Značilnosti biofilmov, oblikovanje, vrste in primeri



The biofilmi o biofilmi to so skupnosti mikroorganizmov, ki so pritrjeni na površino in živijo v samo-ustvarjeni matrici zunajceličnih polimernih snovi. Najprej jih je opisal Antoine von Leeuwenhoek, ko je preučil "animas" (ki jih je tako krstil), na ploščici materiala svojih zob v sedemnajstem stoletju..

Teorija, ki konceptualizira biofilme in opisuje njihov proces nastajanja, ni bila razvita do leta 1978. Ugotovljeno je bilo, da je sposobnost mikroorganizmov, da tvorijo biofilme, univerzalna..

Biofilmi lahko obstajajo v tako raznolikih okoljih, kot so naravni sistemi, akvadukti, rezervoarji za vodo, industrijski sistemi, kot tudi v različnih medijih, kot so medicinski pripomočki in naprave za trajnost v bolnišničnih bolnikih (npr. Katetri)..

Z uporabo skenirne elektronske mikroskopije in konfokalne laserske mikroskopije smo ugotovili, da biofilmi niso homogeni, nestrukturirani depoziti celic in nakopičenih muljev, ampak kompleksne heterogene strukture..

Biofilmi so kompleksne celice povezanih celic na površini, vključene v visoko hidrirano polimerno matrico, katere voda kroži skozi odprte kanale strukture..

Številni organizmi, ki so bili uspešni pri preživetju več milijonov let v okolju, na primer vrste rodov Pseudomonas in Legionella, uporabljajo biofilmsko strategijo v okoljih, ki so drugačna od njihovih domorodnih okolij.

Indeks

  • 1 Značilnosti biofilmov
    • 1.1 Kemične in fizikalne lastnosti matrice biofilma
    • 1.2 Ekofiziološke značilnosti biofilmov
  • 2 Oblikovanje biofilma
    • 2.1 Začetna adhezija na površino
    • 2.2 Nastajanje enoslojne in mikrokolonije v večplastnih
    • 2.3 Proizvodnja polimernega zunajceličnega matriksa in zorenje tridimenzionalnega biofilma
  • 3 Vrste biofilmov
    • 3.1 Število vrst
    • 3.2 Okolje usposabljanja
    • 3.3 Vrsta vmesnika, kjer se generirajo
  • 4 Primeri biofilmov
    • 4.1 Zobni plak
    • 4.2 -Bio film v črni vodi
    • 4.3 - Pod-zračni biofilmi
    • 4.4 - Biofilmi povzročiteljev bolezni pri ljudeh
    • 4.5 - Bubonska kuga
    • 4.6 - Bolniški venski katetri
    • 4.7 - V industriji
  • 5 Odpornost biofilmov na razkužila, germicide in antibiotike
  • 6 Reference

Značilnosti biofilmov

Kemične in fizikalne lastnosti matrice biofilma

-Ekstracelularne polimerne snovi, ki jih izločajo biofilmovi mikroorganizmi, makromolekule polisaharidov, beljakovine, nukleinske kisline, lipidi in drugi biopolimeri, ki so večinoma zelo hidrofilni, tvorijo tridimenzionalno strukturo, imenovano matrika biofilma..

-Struktura matrice je zelo viskoelastična, ima gumijaste lastnosti, je odporna na vleko in mehansko lomljenje.

-Matrika ima sposobnost pritrditve na medfazne površine, vključno z notranjimi prostori porozne snovi, preko zunajceličnih polisaharidov, ki delujejo kot adherentne dlesni.

-Polimerna matrica je pretežno anionska in vključuje tudi anorganske snovi, kot so kovinski kationi.

-Ima vodne kanale, skozi katere kroži kisik, hranila in odpadne snovi, ki jih je mogoče reciklirati.

-Ta matrika biofilma deluje kot sredstvo za zaščito in preživetje v neugodnih okoljih, ovira proti fagocitnim napadalcem in proti vstopu in razpršitvi razkužil in antibiotikov..

Ekofiziološke značilnosti biofilmov

-Oblikovanje matrice v nehomogenih gradientih ustvarja vrsto mikrohabitatov, ki omogočajo obstoj biotske raznovrstnosti v biofilmu..

-Celični način življenja se znotraj matrike radikalno razlikuje od prostega življenja, ki ni povezan. Mikroorganizmi biofilma so imobilizirani, zelo blizu drug drugemu, povezani v kolonije; to dejstvo omogoča intenzivno interakcijo.

-Medsebojni vplivi med biofilmskimi mikroorganizmi vključujejo komunikacijo preko kemičnih signalov v kodi, ki se imenuje "zaznavanje kvoruma".

-Obstajajo tudi druge pomembne interakcije, kot so prenos genov in oblikovanje sinergističnih mikrokontorantov.

-Fenotip biofilma lahko opišemo v smislu genov, ki jih izražajo povezane celice. Ta fenotip se spremeni glede na hitrost rasti in gensko transkripcijo.

-Organizmi v biofilmu lahko prepišejo gene, ki ne prepisujejo njihovih planktonskih ali prostih oblik življenja.

-Postopek nastajanja biofilma urejajo specifični geni, ki se prepisujejo med začetno adhezijo celic.

-V omejenem prostoru matrike obstajajo mehanizmi sodelovanja in konkurence. Konkurenca ustvarja stalno prilagajanje bioloških populacij.

-Nastane skupni zunanji prebavni sistem, ki zadrži zunajcelične encime v bližini celic.

-Ta encimski sistem omogoča sekvestiranje, kopičenje in metaboliziranje, raztapljanje, koloidne in / ali suspendirane hranilne snovi.

-Matrika deluje kot skupna zunanja cona recikliranja, shranjevanja komponent liziranih celic, ki služi tudi kot kolektivni genski arhiv..

-Biofilm deluje kot zaščitna strukturna pregrada pred spremembami v okolju, kot so sušenje, delovanje biocidov, antibiotikov, imunski odziv gostitelja, oksidanti, kovinski kationi, ultravijolično sevanje in tudi zaščita pred številnimi plenilci, kot so fagocitne protozoe in žuželke..

-Matrika biofilma predstavlja edinstveno ekološko okolje za mikroorganizme, ki biološkemu okolju omogoča dinamičen način življenja. Biofilmi so pravi mikro-ekosistemi.

Oblikovanje biofilma

Oblikovanje biofilmov je proces, v katerem se mikroorganizmi premikajo iz nomadskega enoceličnega, prosto živečega stanja v večcelično sedeče stanje, kjer kasnejša rast proizvaja strukturirane skupnosti s celično diferenciacijo..

Razvoj biofilma poteka kot odziv na zunajcelične okoljske signale in samo-generirane signale.

Raziskovalci, ki so preučevali biofilme, se strinjajo, da je mogoče zgraditi splošen hipotetični model, ki pojasnjuje njihovo tvorbo.

Ta model oblikovanja biofilma je sestavljen iz 5 stopenj:

  1. Začetna adhezija na površino.
  2. Nastanek monosloja.
  3. Migracija v mikrokolonije v večplastnih slojih.
  4. Proizvodnja polimernega zunajceličnega matriksa.
  5. Zorenje tridimenzionalnega biofilma.

Začetna adhezija na površino

Nastajanje biofilma se začne z začetno adhezijo mikroorganizmov na trdno površino, kjer so imobilizirani. Ugotovljeno je bilo, da imajo mikroorganizmi površinske senzorje in da so površinski proteini vključeni v tvorbo matrice.

Pri nemobilnih organizmih, ko so okoljske razmere ugodne, se poveča proizvodnja adhezinov na njihovi zunanji površini. Na ta način se poveča sposobnost adhezije celične celice in celične površine.

V primeru mobilnih vrst se posamezni mikroorganizmi nahajajo na površini in to je izhodišče za korenito spremembo njihovega nomadskega mobilnega načina življenja, sedečega, skoraj sedrega.

Zmogljivost gibanja se izgubi, ker pri oblikovanju matrice sodelujejo različne strukture kot flagele, cilije, pilusi in fimbrije, poleg lepilnih snovi..

Nato v obeh primerih (mobilne in nemobilne mikroorganizme) nastanejo majhni agregati ali mikro kolonije in nastane intenzivnejši stik celične celice; Adaptivne fenotipske spremembe se pojavijo v novem okolju, v združenih celicah.

Nastajanje enoslojne in mikrokolonije v večplastnih

Začne se proizvodnja zunajceličnih polimernih snovi, nastane začetna tvorba monosloja in kasnejši razvoj v večplastnih.

Izdelava polimernega zunajceličnega matriksa in zorenje tridimenzionalnega biofilma

Končno, biofilm doseže stopnjo zrelosti, s tridimenzionalno arhitekturo in prisotnostjo kanalov, skozi katere kroži voda, hranila, komunikacijske kemijske spojine in nukleinske kisline..

Matrika biofilma ohranja celice in jih ohranja skupaj, kar spodbuja visoko stopnjo interakcije z medcelično komunikacijo in tvorbo sinergističnih konzorcijev. Celice biofilma niso popolnoma imobilizirane, lahko se premikajo znotraj njega in se tudi ločijo.

Vrste biofilmov

Število vrst

Glede na število vrst, ki sodelujejo v biofilmu, jih je mogoče razvrstiti v:

  • Biofilmi vrste. Na primer, biofilmi, ki jih tvorijo Streptococcus mutans o Vellionela parvula.
  • Biofilmi dveh vrst. Na primer, združenje Streptococcus mutans in Vellionela parvula v biofilmih.
  • Polimikrobni biofilmi, sestavljeni iz številnih vrst. Na primer, zobni plak.

Okolje usposabljanja

Biofilmi so lahko tudi: \ t

  • Naravna
  • Industrijski
  • Domače
  • Bolnišnice

Vrsta vmesnika, kjer se ustvarjajo

Po drugi strani pa jih je mogoče glede na vrsto vmesnika, kjer se oblikujejo, razvrstiti v:

  • Interfazni biofilmi na trdno-tekočo, kot tiste, ki nastanejo v vodovodih in cisternah, ceveh in vodnih rezervoarjih na splošno.
  • Interfazni biofilmi za trdne pline (SAB za svoje okrajšave v angleščini Biofilms Sub Aereal); ki so mikrobne skupnosti, ki se razvijajo na trdnih mineralnih površinah, neposredno izpostavljene atmosferi in sončnemu sevanju. Najdemo jih v zgradbah, golih puščavskih skalah, v gorah, med drugim.

Primeri biofilmov

-Zobni plak

Zobni plak je bil raziskan kot zanimiv primer kompleksne skupnosti, ki živi v biofilmih. Biofilmi zobnih plošč so trdni in niso elastični zaradi prisotnosti anorganskih soli, ki polimerni matrici dajejo togost..

Mikroorganizmi zobnega plaka so zelo raznoliki in v biofilmu je med 200 in 300 vrst.

Med temi mikroorganizmi so:

  • Spol Streptokok; tvorijo kislinske bakterije, ki demineralizirajo sklenino in dentin, in sprožijo zobni karies. Na primer, vrsta: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis in S. milleri.
  • Spol Lactobacillus, ki jih tvorijo acidofilne denaturacijske bakterije proteinov dentina. Na primer, vrsta: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
  • Spol Actinomyces, ki so kislinski in proteolitični mikroorganizmi. Med temi vrstami: viscosus, A. odontoliticus in A. naeslundii.
  • In druge zvrsti, kot: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis in Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmi v črni vodi

Še en zanimiv primer so gospodinjske odpadne vode, kjer živijo v biofilmih, pritrjenih na cevi, nitrifikacijskih mikroorganizmov, ki oksidirajo amonijeve, nitritne in avtotrofne nitrificirajoče bakterije..

Med amonijevimi oksidacijskimi bakterijami teh biofilmov so številčno dominantne vrste, tiste iz rodu Nitrosomonas, porazdeljeni po biofilmski matrici.

Glavne sestavine v skupini nitritnih oksidantov so tiste iz rodu Nitrospira, ki se nahajajo samo v notranjem delu biofilma.

-Sub-zračni biofilmi

Za subaerične biofilme je značilna rast v obližih na trdnih mineralnih površinah, kot so kamnine in urbane konstrukcije. Ti biofilmi imajo prevladujoča združenja gliv, alg, cianobakterij, heterotrofnih bakterij, protozojev in mikroskopskih živali..

Zlasti biofilmi SAB imajo kemolitotrofne mikroorganizme, ki lahko kot vir energije uporabljajo mineralne anorganske kemijske snovi..

Kemolitotrofni mikroorganizmi imajo sposobnost oksidacije anorganskih spojin, kot je H2, NH3, Št2, S, HS, Faith2+ izkoristiti električni potencialni produkt oksidacije v njihovih metabolizmih.

Med mikrobiološkimi vrstami, ki so prisotne v subaeričnih biofilmih, so:

  • Bakterije iz rodu Geodermatophilus; cianobakterije rodov Chrokococcidiopsis, kokoidne in nitaste vrste, kot so Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
  • Zelene alge rodov Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia in Stichococcus.
  • Heterotrofne bakterije (prevladujoče v subaeričnih biofilmih): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. in Rhodococcus sp.
  • Kemogorganotrofne bakterije in glive kot Actynomycetales (streptomicetes in Geodermatophilaceae), Proteobakterije, Actinobacteria, Acidobacteria in bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Biofilmi povzročiteljev človeških bolezni

Številne bakterije, znane kot povzročitelji človeških bolezni, živijo v biofilmih. Med temi so: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans in Legionella pneumophyla.

-Bubonska kuga

Zanimivo je, da je prenos bubonske kuge z ugrizom bolh, relativno nova prilagoditev bakterijskega povzročitelja te bolezni., Yersinia pestis.

Ta bakterija raste kot biofilm, pritrjen na zgornji prebavni sistem vektorja (bolha). Med ugrizom bolha povrne vsebnost biofilma Yersinia pestis v dermisu in tako se začne okužba.

-Bolniški venski katetri

Med organizmi, izoliranimi iz biofilmov v eksplantiranih centralnih venskih kateterih, je presenetljiva vrsta Gram-pozitivnih in Gram-negativnih bakterij kot tudi drugih mikroorganizmov..

Več znanstvenih študij poroča o Gram-pozitivnih bakterijah biofilmov v venskih kateterih: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptokok spp. in Streptococcus pneumoniae.

Med gram-negativnimi bakterijami, izoliranimi iz teh biofilmov, poročamo: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp., Providence spp. in Serratia marcescens.

Drugi organizmi, ki jih najdemo v teh biofilmih, so: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis in Mycobacterium chelonei.

-V industriji

Glede na uporabnost industrije, biofilmi ustvarjajo ovire v ceveh, poškodujejo opremo, povzročajo motnje v procesih, kot so prenos toplote pri prekrivanju površin izmenjevalcev ali korozija kovinskih delov..

Živilska industrija

Oblikovanje filmov v panogah prehranske veje lahko ustvari pomembne probleme, ki so operativni in javnega zdravja.

Povezani patogeni v biofilmih lahko kontaminirajo prehrambene proizvode s patogene bakterije in povzročajo resne zdravstvene težave pri potrošnikih.

Med biofilmi patogenov, povezanih z živilsko industrijo, obstajajo:

Listeria monocytogenes

Ta patogen uporablja v začetni fazi tvorbe biofilma, beljakovin in membranskih proteinov. Na jeklenih površinah rezalnih strojev oblikujte biofilm.

V mlečni industriji se lahko proizvajajo biofilmi Listeria monocytogenes v tekočem mleku in mlečnih izdelkih. Ostanki mleka v ceveh, rezervoarjih, posodah in drugih napravah spodbujajo razvoj biofilmov tega patogena, ki jih uporablja kot razpoložljiva hranila..

Pseudomonas spp.

Biofilmi teh bakterij najdemo v obratih živilske industrije, kot so tla, odtoki in na živilskih površinah, kot so meso, zelenjava in sadje, ter derivati ​​z nizko kislostjo mleka..

Pseudomonas aeruginosa skrivnost več zunajceličnih snovi, ki se uporabljajo pri tvorbi polimerne matrice biofilma, ki se drži velike količine anorganskih materialov, kot je nerjavno jeklo.

Pseudomonas lahko delujejo v biofilmu skupaj z drugimi patogenimi bakterijami, kot je npr Salmonella in Listeria.

Salmonella spp.

Vrsta vrste Salmonella so prvi povzročitelj zoonoz bakterijske etiologije in izbruhov prehranske toksikoze.

To so pokazale znanstvene študije Salmonella lahko se pritrdi v obliki biofilmov, na površine cementa, jekla in plastike, objektov obratov za predelavo hrane.

Vrsta vrste Salmonella Imajo površinske strukture z adherentnimi lastnostmi. Poleg tega proizvaja celulozo kot zunajcelično snov, ki je glavna sestavina polimerne matrice.

Escherichia coli

V začetni fazi tvorbe biofilma uporablja beljakovine in membranske proteine. Proizvaja tudi zunajcelično celulozo, da se ustvari tridimenzionalna mreža matrike v biofilmu.

Odpornost biofilmov na razkužila, germicide in antibiotike

Biofilmi nudijo zaščito mikroorganizmom, ki ga tvorijo, dezinfekcijskim sredstvom, germicidom in antibiotikom. Mehanizmi, ki omogočajo to funkcijo, so naslednji:

  • Zakasnjena penetracija antimikrobnega sredstva skozi tridimenzionalno matriko biofilma z zelo počasno difuzijo in težavami pri doseganju učinkovite koncentracije.
  • Spremenjena stopnja rasti in nizka presnova mikroorganizmov v biofilmu.
  • Spremembe v fizioloških odzivih mikroorganizmov med rastjo biofilma, z izraženimi spremembami genov odpornosti.

Reference

  1. Bakterijske biofilme. (2008). Aktualne teme v mikrobiologiji in imunologiji. Tony Romeo Editor. Vol 322. Berlin, Hannover: Springer Verlag. pp301.
  2. Donlan, R.M. in Costerton, J.W. (2002). Biofilmi: mehanizmi preživetja klinično pomembnih mikroorganizmov. Pregledi klinične mikrobiologije.15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
  3. Fleming, H.C. in Wingender, F. (2010). Matrika biofilma. Nature Reviews Mikrobiologija. 8: 623-633.
  4. Gorbushina, A. (2007). Življenje na skalah. Mikrobiologija okolja. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
  5. O'Toole, G., Kaplan, H.B. in Kolter, R. (2000). Oblikovanje biofilma kot razvoj mikrobov. Letni pregled mikrobiologije.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
  6. Hall-Stoodley, L., Costerton, J.W. in Stoodley, P. (2004). Bakterijski biofilmi: od naravnega okolja do nalezljivih bolezni. Nature Reviews Mikrobiologija. 2: 95-108.
  7. Whitchurch, C.B., Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. in Mattick, J. (2002). Za tvorbo bakterijskega biofilma je potrebna ekstracelularna DNA. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487