Karakteristike biofilma, formiranje, vrste i primjeri



biofilmovi ili biofilmovi to su zajednice mikroorganizama vezanih za površinu, koje žive u samo-generiranoj matrici izvanstaničnih polimernih tvari. U početku ih je opisao Antoine von Leeuwenhoek, kada je ispitivao "animas" (tako ga je krstio), na ploči materijala vlastitih zuba u sedamnaestom stoljeću..

Teorija koja konceptualizira biofilmove i opisuje njihov proces formiranja nije razvijena do 1978. godine. Otkriveno je da je sposobnost mikroorganizama da formiraju biofilmove univerzalna..

Biofilmi mogu postojati u okolinama tako raznolikim kao što su prirodni sustavi, akvadukti, spremnici za vodu, industrijski sustavi, kao iu raznim medijima kao što su medicinski uređaji i uređaji za stalnost u bolničkim pacijentima (npr. Kateteri)..

Korištenjem skenirajuće elektronske mikroskopije i konfokalne laserske mikroskopije skeniranja, otkriveno je da biofilmi nisu homogene, nestrukturirane naslage stanica i nakupljenih mulja, već složene heterogene strukture..

Biofilmi su složene zajednice povezanih stanica na površini, uključene u visoko hidriranu polimernu matricu čija voda cirkulira kroz otvorene kanale strukture.

Mnogi organizmi koji su uspješno preživjeli milijune godina u okolišu, primjerice vrste rodova Pseudomonas i Legionella, oni koriste strategiju biofilma u okruženjima koja se razlikuju od njihovih izvornih sredina.

indeks

  • 1 Značajke biofilma
    • 1.1. Kemijske i fizikalne značajke matrice biofilma
    • 1.2 Ekofiziološke značajke biofilma
  • 2 Formiranje biofilma
    • 2.1 Početno prianjanje na površinu
    • 2.2. Formiranje monosloja i mikrokolonija u višeslojnim slojevima
    • 2.3. Proizvodnja polimernog izvanstaničnog matriksa i sazrijevanje trodimenzionalnog biofilma
  • 3 Vrste biofilma
    • 3.1 Broj vrsta
    • 3.2. Okruženje za obuku
    • 3.3 Tip sučelja gdje se generiraju
  • Primjeri biofilma
    • 4.1 -Zubni plak
    • 4.2 -Bio film u crnoj vodi
    • 4.3 - Pod-zračni biofilmi
    • 4.4 - Biofilmovi uzročnika ljudskih bolesti
    • 4.5 - Bubonska kuga
    • 4.6 - Bolnički venski kateteri
    • 4.7 - U industriji
  • 5 Otpornost biofilma na dezinficijense, germicide i antibiotike
  • 6 Reference

Značajke biofilma

Kemijske i fizičke karakteristike matrice biofilma

-Izvanstanične polimerne tvari koje izlučuju biofilmski mikroorganizmi, makromolekule polisaharida, proteini, nukleinske kiseline, lipidi i drugi biopolimeri, od kojih je većina vrlo hidrofilna, križno se povezuju tvoreći trodimenzionalnu strukturu nazvanu biofilmska matrica..

-Struktura matrice je visoko viskoelastična, ima gumena svojstva, otporna je na vuču i mehaničko pucanje.

-Matrica ima sposobnost prianjanja na međufazne površine, uključujući unutarnje prostore porozne podloge, kroz izvanstanične polisaharide koji djeluju kao adherirajuće desni..

-Polimerna matrica je pretežno anionska i također uključuje anorganske tvari kao što su metalni kationi.

-Ima vodene kanale kroz koje cirkulira kisik, hranjive tvari i otpadne tvari koje se mogu reciklirati.

-Ova matrica biofilma djeluje kao sredstvo zaštite i preživljavanja u nepovoljnim uvjetima, barijera protiv fagocitnih napadača i protiv ulaska i difuzije dezinficijensa i antibiotika..

Ekofiziološke značajke biofilma

-Formiranje matrice u nehomogenim gradijentima stvara različite mikrostaništa, što omogućuje postojanje biološke raznolikosti unutar biofilma..

-Unutar matrice, stanični način života radikalno se razlikuje od slobodnog života, a ne povezan. Mikroorganizmi biofilma su imobilizirani, vrlo blizu jedan drugome, povezani u kolonijama; ta činjenica omogućuje intenzivne interakcije.

-Interakcije između biofilmskih mikroorganizama uključuju komunikaciju putem kemijskih signala u kodu koji se naziva "detekcija kvoruma".

-Postoje i druge važne interakcije kao što je prijenos gena i stvaranje sinergističkih mikropodataka.

-Fenotip biofilma može se opisati u smislu gena koji su eksprimirani u pridruženim stanicama. Ovaj se fenotip mijenja s obzirom na brzinu rasta i genetsku transkripciju.

-Organizmi unutar biofilma mogu transkribirati gene koji ne transkribiraju njihove planktonske ili slobodne oblike života.

-Proces formiranja biofilma reguliran je specifičnim genima, transkribiranim tijekom početne adhezije stanica.

-U ograničenom prostoru matrice postoje mehanizmi suradnje i natjecanja. Konkurencija generira stalnu prilagodbu u biološkim populacijama.

-Generira se kolektivni vanjski probavni sustav, koji zadržava izvanstanične enzime u blizini stanica.

-Ovaj enzimski sustav omogućuje izdvajanje, akumuliranje i metabolizam, otopljenje, koloidne i / ili suspendirane hranjive tvari.

-Matrica funkcionira kao zajednička vanjska zona recikliranja, skladištenja komponenti liziranih stanica, a služi i kao kolektivna genetička arhiva.

-Biofilm djeluje kao zaštitna strukturna barijera protiv promjena u okolišu, kao što su sušenje, djelovanje biocida, antibiotika, imunološki odgovor domaćina, oksidirajuća sredstva, metalni kationi, ultraljubičasto zračenje te je također obrana od mnogih predatora kao što su fagocitne protozoe i insekti..

-Matrica biofilma predstavlja jedinstveno ekološko okruženje za mikroorganizme, što omogućuje biološku zajednicu dinamičan način života. Biofilmi su istinski mikro-ekosustavi.

Formiranje biofilma

Formiranje biofilma je proces u kojem mikroorganizmi prelaze iz nomadskog jednoćelijskog, slobodno živog stanja u višestanično sedentarno stanje, gdje kasniji rast proizvodi strukturirane zajednice s staničnom diferencijacijom.

Razvijanje biofilma odvija se kao odgovor na izvanstanične signale okoline i samo-generirane signale.

Istraživači koji su proučavali biofilmove slažu se da je moguće konstruirati opći hipotetički model kako bi objasnili njihovu formaciju.

Ovaj model formiranja biofilma sastoji se od 5 faza:

  1. Početno prianjanje na površinu.
  2. Stvaranje monosloja.
  3. Migracija u mikrokolonije u višeslojnim slojevima.
  4. Proizvodnja polimernog ekstracelularnog matriksa.
  5. Sazrijevanje trodimenzionalnog biofilma.

Početno prianjanje na površinu

Formiranje biofilma započinje početnom adhezijom mikroorganizama na čvrstu površinu, gdje se imobiliziraju. Otkriveno je da mikroorganizmi imaju površinske senzore i da su površinski proteini uključeni u formiranje matrice.

Kod nemobilnih organizama, kada su uvjeti okoliša povoljni, povećava se proizvodnja adhezina na njihovoj vanjskoj površini. Na taj se način povećava sposobnost adhezije adhezije stanica-stanica i stanica-površina.

U slučaju mobilnih vrsta, pojedini mikroorganizmi nalaze se na površini i to je polazna točka za radikalnu promjenu u njihovom nomadskom mobilnom načinu života, sjedeći, gotovo sjedili.

Kapacitet kretanja se gubi jer u formiranju matrice sudjeluju različite strukture kao što su flagelice, cilije, pilusi i fimbrije, osim ljepljivih tvari.

Zatim, u oba slučaja (mobilni i nemobilni mikroorganizmi), nastaju mali agregati ili mikro kolonije i stvara se intenzivniji kontakt stanica-stanica; Adaptivne fenotipske promjene javljaju se u novoj okolini, u grupiranim stanicama.

Formiranje monosloja i mikrokolonija u višeslojnim slojevima

Počinje proizvodnja ekstracelularnih polimernih supstanci, pojavljuje se početno stvaranje monosloja i kasniji razvoj u višeslojnim slojevima.

Proizvodnja polimernog izvanstaničnog matriksa i sazrijevanje trodimenzionalnog biofilma

Konačno, biofilm doseže svoju fazu zrelosti, s trodimenzionalnom arhitekturom i prisutnošću kanala kroz koje cirkuliraju voda, hranjive tvari, komunikacijski kemijski spojevi i nukleinske kiseline..

Matrica biofilma zadržava stanice i održava ih zajedno, promičući visok stupanj interakcije s međustaničnom komunikacijom i formiranjem sinergističkih konzorcija. Stanice biofilma nisu potpuno imobilizirane, mogu se kretati unutar nje i također se odvajaju.

Vrste biofilma

Broj vrsta

Prema broju vrsta koje sudjeluju u biofilmu, potonje se može svrstati u:

  • Biofilmi vrste. Na primjer, biofilmi nastali Streptococcus mutans ili Vellionela parvula.
  • Biofilmi dviju vrsta. Na primjer, udruga Streptococcus mutans i Vellionela parvula u biofilmovima.
  • Polimikrobni biofilmi, sastavljeni od mnogih vrsta. Na primjer, zubni plak.

Okruženje treninga

Također, prema okolini u kojoj se formiraju, biofilmi mogu biti:

  • prirodni
  • industrijski
  • domaćinstvo
  • Hospitalarias

Vrsta sučelja na kojem se generiraju

S druge strane, ovisno o tipu sučelja gdje se oni formiraju, moguće ih je klasificirati u:

  • Međufazni biofilmi na kruto-tekuće, kao što su oni formirani u akvaduktima i spremnicima, cijevima i cisternama za vodu općenito.
  • Interfazni biofilmi na kruta goriva (SAB za svoje kratice na engleskom jeziku Sub Aereal Biofilms); koje su mikrobne zajednice koje se razvijaju na čvrstim mineralnim površinama, izložene izravno atmosferi i sunčevom zračenju. Nalaze se u zgradama, golim pustinjskim stijenama, planinama, među ostalima.

Primjeri biofilma

-Zubni plak

Zubni plak je istražen kao zanimljiv primjer složene zajednice koja živi u biofilmovima. Biofilmovi zubnih ploča su tvrdi i nisu elastični zbog prisutnosti anorganskih soli, koje polimernoj matrici daju krutost.

Mikroorganizmi zubnog plaka su vrlo raznoliki i ima između 200 i 300 vrsta povezanih s biofilmom.

Među tim mikroorganizmima su:

  • Spol Streptococcus; koje čine kiselinske bakterije koje demineraliziraju caklinu i dentin, te iniciraju zubni karijes. Na primjer, vrsta: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis i S. milleri.
  • Spol Lactobacillus, nastale su acidofilne denaturirajuće bakterije dentinskih proteina. Na primjer, vrsta: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
  • Spol Actinomyces, koji su kiselinski i proteolitički mikroorganizmi. Među njima, vrsta: viskoz, A. odontoliticus i A. naeslundii.
  • I druge žanrove, kao što su: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis i Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmi u crnoj vodi

Još jedan zanimljiv primjer su kućne otpadne vode, gdje žive u biofilmovima pričvršćenim na cijevi, nitrifikantnim mikroorganizmima koji oksidiraju amonijeve, nitritne i autotrofne nitrificirajuće bakterije..

Među amonijevim oksidirajućim bakterijama ovih biofilma, nalaze se brojčano dominantne vrste, one iz roda Nitrosomonas, raspodijeljene po biofilmskoj matrici.

Glavne komponente unutar grupe nitritnih oksidanata su one iz roda Nitrospira, koji se nalaze samo u unutarnjem dijelu biofilma.

-Sub-zračni biofilmi

Subaerne biofilmove karakterizira rast mrlja na čvrstim mineralnim površinama kao što su stijene i urbane konstrukcije. Ove biofilmi imaju dominantne asocijacije gljiva, algi, cijanobakterija, heterotrofnih bakterija, protozoa, kao i mikroskopskih životinja.

Posebno, SAB biofilmi posjeduju kemolitotrofne mikroorganizme, koji mogu koristiti mineralne anorganske kemijske tvari kao izvore energije.

Kemolitotrofni mikroorganizmi imaju sposobnost oksidacije anorganskih spojeva kao što je H2, NH3, NE2, S, HS, Faith2+ i iskoristiti električni potencijalni energetski proizvod oksidacije u njihovim metabolizmima.

Među mikrobiološkim vrstama prisutnim u subaernim biofilmovima su:

  • Bakterije roda Geodermatophilus; cijanobakterije rodova Chrococcoccidiopsis, poput kokoidnih i nitastih vrsta Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
  • Zelene alge rodova Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia i Stichococcus.
  • Heterotrofne bakterije (dominantne u subaernim biofilmovima): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. i Rhodococcus sp.
  • Kemogorganotrofne bakterije i gljivice kao Actynomycetales (streptomycetes i Geodermatophilaceae), Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria i bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Biofilmi uzročnika ljudskih bolesti

Mnoge bakterije poznate kao uzročnici ljudskih bolesti žive u biofilmovima. Među njima su: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans i Legionella pneumophyla.

-Bubonska kuga

Zanimljivo je prenošenje bubonske kuge pomoću ugriza buhe, relativno novom adaptacijom uzročnog bakterijskog agensa ove bolesti., Yersinia pestis.

Ova bakterija raste kao biofilm vezan za gornji probavni sustav vektora (buha). Tijekom ugriza, buha poništava biofilm koji sadrži Yersinia pestis u dermisu i tako počinje infekcija.

-Bolnički venski kateteri

Među organizmima izoliranim iz biofilma u eksplantiranim centralnim venskim kateterima, postoji zapanjujuća raznolikost Gram-pozitivnih i Gram-negativnih bakterija, kao i drugih mikroorganizama..

Nekoliko znanstvenih studija navodi Gram-pozitivne bakterije biofilma u venskim kateterima: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus spp. i Streptococcus pneumoniae.

Između Gram-negativnih bakterija izoliranih iz tih biofilmova izvještava se: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp., Providence spp. i Serratia marcescens.

Ostali organizmi koji se nalaze u ovim biofilmovima su: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis i Mycobacterium chelonei.

-U industriji

Što se tiče operabilnosti industrije, biofilmi stvaraju zapreke cijevi, oštećenja opreme, smetnje u procesima kao što su prijenos topline pri prekrivanju površina izmjenjivača ili korozija metalnih dijelova.

Prehrambena industrija

Formiranje filmova u industrijama prehrambene grane može stvoriti važne probleme u operativnom i javnom zdravlju.

Povezani patogeni u biofilmovima mogu kontaminirati prehrambene proizvode patogenim bakterijama i uzrokovati ozbiljne zdravstvene probleme u potrošača.

Među biofilmima patogena povezanih s prehrambenom industrijom, postoje:

Listeria monocytogenes

Ovaj patogen koristi u početnoj fazi formiranja biofilma, bjelančevine i membranskih proteina. Na čeličnim površinama strojeva za rezanje oblikujte biofilmove.

U mliječnoj industriji mogu se proizvesti biofilmi Listeria monocytogenes u tekućem mlijeku i mliječnim proizvodima. Ostaci mlijeka u cijevima, spremnicima, spremnicima i drugim uređajima pogoduju razvoju biofilma tog patogena koji ih koristi kao dostupne hranjive tvari.

Pseudomonas spp.

Biofilmovi ovih bakterija mogu se naći u prehrambenim industrijskim postrojenjima, kao što su podovi, odvodi i na površinama hrane, kao što su meso, povrće i voće, kao i derivati ​​s niskom kiselošću mlijeka..

Pseudomonas aeruginosa tajni nekoliko izvanstaničnih tvari koje se koriste u formiranju polimerne matrice biofilma, prianjajući na veliku količinu anorganskih materijala kao što je nehrđajući čelik.

Pseudomonas mogu postojati u biofilmu zajedno s drugim patogenim bakterijama kao što je Salmonela i Listeria.

Salmonela spp.

Vrste Salmonela su prvi uzročnici zoonoza bakterijske etiologije i izbijanja hrane toxoinfection.

To su pokazala znanstvena istraživanja Salmonela može se zalijepiti u obliku biofilma, na površinama cementa, čelika i plastike, objekata pogona za preradu hrane.

Vrste Salmonela Imaju površinske strukture s prianjajućim svojstvima. Dodatno, proizvodi celulozu kao izvanstaničnu tvar, koja je glavna komponenta polimerne matrice.

Escherichia coli

Koristi bjelančevine i membranske proteine ​​u početnom koraku formiranja biofilma. Također proizvodi izvanstaničnu celulozu da bi se generirala trodimenzionalna rešetka matrice u biofilmu.

Otpornost biofilma na dezinficijense, germicide i antibiotike

Biofilmi pružaju zaštitu mikroorganizmima koji ga stvaraju, djelovanju dezinficijensa, germicida i antibiotika. Mehanizmi koji omogućuju ovu značajku su sljedeći:

  • Odgođeno prodiranje antimikrobnog agensa kroz trodimenzionalnu matricu biofilma, vrlo sporom difuzijom i poteškoćama u postizanju učinkovite koncentracije.
  • Promijenjena brzina rasta i nizak metabolizam mikroorganizama u biofilmu.
  • Promjene u fiziološkim reakcijama mikroorganizama tijekom rasta biofilma, uz izražavanje izmijenjenih gena otpornosti.

reference

  1. Bakterijski biofilmi. (2008). Aktualne teme iz mikrobiologije i imunologije. Tony Romeo Editor. Vol 322. Berlin, Hannover: Springer Verlag. pp301.
  2. Donlan, R.M. i Costerton, J.W. (2002). Biofilmi: mehanizmi preživljavanja klinički značajnih mikroorganizama. Pregledi kliničke mikrobiologije.15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
  3. Fleming, H.C. i Wingender, F. (2010). Matrica biofilma. Nature Reviews Mikrobiologija. 8: 623-633.
  4. Gorbushina, A. (2007). Život na stijenama. Mikrobiologija okoliša. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
  5. O'Toole, G., Kaplan, H.B. i Kolter, R. (2000). Formiranje biofilma kao mikrobiološki razvoj. Godišnji pregled mikrobiologije.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
  6. Hall-Stoodley, L., Costerton, J.W. i Stoodley, P. (2004). Bakterijski biofilmi: od prirodnog okoliša do zaraznih bolesti. Nature Reviews Mikrobiologija. 2: 95-108.
  7. Whitchurch, C.B., Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. i Mattick, J. (2002). Izvanstanična DNA potrebna za formiranje bakterijskog biofilma. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487