстве.

Именно применение мясокостной муки стало причиной возникновения в Европе в конце XX в. такого заболевания как «Коровье бешенство». Данное заболевание именуют так из-за своих ярких симптомов и неизбежного летального исхода. Это заболевание мозга, при котором отмирают его клетки, обладает высокой контагиозностью, приводящее к заболеванию людей. Причина возникновения банальна и проста. Из заболевших скрапией (сонная болезнь) трупов овец в Англии, при помощи нового метода, который якобы не вредит животным белкам трупов, был получен дешевый и обладающий «высокими энергетическими свойствами» корм для скота. Метод не помешал попаданию скрапии в составные части того корма, который был предназначен для скармливания скоту. Это корм скармливали молочным коровам для максимальных удоев, те не выживали и погибали тысячами от скрапии, которая теперь стала именоваться «коровьем бешенством». При этом до сих пор не известно сколько тысяч коров, с не выраженными симптомами скрапии переработаны в корм. Так же не выяснено, насколько велика инфекционная опасность от такого корма для свиней, птиц, рыбы.[4]