Biofilmu īpašības, veidošanās, veidi un piemēri



The biofilmas o biofilmas tie ir mikroorganismu kopienas, kas piesaistītas virsmai un dzīvo paša radītā ekstracelulāro polimēru vielu matricā. Sākotnēji tos aprakstīja Antoine fon Leeuwenhoek, kad viņš septiņpadsmitajā gadsimtā izskatīja "anima" (ko viņš kristīja) ar savu zobu materiāla plāksni..

Teorija, kas konceptualizē biofilmas un apraksta to veidošanās procesu, līdz 1978. gadam nav izstrādāta. Tika atklāts, ka mikroorganismu spēja veidot biofilmas šķiet universāla.

Biofilmas var pastāvēt dažādās vidēs, piemēram, dabiskās sistēmās, ūdensvados, ūdens uzglabāšanas tvertnēs, rūpnieciskajās sistēmās, kā arī dažādos plašsaziņas līdzekļos, piemēram, medicīnas ierīcēs un ierīcēs, kas paredzētas pastāvīgumam slimnīcu pacientiem (piemēram, katetriem)..

Izmantojot skenējošo elektronu mikroskopiju un konfokālo skenējošo lāzera mikroskopu, tika atklāts, ka biofilmas nav viendabīgas, nestrukturētas šūnu nogulsnes un uzkrātais dūņas, bet sarežģītas neviendabīgas struktūras.

Biofilmas ir sarežģītas saistītu šūnu kopienas uz virsmas, kas ir iekļautas ļoti hidratētā polimēra matricā, kuras ūdens cirkulē caur atklātajiem kanāla kanāliem..

Daudzi organismi, kas ir veiksmīgi izdzīvojuši miljoniem gadu vidē, piemēram, ģinšu sugas Pseudomonas un Legionella, viņi izmanto bioplēves stratēģiju vidēs, kas atšķiras no to vietējās vides.

Indekss

  • 1 Biofilmu raksturojums
    • 1.1. Biofilmas matricas ķīmiskās un fizikālās īpašības
    • 1.2 Biofilmu ekofizioloģiskās īpašības
  • 2 Biofilmu veidošanās
    • 2.1 Sākotnējā saķere ar virsmu
    • 2.2. Vienslāņa un mikrokoloniju veidošanās daudzslāņos
    • 2.3 Polimēru ekstracelulārās matricas ražošana un trīsdimensiju bioplēves nogatavināšana
  • 3 Biofilmu veidi
    • 3.1. Sugu skaits
    • 3.2 Apmācības vide
    • 3.3. Saskarnes veids, kurā tie tiek ģenerēti
  • 4 Biofilmu piemēri
    • 4.1. Zobu plāksne
    • 4.2 -Bio plēve melnā ūdenī
    • 4.3 - Sub-aerofilmas
    • 4.4 - cilvēka slimību cēloņsakarību biofilmas
    • 4.5 - Bubonisks mēris
    • 4.6 - Slimnīcu venozie katetri
    • 4.7 - nozarē
  • 5 Biofilmu izturība pret dezinfekcijas līdzekļiem, germicīdiem un antibiotikām
  • 6 Atsauces

Biofilmu raksturojums

Biofilmas matricas ķīmiskās un fizikālās īpašības

-Ekstracelulārās polimēru vielas, ko izdala biofilmu mikroorganismi, polisaharīdu makromolekulas, proteīni, nukleīnskābes, lipīdi un citi biopolimēri, no kuriem lielākā daļa ir ļoti hidrofīli, šķērssaite, kas veido trīsdimensiju struktūru, ko sauc par biofilmas matricu..

-Matricas struktūra ir ļoti viskoelastiska, ar gumijas īpašībām, izturīga pret vilci un mehānisku pārrāvumu.

-Matricai piemīt spēja piestiprināt starpfāzes virsmām, ieskaitot porainas vides iekšējās telpas, izmantojot ekstracelulāros polisaharīdus, kas darbojas kā adhēzijas.

-Polimēra matrica pārsvarā ir anjonu, un tajā ietilpst arī neorganiskas vielas, piemēram, metāla katjoni.

-Tajā ir ūdens kanāli, caur kuriem cirkulē skābeklis, barības vielas un atkritumi, kurus var pārstrādāt.

-Šī biofilmas matrica darbojas kā līdzeklis aizsardzībai un izdzīvošanai nelabvēlīgā vidē, barjera pret fagocītiskiem iebrucējiem un pret dezinfekcijas līdzekļu un antibiotiku iekļūšanu un izplatīšanos..

Biofilmu ekofizioloģiskās īpašības

-Matricas veidošanās nehomogēnās gradientos rada dažādus mikro biotopus, kas ļauj bioloģiskajai daudzveidībai pastāvēt biofilmā..

-Matricā šūnu dzīves veids radikāli atšķiras no brīvās dzīves, kas nav saistīta. Biofilmas mikroorganismi ir imobilizēti, ļoti tuvi viens otram, kas saistīti ar kolonijām; šis fakts ļauj veikt intensīvu mijiedarbību.

-Biofilmu mikroorganismu mijiedarbība ietver saziņu ar ķīmiskiem signāliem kodā ar nosaukumu "kvoruma noteikšana"..

-Ir arī citas nozīmīgas mijiedarbības, piemēram, gēnu pārnese un sinerģisku mikrokomponentu veidošanās.

-Biofilmas fenotipu var raksturot ar saistīto šūnu izteiktajiem gēniem. Šis fenotips tiek mainīts attiecībā uz augšanas ātrumu un ģenētisko transkripciju.

-Biofilmā esošie organismi var pārrakstīt gēnus, kas nepārraksta savas planktoniskās vai brīvās dzīves formas.

-Biofilmu veidošanās procesu regulē specifiski gēni, kas pārrakstīti sākotnējās šūnu saķeres laikā.

-Matricas slēgtā telpā ir sadarbības un konkurences mehānismi. Konkurss rada pastāvīgu pielāgošanos bioloģiskajās populācijās.

-Tiek radīta kolektīva ārējā gremošanas sistēma, kas saglabā šūnu šūnu fermentus.

-Šī fermentatīvā sistēma ļauj sadalīt, uzkrāties un metabolizēt, izšķīdināt, koloidālas un / vai suspendētas barības vielas.

-Matrica darbojas kā kopējā ārējā pārstrādes zona, lizētu šūnu komponentu uzglabāšana, kā arī kalpo kā kolektīvs ģenētiskais arhīvs.

-Biofilma darbojas kā aizsargājoša strukturāla barjera pret vides izmaiņām, piemēram, žāvēšanu, biocīdu, antibiotiku, saimniekorganisma imūnreakciju, oksidētāju, metālu katjonu, ultravioletā starojuma iedarbību, kā arī aizsargā pret daudziem plēsoņām, piemēram, fagocītu protozoļiem un kukaiņiem.

-Biofilmas matrica veido unikālu ekoloģisku vidi mikroorganismiem, kas ļauj dinamiskai dzīvesveidu bioloģiskajai kopienai. Biofilmas ir patiesas mikroekosistēmas.

Biofilmu veidošanās

Biofilmu veidošanās ir process, kurā mikroorganismi pārvietojas no nomadu vienšūnas, brīvi dzīvojošas valsts uz daudzšūnu mazkustīgu stāvokli, kur turpmākā augšana rada strukturētas kopienas ar šūnu diferenciāciju.

Bioplēves attīstība notiek, reaģējot uz ekstracelulāriem vides signāliem un pašražotiem signāliem.

Pētnieki, kuri pētījuši biofilmas, piekrīt, ka ir iespējams izveidot vispārēju hipotētisku modeli, lai izskaidrotu to veidošanos.

Šis biofilmu veidošanas modelis sastāv no 5 posmiem:

  1. Sākotnējā saķere ar virsmu.
  2. Vienslāņa veidošanās.
  3. Migrācija, lai izveidotu mikrokolonijas daudzslāņos.
  4. Polimēru ekstracelulārās matricas ražošana.
  5. Trīsdimensiju bioplēves nogatavināšana.

Sākotnējā saķere ar virsmu

Biofilmas veidošanās sākas ar mikroorganismu sākotnējo saķeri ar cieto virsmu, kur tie ir imobilizēti. Ir atklāts, ka mikroorganismiem ir virsmas sensori un ka matricas veidošanā ir iesaistīti virsmas proteīni.

Nemobilos organismos, ja vides apstākļi ir labvēlīgi, adhēziju veidošanās uz ārējās virsmas palielinās. Tādā veidā palielinās tās šūnu un šūnu virsmas saķeres spēja.

Mobilo sugu gadījumā atsevišķie mikroorganismi atrodas uz virsmas, un tas ir sākumpunkts, lai radikāli mainītu nomadu mobilo dzīvesveidu, mazkustīgu, gandrīz sēžamu.

Kustības spēja ir zaudēta, jo matricas veidošanā dažādās struktūrās, piemēram, līmlapas, cilia, pilus un fimbrias, papildus līmvielām..

Tad abos gadījumos (mobilie un neobligātie mikroorganismi) veidojas nelieli agregāti vai mikro kolonijas un tiek veidots intensīvāks šūnu šūnu kontakts; Adaptīvās fenotipiskās izmaiņas notiek jaunajā vidē, grupētajās šūnās.

Vienslāņa un mikrokoloniju veidošanās daudzslāņos

Tiek sākta ekstracelulāro polimēru vielu ražošana, sākas sākotnējā monolu slāņa veidošanās un turpmāka attīstība daudzslāņos.

Polimēru ekstracelulārās matricas ražošana un trīsdimensiju bioplēves nogatavināšana

Visbeidzot, bioplēve sasniedz savu brieduma pakāpi ar trīsdimensiju arhitektūru un kanāliem, caur kuriem cirkulē ūdens, barības vielas, komunikācijas ķīmiskie savienojumi un nukleīnskābes..

Biofilmas matrica saglabā šūnas un uztur tās kopā, veicinot augstu mijiedarbības pakāpi ar starpšūnu komunikāciju un sinerģisko konsorciju veidošanu. Biofilmas šūnas nav pilnībā imobilizētas, tās var pārvietoties iekšā un arī atdalīties.

Biofilmu veidi

Sugu skaits

Atkarībā no to sugu skaita, kuras piedalās bioplēvē, tās var iedalīt:

  • Sugas biofilmas. Piemēram, biofilmas, ko veido Streptococcus mutans o Vellionela parvula.
  • Biofilmas no divām sugām. Piemēram, asociācija Streptococcus mutans un Vellionela parvula biofilmos.
  • Polimikrobiālās biofilmas, kas sastāv no daudzām sugām. Piemēram, zobu plāksne.

Apmācības vide

Arī atkarībā no vides, kurā tie veidojas, biofilmas var būt:

  • Dabas
  • Rūpnieciskais
  • Iekšzemes
  • Slimnīcas

Saskarnes veids, kurā tie tiek ģenerēti

No otras puses, atkarībā no saskarnes veida, kurā tie ir izveidoti, tos var klasificēt:

  • Cieto šķidrumu starpfāzes biofilmas, kā tie, kas veidoti ūdensvados un tvertnēs, caurulēs un ūdens tvertnēs kopumā.
  • Cieto gāzu starpfāzes biofilmas (SAB par tās saīsinājumiem angļu valodā Sub Aereal Biofilms); kas ir mikrobu kopienas, kas attīstās uz cietām minerālu virsmām, kas tieši pakļautas atmosfērai un saules starojumam. Tie ir atrodami ēkās, neapbruņotu tuksneša klintīs, kalnos, cita starpā.

Biofilmu piemēri

-Zobu plāksne

Zobu plāksne ir pētīta kā interesants piemērs kompleksai kopienai, kas dzīvo biofilmos. Zobu plākšņu biofilmas ir cietas un neelastīgas, jo ir neorganiskie sāļi, kas polimēra matricai nodrošina stingrību..

Zobu plāksnes mikroorganismi ir ļoti dažādi un biofilmā ir 200 līdz 300 sugu.

Starp šiem mikroorganismiem ir:

  • Dzimums Streptokoku; sastāv no skābju baktērijām, kas demineralizē emalju un dentīnu, un uzsāk zobu kariesu. Piemēram, suga: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis un S. milleri.
  • Dzimums Lactobacillus, ko veido dentīna proteīnu acidofilās denaturējošas baktērijas. Piemēram, suga: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
  • Dzimums Actinomyces, kas ir skābju un proteolītiskie mikroorganismi. Starp šīm sugām: viscosus, A. odontoliticus un A. naeslundii.
  • Un citi žanri, patīk: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis un Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmas melnā ūdenī

Vēl viens interesants piemērs ir sadzīves notekūdeņi, kuros viņi dzīvo caurulēs pievienotos biofilmos, nitrificējošos mikroorganismus, kas oksidē amonija, nitritus un autotrofiskos nitrifikācijas baktērijas.

Šo biofilmu amonija oksidējošo baktēriju vidū tās ir uzskatāmas par ģenētiski dominējošām sugām Nitrosomonas, visā biofilmas matricā.

Nitritu oksidētāju grupas galvenās sastāvdaļas ir ģints Nitrospira, kas atrodas tikai bioplēves iekšpusē.

-Apakštelpu biofilmas

Subaeriskās biofilmas raksturo plāksteru pieaugums uz cietām minerālu virsmām, piemēram, klintīm un pilsētu konstrukcijām. Šīs biofilmas ir dominējošas sēnīšu, aļģu, cianobaktēriju, heterotrofisko baktēriju, vienšūņu, kā arī mikroskopisko dzīvnieku asociācijās..

Īpaši, SAB biofilmas satur ķīmijolotrofiskos mikroorganismus, kas var izmantot minerālu neorganiskās ķīmiskās vielas kā enerģijas avotus..

Ķīmolitotrofiskie mikroorganismi spēj oksidēt neorganiskos savienojumus, piemēram, H2, NH3, NĒ2, S, HS, Ticība2+ un izmantot viĦu vielmaiĦas oksidācijas elektrisko potenciālo enerăijas produktu.

Starp mikroorganismu sugām, kas atrodas subaeriskajos biofilmos, ir:

  • Ģints baktērijas Geodermatophilus; cianobaktērijashrococcoccidiopsis, piemēram, koksa un šķiedru sugas Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
  • Zaļo aļģu ģints Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia un Stichococcus.
  • Heterotrofiskās baktērijas (dominē suberātiskajos biofilmos): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. un Rhodococcus sp.
  • Chemogorganotrophic baktērijas un sēnītes kā Actynomycetales (streptomicetes un ģeodermatofilaceae), Proteobaktērijas, Actinobaktērijas, Acidobaktērijas un baktēriju-cytophaga-Flavobacterium.

-Cilvēku slimību izraisītāju biofilmas

Daudzas baktērijas, kas pazīstamas kā cilvēku slimību izraisītāji, dzīvo biofilmos. To skaitā ir: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans un Legionella pneumophyla.

-Bubonisks mēris

Interesanti ir burbuļu plākšņu pārnešana no blusu koduma, salīdzinoši nesen veikta šīs slimības izraisītāja baktēriju ierosinātāja adaptācija., Yersinia pestis.

Šī baktērija aug kā biofilma, kas pievienota vektora augšējai gremošanas sistēmai (blusu). Bites laikā blusu atjauno biofilmu, kas satur Yersinia pestis dermā un tā sāk infekciju.

-Slimnīcu venozie katetri

No organismiem, kas izdalīti no biofilmas eksplozētos centrālajos vēnu katetros, ir pārsteidzošs Gram-pozitīvu un gramnegatīvu baktēriju, kā arī citu mikroorganismu klāsts..

Vairāki zinātniski pētījumi ziņo par glikozitīvām baktērijām biofilmas venozajos katetros: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptokoku spp. un Streptococcus pneumoniae.

Starp gramnegatīvajām baktērijām, kas izolētas no šiem biofilmas, ziņo: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp., Providence spp. un Serratia marcescens.

Citi šajos biofilmos atrodami organismi ir: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis un Mycobacterium chelonei.

-Nozarē

Attiecībā uz nozares darbību biofilmas rada cauruļu šķēršļus, iekārtas bojājumus, traucē procesus, piemēram, siltuma pārnesi, ja pārklāj siltummaiņa virsmas, vai metāla daļu koroziju..

Pārtikas rūpniecība

Filmu veidošanās barības nozares nozarēs var radīt būtiskas problēmas operatīvā un sabiedrības veselības jomā.

Saistītie patogēni biofilmos var piesārņot pārtikas produktus ar patogēnām baktērijām un radīt nopietnas sabiedrības veselības problēmas patērētājiem.

Starp ar pārtikas rūpniecību saistīto patogēnu biofilmas ir:

Listeria monocytogenes

Šis patogēns izmanto biofilmu veidošanās, lipu un membrānu proteīnu sākotnējā stadijā. Veidojiet biofilmas uz griešanas mašīnu tērauda virsmām.

Piena rūpniecībā var ražot biofilmas Listeria monocytogenes šķidrā pienā un piena produktos. Piena atliekas caurulēs, tvertnēs, konteineros un citās ierīcēs veicina šī patogēna biofilmu attīstību, kas tos izmanto kā pieejamās barības vielas..

Pseudomonas spp.

Šo baktēriju biofilmas var atrast pārtikas rūpniecības iekārtās, piemēram, grīdās, kanalizācijā un pārtikas virsmās, piemēram, gaļā, dārzeņos un augļos, kā arī zema piena skābuma atvasinājumos..

Pseudomonas aeruginosa noslēpj vairākas ekstracelulāras vielas, ko izmanto, veidojot biofilmas polimēra matricu, pielipinot lielu daudzumu neorganisku materiālu, piemēram, nerūsējošā tērauda..

Pseudomonas kopā ar citiem patogēniem baktērijām, piemēram, Salmonella un Listeria.

Salmonella spp.

Sugas Salmonella ir pirmais baktēriju etioloģijas zoonožu cēlonis un pārtikas toksoinfekcijas uzliesmojumi.

Zinātniskie pētījumi liecina, ka Salmonella biofilmu veidā var saskarties ar cementa, tērauda un plastmasas virsmām pārtikas pārstrādes uzņēmumu telpās.

Sugas Salmonella Tām ir virsmas struktūras ar pielipušām īpašībām. Turklāt tā ražo celulozi kā ekstracelulāru vielu, kas ir polimēra matricas galvenā sastāvdaļa.

Escherichia coli

Biofilmu veidošanās sākumposmā tiek izmantoti flagella un membrānas proteīni. Tā ražo arī ekstracelulāro celulozi, lai radītu matricas trīsdimensiju režģi biofilmā.

Biofilmu izturība pret dezinfekcijas līdzekļiem, germicīdiem un antibiotikām

Biofilmas nodrošina aizsardzību mikroorganismiem, kas to veido, dezinfekcijas līdzekļu, germicīdu un antibiotiku iedarbībai. Mehānismi, kas atļauj šo funkciju, ir šādi:

  • Antimikrobiālā līdzekļa aizkavēšanās caur bioplēves trīsdimensiju matricu, ļoti lēna difūzija un grūtības sasniegt efektīvu koncentrāciju.
  • Mainīts mikroorganismu augšanas ātrums un zems metabolisms biofilmā.
  • Izmaiņas mikroorganismu fizioloģiskajās reakcijās biofilmu augšanas laikā, mainot rezistences gēnus.

Atsauces

  1. Baktēriju biofilmas. (2008). Mikrobioloģijas un imunoloģijas aktuālās tēmas. Tony Romeo redaktors. 322. sēj. Berlīne, Hannovere: Springer Verlag. pp301.
  2. Donlan, R.M. un Costerton, J.W. (2002). Biofilmas: klīniski nozīmīgu mikroorganismu izdzīvošanas mehānismi. Klīniskie mikrobioloģijas pārskati.15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
  3. Flemings, H.C. Wingender, F. (2010). Biofilmas matrica. Dabas apskats Mikrobioloģija. 8: 623-633.
  4. Gorbushina, A. (2007). Dzīve uz klintīm. Vides mikrobioloģija. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
  5. O'Toole, G., Kaplan, H.B. un Kolter, R. (2000). Biofilmu veidošanās kā mikrobu attīstība. Mikrobioloģijas gada pārskats.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
  6. Hall-Stoodley, L., Costerton, J.W. un Stoodley, P. (2004). Baktēriju biofilmas: no dabiskās vides līdz infekcijas slimībām. Dabas apskats Mikrobioloģija. 2: 95-108.
  7. Whitchurch, C.B., Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. un Mattick, J. (2002). Ekstracelulārā DNS nepieciešama baktēriju biofilmu veidošanai. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / zinātne.295.5559.1487