Карактеристике биофилма, формирање, типови и примери



Тхе биофилми о биофилми то су заједнице микроорганизама везаних за површину, које живе у само-генерисаној матрици екстрацелуларних полимерних супстанци. Првобитно их је описао Антоан вон Лееувенхоек, када је испитивао "анимас" (тако га је крстио), на плакету материјала својих зуба у седамнаестом веку..

Теорија која концептуализира биофилмове и описује њихов процес формирања није развијена до 1978. године. Откривено је да је способност микроорганизама да формирају биофилмове универзална..

Биофилмови могу постојати у окружењима која су различита од природних система, аквадукта, резервоара за воду, индустријских система, као иу разним медијима као што су медицински уређаји и уређаји за сталност у болничким пацијентима (нпр. Катетери)..

Користећи скенирајућу електронску микроскопију и конфокалну ласерску микроскопију скенирања, откривено је да биофилми нису хомогене, неструктуриране наслаге ћелија и акумулиране муља, већ комплексне хетерогене структуре..

Биофилми су комплексне заједнице повезаних ћелија на површини, укључене у високо хидрирану полимерну матрицу чија вода циркулише кроз отворене канале структуре.

Многи организми који су успели да преживе милионе година у животној средини, на пример, врсте рода Псеудомонас и Легионелла, они користе стратегију биофилма у окружењима која су различита од њиховог изворног окружења.

Индек

  • 1 Карактеристике биофилма
    • 1.1 Хемијске и физичке карактеристике матрице биофилма
    • 1.2 Екофизиолошке карактеристике биофилма
  • 2 Формирање биофилма
    • 2.1 Почетно пријањање на површину
    • 2.2. Формирање монослоја и микроколонија у вишеслојним слојевима
    • 2.3 Производња полимерног екстрацелуларног матрикса и сазревање тродимензионалног биофилма
  • 3 Врсте биофилма
    • 3.1 Број врста
    • 3.2 Окружење обуке
    • 3.3 Тип интерфејса где се генеришу
  • 4 Примери биофилма
    • 4.1 Зубни плак
    • 4.2 -Био филм у црној води
    • 4.3 - Суб-ваздушни биофилми
    • 4.4 - Биофилмови узрочника људских болести
    • 4.5 - Бубонска куга
    • 4.6 - Болнички венски катетери
    • 4.7 - У индустрији
  • 5 Отпорност биофилма на дезинфекциона средства, гермициде и антибиотике
  • 6 Референце

Карактеристике биофилма

Хемијске и физичке карактеристике матрице биофилма

-Екстрацелуларне полимерне супстанце које луче биофилмски микроорганизми, макромолекуле полисахарида, протеини, нуклеинске киселине, липиди и други биополимери, од којих је већина хидрофилна, попречно повезују формирајући тродимензионалну структуру названу биофилмска матрица..

-Структура матрице је високо вискоеластична, има гумене особине, отпорна је на вучу и механичку руптуру.

-Матрица има способност да се веже за међуфазне површине, укључујући унутрашње просторе порозне подлоге, преко екстрацелуларних полисахарида који делују као адхерирајуће гуме.

-Полимерна матрица је претежно ањонска и такође укључује неорганске супстанце као што су метални катиони.

-Има водене канале кроз које циркулише кисеоник, хранљиве материје и отпадне материје које се могу рециклирати.

-Ова матрица биофилма, ради као средство заштите и преживљавања у неповољним срединама, баријера против фагоцитних нападача и против уласка и дифузије дезинфицијенса и антибиотика.

Екофизиолошке карактеристике биофилма

-Формирање матрице у нехомогеним градијентима ствара различите микростаништа, што омогућава да биодиверзитет постоји у биофилму..

-У оквиру матрице, ћелијски начин живота је радикално другачији од слободног живота, а не повезан. Микроорганизми биофилма су имобилисани, веома близу један другом, повезани у колонијама; ова чињеница омогућава интензивне интеракције.

-Интеракције између биофилмских микроорганизама укључују комуникацију путем хемијских сигнала у коду који се назива "детекција кворума".

-Постоје и друге важне интеракције, као што су трансфер гена и формирање синергистичких микроконтрибутера.

-Фенотип биофилма може се описати у смислу гена који се експримирају у придруженим ћелијама. Овај фенотип се мења у односу на брзину раста и генетску транскрипцију.

-Организми унутар биофилма могу транскрибовати гене који не преписују њихове планктонске или слободне облике живота.

-Процес формирања биофилма регулисан је специфичним генима, транскрибованим током почетне адхезије ћелија.

-У ограниченом простору матрице постоје механизми сарадње и конкуренције. Конкуренција генерише сталну адаптацију у биолошким популацијама.

-Генерисан је колективни спољашњи дигестивни систем, који задржава ванћелијске ензиме у близини ћелија.

-Овај ензимски систем омогућава да се издвоји, акумулира и метаболише, раствори, колоидни и / или суспендовани хранљиви састојци.

-Матрица функционише као заједничка вањска зона рециклирања, складиштења компоненти лизираних ћелија, а служи и као колективна генетичка архива.

-Биофилм функционише као заштитна структурна баријера против промена у окружењу, као што су сушење, дејство биоцида, антибиотика, имуни одговори домаћина, оксиданти, метални катиони, ултраљубичасто зрачење и такође је заштита од многих предатора као што су фагоцитне протозое и инсекти..

-Матрица биофилма представља јединствену еколошку средину за микроорганизме, која омогућује биолошку заједницу динамичан начин живота. Биофилми су истински микро-екосистеми.

Формирање биофилма

Формирање биофилма је процес у којем микроорганизми прелазе из номадског једноћелијског, слободног стања у мултицелуларно седентарно стање, где каснији раст производи структуриране заједнице са ћелијском диференцијацијом.

Развој биофилма одвија се као одговор на екстрацелуларне сигнале околине и само-генерисане сигнале.

Истраживачи који су проучавали биофилмове слажу се да је могуће конструисати генерализовани хипотетички модел који објашњава њихову формацију.

Овај модел формирања биофилма састоји се од 5 фаза:

  1. Почетно приањање на површину.
  2. Формирање монослоја.
  3. Миграција у микроколоније у вишеслојним слојевима.
  4. Производња полимерног екстрацелуларног матрикса.
  5. Сазревање тродимензионалног биофилма.

Почетно приањање на површину

Формирање биофилма почиње почетном адхезијом микроорганизама на чврсту површину, гдје се имобилизирају. Откривено је да микроорганизми имају површинске сензоре и да су површински протеини укључени у формирање матрице.

Код не-покретних организама, када су услови околине повољни, повећава се производња адхезина на њиховој спољној површини. На тај начин се повећава капацитет адхезије ћелије и ћелијске површине.

У случају мобилних врста, појединачни микроорганизми су лоцирани на површини и то је полазна точка за радикалну промјену у њиховом номадском мобилном начину живота, сједећи, готово седећи.

Капацитет кретања се губи јер у формирању матрице, различите структуре учествују као флагеле, цилије, пилуси и фимбрије, осим адхезивних супстанци.

Затим, у оба случаја (мобилни и немобилни микроорганизми), формирају се мали агрегати или микро колоније и ствара се интензивнији контакт ћелијских ћелија; Адаптивне фенотипске промјене јављају се у новој средини, у групираним ћелијама.

Формирање монослоја и микроколонија у вишеслојним слојевима

Почиње производња екстрацелуларних полимерних супстанци, формира се почетна формација монослоја и каснији развој у вишеслојним слојевима.

Производња полимерног екстрацелуларног матрикса и сазревање тродимензионалног биофилма

На крају, биофилм достиже своју фазу зрелости, са тродимензионалном архитектуром и присуством канала кроз које циркулишу вода, хранљиве материје, хемијска једињења комуникације и нуклеинске киселине..

Матрица биофилма задржава ћелије и одржава их заједно, промовишући висок степен интеракције са међустаничном комуникацијом и формирањем синергистичких конзорцијума. Ћелије биофилма нису потпуно имобилисане, могу се кретати унутар њега и одвојити се.

Врсте биофилма

Број врста

Према броју врста које учествују у биофилму, потоње се може сврстати у:

  • Биофилми врсте. На пример, биофилми настали Стрептоцоццус мутанс о Веллионела парвула.
  • Биофилми две врсте. На пример, удружење Стрептоцоццус мутанс и Веллионела парвула у биофилмовима.
  • Полимикробни биофилми, састављени од многих врста. На пример, зубни плак.

Обука за обуку

Такође, према околини у којој се формирају, биофилми могу бити:

  • Натурал
  • Индустријски
  • Домаћи
  • Болнице

Тип интерфејса где се генеришу

С друге стране, у зависности од типа интерфејса у коме се формирају, могуће их је класификовати у:

  • Интерфазни биофилми на чврстој течности, као они који се формирају у аквадуктима и тенковима, цевима и цистернама за воду уопште.
  • Интерфазни биофилми на чврсти гас (САБ за своје скраћенице у енглеском језику Суб Аереал Биофилмс); које су микробне заједнице које се развијају на чврстим минералним површинама, директно изложене атмосфери и сунчевом зрачењу. Налазе се у зградама, голим пустињским стијенама, планинама, између осталих.

Примери биофилма

-Зубни плак

Зубни плак је проучаван као занимљив пример сложене заједнице која живи у биофилмовима. Биофилмови зубних плоча су тврди и нису еластични, због присуства неорганских соли, које дају крутост полимерној матрици.

Микроорганизми зубног плака су веома разноврсни и има између 200 и 300 врста које су повезане са биофилмом.

Међу овим микроорганизмима су:

  • Род Стрептоцоццус; које чине киселинске бактерије које деминерализују глеђ и дентин и иницирају зубни каријес. На пример, врста: мутанс, С. собринус, С. сангуис, С. саливалис, С. митис, С. оралис и С. миллери.
  • Род Лацтобациллус, формиране од ацидофилних денатурних бактерија дентинских протеина. На пример, врста: цасеи, Л. ферментум, Л. ацидопхиллус.
  • Род Ацтиномицес, који су ацидурни и протеолитички микроорганизми. Међу њима, врста: висцосус, А. одонтолитицус и А. наеслундии.
  • И друге жанрове, као: Цандида албицанс, Бацтероидес форситхус, Порпхиромонас гингивалис и Ацтинобациллус ацтиномицетецомитанс.

-Биофилми у црној води

Још један занимљив примјер су отпадне воде из домаћинстава, гдје живе у биофилмовима причвршћеним на цијеви, нитрификујућим микроорганизмима који оксидирају амонијеве, нитритне и аутотрофне нитрифицирајуће бактерије..

Међу амонијум-оксидирајућим бактеријама ових биофилма, оне се налазе као нумерички доминантне врсте, оне из рода Нитросомонас, распоређених кроз биофилмску матрицу.

Главне компоненте унутар групе нитритних оксиданата су оне из рода Нитроспира, који се налазе само у унутрашњем делу биофилма.

-Под-ваздушни биофилми

Субаералне биофилмове карактерише раст у мрљама на чврстим минералним површинама као што су стене и урбане конструкције. Ове биофилми имају доминантне асоцијације гљива, алги, цијанобактерија, хетеротрофних бактерија, протозоа, као и микроскопских животиња.

Нарочито, САБ биофилмови поседују хемолитотрофне микроорганизме, способне да користе минералне неорганске хемијске супстанце као изворе енергије.

Хемолитотрофни микроорганизми имају способност да оксидују неорганска једињења као што је Х2, НХ3, НО2, С, ХС, Фаитх2+ и искористити електрични потенцијални енергетски производ оксидације у њиховим метаболизмима.

Међу микробиолошким врстама присутним у субаерним биофилмовима су:

  • Бактерије рода Геодерматопхилус; цијанобактерије родова Цхроцоццоццидиопсис, попут кокоидних и нитастих врста Цалотхрик, Глоеоцапса, Ностоц, Стигонема, Пхормидиум,
  • Зелене алге родова Цхлорелла, Десмоцоццус, Пхицопелтис, Принтзина, Требоукиа, Трентепохлиа и Стицхоцоццус.
  • Хетеротрофне бактерије (доминантне у субаерним биофилмовима): Артхробацтер сп., Бациллус сп., Мицроцоццус сп., Паенибациллус сп., Псеудомонас сп. и Рходоцоццус сп.
  • Хемогорганотрофне бактерије и гљивице као Ацтиномицеталес (стрептомицетес и Геодерматопхилацеае), Протеобактерије, Ацтинобацтериа, Ацидобацтериа и бацтероидес-цитопхага-Флавобацтериум.

-Биофилмови узрочника људских болести

Многе бактерије познате као узрочници људских болести живе у биофилмовима. Међу њима су: Вибрио цхолерае, Вибрио парахаемолитицус, Вибрио фисцхери, Веллионела парвула, Стрептоцоццус мутанс и Легионелла пнеумопхила.

-Бубонска куга

Интересантно је преношење бубонске куге помоћу угриза бухе, релативно новом адаптацијом узрочног бактеријског агенса ове болести., Иерсиниа пестис.

Ова бактерија расте као биофилм везан за горњи пробавни систем вектора (буха). Током уједа, буха поништава биофилм који садржи Иерсиниа пестис у дермису и тако почиње инфекција.

-Болнички венски катетери

Међу организмима изолованим из биофилма у експлантираним централним венским катетерима, постоји запањујућа разноликост Грам-позитивних и Грам-негативних бактерија, као и других микроорганизама..

Неколико научних студија приказује Грам-позитивне бактерије биофилма у венским катетерима: Цоринебацтериум спп., Ентероцоццус сп., Ентероцоццус фаецалис, Ентероцоццус фаециум, Стапхилоцоццус спп., Стапхилоцоццус ауреус, Стапхилоцоццус епидермидис, Стрептоцоццус спп. и Стрептоцоццус пнеумониае.

Међу Грам-негативним бактеријама изолованим из ових биофилмова се извештава: Ацинетобацтер спп., Ацинетобацтер цалцоацетицус, Ацинетобацтер анитратус, Ентеробацтер цлоацае, Ентеробацтер аерогенс, Есцхерицхиа цоли, Клебсиелла пнеумониае, Клебсиелла окитоца, Псеудомонас аеругиноса, Псеудомонас путида, Протеус спп., Провиденце спп. и Серратиа марцесценс.

Други организми који се налазе у овим биофилмовима су: Цандида спп., Цандида албицанс, Цандида тропицалис и Мицобацтериум цхелонеи.

-У индустрији

Што се тиче операбилности индустрије, биофилми стварају запреке цеви, оштећења опреме, ометања у процесима као што су пренос топлоте при покривању површина измењивача или корозије металних делова.

Прехрамбена индустрија

Формирање филмова у индустријама прехрамбене гране може створити важне проблеме који су оперативни и јавног здравља.

Повезани патогени у биофилмима могу контаминирати прехрамбене производе патогеним бактеријама и изазвати озбиљне здравствене проблеме код потрошача.

Међу биофилмима патогена повезаних са прехрамбеном индустријом, постоје:

Листериа моноцитогенес

Овај патоген користи у почетној фази формирања биофилма, беланчевине и мембранских протеина. Формирајте биофилм на челичне површине машина за сечење.

У мљекарској индустрији могу се произвести биофилми Листериа моноцитогенес у течном млеку и млечним производима. Млечни остаци у цевима, резервоарима, контејнерима и другим уређајима погодују развоју биофилмова овог патогена који их користи као расположиве хранљиве материје.

Псеудомонас спп.

Биофилмови ових бактерија могу се наћи у објектима прехрамбене индустрије, као што су подови, одводи и на површинама хране, као што су месо, поврће и воће, као и деривати мале киселости млијека..

Псеудомонас аеругиноса тајни неколико екстрацелуларних супстанци које се користе у формирању полимерне матрице биофилма, приањајући на велику количину неорганских материјала као што је нерђајући челик.

Псеудомонас могу постојати у биофилму заједно са другим патогеним бактеријама као што је Салмонелла и Листериа.

Салмонелла спп.

Врсте Салмонелла су први узрочници зооноза бактеријске етиологије и избијања прехрамбене токсоинфекције.

Научна истраживања су то показала Салмонелла може да се лепи у облику биофилма, на површинама цемента, челика и пластике, објеката погона за прераду хране.

Врсте Салмонелла Они имају површинске структуре са адхезивним својствима. Додатно, производи целулозу као екстрацелуларну супстанцу, која је главна компонента полимерне матрице.

Есцхерицхиа цоли

У почетном кораку формирања биофилма користи флагеле и мембранске протеине. Он такође производи екстрацелуларну целулозу да би генерисао тродимензионалну решетку матрице у биофилму.

Отпорност биофилма на дезинфекциона средства, гермициде и антибиотике

Биофилмови пружају заштиту микроорганизмима који то чине, дјеловању дезинфицијенса, гермицида и антибиотика. Механизми који дозвољавају ову функцију су следећи:

  • Одложено продирање антимикробног агенса кроз тродимензионалну матрицу биофилма, веома спором дифузијом и тешкоћом у достизању ефективне концентрације.
  • Промењена брзина раста и низак метаболизам микроорганизама у биофилму.
  • Промене у физиолошким реакцијама микроорганизама током раста биофилма, са експресијом измењених гена отпорности.

Референце

  1. Бацтериал Биофилмс. (2008). Актуелне теме из микробиологије и имунологије. Тони Ромео Едитор. Вол 322. Берлин, Ханновер: Спрингер Верлаг. пп301.
  2. Донлан, Р.М. и Цостертон, Ј.В. (2002). Биофилми: механизми преживљавања клинички релевантних микроорганизама. Цлиницал Мицробиологи Ревиевс.15 (2): 167-193. дои: 10.1128 / ЦМР.15.2.167-193.2002
  3. Флеминг, Х.Ц. и Вингендер, Ф. (2010). Матрица биофилма. Натуре Ревиевс Мицробиологи. 8: 623-633.
  4. Горбусхина, А. (2007). Живот на стенама. Енвиронментал Мицробиологи. 9 (7): 1-24. дои: 10.1111 / ј.1462-2920.2007.01301.к
  5. О'Тооле, Г., Каплан, Х.Б. и Колтер, Р. (2000). Формирање биофилма као микробиолошки развој. Годишњи преглед микробиологије.54: 49-79. дои: 1146 / аннурев.мицробиол.54.1.49
  6. Халл-Стоодлеи, Л., Цостертон, Ј.В. и Стоодлеи, П. (2004). Бактеријски биофилми: од природног окружења до заразних болести. Натуре Ревиевс Мицробиологи. 2: 95-108.
  7. Вхитцхурцх, Ц.Б., Толкер-Ниелсен, Т., Рагас, П. анд Маттицк, Ј. (2002). Екстрацелуларна ДНК потребна за формирање бактеријског биофилма. 259 (5559): 1487-1499. дои: 10.1126 / сциенце.295.5559.1487