Бактерии в сельском хозяйстве

    Первые  антибиотики были выделены еще до того, как стала известной их способность  угнетать рост микроорганизмов. Так, в  1860 был получен в кристаллической форме синий пигмент пиоцианин, вырабатываемый небольшими подвижными палочковидными бактериями рода Pseudomonas, но его антибиотические свойства были обнаружены лишь через много лет. В 1896 из культуры плесени удалось кристаллизовать еще одно химическое вещество такого рода, получившее название микофеноловая кислота.

    Постепенно  выяснилось, что антибиоз имеет химическую природу и обусловлен выработкой специфических химических соединений. В 1929 Александр Флеминг, наблюдая антагонизм Penicillium notatum и стафилококка в смешанной культуре, открыл пенициллин и предположил возможность его применения в лечебных целях. Антагонистические отношения между болезнетворными для растений микробами и непатогенными микроорганизмами почвы, выявленные в смешанных культурах, заинтересовали фитопатологов, и они попытались использовать этот феномен для борьбы с болезнями растений. Было известно, что в почве присутствует определенный грибок, который уменьшает выпревание ростков; в 1936 из культуры этого грибка был выделен антибиотик, получивший название глиотоксин. Это открытие подтвердило значение антибиотиков как средства профилактики заболеваний.

    Среди первых исследователей, занявшихся целенаправленным поиском антибиотиков, был Р.Дюбо. Проведенные им и его сотрудниками эксперименты привели к открытию антибиотиков, вырабатываемых некоторыми почвенными бактериями, их выделению в чистом виде и использованию в клинической практике. В 1939 Дюбо получил тиротрицин – комплекс антибиотиков, состоящий из грамицидина и тироцидина; это явилось стимулом для других ученых, которые обнаружили еще более важные для клиники антибиотики. В 1942 Х.Флори со своими коллегами по Оксфордскому университету повторно исследовал пенициллин и доказал возможность его клинического использования в качестве нетоксичного средства лечения многих острых инфекций. Тогда же эти вещества начали называть антибиотиками. З.Ваксман со своими студентами в Университете Ратджерса, США, занимался актиномицетами (такими, как Streptomyces) и в 1944 открыл стрептомицин, эффективное средство лечения туберкулеза и других заболеваний. После 1940 было получено множество клинически важных антибиотиков, в их числе бацитрацин, хлорамфеникол (левомицетин), хлортетрациклин, окситетрациклин, амфотерицин В, циклосерин, эритромицин, гризеофульвин, канамицин, неомицин, нистатин, полимиксин, ванкомицин, виомицин, цефалоспорины, ампициллин, карбенициллин, аминогликозиды, стрептомицин, гентамицин. В настоящее время открывают все новые и новые антибиотики. В середине 1980-х годов в США антибиотики прописывались чаще, чем любые другие лекарства, за исключением седативных средств и транквилизаторов.  

    Получение антибиотиков 

    Способностью  вырабатывать антибиотики обладают не все микроорганизмы, а лишь некоторые  штаммы отдельных видов. Так, пенициллин образуют некоторые штаммы Penicillium notatum и P. chrysogenum, а стрептомицин – определенный штамм Streptomyces griseus, тогда как другие штаммы тех же видов либо вообще не вырабатывают антибиотики, либо вырабатывают, но другие. Существуют также различия между штаммами-продуцентами антибиотиков, причем эти различия могут быть количественными или качественными. Один штамм, например, дает максимальный выход данного антибиотика, когда культура растет на поверхности среды и находится в стационарных условиях, а другой – лишь когда его культура погружена в среду и постоянно встряхивается. Некоторые микроорганизмы выделяют не один, а несколько антибиотиков. Так, Pseudomonas aeruginosa образует пиоцианазу, пиоцианин, пиолипоевую кислоту и другие пио-соединения; Bacillus brevis производит грамицидин и тироцидин (смесь, известную под названием тиротрицин); P. notatum – пенициллин и пенатин; Aspergillus flavus – пенициллин и аспергилловую кислоту; Aspergillus fumigatus – фумигатин, спинулозин, фумигацин (гельволевую кислоту) и глиотоксин; Streptomyces griseus – стрептомицин, маннозидострептомицин, циклогексимид и стрептоцин; Streptomyces rimosus – окситетрациклин и римоцидин; Streptomyces aureofaciens – хлортетрациклин и тетрациклин. Один и тот же антибиотик может продуцироваться микроорганизмами разного рода. Так, глиотоксин образуют виды Gliocladium и Trichoderma, а также Aspergillus fumigatus и др. Разные микрорганизмы или их штаммы могут вырабатывать разные химические формы одного и того же антибиотика, например разные пенициллины или различные формы стрептомицина.

    В последние годы выделено и описано огромное число антибиотиков, продуцируемых различными организмами. Способностью вырабатывать антибиотики обладают как спорообразующие, так и не образующие спор бактерии, а кроме того, более половины изученных на этот предмет родов грибов.  

• Неспорообразующие бактерии. Из группы бактерий, ранее называемых Bacillus pyocyaneus, а позднее известных как Pseudomonas aeruginosa, выделены пиоцианин и пиоцианаза. Другие не образующие спор бактерии тоже вырабатывают антибиотики, сильно различающиеся по химической структуре и антибактериальным свойствам. Примером могут служить колицины, производимые различными штаммами кишечной палочки (Escherichia coli).
• Спорообразующие бактерии. Многие виды спорообразующих бактерий вырабатывают различные антибиотики. Так, штаммы Bacillus subtilis производят бацитрацин, субтилин и др.; B. brevis – тиротрицин, B. polimixa (B. aerosporus) – полимиксин (аэроспорин). Из B. mycoides, B. mesentericus и B. simplex выделены разнообразные, еще недостаточно изученные соединения: бациллин, колистатин и др. Многие из них препятствуют росту грибков.
• Актиномицеты. Кроме пенициллина, наиболее важные антибиотики, используемые в качестве химиотерапевтических средств, были получены из актиномицетов (грибковоподобных бактерий). К настоящему времени выделено или описано более 200 таких соединений. Некоторые из них широко применяются в лечении инфекционных заболеваний человека и животных. К таким антибиотикам относятся стрептомицин, тетрациклины, эритромицин, новобиоцин, неомицин и др. Одни из них обладают в основном антибактериальным действием, другие – антигрибковым, а третьи активны против некоторых крупных вирусов.
• Грибки. Грибками в медицине называют микроорганизмы, относящиеся к царству грибов. Это одни из наиболее важных производителей антибиотиков. Они вырабатывают цефалоспорин, гризеофульвин, микофеноловую кислоту, пенициллиновую кислоту, глиотоксин, клавацин, аспергилловую кислоту и многие другие соединения.
• Водоросли. Многие водоросли способны вырабатывать вещества, обладающие антибиотическими свойствами, но пока ни одно из них не нашло клинического применения.
• Лишайники. К антибиотикам, вырабатываемым лишайниками, относятся лихенин и усниновая кислота.
• Высшие растения. Высшие зеленые растения также образуют антибактериальные вещества, сходные по своим свойствам с истинными антибиотиками. К ним относятся фитонциды – аллицин, томатин и др.
• Животные. Среди продуктов животного происхождения, обладающих антибактериальными свойствами, важное место занимает лизоцим. Многие простейшие, личинки насекомых и некоторые другие животные могут переваривать живые бактерии и грибки, однако пока не выяснено, в какой степени эта способность связана с выработкой веществ, обладающих антибиотическими свойствами.

    Механизм  действия 

По характеру  воздействия на бактериальную клетку антибиотики можно разделить на три группы:

• бактериостатические (бактерии живы, но не в состоянии размножаться),
• бактерициды (бактерии погибают, но физически продолжают присутствовать в среде),
• бактериолитические (бактерии погибают, и разрушаются бактериальные клеточные стенки).

Непосредственно действиями  антибиотиков являются:

• нарушение синтеза клеточной стенки посредством ингибирования синтеза пептидогликана (пенициллин, цефалоспорин, монобактамы),
• образования димеров и их переноса к растущим цепям пептидогликана (ванкомицин, флавомицин) или синтеза хитина (никкомицин, туникамицин). Антибиотики, действующие по подобному механизму обладают бактерицидным действием, не убивают покоящиеся клетки и клетки, лишенные клеточной стенки.
• нарушение функционирования мембран: нарушение целостности мембраны, образование ионных каналов, связывание ионов в комплексы, растворимые в липидах, и их транспортировка. Подобным образом действуют нистатин, грамицидины, полимиксины.
• подавление синтеза нуклеиновых кислот: связывание с ДНК и препятствование продвижению РНК-полимеразы (актидин), сшивание цепей ДНК, что вызывает невозможность её расплетания (рубомицин), ингибирование ферментов.
• нарушение синтеза пуринов и пиримидинов (азасерин, саркомицин).
• нарушение синтеза белка: ингибирование активации и переноса аминокислот, функций рибосом (стрептомицин, тетрациклин, пуромицин).
• ингибирование работы дыхательных ферментов (антимицины, олигомицины, ауровертин).

    Антибиотики считаются в основном бактериостатическими агентами, т.е. ингибиторами роста, хотя некоторые из них обладают выраженным бактерицидным или даже бактериолитическим действием. Многие антибиотики, например актиномицин, высокотоксичны по отношению к тканям животного организма и применяются только в качестве противоопухолевых препаратов; другие, в частности пенициллины, совсем нетоксичны либо (как стрептомицин) обладают лишь слабой токсичностью. Некоторые нерастворимы в воде и потому применяются лишь для лечения поверхностных или местных инфекционных процессов.  Поскольку антибиотикам присуща избирательная антибактериальная активность, ни один из них не может применяться как общее дезинфицирующее средство против любых бактерий.  Некоторые антибиотики обладают высокой противогрибковой активностью, тогда как другие – противоопухолевым действием.  

    Место приложения действия  

    Антибиотики отличаются друг от друга не только по химической структуре, но и по месту  приложения действия на микробную клетку. Действие антибиотиков, применяемых  в низких концентрациях, обычно направлено на специфические особенности жизнедеятельности патогенных микроорганизмов. Особо важную роль в жизнедеятельности бактериальной клетки играет ее плазматическая мембрана, расположенная под клеточной стенкой. Она регулирует прохождение в клетку питательных веществ и выход продуктов выделения, в ней протекают многие ферментативные процессы. Антибиотик полимиксин связывается с клеточной мембраной многих грамотрицательных бактерий и нарушает ее функцию. Тироцидин обладает химическими свойствами детергента и разрушает мембрану. На нее воздействует и стрептомицин: вновь синтезируемая мембрана оказывается дефектной, и клетка теряет жизненно важные для себя компоненты. Во всех живых клетках происходит синтез белка. Хлорамфеникол специфически блокирует этот процесс у многих бактерий. Тетрациклины тоже блокируют белковый синтез, но не менее важной стороной их эффекта являются образование комплексов с металлами и влияние на связывание кальция, магния и марганца в клетке. На синтез белка воздействует также эритромицин. Изучение механизмов действия различных антибиотиков дало много полезных сведений о биохимических процессах, протекающих в клетках микроорганизмов. Даже те антибиотики, которые не применяются в лечебных целях, могут использоваться как важный инструмент биохимических исследований.  

    Антибиотикорезистентность 

    Под антибиотикорезистентностью понимают способность микроорганизма противостоять  действию антибиотика и приспосабливаться  к его действию; это приводит к  появлению устойчивых штаммов таких бактерий. Некоторые штаммы микроорганизмов приобретают устойчивость к нескольким антибиотикам.

    Антибиотикорезистентность возникает спонтанно вследствие мутаций и под воздействием антибиотика  закрепляется в популяции. Сам по себе антибиотик не является причиной появления резистентности.

    В последние годы многие врачи высказывают  опасения, что повсеместное увлечение  антибиотиками резко снижает  их эффективность при лечении  гонореи, брюшного тифа, пневмококковой пневмонии, туберкулеза, менингита  и других тяжелых заболеваний.  

    Клиническое применение 

    Антибиотики произвели революцию в лечебной практике. Среди многочисленных антибиотиков, широко применяемых в качестве химиотерапевтических средств, в наибольших количествах  используются пенициллины, цефалоспорины, стрептомицин и другие аминогликозиды, хлорамфеникол, тетрациклины и эритромицин. Кроме того, важное значение имеют бацитрацин, полимиксин, неомицин, нистатин и гризеофульвин. В определенных случаях используют также и другие антибиотики.  

Практическое  применение получил ряд антибиотиков, составляющих не слишком обширную группу, т. е. выделенные из бактерий:

• Например, из синегнойной палочки был получен пиоцианин (Фордос, Деркач). В настоящее время препарат, названный саназином, получен в синтетическом виде. Саназин находит применение главным образом в хирургической практике в виде местного применения.
• Среди антибиотиков, выделенных из бацилл, почетное место занимает тиротрицин (Дюбо) и грамицидин С (Г. Ф. Гаузе и М. Г. Бражникова).

 Тиротрицин  и грамицидин С подавляют рост стафилококков и стрептококков и хорошо помогают при ангинах и нагноительных процессах, убивая возбудителей этих заболеваний. Грамицидин С выпускают в ампулах в виде 2-процентного спиртового раствора, который перед употреблением разбавляют водой в 100 раз и применяют местно в виде полосканий, орошения, примочек и т. д.

• Из сенной палочки получены субтилин и бацитрацин, активные в отношении стафилококков и стрептококков.

Бацитрацин  используется как местное средство для лечения нагноительных процессов и находит применение в сочетании с другими антибиотиками, действие которых он усиливает.

• Из Вас. polymixa выделены полимиксины, которые нашли применение в клинической практикевведении он вызывает изменения в почках. При местном применении малотоксичен. Полимиксин действует преимущественно на грамм-отрицательные микробы, в частности на патогенные расы кишечной палочки, особенно он эффективен в отношении синегнойной палочки, которая устойчива к другим антибиотикам. Полимиксин применяется при гнойных процессах, вызванных ассоциацией микробов с синегнойной палочкой, в частности при лечении вяло заживающих ран, абсцессах, карбункулах, фурункулах, гидроаденитах, пиодермитах, язвах, ожогах II и III степени с нагноениями.

 При местном  применении антибиотик не дает болевых ощущений, уменьшает отделяемое из ран, что позволяет делать более редкие перевязки. Местно применяется в виде 1-процентного раствора или 0,1 -процентной мази. При лечении гнойных отитов полимиксин применяют в виде капель. При приеме внутрь полимиксин не всасывается из желудочно-кишечного тракта и не может оказывать токсического действия на организм. Поэтому им лечат некоторые кишечные инфекции, а в комбинации с неомицином используют для подготовки больных при операциях на желудочно-кишечном тракте.