Charakteristiky, formácie, typy a príklady biofilmov



biofilmy alebo biofilmy sú to spoločenstvá mikroorganizmov, ktoré sú pripojené k povrchu a žijú v samo generovanej matrici extracelulárnych polymérnych látok. Pôvodne ich opísal Antoine von Leeuwenhoek, keď v sedemnástom storočí skúmal "animas" (takto ním pokrstený) na plaketu materiálu vlastných zubov.

Teória, ktorá konceptualizuje biofilmy a opisuje ich proces tvorby, nebola vyvinutá až do roku 1978. Bolo zistené, že schopnosť mikroorganizmov vytvárať biofilmy sa zdá byť univerzálna..

Biofilmy môžu existovať v takých prostrediach, ako sú prírodné systémy, akvadukty, zásobníky vody, priemyselné systémy, ako aj v rôznych médiách, ako sú zdravotnícke pomôcky a zariadenia pre pacientov v nemocniciach (napríklad katétre)..

Pomocou skenovacej elektrónovej mikroskopie a konfokálneho skenovacieho laserového mikroskopu sa zistilo, že biofilmy nie sú homogénne, neštruktúrované usadeniny buniek a nahromadené bahno, ale zložité heterogénne štruktúry.

Biofilmy sú komplexné spoločenstvá asociovaných buniek na povrchu, ktoré sú súčasťou vysoko hydratovanej polymérnej matrice, ktorej voda cirkuluje cez otvorené kanály štruktúry..

Mnohé organizmy, ktoré boli úspešné v prežívaní miliónov rokov v životnom prostredí, napríklad druhy rodov Pseudomonas a Legionella, využívajú stratégiu biofilmu v prostrediach odlišných od ich natívneho prostredia.

index

  • 1 Charakteristika biofilmov
    • 1.1 Chemické a fyzikálne vlastnosti matrice biofilmu
    • 1.2 Ekofyziologické vlastnosti biofilmov
  • 2 Tvorba biofilmu
    • 2.1 Počiatočná priľnavosť k povrchu
    • 2.2 Tvorba monovrstvy a mikrokolonií vo viacvrstvách
    • 2.3 Produkcia polymérnej extracelulárnej matrice a dozrievanie trojrozmerného biofilmu
  • 3 Typy biofilmov
    • 3.1 Počet druhov
    • 3.2 Vzdelávacie prostredie
    • 3.3 Typ rozhrania, kde sú generované
  • 4 Príklady biofilmov
    • 4.1 - Zubný povlak
    • 4.2 -Bio film v čiernej vode
    • 4.3 - Sub-letecké biofilmy
    • 4.4 - Biofilmy kauzálnych činiteľov ľudských chorôb
    • 4.5 - Bubonický mor
    • 4.6 - Nemocničné venózne katétre
    • 4.7 - V priemysle
  • 5 Odolnosť biofilmov voči dezinfekčným prostriedkom, germicídom a antibiotikám
  • 6 Referencie

Charakteristika biofilmov

Chemické a fyzikálne vlastnosti matrice biofilmu

-Extracelulárne polymérne látky vylučované biofilmovými mikroorganizmami, makromolekulami polysacharidov, proteínmi, nukleovými kyselinami, lipidmi a ďalšími biopolymérami, z ktorých väčšina je veľmi hydrofilná, vytvárajú zosieťovanie tvoriace trojrozmernú štruktúru nazývanú biofilmová matrica..

-Štruktúra matrice je vysoko viskoelastická, má vlastnosti gumy, je odolná voči trakcii a mechanickému roztrhnutiu.

-Matrica má schopnosť priľnúť k medzifázovým povrchom, vrátane vnútorných priestorov porézneho média, cez extracelulárne polysacharidy, ktoré pôsobia ako priľnavé gumy..

-Polymérna matrica je prevažne aniónová a tiež obsahuje anorganické látky, ako sú katióny kovov.

-Má vodné kanály, ktorými cirkuluje kyslík, živiny a odpadové látky, ktoré možno recyklovať.

-Táto matrica biofilmu funguje ako prostriedok ochrany a prežitia v nepriaznivom prostredí, bariéra proti fagocytárnym útočníkom a proti vstupu a difúzii dezinfekčných prostriedkov a antibiotík..

Ekofyziologické charakteristiky biofilmov

-Tvorba matrice v nehomogénnych gradientoch produkuje rôzne mikrohabity, čo umožňuje existenciu biodiverzity v rámci biofilmu..

-V matrici sa bunkový spôsob života radikálne líši od voľného života, nie je spojený. Mikroorganizmy biofilmu sú imobilizované, veľmi blízko pri sebe, spojené v kolóniách; táto skutočnosť umožňuje intenzívne interakcie.

-Medzi interakcie medzi mikroorganizmami biofilmu patrí komunikácia prostredníctvom chemických signálov v kóde nazývanom "snímanie kvóra".

-Existujú aj ďalšie dôležité interakcie, ako je prenos génov a tvorba synergických mikrokontrolérov.

-Fenotyp biofilmu možno opísať pomocou génov exprimovaných asociovanými bunkami. Tento fenotyp sa mení s ohľadom na rýchlosť rastu a genetickú transkripciu.

-Organizmy v biofilme môžu prepísať gény, ktoré neprepisujú svoje planktonické alebo voľné formy života.

-Proces tvorby biofilmu je regulovaný špecifickými génmi, transkribovanými počas počiatočnej bunkovej adhézie.

-V obmedzenom priestore matice existujú mechanizmy spolupráce a hospodárskej súťaže. Súťaž vytvára konštantnú adaptáciu v biologických populáciách.

-Vzniká kolektívny externý tráviaci systém, ktorý zachováva extracelulárne enzýmy v blízkosti buniek.

-Tento enzymatický systém umožňuje sekvestráciu, akumuláciu a metabolizáciu, rozpustenie, koloidné a / alebo suspendované živiny.

-Matica funguje ako spoločná vonkajšia zóna recyklácie, skladovanie zložiek lyzovaných buniek, ktoré slúžia aj ako kolektívny genetický archív.

-Biofilm funguje ako ochranná štrukturálna bariéra proti environmentálnym zmenám, ako je sušenie, pôsobenie biocídov, antibiotík, imunitných reakcií hostiteľa, oxidačných činidiel, katiónov kovov, ultrafialového žiarenia a je tiež obranou proti mnohým predátorom, ako sú fagocytárne prvoky a hmyz..

-Matrica biofilmu predstavuje jedinečné ekologické prostredie pre mikroorganizmy, ktoré biologickému spoločenstvu umožňuje dynamický spôsob života. Biofilmy sú skutočné mikroekonomické systémy.

Tvorba biofilmu

Tvorba biofilmov je proces, pri ktorom sa mikroorganizmy presúvajú z kočovného jednobunkového, voľne žijúceho stavu do viacbunkového sedavého stavu, kde následný rast produkuje štruktúrované komunity s bunkovou diferenciáciou.

K rozvoju biofilmu dochádza v reakcii na extracelulárne environmentálne signály a signály generované samostatne.

Výskumní pracovníci, ktorí študovali biofilmy, súhlasia s tým, že je možné vytvoriť všeobecný hypotetický model na vysvetlenie ich vzniku.

Tento model tvorby biofilmu pozostáva z 5 stupňov:

  1. Počiatočná priľnavosť k povrchu.
  2. Tvorba monovrstvy.
  3. Migrácia do mikrokolonií vo viacvrstvách.
  4. Produkcia polymérnej extracelulárnej matrice.
  5. Zrenie trojrozmerného biofilmu.

Počiatočná priľnavosť k povrchu

Tvorba biofilmu začína počiatočnou adhéziou mikroorganizmov na pevný povrch, kde sú imobilizované. Bolo zistené, že mikroorganizmy majú povrchové senzory a že povrchové proteíny sa podieľajú na tvorbe matrice.

V nehybných organizmoch, keď sú podmienky prostredia priaznivé, sa zvyšuje produkcia adhezínov na ich vonkajšom povrchu. Týmto spôsobom sa zvyšuje jeho adhézna kapacita na bunku a bunku.

V prípade mobilných druhov sa jednotlivé mikroorganizmy nachádzajú na povrchu a to je východiskovým bodom k radikálnej zmene v ich nomádickom mobilnom životnom štýle, sedavom, takmer sedavom..

Schopnosť pohybu sa stráca, pretože pri vytváraní matrice sa okrem adhezívnych látok podieľajú rôzne štruktúry ako bičík, cilia, pilus a fimbrias..

Potom sa v obidvoch prípadoch (mobilné a nemobilné mikroorganizmy) vytvoria malé agregáty alebo mikrokolónie a vytvorí sa intenzívnejší kontakt bunka-bunka; Adaptívne fenotypové zmeny sa vyskytujú v novom prostredí v zoskupených bunkách.

Tvorba monovrstvy a mikrokolonií vo viacvrstvách

Začína produkcia extracelulárnych polymérnych látok, dochádza k počiatočnej tvorbe monovrstvy a následnému vývoju vo viacvrstvách.

Produkcia polymérnej extracelulárnej matrice a dozrievanie trojrozmerného biofilmu

Nakoniec biofilm dosiahne štádium zrelosti, s trojrozmernou architektúrou a prítomnosťou kanálov, ktorými cirkuluje voda, živiny, komunikačné chemické zlúčeniny a nukleové kyseliny..

Matrica biofilmu zadržiava bunky a udržuje ich spolu, čo podporuje vysoký stupeň interakcie s medzibunkovou komunikáciou a tvorbou synergických konzorcií. Bunky biofilmu nie sú úplne imobilizované, môžu sa v ňom pohybovať a tiež sa môžu oddeliť.

Druhy biofilmov

Počet druhov

Podľa počtu druhov, ktoré sa zúčastňujú na biofilme, sa tieto môžu klasifikovať do: \ t

  • Biofilmy druhu. Napríklad biofilmy tvorené Streptococcus mutans alebo Vellionela parvula.
  • Biofilmy dvoch druhov. Napríklad združenie Streptococcus mutans a Vellionela parvula v biofilmoch.
  • Polymikrobiálne biofilmy, tvorené mnohými druhmi. Napríklad zubný povlak.

Vzdelávacie prostredie

Biofilmy môžu byť tiež v súlade s prostredím, v ktorom sú tvorené:

  • prírodné
  • priemyselný
  • domácnosť
  • Hospitalarias

Typ rozhrania, kde sú generované

Na druhej strane, v závislosti od typu rozhrania, kde sú vytvorené, je možné ich klasifikovať do:

  • Tuhé kvapalné medzifázové biofilmy, vo vodách a nádržiach, potrubiach a vodných nádržiach všeobecne.
  • Interfázové biofilmy z tuhých plynov (SAB pre jeho skratky v anglickom sub Aereal Biofilms); ktoré sú mikrobiálne spoločenstvá, ktoré sa vyvíjajú na pevných minerálnych povrchoch, sú vystavené priamo atmosfére a slnečnému žiareniu. Oni sú nájdené v budovách, nahé púštne skaly, hory, okrem iného.

Príklady biofilmov

-Zubný povlak

Študoval sa zubný plak ako zaujímavý príklad komplexnej komunity, ktorá žije v biofilmoch. Biofilmy zubných platní sú tvrdé a nie sú elastické v dôsledku prítomnosti anorganických solí, ktoré poskytujú polymérnej matrici tuhosť..

Mikroorganizmy zubného plaku sú veľmi rozmanité a v biofilme sa vyskytuje 200 až 300 druhov.

Medzi týmito mikroorganizmami sú:

  • Pohlavie Streptococcus; tvorené acidickými baktériami, ktoré demineralizujú sklovinu a dentín a iniciujú zubný kaz. Napríklad druh: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis a S. milleri.
  • Pohlavie Lactobacillus, tvorené acidofilnými denaturačnými baktériami dentínových proteínov. Napríklad druh: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
  • Pohlavie Actinomyces, ktoré sú kyslé a proteolytické mikroorganizmy. Medzi týmito druhmi: viscosus, A. odontoliticus a A. naeslundii.
  • A ďalšie žánre, as: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis a Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmy v čiernej vode

Ďalším zaujímavým príkladom sú domáce odpadové vody, v ktorých žijú v biofilmoch pripojených na potrubia, nitrifikačné mikroorganizmy oxidujúce amónne, dusitanové a autotrofné nitrifikačné baktérie.

Medzi amóniovými oxidačnými baktériami týchto biofilmov sa vyskytujú ako numericky dominantné druhy rodu Nitrosomonas, distribuované v matrici biofilmu.

Hlavnými zložkami v rámci skupiny dusitanových oxidantov sú zložky rodu Nitrospira, ktoré sú umiestnené len vo vnútornej časti biofilmu.

-Sub-letecké biofilmy

Subaeriálne biofilmy sa vyznačujú rastom náplastí na pevných minerálnych povrchoch, ako sú skaly a urbanistické stavby. Tieto biofilmy majú dominantné asociácie húb, rias, cyanobaktérií, heterotrofných baktérií, prvokov, ako aj mikroskopických zvierat..

Najmä biofilmy SAB majú chemolitotrofné mikroorganizmy, ktoré sú schopné používať minerálne anorganické chemické látky ako zdroje energie..

Chemolitotrofné mikroorganizmy majú schopnosť oxidovať anorganické zlúčeniny, ako je H2, NH3, NO2, S, HS, Faith2+ a využiť energetický produkt elektrického potenciálu oxidácií v ich metabolizmoch.

Medzi mikrobiálne druhy prítomné v subaeriálnych biofilmoch patria:

  • Baktérie rodu Geodermatophilus; cyanobaktérií rodu Chrococcoccidiopsis, kokcidné a vláknité druhy ako Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
  • Zelené riasy rodov Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia a Stichococcus.
  • Heterotrofné baktérie (dominantné v subaeriálnych biofilmoch): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. a Rhodococcus sp.
  • Chemogorganotrofné baktérie a huby ako Actynomycetales (streptomycetes a Geodermatophilaceae), Proteobaktérie, Actinobacteria, Acidobacteria a bakteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Biofilmy pôvodcov ľudských chorôb

Mnohé baktérie známe ako pôvodcovia ľudských chorôb žijú v biofilmoch. Medzi nimi sú: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans a Legionella pneumophyla.

-Bubonický mor

Je zaujímavé, že prenos bradavičného moru je spôsobený blyzickým uhryznutím., Yersinia pestis.

Táto baktéria rastie ako biofilm pripojený k hornému tráviacemu systému vektora (blcha). Počas uhryznutia blcha opakuje biofilm obsahujúci Yersinia pestis v dermis a tak infekcia začína.

-Nemocničné venózne katétre

Medzi organizmami izolovanými z biofilmov v explantovaných centrálnych venóznych katétroch existuje úžasná paleta grampozitívnych a gramnegatívnych baktérií, ako aj ďalších mikroorganizmov..

Niekoľko vedeckých štúdií uvádza ako grampozitívne baktérie biofilmov vo venóznych katétroch: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus spp. a Streptococcus pneumoniae.

Z Gram-negatívnych baktérií izolovaných z týchto biofilmov sa uvádza: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp., Providence spp. a Serratia marcescens.

Iné organizmy nachádzajúce sa v týchto biofilmoch sú: candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis a Mycobacterium chelonei.

-V priemysle

Čo sa týka prevádzkyschopnosti priemyslu, biofilmy vytvárajú prekážky v potrubí, poškodenie zariadení, rušenie procesov, ako je prenos tepla pri pokrývaní povrchov výmenníkov alebo korózia kovových častí..

Potravinársky priemysel

Vytváranie filmov v odvetviach potravinárskeho odvetvia môže vytvárať dôležité problémy operatívneho a verejného zdravia.

Pridružené patogény v biofilmoch môžu kontaminovať potravinárske výrobky patogénnymi baktériami a spôsobiť spotrebiteľom vážne zdravotné problémy.

Medzi biofilmami patogénov spojených s potravinárskym priemyslom sú:

Listeria monocytogenes

Tento patogén využíva v počiatočnom štádiu tvorby biofilmu, bičíkov a membránových proteínov. Na oceľových plochách krájacích strojov vytvorte biofilmy.

V mliekarenskom priemysle sa môžu vyrábať biofilmy Listeria monocytogenes v tekutom mlieku a mliečnych výrobkoch. Zvyšky mlieka a mliečnych výrobkov v potrubiach, zásobníkoch, nádobách a iných zariadeniach podporujú rozvoj biofilmov tohto patogénu, ktorý ich používa ako dostupné živiny..

Pseudomonas spp.

Biofilmy týchto baktérií sa nachádzajú v zariadeniach potravinárskeho priemyslu, ako sú podlahy, odtoky a na povrchoch potravín, ako je mäso, zelenina a ovocie, ako aj deriváty s nízkou kyslosťou mlieka..

Pseudomonas aeruginosa utajujú niekoľko extracelulárnych látok, ktoré sa používajú pri tvorbe polymérnej matrice biofilmu, priľnú k veľkému množstvu anorganických materiálov, ako je nehrdzavejúca oceľ.

Pseudomonas môžu koexistovať v rámci biofilmu spolu s inými patogénnymi baktériami, ako sú napr Salmonella a Listeria.

Salmonella spp.

Druhy Salmonella sú prvým pôvodcom zoonóz bakteriálnej etiológie a vypuknutím toxoinfekcie potravín.

Vedecké štúdie to ukázali Salmonella Môžu sa držať vo forme biofilmov, na povrchy z cementu, ocele a plastov, zariadení zariadení na spracovanie potravín.

Druhy Salmonella Majú povrchové štruktúry s priľnavými vlastnosťami. Okrem toho produkuje celulózu ako extracelulárnu látku, ktorá je hlavnou zložkou polymérnej matrice.

Escherichia coli

V počiatočnom kroku tvorby biofilmu využíva bičíkový a membránový proteín. Produkuje tiež extracelulárnu celulózu na vytvorenie trojrozmernej mriežky matrice v biofilme.

Odolnosť biofilmov voči dezinfekčným prostriedkom, germicídom a antibiotikám

Biofilmy poskytujú ochranu mikroorganizmom, ktoré ju tvoria, pôsobeniu dezinfekčných prostriedkov, germicídov a antibiotík. Mechanizmy, ktoré umožňujú túto funkciu, sú nasledovné:

  • Oneskorené prenikanie antimikrobiálneho činidla cez trojrozmernú matricu biofilmu, veľmi pomalou difúziou a ťažkosťami pri dosahovaní účinnej koncentrácie..
  • Zmenená rýchlosť rastu a nízky metabolizmus mikroorganizmov v biofilme.
  • Zmeny vo fyziologických reakciách mikroorganizmov počas rastu biofilmu, s expresiou zmenených génov rezistencie.

referencie

  1. Bakteriálne biofilmy. (2008). Aktuálne témy mikrobiológie a imunológie. Tony Romeo Editor. 322. Berlín, Hannover: Springer Verlag. pp301.
  2. Donlan, R.M. a Costerton, J.W. (2002). Biofilmy: mechanizmy prežitia klinicky relevantných mikroorganizmov. Klinické mikrobiologické recenzie.15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
  3. Fleming, H.C. a Wingender, F. (2010). Matrica biofilmu. Príroda Recenzie Mikrobiológia. 8: 623-633.
  4. Gorbushina, A. (2007). Život na skalách. Environmentálna mikrobiológia. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
  5. O'Toole, G., Kaplan, H.B. a Kolter, R. (2000). Tvorba biofilmov ako mikrobiálny vývoj. Annual Review of Microbiology.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
  6. Hall-Stoodley, L., Costerton, J.W. a Stoodley, P. (2004). Bakteriálne biofilmy: od prirodzeného prostredia po infekčné ochorenia. Príroda Recenzie Mikrobiológia. 2: 95-108.
  7. Whitchurch, C.B., Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. a Mattick, J. (2002). Extracelulárna DNA potrebná na tvorbu bakteriálneho biofilmu. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487