Исследовательская работа "Влияние фитонцидов растений на микроорганизмы"

МОУ «Средняя общеобразовательная школа с углубленным изучением отдельных предметов №36»

г. Саранска Республики Мордовия

 (Секция биологии)

Влияние фитонцидов растений на микроорганизмы

Выполнили: Милёшин Андрей,

Гарбузов Владислав

учащиеся 7 Акласса

Научный руководитель: Буянкина Н.М.,

учитель биологии

Научный консультант: Лабутина М.В.,

кандидат биологических наук,  доцент,

заведующая кафедры ботаники и общей биологии

МГПИ им. М.Е. Евсевьева

СОДЕРЖАНИЕ

     Введение                                                                                        3

1. Обзор литературы                                                                        5

2. Методика исследования                                                              8

3. Результаты исследования

3.1 Биологическая характеристика исследуемых видов.                    10

     Заключение и выводы                                                               14

    Литература                                                                                    16

Введение

Фитонциды – вещества различной химической природы, своеобразные ядохимикаты растений. Они были открыты в 1928 году отечественным учёным профессором Б.П.Токиным. Он установил, что среди растений встречаются виды, синтезирующие биологически активные вещества, обладающие антибактериальной и  антигрибной активностью (бактерицидным и фунгицидным действием). Эти вещества он назвал  фитонцидами (от греческого слова «фитон» - «растения» и латинского «цедо»- «убиваю») (Иванович,1983).

 Фитонциды играют важную роль в защите растений от болезнетворных организмов. Сосновый лес за сутки выделяет 5 кг фитонцидов с 1 га, лиственничный – около 2 кг, можжевеловый – до 30 кг. Воздух в хвойном лесу (особенно в можжевеловом) практически стерилен (Багрова, 1996).

 Химическая природа фитонцидов различна. Обычно это сложные органические соединения: гликозиды, терпеноиды, бензойная, кофейная, хлорогеновая кислоты, дубильные вещества и др. Они находятся  в тканях в растворённом состоянии. Многие растения выделяют газообразные фитонциды. Летучие соединения и корневые выделения действуют на расстоянии. Это первая оборона растений от врагов, а растворённые в тканях фитонциды -  вторая (Иванович, 1983).

 Высокой фитонцидной активностью обладают около 85 процентов высших растений. В частности весьма активные фитонциды обнаружены в чесноке, луке, лимоне, чёрной смородине, боярышнике, можжевельнике, в белокочанной капусте, берёзе, дубе, хрене, крапиве, сосне, бруснике, черёмухе (Голышенков, 1990).

Все растения выделяют фитонциды в целях самозащиты. Они губительно действуют на вирусы, бактерии, простейшие и некоторые многоклеточные организмы. Эти летучие вещества защищают не только растения от вредных для них микроорганизмов, а также животных и человека. Являясь физиологически активными веществами, фитонциды играют важную роль в обмене веществ и стимулируют защитные силы организма. Фитонциды хвойных оказывают стимулирующее влияние на нервную, сердечно – сосудистую и другие системы органов. Многие из них обладают болеутоляющим эффектом, положительно влияют на дыхательную, иммунную системы, увеличивают содержание гемоглобина в крови, повышают устойчивость организма к холоду, токсинам, инфекциям (Синяков, 1992).

Актуальность исследования: экспериментальное подтверждение, в том, что многие растения обладают фитонцидной активностью, которые губительно действуют на микроорганизмы.

Объект исследования: микроорганизмы рода сарцина  - Sarcina.

Предмет исследования: определение устойчивости микроорганизмов рода сарцина  - Sarcina к фитонцидному воздействию растений.

Гипотеза: сравнение фитонцидной активности некоторых растений на микроорганизмы. Рекомендовать использование растений с наиболее высокой фитонцидной активностью для профилактики вирусных и бактериальных заболеваний.

 Целью нашей работы явилось:

-Изучение влияния фитонцидов некоторых растений на рост микроорганизмов.

В связи с этим в задачи исследования входило:

1. Знакомство с литературой по данному вопросу.

2. Освоение методов стерилизации микробиологической посуды.

3. Изучение методики изготовления искусственной питательной среды.

4. Освоение методики выращивания микроорганизмов из воздуха методом осаждения; посев культуры микроорганизмов.

5. Выявление растений с наибольшей фитонцидной активностью.

1. Обзор литературы

 Любой растительный организм в процессе своей жизнедеятельности вырабатывает вещества различной химической природы, в том числе и те, которые помогают в борьбе с болезнетворными микроорганизмами, способствуют выработке у растений иммунитета против различных заболеваний. К таким веществам относятся фитонциды – биологически активные вещества, убивающие или подавляющие рост и развитие не только различных микроорганизмов, но и паразитических червей, насекомых – переносчиков и возбудителей инфекционных болезней. Они выделяются как неповреждёнными, так и механически разрушенными растительными тканями (Швечикова, 1992).

  Способность синтезировать фитонциды непостоянна. Она изменяется с развитием организма и зависит от условий произрастания растения. Образование фитонцидов обычно усиливается при его повреждении (Иванович, 1983).

 Особенно активные фитонциды обнаружены в чесноке и луке: пары и вытяжки из них убивают  холерный вибрион, дифтерийную палочку, гноеродных микробов. Стоит пожевать несколько минут чеснок, как большинство бактерий, живущих в полости рта, погибают (Гилярович, 1986).

  В тканях растений фитонциды распределены неравномерно. Например, у томата их больше всего в листьях, меньше в корнях и совсем мало в плодах и стеблях. В луке и чесноке фитонциды накапливаются преимущественно в луковицах. Фитонциды лука, и листья черёмухи убивают грибок фитофтору, которая поражает картофель (Иванович, 1983).

   Устойчивость картофеля и моркови к грибковым заболеваниям определяется содержащимся в них фитонцидом – хлорогеновой кислотой. Болезнь «снежную плесень» на злаках, вызываемую грибом фузариумом, уничтожает фитонцид бензоксазолин, образующийся в тканях злаков при повреждениях(Гилярович,1996).
          На возбудителей заболеваний человека и животных фитонциды действуют значительно сильнее, чем на возбудителей  у растений. Например, фитонциды апельсина и лимона в 40  - 50 раз скорее убивают дизентерийную палочку, вызывающую заболевание у человека, чем вид бактерий, поражающий деревья лимона, апельсина и мандарина. Лимон – удивительный фрукт, убивающий вирусы. Их в природе более 500, вызывающих болезни у людей – около 40. Установлено, что многие микроорганизмы погибают в слабых растворах лимонной кислоты (1: 2000) (Кудряшова, 1999).

Профессором Б.П. Токиным проводились опыты с черёмухой. Кашица из натёртых листьев черёмухи выделяет вещества, убивающие бактерии и споры плесневых грибов. Измельчённые листья  профессор Б.П. Токин помещал в стеклянную банку, в которую напускал комнатных мух, комаров и слепней. В несколько секунд они погибали. Раздавленные почки черёмухи, помещённые в сосуд с крысой, убивают крысу через 20 минут.

 Но есть вредители самой черёмухи, на  которых не действуют её фитонциды и ядовитые соки, - это довольно  «нежная» черёмуховая тля. Особенно много фитонцидов выделяется молодыми листьями черёмухи весною и летом, осенью же значительно меньше (Верзилин, 1994).

  Из фитонцидов высших и низших растений в настоящее время получены многие антибиотики, обладающие различной антимикробной активностью: из чеснока -  аллицин, из шалфея лекарственного – сальвин, из зверобоя продырявленного – иманин, из чистотела большого – сагвинарин (Швечикова, 1992).

 Фитонциды относятся к антибиотическим средствам. Многие фитонцидосодержащие растения широко используются при лечении ран, фурункулов, абсцессов, ожоговых поражений, бородавок, ангины, стоматитов, ларингитов, фарингитов и т.д. Местно фитонциды обладают раздражающим и обезболивающим действием. Поэтому кашицу или крупно измельчённый лук, чеснок и хрен прикладывают на лоб или затылочную область при головных болях. Этим же способом лечат мышечные и суставные боли (Нуралиев,1991).

 В последнее время фитонциды многих растений стали успешно применять в лечебной практике при желудочно – кишечных заболеваниях и как  противогельминтные средства (Голышенков, 1990).

 Фитонциды различных видов растений не одинаковы по своему составу и действию. Продукция фитонцидов изменяется в зависимости от сезона года, почвенных и климатических условий, времени суток, стадии вегетации растений и их  физиологического состояния. В большинстве случаев выделение фитонцидов после разрушения  (например, измельчения) растительных тканей прекращается в первые минуты, и даже секунды.  Исключением являются летучие фитонциды корней дикого пеона, обнаруживающиеся даже через 24 часа, а также фитонциды чеснока, выделяющиеся спустя 200, а иногда 700 часов после их измельчения (Введенский, 1956).

Значительный интерес представляет наличие антибиотиков во многих лишайниках. Из таких широко распространенных лишайников, как «исландский мох» выделен, например, антибиотик, получивший название усниновой кислоты (Кретович, 1956). Установлено, что униновая кислота угнетает рост туберкулезных бактерий. Из многих видов лишайников можно получить экстракты, содержащие усниновую кислоту и другие органические вещества фитонцидного действия, химическая природа которых в настоящее время изучается.

 Фитонцидные растения (лук, чеснок, крапива) в быту нередко используют для хранения рыбных и мясных продуктов. Завёрнутые в свежесорванные листья крапивы или лопуха большого рыба и мясные продукты сохраняются гораздо дольше, чем  при хранении в обычных условиях. Хорошо очищенную луковицу или чеснок помещают в мешок с мукой или в пакет с рисом с целью защиты этих продуктов от различных насекомых (Иванович, 1983).

2. Методика проведения работы

Исследования проводились осенью 2010 – зимой 2011 года  в кабинете биологии общеобразовательной школы №36 города Саранска.

Исследовательская работа включала в себя ряд этапов:

1. Подготовка и стерилизация  микробиологической посуды.

2. Приготовление искусственной питательной среды.

3.Выращивание микроорганизмов методом осаждения из воздуха.

4. Получение бактериальной культуры и посев.

5. Закладка опыта по влиянию фитонцидов растений на  развитие микроорганизмов.

Оборудование и материалы: чашки Петри, колбы объёмом от 100 мл, пипетки от 1 до 10 мл, спиртовки, химические стаканы, предметные и покровные стёкла, микроскоп, специальные бактериологические иглы, петли, шпатели, вата, марля, бумага обёрточная, бумага фильтровальная, карандаши по стеклу; растительные ткани чеснока, лука, лимона, яблока.

Ход работы:

           1. Подготовка и стерилизация  микробиологической посуды.

  Лабораторную посуду (чашки Петри, колбы, стаканы, пипетки) моют  в горячем мыльном растворе, ополаскивают чистой водой и сушат на воздухе. Затем чашки завёртывают в обёрточную бумагу и помещают в сушильный шкаф при температура не выше 100 - 1050 С градусов на 1,5 – 2 часа (Творогова, 1987). Специальные иглы, петли, шпатели прокаливают на пламени спиртовки.

          2. Приготовление искусственной питательной среды.

Питательную среду готовят в стерильных колбах. К  50 мл  дистиллированной воды добавляют 2,5 г глюкозы, 1,5 г пептона  и  2 г агара. Оставляют полученный раствор для набухания.  Далее колбы закрывают стерильными ватными пробками и в таком виде стерилизуют содержимое трехкратным кипячением на водяной бане с промежутками между кипячением в 15-20 часов. Полученную питательную среду разливают в стерильные чашки Петри, так чтобы было покрыто дно чашки.

          3.Выращивание микроорганизмов методом осаждения из воздуха

После застывания питательной среды чашки открывают на 10 -15 минут, затем закрывают, заворачивают в бумагу и инкубируют в термостате при температуре 25-300 С. Споры или клетки микроорганизмов, содержащиеся в воздухе, оседают на поверхности питательной среды, прорастают, делятся и образуют скопления, называемые колониями. Через неделю поверхность агара в чашках Петри покрыта растущими колониями микроорганизмов.

         4. Получение бактериальной культуры и посев.

Клетки бактерий, которые относят, к одному виду называют – чистая культура. Для ознакомления с губительным действием фитонцидов на микроорганизмы засевают чашки Петри с питательной средой сплошным газоном какой-либо бактерии, например, сарциной (Аникеев, Лукомская, 1983). Для этого на поверхность застывшего агара наносят каплю суспензии данной бактерии. Суспензию готовят,  размешивая небольшое количество бактериальной массы  в 20 мл дистиллированной воды. Шпателем равномерно растирают суспензию на поверхности  чашки Петри с питательной средой.        

          5. Выявление растений с наибольшей фитонцидной активностью.

На посеянный материал помещаем ткани растений (лук, чеснок, лимон и др.), чашки закрываем. Опытные чашки помещают в термостат при 25-300 С (можно при комнатной температуре). Через несколько дней учитывают результаты опыта. Повторность опыта трехкратная.

 3. Результаты исследования

3.1 Биологическая характеристика исследуемых видов.

Отдел: Цветковые (Magnoliophyta  или Angiospermae)

Класс: Однодольные (Monocotyledonae)

Семейство: Луковые (Alliaceae)

 Род: Лук (Allium)

Вид: Чеснок (Allium sativum)

       Чеснок – двулетнее травянистое растение. Корневая система мочковатая. Листья плоские, линейные, ланцетовидно-вытянутые, сантиметровой ширины, заостренные к концу, в длину достигают 30 - 100 см. Каждый последующий лист прорастает изнутри предыдущего, тем самым образуя ложный стебель. Цветонос длиной до 1,5 м, до цветения на конце закручивается в спираль и заканчивается соцветием в виде зонтика. Плод – коробочка, семян чеснок не образует. Луковица сложная, состоит из 2 -50 зубчиков, каждый из которых покрыт жесткой кожицей. Луковицы могут быть белые, желтоватые, темно- фиолетовые, розово-фиолетовые.

       В луковицах содержится 35-42 % сухих веществ, в том числе 6,0 – 7,9% белков, 7,0 -28 мг витамина С, 0,5 % сахаров, 20-27 % полисахаридов. Вкус и запах чеснока обусловлены наличием эфирного масла (0,23 – 0,74 %), в котором содержится ациллин и другие органические соединения сульфидной группы (фитонциды).

        Популярная овощная культура у многих народов по всему миру, так как имеет острый вкус и характерный запах, связанный с группой органических соединений-сульфидов. Широко используется в медицине препараты из луковиц чеснока – настойку чеснока и спиртовую вытяжку (аллилсат), которые усиливают двигательную и секреторную функции желудочно-кишечного тракта. В борьбе с паразитами кишечника, в первую очередь - с ленточными червями, применяют клизмы с раствором чеснока. Доказано противовирусное действие чеснока, в частности, чеснок в определённой мере помогает предотвратить грипп.

Отдел: Цветковые (Magnoliophyta  или Angiospermae)

Класс: Однодольные (Monocotyledonae)

Семейство: Луковые (Alliaceae)

Род: Лук (Allium)

Вид: Лук репчатый (Aiium cepa)

       Многолетние (культурные виды иногда двухлетние) луковичные или с почти неразвитыми луковицами травянистые растения, с резким луковым запахом и вкусом. Корневая система – мочковатая. Представители рода имеют большую сплюснуто-шаровидную луковицу, покрытую красноватыми, белыми или фиолетовыми оболочками. Листья линейные, прикорневые, стебель толстый, до 1 м в высоту. Цветки мелкие, невзрачные, располагаются на длинных цветоножках, собраны в зонтиковидные соцветия. Семена угловатые или круглые.

       Луковицы содержат азотистые вещества (до 2,5 %), различные сахара (10 – 11%), полисахарид инулин, флавоноид кверцетин и его глюкозиды, жиры, различные ферменты, соли кальция и фосфора, фитонциды, лимонную и яблочные кислоты, витамины А, В1, В2 С, РР, а также эфирное масло с резким запахом, раздражающим слизистые оболочки глаз и носа.

       Из-за вкусовых и ароматических качеств некоторые виды луков давно введены в культуру, но во многих местах местностях население употребляет и дикие виды. Как декоративные растения наиболее эффектны Лук гигантский (Allium giganteum) и Лук Христофа (Allium christophii).

Отдел: Цветковые (Magnoliophyta  или Angiospermae)

Класс: Двудольные (Dicotyledonae)

Семейство: Рутовых (Rutaceae) 

Род: Цитрус (Citrus)

Вид: Citrus limon (L.)

       Лимон – небольшое вечнозелёное плодовое дерево высотой 3 – 6 м, с раскидистой или пирамидальной формой. Побеги большинства сортов обычно с колючками. Листья кожистые, зелёные, длиной 10-15 см, шириной 5–8 см, глянцевые, лоснящиеся с верхней стороны и светло-зеленые и матовые с нижней, цельнокрайные. Цветки среднего размера, одиночные или в небольших соцветиях. Плод длиной 6-9 см, диаметром 4-6 см, гесперидий. В лимоне ценится не только мякоть, но и цедра. Специфический лимонный аромат обусловлен наличием эфирных масел. Мякоть плодов содержит 4, 1 – 5,8 % лимонной и яблочной кислот, пектиновые вещества, сахара (до 3,5 %), каротин, фитонциды; витамины В1, В2, Р, С (до 0,085 %), производные кумарина, галактуроновую кислоту, сесквитерпены, эриоцитрин, эридиктиол.

       Культивируется в субтропических районах. Урожайность 15-30 кг с дерева. Комнатная культура лимона в настоящее время распространена почти по всей России.

       С лечебно-профилактической целью лимоны употребляют при гиповитаминозах, заболеваниях желудочно-кишечного тракта, нарушении минерального обмена, ревматизме, мочекаменной болезни, атеросклерозе, цинге, ангине, подагре, гипертонии. В настоящее время лимонный сок и лимонное масло, полученное из свежей кожуры, применяют для улучшения запаха и вкуса лекарств.

Отдел: Цветковые (Magnoliophyta  или Angiospermae)

Класс: Двудольные (Dicotyledonae)

Семейство: Розоцветные (Rosaceae)

Род: Яблоня (Malus)

Вид: Яблоня домашняя (Malus domestica)

        Яблоня – имеет стержневую корневую систему, дерево с шаровидной кроной. Листья очередные, длинночерешковые. Цветки белые или розовые, собранные в малоцветковые щитки. Плод – яблоко.

       В плодах яблони содержится большое количество кислот: яблочная, лимонная, салициловая, аскорбиновая; каротиноиды, витамины: В1, В2, В6; пектиновые вещества, клетчатка, сахар, железо, фосфор, эфирное масло, флавоноиды, медь, калий, фитонциды.

      В научной медицине плоды яблони применяют как диетическое и укрепляющее средство при расстройствах пищеварения, авитаминозах и других хронических изнуряющих заболеваниях. Установлено, что яблоки, имея много пектиновых веществ, способствуют выведению ядов из организма, в том числе излишков холестерина и щавелевой кислоты (Голышенков, 1990).

 Методом осаждения из воздуха на питательной среде нами были получены  и промикроскопированы бактерии рода сарцина  - Sarcina. Она же использовалась в качестве чистой культуры при тестировании фитонцидной активности разных растений.

 Колонии Sarcina окрашены в желтый или оранжевый цвет, диаметр колоний 4-5 мм. Sarcina имеет форму кокков, клетки средних размеров (2-6 мкм), встречаются скоплениями по 4-8 клеток вместе. Sarcina – аэроб, широко распространенный в почве и воздухе, разлагает мочевину и белок (Васильева и др., 1979).

       По  истечении времени на поверхности агаровой среды по всей чашке  вырастает сплошной газон посеянной сарцины, а вокруг разложенных тканей растений появляются прозрачные зоны отсутствия роста бактерий. Такие зоны образуются вследствие того, что фитонциды растений диффундируют в агар и задерживают рост бактерии. Измеряя диаметр каждой такой прозрачной зоны, можно определить какие растения в большей степени подавляют рост сарцины.

По нашим данным наибольший фитонцидный эффект имеет чеснок, чистая зона у него составляла 3,5 см (см. таблица). Несколько меньший диаметр свободного от бактерий агара наблюдался у лимона (2,8 см). Лук обладал еще меньшим размером чистой зоной – 1,5 см. Чистая зона яблока составила 0,7 см.    

ЗАКЛЮЧЕНИЕ и ВЫВОДЫ

Фитонциды – биологически активные вещества, основным свойством которых является подавление жизнедеятельности или даже гибель многих болезнетворных микроорганизмов. Они являются природными антибиотиками, которые человек научился использовать в практических целях. Наиболее известными и доступными являются лук и чеснок, однако, нельзя забывать, что и многие другие дикорастущие и культурные растения обладают такими веществами.

Проведенное нами исследование по изучению влияния действия фитонцидов некоторых растений на распространенные микроорганизмы (бактерии рода сарцины), подтвердили эти сведения. Однако наши результаты показали, что наряду с такими растениями как лук и чеснок, также очень сильным фитонцидным действием обладает и лимон (а возможно и другие цитрусовые). При выращивании бактерий в фитонцидной среде фактор влияния определялся по образованию чистой не заросшей бактериальной массой округлой зоны вокруг разложенных тканей изучаемых растений. Чем больше диаметр этой зоны, тем сильнее действие фитонцидов данного растения. По наши данным оказалось, что степень воздействия изучаемых растений (чеснок, лук, лимон и яблоко) не одинакова. Максимально это воздействие проявилось у чеснока и лимона, лук занимает лишь третье место. Полученные результаты позволили убедиться в эффективном действии фитонцидов и подтвердили ценные фитонцидные свойства данных растений.

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Все изученные растения обладают антибиотическим действием на микроорганизмы.

2. Максимально это свойство проявляется у чеснока и лимона, чуть меньше у лука.  

3. Рекомендовать учащимся употреблять в пищу растения с наиболее высокими фитоцидными свойствами (чеснок, лимон, лук), с целью профилактики вирусных и бактериальных заболеваний.

Литература

 1. Аникеев В.В., Лукомская К.А.. Руководство к практическим занятиям по микробиологии.- М.: «Просвещение», 1983. С. – 127.

 2. Багрова Л.А. Детская энциклопедия «Я познаю мир». Том растения. - М.: ТКО «АСТ», 1996. - С.27 -28.

3. Введенский Б.А. Большая советская энциклопедия.- М.: «Советская энциклопедия», 1956. -С. 209-210.

4. Васильева З.П., Кириллова Г.А., Ласкина А.С. Лабораторные работы по микробиологии. – М.: «Просвещение», 1979. – С. 17-18.

5. Верзилин Н.М. По следам Робинзона. - М.: «Просвещение», 1994. - С. 136 -137.

6. Голышенков П.П. Лекарственные растения и их использование. – Саранск. Мордовское книжное издательство, 1990. -  С.29-30.

7. Кретович В.Л. Основы биохимии растений.  – М.: «Советская наука», 1956. С. 218-219.

8. Кудряшова Н.И. Лечение лимонами. - М.: «Образ – Компании», 1999. – С. 5 -7.

9.Нуралиев Ю.Лекарственные растения. – Нижний Новгород. СП «ИКПА»,1991. - С.29-31.

10. Синяков А.Ф. О вершках и корешках. - М..: «Физкультура и спорт»,1992. -  С. 211 – 246.

11. Творогова А.С. Микробиологический эксперимент в школе. - Саранск, «Нива», 1987. - С. 5-10.

12. Швечикова А.П.,Косогова Т.М., Луценко А.И. Комнатные растения и чистота воздуха в помещении  научно – методический журнал «Биология в школе» №1-2 1992. -  С. 66 – 67.

12. «Энциклопедический словарь юного земледельца» под ред.К.А. Иванович  М.: «Педагогика», 1983. -  С. 329.

13. «Энциклопедический словарь юного биолога» под ред., М.С. Гилярович М.: «Педагогика», 1986. - С.37.