CC BY
261
УДК 619.15
О. В. Федорова, А. И. Назмиева, Э. И. Нуретдинова, Р. Т. Валеева
ПРОБИОТИЧЕСКИЕ ПРЕПАРАТЫ НА ОСНОВЕ МИКРООРГАНИЗМОВ РОДА BACILLUS
Ключевые слова: микроорганизмы рода Bacillus, пробиотические препараты.
Микроорганизмы рода Bacillus основа для получения разнообразного ассортимента пробиотических препаратов.В работе представлен обзор литературных источников, посвященных микроорганизмам рода Bacillus, описаны их характеристики, преимущества и области применения.
Key words: microorganisms of the genus Bacillus, probiotic preparations.
The microorganisms of the genus Bacillus basis for a diverse range of probiotic preparations. The paper presents a review of the literature dealing with microorganisms of the genus Bacillus, describes their characteristics, advantages and applications.
Для разработки пробиотических препаратов используются многие виды микроорганизмов, однако поиск новых видов микроорганизмов для использования их в производстве пробиотических препаратов продолжается многими
исследователями. Группа пробиотических препаратов на основе микроорганизмов рода Bacillus, активно разрабатывается в последнее время, но пока все еще малочисленна [1].
Известны положительные эффекты влияния на жизнедеятельность животных и многих других культур микроорганизмов, таких как: лактобациллы и бифидобактерии [2,3].
Однакоаэробные спорообразующие бактерии рода Bacillus, как продуценты биологически активных веществ, являются наиболее перспективной группой микроорганизмов для современной биотехнологии и вызывают большой интерес исследователей и практических работников различного профиля, осуществляющих разработку, производство и практическое применение пробиотических препаратов [4]. Важным для практического использования фактором является устойчивость спор при хранении, которая во многом определяет эффективность препаратов.
Исследования микроорганизмов рода Bacillus ведутся во многих отраслях, начиная от пищевой промышленности и заканчивая биотехнологией и генной инженерией [5].
Поэтому проблема идентификации и изучения морфологических, культуральных, тинкториальных признаков различных представителей рода Bacillus является насущной, своевременной задачей и в настоящее время [6, 7].
Микроорганизмы рода Bacillus -микроорганизмы семейства Bacillaceae - клетки палочковидной формы - прямые палочки, средний размер которых 0,5-2,5 х 1,2-10 мкм, с закругленными или обрубленными концами, часто в парах или цепочках.
Родовое название Bacillus было впервые введено в 1872 году Фердинандом Юлиусом Коном для палочковидных бактерий, растущих в виде нитей [8]. Обнаружение светопреломляющихвключений в спорах Bacillussubtilis из сенного отвара, стало его главным открытием. Фердинанд Кон является
одним из основателей бактериологии, выдающимся микробиологом того времени, который повторил и углубил исследования предшественников и предопределил дальнейший ход
бактериологических исследований. Наибольшей заслугой Кона является то, что он описал множество видов бактерий и установил значимость закона «постоянства видов» для бактерий. Он первым показал, что бактериальные клетки, попадающие из воздуха на твердые питательные среды, формируют колонии, и что бактерии сходной формы могут очень сильно различаться по физиологическим и биохимическим свойствам. На основании тщательных исследований морфологий,
пигментаций, подвижности, спорообразования и физиологических признаков ему удалось опровергнуть гипотезу бактериального
плеоморфизма, а предложенная первая система классификации бактерий (1872, 1875) стала основой для последующих систем как для микробиологов и медиков [9].
Классификация микроорганизмоврода Bacillus очень динамична. Это связано, во-первых, с открытием и описанием новых видов бацилл. Так род Bacillus на 01.01.1980 г. включал 31 вид, объединенный на основании фенотипических признаков [10]. Во-вторых, в последние годы род Bacillus подвергся реклассификации. Разделение в восемь родов базировалось на секвенировании 16S рРНК, структуре пептидогликана, форме клетки и споры, способности к анаэробному росту, способности роста на средах с 10% раствором хлористого натрия, в составе жирных кислот [11].
В настоящее время род Bacillus насчитывает 77 видов [12] и объединяет обширную группу строго аэробных или факультативно анаэробных грамположительных хемоорганотрофных
микроорганизмов, подвижных за счет перетрихиальных жгутиков и образующих термоустойчивые эндоспоры - овальной или иногда сферической либо цилиндрической формы, устойчивых ко многим неблагоприятным физическим и химическим воздействиям.
Бактерии рода Bacillus способны продуцировать широкий спектр вторичных метаболитов [13] (метаболизмы бродильного или дыхательного типа
обычно каталазоположительные) и хорошо адаптируются к условиям ризосферы [14].
Представители рода Bacillus представляют интерес и в экологических исследованиях, так как заселяют различные экологические ниши. Очевидно, что антропогенный пресс, который испытывает современная окружающая среда, так же может влиять на изменчивость этих микроорганизмов [5].
Микроорганизмы данной группы широко распространены в природе и встречаются повсеместно - в биосфере, включая воздушный бассейн, почвенный покров, моря и океаны, внутренние водоемы материков, криогенные среды, в пищевых продуктах, а также в организме человека, животных и насекомых [15]. Они принимают активное участие в разложении органических соединений, связывают атмосферный азот и служат возбудителями болезней человека, животных, растений и насекомых [16-19]. Штаммы рода Bacillus обнаружены и на поверхности, и внутри различных частей растений: семенах, стеблях, корнях, клубеньках, что свидетельствует об их тесном взаимоотношении с растениями [20-22]. Широкой распространенности бактерий рода Badllus способствует их разнообразная биологическая активность - комплекс свойств, благодаря которым эти микроорганизмы играют существенную роль в процессах круговорота веществ в природе [23].
Сочетание некоторых штаммов Bacillus в одном продукте способствует избирательному подавлению роста различных патогенных микроорганизмов, таких как бактериальные, вирусные и грибковые инфекции при безвредности для макроорганизма и его симбиотической микрофлоры. Применение пробиотических препаратов на основе смешанных-комбинированных культур рода Bacillus повышает устойчивость организмов животных и человека к неблагоприятным условиям внешней среды [24]. Эти свойства смешанных культур рода Bacillus определяются синтезом бактериоцинов,
подавляющие рост широкого спектра патогенных и условно-патогенных микроорганизмов: кандид, стафилококков, кампилобактерий, иерсиний и субстанций, нейтрализующих бактериальные токсины [25]. Таким образом, бактерии рода BacШusпри пероральном применении активируют неспецифическую резистентность животных.
Большой диапазон толерантности по температуре и кислотности среды ряда микроорганизмов рода Bacillus определил их использование в процессах получения коммерческих препаратов ферментов [5]. Апатогенные аэробные бактерии рода Bacillus продуцируют целый ряд ферментов: трансферазы, гидролазы, липазы, разлагающие крахмал, пектины, целлюлозу, жиры, белки, которые регулируют и стимулируют процессы пищеварения [26, 27], а также множество различных антибиотиков, аминокислот, витаминов, нуклеотидов [19].
Бактерии рода Bacillus способны синтезировать фитогормоны — ауксины, гиббереллины,
цитокинины, абсцизины, этилен [20, 21]. Так синтез бактериями Bacillussubtilis FZB24 ауксинов способствует стимуляции развития корневой системы, позволяет растениям более активно поглощать воду и питательные вещества и, соответственно, усиливает не только устойчивость растений к болезням, но и позволяет им ускоренно проходить чувствительные к патогенам стадии своего развития [28]. При инокуляции растений цитокинин-продуцирующими бактериями
Bacillussubtilis было установлено, что в самих растениях повышалось содержание хлорофилла и накопление цитокининов и приводило к увеличению массы как побегов, так и корней [29, 30].
Новыми прогрессивными направлениями применения некоторых штаммов Bacillus являются их противоаллергенное и антитоксическое действие [22, 23]. Изучение способности бактерий рода Bacillus, входящих в состав пробиотических препаратов, к накоплению тяжёлых металлов определило направление поиска эффективных пробиотических препаратов, применяемых при отравлении тяжёлыми металлами. В дальнейшем это может послужить основой для совершенствования пробиотических препаратов для лечения и профилактики кишечных инфекций при одновременном удалении из организма токсичных веществ, в частности тяжёлых металлов [31-36].
Все выше перечисленные свойства представителей рода Bacillus делают их одними из самых перспективных микроорганизмов для создания микробиологических биопрепаратов, обладающих комплексом хозяйственно ценных свойств [37].
Оценивая перспективы использования бактерий рода Bacillus для создания пробиотических препаратов, выделены следующие их преимущества перед другими представителями экзогенной микрофлоры:
- безвредность подавляющего большинства представителей рода для макроорганизма даже в концентрациях, значительно превышающих рекомендуемые для применения;
- способность повышать неспецифическую резистентность организма хозяина;
- антагонистическую активность к широкому спектру патогенных и условно-патогенных микроорганизмов;
- высокую ферментативную активность;
- устойчивость к литическим ферментам и обусловленную этим высокую жизнеспособность на протяжении всего желудочно-кишечного тракта;
- технологичность в производстве;
- стабильность при хранении;
- экологическую безопасность [17].
В области биологической активности у бактерий рода Bacillus отмечена их способность выделять в культуральную жидкость сигнальные молекулы, иммуноактивные протеины [38] и биологически активные пептиды, в число которых входят не только пептидные антибиотики, но и гормоноподобные вещества [38]. Очевидно, что в различной степени это характерно для многих групп
икроорганиз ов, что подтвер дается
экспериментально фиксируемым эффектом подавления роста контаминантов при высокой плотности популяции культивируемого штамма.
Благодаря протеолитическим и
фибринолитическим ферментам препараты бактерий рода Bacillus могут способствовать очищению ран и воспалительных очагов от некротических тканей.
Различные виды бактерий рода Bacillus продуцируют антибиотики четырех основных классов:
- циклические олигопептиды (нацитрацин), влияющие на биосинтез пептидогликана и ингибирующие синтез стиролов;
- линейные олигопептиды (полимиксин), действующие на мембранные функции путем встраивания между липидами и белками мембранных структур микроорганизмов, приводя их к необратимым изменениям;
- основные пептиды (эдеины), подавляющие синтез белка в рибосомах за счет ингибирования информационной РНК;
- аминогликозидные антибиотики (бутирозин), которые обладают способностью нарушать функционирование 30 S-субчастицы рибосомы и, таким образом, влиять на синтез белковых соединений [21, 39-44].
Пробиотические препараты на основе бактерий рода Bacillusможно условно разделить на четыре группы:
1 - монобациллярные препараты, имеющие в составе один штамм;
2 - полибациллярные препараты, имеющие в составе два и более штамма рода Bacillus;
3 - комплексные препараты, в составе которых помимо представителей рода Bacillus, присутствуют другие микроорганизмы;
4 - иммобилизованные препараты на сорбенте (сорбированные) живые бактерии [1, 45].
Вследствие указанных выше свойств апатогенных бактерий рода Bacillus в медицинской практике разных стран в последние несколько десятилетий успешно используются пробиотические препараты на их основе для лечения и профилактики дисбиозов и инфекционных заболеваний [1, 46]. Так, эубиотики, в составе которых содержатся микроорганизмы рода Bacillus, как показывают экспериментальные и научные исследования в медицинской практике, проявляют явную профилактическую и терапевтическую эффективность при разных инфекционных и неинфекционных заболеваниях [47].
Бактериальные препараты находят все более обширное применение и в ветеринарной медицине для снижения падежа молодняка
сельскохозяйственных животных и птиц, при выращивании телят, поросят [48, 49], кур, гусей, перепелов, уток [50] и рыб [51], для повышения привесов и более полного усвоения кормов.
Пробиотические препараты на основе спорообразующих бактерий рода Bacillus предотвращают развитие острого воспалительного
процесса, о чём свидетельствуют отдельные гематологические показатели [52]. Высокая эффективность Bacillus при лечении инфекционных заболеваний у животных, санации
животноводческих помещений обусловлены комплексом свойств этих микроорганизмов, которые являются определяющими при выборе основы для конструирования эффективных препаратов [53]. В защите растений от возбудителей болезней была показана эффективность штаммов Bacillussubtilis в качестве биофунгицидов для культур открытого и защищенного грунта [54, 55], а также в технологии хранения овощей [56, 57].
Экологически чистый и устойчивый способ повышения урожайности сельскохозяйственных культур, возможен при применении представителей рода Bacillusв качестве основы микробиологических биопрепаратов [39].
Для повышения эффективности
профилактических средств использование бациллярных препаратов из двух штаммов бактерий рода Bacillus более предпочтителен. Так использование двух культур - Bacillussubtilis и Bacilluslicheniformis для лечения дисбактериозов дает больший эффект, так как бактерии вида Bacillussubtilis - строгие аэробы, тогда как представители вида Bacilluslicheniformis могут расти в микроаэрофильных условиях. Эти свойства двух видов бактерий рода Bacillus усиливают эффективность пробиотической терапии [1, 58, 59].
Вследствие этого активно разрабатываются новые препараты на основе микроорганизмов рода Bacillus. Только российскими учеными заявлены более 20 наименований препаратов на основе представителей рода Bacillus [17]. Большая часть препаратов запатентована. Например, типичным примером является патент РФ 2319391. Пробиотический препарат предназначен для увеличения прироста живой массы поросят-отъемышей. Он создан на основе штамма BacillussubtilisTnm 13-07.06.21-ДЕП/ВГНКИ и штамма Bacilluslicheniformis ТПИ 11-07.06.22-ДЕП/ВГЖИ, депонированных во Всероссийской государственной коллекции штаммов
микроорганизмов, используемых в ветеринарии и животноводстве (ФГУ ВГНКИ) [60].
На фармацевтическом рынке РФ существуют следующие пробиотические препараты на основе бактерий рода Bacillus: Бактиспорин, Бактисубтил, Биоспорин, Споробактерин, Флонивин. Данные препараты включают лиофилизированные живые клетки бактерий и выпускаются в таблетках, капсулах, а также в ампулах [61].
Таким образом, разработка новых технологий производства и применения пробиотических препаратов на основе микроорганизмов рода Bacillusявляется одной из актуальных задач развития биотехнологии в Российской Федерации.
Создание крупнотоннажного ресурсо- и энергосберегающего производства пробиотических препаратов на основе микроорганизмов рода Bacillus предполагает и поиск коммерчески доступного сырья. Нами ведутся
экспериментальные лабораторные исследования по интенсификации технологии получения жидких пробиотических препаратов на основе разных штаммов Bacillus [62] с использованием различных видов сырья, включая отходы агропромышленного комплекса.
Литература
1. Л.Ф. Бакулина, И.В. Тимофеев, КГ. Перминова, A^. Полушкина, H.K Печоркина, Биотехнология 2, 48-56, (2001).
2. D. Leroith, W. Pickens, A.I. Vinik, J. Shiloach, Biochem. and Biophys. 127(3), 713-771, (1985).
3. G. Perdigon, R. Fuller, R. Raya, Curr.IssuesIntest. Microbiol. 2(1), 27-42, (2001).
4. Р.Ф. Белов, дисс. канд. сельскохоз. наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им. H.K Вавилова», Саранск, 2015. 131 с.
5. AB. Садунова, Мос. Университет, Москва, 1976, 307 с.
6. Б.В. Громов, Г.В. Павленко, Шука, Ленинград, 1989, 246 с.
7. И.Б. Бороздина, Вестник Aлтайского государственного аграрного университета 76(2), 43-48, (2011).
8. AB. Душкин, A.K Лыков, О.К Ларина, Фундаментальные исследования 9, 234-237, (2011).
9. Г.Г. Шлегель, История микробиологии. Едиториал УРСС, Москва, 2014. 302 с.
10. С.Ш. Тер-Казарьян, Aйастан, Ереван, 1982, 420 с.
11. E.Stackebrandt, M. Dworkin, S. Falkow, A Handbook on the Biology of Bacteria 3, 29-57, (2006).
12. В.Д. Похиленко, В.В. Перелыгин, Химическая и биологическая безопасность 2, 32-33, (2007).
13.Е.В. Aрискина, Прикладная биохимия и микробиология 45(4), 465-469, (2009).
14. J.M. Whipps, Experim. Botany 52, 487-511, (2001).
15. Л.Ф. Калёнова, A.M. Субботин, A.C. Бажин, M.A. Швикова, Вестник новых медицинских технологий 21(4), 142-148, (2014).
16. AB. Воробьев, A.C. Быков, Е.П. Пашков, A.M. Рыбакова, Микробиология. Медицина, Москва, 2003. 236 с.
17. И.Б. Сорокулова, Aнтибиотики и химотерапия 41(10), 13-15, (1996).
18. И.Б. Сорокулова, Am^^'ram и химотерапия 43(2), 20-23, (1998).
19.В.В. Смирнов, С.Р. Резник, ИА. Василевская, Спорообразующие аэробные бактерии продуценты биологически активных веществ. ^ук^аДум^, Киев, 1982. 279 с.
20. W.T. Frankenberger, M. Arshad, Microbial production and function, New York, 1995. 503 p.
21. S. Timmusk, B. Nicander, U. Granhall, E. Tillberg, Soil Biology and Biochemistry 31, 847-1852, (1999).
22. Ю.В. Батаева, Д.К. Магзанова, О.В. Aстафьева, М.Д. Фомина, Вестник Aлтайского государственного аграрного университета 123(1), 70-76, (2015).
23. С.С. Семенов, A.A. Былгаева, Международный36(5), 100-102, (2015).
24. БА. Шендеров, И.С. Куралев, Педиатрия для практикующих врачей 4, 33-45, (2012).
25. О.С. Мокрушина, И.С. Aндреева, H.A. Мазуркова, Л.И. Бурцева, A.K Закабунин,Международный научно-
исследовательский журнал 15(8), 74-77, (2013).
26. В.В. Смирнов, КК. Коваленко, В.С. Подгорский, И.Б. Сорокулова, Микробиологический журнал 64(4), 62-78, (2002).
27. Г.Г. Соколенко, Б.П. Лазарев, С.В. Миньченко, Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания 1,
72-78, (2015).
28. M. Kilian, U. Steiner, B. Krebs, H. Junge, PflanzenschutzNachrichten Bayer 1, 72-93, (2000).
29. Г.Р. Кудоярова, А.И. Meлeнтьев, Е.В. Мартыненко, Л.Н. Тимергалина, Т.Н. Архипова, Г.В. Шгндель, Л.У. Кузьмина, И.С. Дод, С.У. Веселов, ПлантФизиол. Биохим. 83, 285-291, (2014).
30. Т.Н. Архипова, Е. Принсен, С.У. Веселов, Е.В. Мартыненко, А.И. Meлeнтьев, Г.Р. Кудоярова, ПлантСоил. 292, 305-315, (2007).
31. A. Sizentsov, O. Kvan, A. Vishnyakov, A. Babushkina, E. Drozdova, Life Science Journal 10(11), 18-20, (2014).
32. А.Н. Сизенцов, Е.Ю. Исайкина, О.В. Кван, Е.А. Сизова, Современные проблемы науки иобразования 3, (2014).
33. А.Н. Сизенцов,А.И. Вишняков, А.Е. Новикова, Вестник Оренбургского государственного университета 4, 7-9, (2011).
34. Ю.А. Холопов, СамГАПС, Самара, 2003, 42 с.
35. Л.Л. Абрамова, А.Н. Сизенцов, Н.В. Шеботина, Известия Оренбургского государственного аграрного университета 29(1), 192-195, (2011).
36. А.Н. Сизенцов, Вестник ветеринарии 65(2), 34-36,
(2013).
37. Д.Г. Баубекова, Universum: Химия и биология 7(7),
(2014).
38. G.S. Spencer, K.G. Hallett, Life Sci. 37(1), 27-30, (1985).
39. К. Харвуда, Бациллы. Генетика и биотехнология. Мир, Москва, 1992. 530 с.
40. Т.Я. Вахитов, Л.Н. Петров, В.М. Бондаренко, Журнал микробиология 5, 108-114, (2005).
41. М.Ю. Волков, Е.И. Ткаченко, Е.В.Воробейчиков, А.В. Синица, Журнал Микробиологии, эпидемиологии, и иммунологии 2, 75-80, (2007).
42. Н.А. Забокрицкий, Л.П. Ларионов, Е.Ф. Гайсина, Возможности и перспективы клинического применения нового зубного эликсира «Дентозар» в медицинской практике в лечении стоматологических больных с воспалительными заболеваниями органов полости рта: материалы II Международной научно-практической конференции, 88-92, (2008).
43. Г.С. Катруха, В.А. Липасова, А.З. Мелицкая, Д.Э. Фоменко, И.А. Хмель, Молекулярная биология 2, 382386, (1998).
44. И.А. Хмель, Генетика 35(1), 5-16, (1999).
45. Н.А. Ушакова, Р.В. Некрасов, В.Г. Правдин, Л.З. Кравцова, О.И. Бобровская, Д.С. Павлов, Фундаментальные исследования 1, 184-192, (2012).
46. А.Л. Лазовская, Н.В. Гришина, З.Г. Воробьева, К.Н. Слинииа, М.А. Кульчицкая, Е.А. Васильева, Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Медицина 1, 18-24, (2010).
47. А.В. Корочинский, дис. канд. фарм. наук, Пятигорский медико-фармацевтический институт-филиал ГБОУ ВПО ВОЛГГМУ Минздрава России, Пятигорск, 2014. 145 с.
48. Н.А. Ушакова, Е.В. Котенкова, A.A. Козлова, А.В. Нифатов, Прикладная биохимия и микробиология 42(3), 285-291, (2006).
49. М.П. Федорова, Н.П. Тарабукина, М.П. Неустроев, В.И. Кириллина, Зоотехния 2, 16-17, (2011).
50. Ю.И. Беркольд, А.Б. Иванова, Сибирский вестник сельскохозяйственной науки 4, 45-48, (2006).
51. Ф.С. Хазиахметов, А.А. Башаров, Г.О. Нугуманов, Проблемы биологии продуктивных животных 2, 106109, (2011).
52. А.Н. Сизенцов, Е.Ю. Исайкина, Известия Оренбургского государственного аграрного университета 51(1), 149-152, (2015).
53. Н.В. Сверчкова, Н.С. Заславская, Т.В. Романовская, Э.И. Коломиец, Известия национальной академии наук
Беларуси 1, 96-100, (2014).
54. Р.М. Хайруллин, А.А. Егоршина, М.А. Лукьянцев, Н.А. Уразбахтина, Р.Ш. Иргалина, А.Р. Сахабутдинова, Аграрная Россия 1, 49-53, (2011).
55. Л.И. Пусенкова, В.М. Глез, В.Н. Зейрук, Защита и карантин растений 10, 26-28, (2010).
56. В.О. Рудаков, Д.О. Морозов, А.Н. Седых, Защита и карантин растений 6, 66-67, (2010).
57. А.А. Леляк, М.В. Штерншис, Вестник Томского государственного университета 25(1), 42-55, (2014).
58. Н.А. Hong, L.H. Due, S.M. Cutting, FEMS Microbiol. Rev. 29(4), 813-835, (2005).
59. R.J. Collier, A Report from AmericanAcademy of Microbiology, Washington, 2006, 28 p.
60. Пат. РоссийскаяФедерация 2319391 (2008).
61. Энциклопедия лекарств: Регистр лекарственных средств России. - 11-е. изд. - М.: РЛС-2004. - 1504 с.
62. Ю.И. Иванов, С.Г. Мухачев, Р.Т. Валеева, Сборник тезисов - Архангельск, 170-171, (2014).
© О. В. Федорова - магистр кафедры химической кибернетики КНИТУ; А. И. Назмиева - магистр той же кафедры; Э. И. Нуретдинова - магистр той же кафедры; Р. Т. Валеева - канд. техн. наук, доцент той же кафедры, [email protected].
©; О. V. Fedоrоvа - master, Department of Chemical Cybernetics, KNRTU; A. 1 Nazmieva - master, Department of Chemical Cybernetics, KNRTU E. I. Nuretdinоvа - master, Department of Chemical Cybernetics, KNRTU, R. T. Valeeva - candidate of chemical science, associate Professor Department of Chemical Cybernetics, KNRTU, [email protected]
