Екологічні проблеми при виробництві та застосуванні антибіотиків

Екологічні проблеми, пов’язані з антибіотиками, можуть виникати як на етапі їхнього промислового виробництва, так і практичного застосування.

На стадії отримання високопродуктивних штамів досить часто використовуються різні хімічні мутагени. Серед них такі високотоксичні сполуки як етиленімін, нітрозогуанідин, етидія бромід та інше. При необережній роботі з цими речовинами вони можуть потрапляти у довкілля і індукувати мутації у мікро- та макроорганізмів.

У разі конструювання штамів продуцентів генно-інженерними методами не можна виключити потрапляння цих штамів у довкілля. І, хоча можливості розвитку мікроорганізмів, отриманих генно-інженерними методами, в природі досить обмежені, необхідно вживати всіх заходів для запобігання цьому.

При промисловому отриманні антибіотиків на етапі біосинтезу можуть відбуватися ситуації, що вимагають злиття вмісту ферментера у трап. Таку операцію можна виконувати лише після попередньої стерилізації вмісту ферментеру. Порушення цього правила може призвести до різкої зміни екологічної рівноваги водного басейну, куди потрапить культура мікроорганізмів у великій кількості.

Важливим завдання при виробництві антибіотиків є очищення стічних вод (найбільш забрудненими серед яких є відпрацьовані нативні розчини) та газових викидів для запобігання розсіювання в атмосфері кінцевого продукту виробництва.

Екологічні проблеми, пов’язані з використанням антибіотиків, лежать у площині порушення мікробної екологічної рівноваги у природних еконішах і зокрема в організмі людини.

Питання для самоконтролю:

1. Охарактеризуйте основні етапи промислового виробництва антибіотиків.

2. Значення джерел вуглецю, азоту і мікроелементів в утворенні антибіотиків.

3. Охарактеризуйте стадію біосинтезу при одержанні антибіотиків.

4. Вплив хімічних і фізико-хімічних факторів на процес утворення антибіотиків.

5. Які основні методи виділення і очистки антибіотиків?

6. Опишіть основні прийоми, що дозволяють визначити мікробіологічну чистоту антибіотиків.

7. Як здійснюється фармакологічний контроль антибіотиків?

8. Назвіть основні лікарські форми з антибіотиками.

9. У чому полягає особливість виготовлення ін’єкційних препаратів антибіотиків?

10. Які екологічні проблеми може спричинити виробництво і використання антибіотиків?

АНТИБІОТИКИ, ЩО УТВОРЮЮТЬ БАКТЕРІЇ

Бактерії є продуцентами значної кількості антибіотиків, але порівняно невелика кількість їх використовується в практичних цілях, тому що більшість бактеріальних антибіотиків є токсичними.

Використання бактеріальних антибіотиків:

медицина – граміцидін С, поліміксини, бацитрацини;

харчова промисловість – нізин, субтілін;

сільське господарство – бацитрацини.

За хімічною будовою майже всі бактеріальні антибіотики є поліпептидами.

В більшості випадків бактерії синтезують антибіотики, які є не окремими сполуками, а групою близьких за хімічними та біологічними властивостями речовин. Відомо, що Bacillus subtilis утворює приблизно 70 різних поліпептидних антибіотиків, Bacillus polymyxa – близько 20 поліміксинів.

Особливість поліпептидних антибіотиків, що утворюють бактерії, полягає в тому, що вони містять разом з L- формами амінокислот (які зазвичай входять до складу білків) D-амінокислоти, а також метиловані амінокислоти (метилдегідроаланін).

 

Граміцидин С

На сьогодні відомо п’ять видів граміцидинів А, В, С_D, С(S) і D. Вони дещо відрізняються за амінокислотним складом. Найбільш активним є граміцидин С. Молекула цього антибіотика складається з 10 амінокислотних залишків 5 амінокислот: L-валін, L-орнітин, L-лейцин, D-пролін, D-фенілаланін.

 

L-Вал L-Орн L-Лей D-Фен L-Про

 

L-Про D-Фен L-Лей L-Орн L-Вал

 

Продуцент – Brevi bacillus (Bacillus brevis) subsp. G.B. Грампозитивні спороутворюючі паличкоподібні бактерії. Ізольовані із ґрунту. Продуцент, в процесі розвитку в рідкому поживному середовищі, дисоціює на ряд форм, які відрізняються морфологією колоній та іншими властивостями при висіві їх на тверді середовища з дріжджовим екстрактом. Ці форми – R (складчата), S (гладка), P⁺ та P^- (пласкі форми). S та P^- форми продуценту не здатні утворювати антибіотики.

Біосинтез граміцидину відбувається незалежно від процесу спороутворення. Антибіотик синтезується як в процесі спороутворення, так і клітинами, які активно розмножуються.

Умови отримання. Для отримання граміцидину С використовують м’ясні або дріжджові гідролізати. Температура культивування 40ºС максимальний синтез антибіотика відмічається у перші 24 год. Кількість антибіотику, яка утворюється, до 2500 мкг/мл. Важливе значення для отримання граміцидину має аерація: за низької аерації бактерії розвиваються погано і антибіотик майже не утворюється, а за дуже високої активно споживається субстрат, але антибіотик не утворюється. Необхідна інтенсивність аерації від 2,0 до 5,8 гО₂/(л*год).

Граміцидин С можна отримувати на досить простих синтетичних середовищах. Наприклад, середовищах наступного складу: янтарнокислий амоній 0,5%, гліцерин 1,5%, сульфат магнію 0,02%, двозаміщений фосфат калію 0,2%, дистильована вода, рН середовища – 7,0-7,3. На такому середовищі можна отримувати до 2000 мкг/мл граміцидину.

Біосинтез граміцидину відбувається за наявності двох ферментів – граміцидинсинтази І та ІІ в присутності АТФ і іонів магнію. Граміцидинсинтази знаходяться як в розчинній, так і в зв’язаній з мембранами формах. Синтез антибіотика відбувається не на рибосомах. Дослідники із США розробили метод ферментативного синтезу цього антибіотика.

Виділення граміцидину – культуральну рідину підкислюють соляною кислотою до рН 4,5-5,0 і видаляють осад, що містить дихлоргідрат граміцидина і бактеріальні клітини (рис 6.1). В подальших стадіях здійснюють екстрагування антибіотику з осаду за допомогою етилового спирту. Отриманий концентрат містить до 4% граміцидина і певну кількість інших сполук, які за необхідності, можуть бути видалені. Граміцидин С при упарюванні спиртового екстракту легко перетворюється в кристалічну форму у вигляді голок.

Рис. 6.1. Схема виділення граміцидину

Використання. Граміцидин С має досить широкий спектр антибіотичної активності стосовно грампозитивних і деяких грамнегативних бактерій. Використовують в хірургії при первинній обробці ран, лікуванні інфікованих ран та опіків.

 

Бацитрацини

Відомо до десяти індивідуальних речовин бацитрацинів. Не всі вони є безпосередньо продуктами життєдіяльності бактерій, а можуть утворюватися в процесі виділення та очистки цього антибіотика. Основною речовиною є бацитрацин А, який становить до 37% утворюваних бацитрацинів.

Бацитрацин А – складається з 10 амінокислот: трьох залишків L- ізолейцину, L-лейцину, L-цистеїну, L-гістидіну, L-лізіну, L-аспарагінової кислоти, D-фенілаланіну, D-орнітину, D-аспарагінової та D-глютамінової кислот. Молекули всіх бацитрацинів містять в своєму складі тіазолінове кільце.

Продуцент – Bacillus licheniformis. Процес утворення бацитрацину B.licheniformis пов'язаний із спороутворенням.

Умови утворення. Поживні середовища, які використовуються для біосинтезу, містять глюкозу, лактат амонію, соєве борошно, неорганічні солі. Для біосинтезу бацитрацинів суттєве значення має співвідношення вуглецю та азоту в поживному середовищі. При високому співвідношенні (більше вуглецю) C:N відбувається утворення бацитрацинів, при зниженому – спостерігається утворення антибіотиків групи ліхеніформінів.

В процесі вирощування продуценту необхідно зважати на те, що культура продуценту має бути в стані спороутворення. З’ясовано, що інгібування процесу спороутворення гальмує утворення бацитрацину. За використання радіоактивного антибіотику показано, що бацитрацин в процесі спороутворення включається в спори.

Синтезується бацитрацин мультиферментним шляхом.

Використання. Бацитрацин – активний стосовно грампозитивних бактерій і майже не діє на грамнегативні. За спектром дії наближається до пеніцилінів, але на відміну від них, бацитрацини діють на стійкі до пеніциліну форми.

Характерна ознака бацитрацинів – синергізм дії з іншими антибіотиками, такими як пеніцилін, хлортетрациклін, стрептоміцин.

Препарати бацитрацинів високого ступеня очищення мають активність близько 60 од/мг. В сухому стані можуть зберігатися досить тривалий термін (до 2 років) без втрати активності. В медицині застосовують переважно при локальному лікуванні хірургічних інфекцій, захворювань шкіри, використовується в сільському господарстві як домішки до кормів – стимулюють ріст сільськогосподарських тварин.

 

Поліміксини

Поліміксини – це сполуки з групи поліпептидів, які мають основний характер і утворюють солі з неорганічними та органічними кислотами. Існує декілька груп поліміксинів – A, B, C, D, E, M. Загалом на сьогодні описано 22 антибіотика поліміксинового ряду. Найбільше практичне значення мають поліміксини В та М.

Поліміксини розрізняються за амінокислотним складом. Але в молекулі всіх поліміксинів містяться треонін, a,g-діаміномасляна кислота і одна з жирних кислот (табл. 6.1).

 

Таблиця 6.1.