Biofilmi omadused, moodustumine, tüübid ja näited



The biofilme o biofilme nad on pinna külge kinnitatud mikroorganismide kogukonnad, mis elavad ekstratsellulaarsete polümeersete ainete iseseisvalt loodud maatriksis. Algselt kirjeldasid neid Antoine von Leeuwenhoek, kui ta uuris 17. sajandil oma hammaste materjali tahvlile (seega tema ristitud)..

Teooriat, mis määratleb biofilme ja kirjeldab nende moodustumisprotsessi, ei olnud välja töötatud alles 1978. aastal. Leiti, et mikroorganismide võime moodustada biofilme näib olevat universaalne.

Biofilmid võivad esineda nii mitmekesistes keskkondades nagu looduslikud süsteemid, akveduktid, veemahutid, tööstussüsteemid kui ka mitmesugused kandjad, nagu meditsiiniseadmed ja püsivuse seadmed haiglas patsientidel (näiteks kateetrid)..

Skaneeriva elektronmikroskoopia ja konfokaalse skaneeriva lasermikroskoopia abil avastati, et biofilmid ei ole homogeensed, struktureerimata rakkude ladestused ja kogunenud muda, vaid komplekssed heterogeensed struktuurid.

Biofilmid on seotud rakkude komplekssed pinnad pinnal, mis sisalduvad väga hüdreeritud polümeermaatriksis, mille vesi ringleb läbi struktuuri avatud kanalite..

Paljud organismid, mis on edukalt püsinud miljoneid aastaid elus keskkonnas, näiteks perekondade liigid Pseudomonas ja Legionella, nad kasutavad biokile strateegiat keskkonnas, mis erineb oma emakeeles.

Indeks

  • 1 Biofilmi omadused
    • 1.1 Biokile maatriksi keemilised ja füüsikalised omadused
    • 1.2 Biofilmi ökofüsioloogilised omadused
  • 2 Biofilmide moodustumine
    • 2.1 Esialgne haardumine pinnaga
    • 2.2 Monokihi ja mikrokolloonide moodustumine mitmekihilistes kihtides
    • 2.3 Polümeerse ekstratsellulaarse maatriksi tootmine ja kolmemõõtmelise biokile küpsemine
  • 3 Biofilmi tüübid
    • 3.1 Liikide arv
    • 3.2 Koolituskeskkond
    • 3.3 Liidese tüüp, kus need genereeritakse
  • 4 Biofilmi näited
    • 4.1 -Hammaste tahvel
    • 4.2 -Bio film mustas vees
    • 4.3 - õhuvedude biofilmid
    • 4.4 - Inimhaiguste põhjuslike mõjurite biofilmid
    • 4.5 - Bubooniline katk
    • 4.6 - Haigla venoossed kateetrid
    • 4.7 - Tööstuses
  • 5 Biofilmi vastupanu desinfektsioonivahenditele, germitsiididele ja antibiootikumidele
  • 6 Viited

Biofilmi omadused

Biokile maatriksi keemilised ja füüsikalised omadused

-Biokile mikroorganismide poolt erituvad ekstratsellulaarsed polümeersed ained, polüsahhariidide makromolekulid, valgud, nukleiinhapped, lipiidid ja muud biopolümeerid, millest enamik on väga hüdrofiilsed, moodustavad kolmemõõtmelise struktuuri, mida nimetatakse biokile maatriksiks..

-Maatriksi struktuur on väga viskoelastne, kummist omadustega, vastupidav veojõule ja mehaanilisele purunemisele.

-Maatriksil on võime kleepuda kleepuvate kummidena toimivate ekstratsellulaarsete polüsahhariidide kaudu vaheseintega pindadele, kaasa arvatud poorse söötme siseruumidele..

-Polümeermaatriks on valdavalt anioonne ja sisaldab ka anorgaanilisi aineid, näiteks metalli katioone.

-Sellel on veekanalid, mille kaudu ringleb ringlusse hapnik, toitained ja jäätmed.

-See biokile maatriks töötab kaitsevahendina ja ellujäämiseks ebasoodsates tingimustes, barjäär fagotsüütide sissetungijate vastu ning desinfektsioonivahendite ja antibiootikumide sisenemise ja leviku vastu..

Biofilmi ökofüsioloogilised omadused

-Maatriksi moodustumine ebastogeensetes gradientides tekitab mitmesuguseid mikro-elupaiku, mis võimaldab biofilmis bioloogilist mitmekesisust eksisteerida..

-Maatriksis erineb raku eluviis radikaalselt vaba elust, mis ei ole seotud. Biokile mikroorganismid on immobiliseeritud, üksteisele väga lähedased, kolooniates; see asjaolu võimaldab toimuda intensiivselt.

-Biofilmide mikroorganismide koostoime hõlmab kommunikatsiooni keemiliste signaalide kaudu koodis, mida nimetatakse "kvoorumi tunnetamiseks"..

-On ka teisi olulisi koostoimeid, nagu näiteks geeniülekanne ja sünergistlike mikrokomponentide moodustumine.

-Biofilmi fenotüüpi võib kirjeldada seotud rakkude poolt ekspresseeritud geenide mõttes. Seda fenotüüpi muudetakse vastavalt kasvukiirusele ja geneetilisele transkriptsioonile.

-Biofilmis olevad organismid võivad transkribeerida geene, mis ei transkribeeri nende planktoni või vaba elu vorme.

-Biofilmide moodustumise protsessi reguleerivad spetsiifilised geenid, mis on transkribeeritud raku algse adhesiooni ajal.

-Maatriksi piiratud ruumis on koostöö- ja konkurentsimehhanisme. Konkurents tekitab bioloogiliste populatsioonide pideva kohanemise.

-Luuakse kollektiivne seedetrakti süsteem, mis säilitab rakkude lähedal olevad rakuvälised ensüümid.

-See ensümaatiline süsteem võimaldab eraldada, koguneda ja metaboliseerida, lahustada, kolloidseid ja / või suspendeeritud toitaineid.

-Maatriks toimib ühise välise ringlussevõtu tsooni, lüüsitud rakkude komponentide säilitamise, samuti kollektiivse geneetilise arhiivina..

-Biofilm toimib kaitsva struktuurse barjäärina selliste keskkonnamuutuste vastu nagu kuivatamine, biotsiidide, antibiootikumide, peremehe immuunvastuste, oksüdeerivate ainete, metalli katioonide, ultraviolettkiirguse toime ja kaitse ka paljude kiskjate, näiteks fagotsüütiliste algloomade ja putukate vastu..

-Biokile maatriks on mikroorganismidele ainulaadne ökoloogiline keskkond, mis võimaldab bioloogilisele kogukonnale dünaamilist eluviisi. Biofilmid on tõelised mikroökosüsteemid.

Biofilmide moodustumine

Biofilmide moodustumine on protsess, kus mikroorganismid liiguvad nomaadilisest ühekomponendilisest vabalt elavast seisundist mitmekihilisse istuvasse olekusse, kus järgnev kasv tekitab rakkude diferentseerumisega struktureeritud kogukondi.

Biokile areng toimub vastusena rakuvälistele keskkonna signaalidele ja ise genereeritud signaalidele.

Biofilme uurinud teadlased nõustuvad, et on võimalik koostada üldine hüpoteetiline mudel, mis selgitab nende moodustumist.

See biokile moodustumise mudel koosneb 5 etapist:

  1. Esmane kleepumine pinnale.
  2. Ühe kihi moodustamine.
  3. Migratsioon mikrokolloonide loomiseks mitmekihilistes.
  4. Polümeerse ekstratsellulaarse maatriksi tootmine.
  5. Kolmemõõtmelise biokile küpsemine.

Esmane kleepumine pinnale

Biofilmide moodustumine algab mikroorganismide esialgse kleepumisega tahkele pinnale, kus nad on immobiliseeritud. On avastatud, et mikroorganismidel on pinnaandurid ja et maatriksi moodustamisse on kaasatud pinnavalgud.

Mitte-mobiilsetes organismides, kui keskkonnatingimused on soodsad, suureneb adhesiidide tootmine nende välispinnal. Sel viisil suureneb selle raku-raku ja rakupinna kleepumisvõime.

Liikuvate liikide puhul paiknevad üksikud mikroorganismid pinnal ja see on lähtepunkt radikaalseks muutmiseks nende teisaldatavas liikuvates eluviisides, istuv, peaaegu istuv.

Liikumisvõime on kadunud, sest maatriksi moodustamisel osalevad erinevad struktuurid lisaks kleepainetele ka lipula, rõngaste, piluse ja fimbriaga..

Seejärel tekivad mõlemal juhul (mobiilsed ja mitteliikuvad mikroorganismid) väikesed agregaadid või mikro-kolooniad ja tekitatakse intensiivsem raku-raku kontakt; Adaptive fenotüüpilised muutused tekivad uues keskkonnas, grupeeritud rakkudes.

Monokihi ja mikrokolloonide moodustumine mitmekihilistes kihtides

Ekstratsellulaarsete polümeersete ainete tootmine algab, algne monokihtide moodustumine ja hilisem areng mitmekihilistes ainetes.

Polümeerse ekstratsellulaarse maatriksi tootmine ja kolmemõõtmelise biokile küpsemine

Lõpuks jõuab biofilm oma küpsusastmesse, millel on kolmemõõtmeline arhitektuur ja kanalite olemasolu, mille kaudu ringlevad vesi, toitained, side keemilised ühendid ja nukleiinhapped..

Biokile maatriks säilitab rakud ja hoiab neid kokku, edendades kõrge interaktsiooni intertsellulaarse kommunikatsiooni ja sünergistlike konsortsiumide moodustumise vahel. Biofilmi rakud ei ole täielikult immobiliseeritud, nad võivad selle sees liikuda ja ka eralduda.

Biofilmi tüübid

Liikide arv

Biofilmis osalevate liikide arvu järgi võib neid liigitada:

  • Liigi biofilmid. Näiteks on moodustatud biofilme Streptococcus mutans o Vellionela parvula.
  • Kahe liigi biofilmid. Näiteks Streptococcus mutans ja Vellionela parvula biofilmis.
  • Polümeersed biofilmid, mis koosnevad paljudest liikidest. Näiteks hambaplaat.

Koolituskeskkond

Samuti võivad biofilmid vastavalt nende tekkimise keskkonnale olla:

  • Loomulik
  • Tööstus
  • Kodused
  • Haiglad

Liidese tüüp, kus need genereeritakse

Teisest küljest, olenevalt liidese tüübist, kus need moodustuvad, on neid võimalik klassifitseerida:

  • Tahkete ja vedelate faaside biofilmid, nagu need, mis on moodustatud akveduktides ja mahutites, torudes ja veepaakides üldiselt.
  • Tahkete gaaside vahelised faasid (SAB selle lühendite kohta inglise keeles Sub Aereal Biofilms); mis on mikroobsed kogukonnad, mis arenevad tahketel mineraalpindadel, mis puutuvad kokku otseselt atmosfääri ja päikesekiirgusega. Neid leidub muuhulgas hoonetes, alasti kõrbekivimites, mägedes.

Biofilmi näited

-Hambaplaat

Hambakasti on uuritud kui huvitavat näidet komplekssest kogukonnast, mis elab biofilmis. Hambaplaatide biofilmid on kõvad ja mitte elastsed anorgaaniliste soolade tõttu, mis annavad polümeersele maatriksile jäikuse..

Hambaplaadi mikroorganismid on väga erinevad ja biofilmis on 200 kuni 300 liiki.

Nende mikroorganismide hulgas on:

  • Sugu Streptococcus; moodustavad happelise happe bakterid, mis demineerivad emaili ja dentiini, ning algatavad hambakaariese. Näiteks: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis ja S. milleri.
  • Sugu Lactobacillus, moodustavad dentiini valkude happelised ja denatureerivad bakterid. Näiteks: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
  • Sugu Actinomyces, mis on happelised ja proteolüütilised mikroorganismid. Nende hulgas on liik: viscosus, A. odontoliticus ja A. naeslundii.
  • Ja muud žanrid, nagu: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis ja Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmid mustas vees

Teine huvitav näide olmereovesi, kus nad elavad Biofilme järgides torustik, oksüdeerivad mikroorganismid nitrifitseerivate ammoonium nitriti ja autotroofsetel nitrifitseerivate bakterite.

Nende biofilmide ammooniumoksiidiga bakterite hulgast leitakse, et need on arvuliselt domineerivad liigid, perekonna liigid Nitrosomonas, kogu biokile maatriksis.

Nitriti oksüdeerijate rühma peamised komponendid on perekonna rühmad Nitrospira, mis asuvad ainult biokile sisemises osas.

-Sub-õhust biofilmid

Subaeroaalseid biofilme iseloomustab plaastrite kasv tahketel mineraalpindadel, nagu kivimid ja linnakonstruktsioonid. Nendel biofilmidel on domineerivad seened, vetikad, tsüanobakterid, heterotroofsed bakterid, algloomad ja mikroskoopilised loomad..

Eriti omavad SAB biofilmid kemolitotroofseid mikroorganisme, mis on võimelised kasutama energiaallikana mineraalseid anorgaanilisi keemilisi aineid.

Kemolithotrophic mikroorganismidel on võime oksüdeerida anorgaanilisi ühendeid nagu H2, NH3, EI2, S, HS, usk2+ ning kasutama oma ainevahetuses oksüdatsioonide elektrilist potentsiaalset energiatoodet.

Subaeroalsetes biofilmides esinevate mikroobide hulgas on:

  • Perekonna bakterid Geodermatophilus; perekondade Chrococcoccidiopsis, kokkoid- ja niitliigid nagu Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
  • Põlvkondade rohelised vetikad Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia ja Stichococcus.
  • Heterotroofsed bakterid (domineerivad subaeroalsetes biofilmides): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. ja Rhodococcus sp.
  • Chemogorganotrophic bakterid ja seened nagu Actynomycetales (streptomütsetid ja geodermatofiilid), Proteobakterid, Actinobakterid, Acidobacteria ja bakteroide-cytophaga-Flavobacterium.

-Inimhaiguste põhjuslike ainete biofilmid

Paljud bakterid, mida tuntakse inimese haiguste põhjustajana, elavad biofilmis. Nende hulgas on: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans ja Legionella pneumophyla.

-Bubooniline katk

Huvitav on põletikupuhangu põletamine, selle haiguse põhjustava bakteriaalse toimeaine suhteliselt hiljutine kohandamine., Yersinia pestis.

See bakter kasvab biofilmina, mis on kinnitatud vektori ülemise seedetrakti (kirbu) külge. Hammustuse ajal regenereerib kirp biokile, mis sisaldab Yersinia pestis dermis ja nii algab infektsioon.

-Haigla venoossed kateetrid

Hulgas isolaate Biofilme Kesk veenikateetri opereeriti leidsid üllatav erinevaid Gram-positiivseid ja Gram-negatiivseid baktereid ja muud mikroorganismid.

Mitmed teaduslikud uuringud näitavad, et venoosse kateetrite gramm-positiivsed bakterid on: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus spp. ja Streptococcus pneumoniae.

Nendest biofilmidest eraldatud gramnegatiivsete bakterite hulgas on kirjeldatud: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp., Providencia spp. ja Serratia marcescens.

Muudes nendes biofilmides leiduvad organismid on: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis ja Mycobacterium chelonei.

-Tööstuses

Nagu tööks tööstuses, biokiled genereeritud torustik takistustest, seadmete kahjustused, interferents protsessides nagu soojusülekandepindu nähtud soojusvahetid või korrosiooni metallosade.

Toiduainetööstus

Filmide moodustamine toiduainete filiaalide tööstusharudes võib tekitada olulisi operatiivseid probleeme ja rahvatervist.

Seotud patogeenid biofilmas võivad saastata toiduaineid patogeensete bakteritega ja põhjustada tarbijate jaoks tõsiseid rahvatervise probleeme.

Toiduainetööstusega seotud patogeenide biofilmi hulgas on:

Listeria monocytogenes

Seda patogeeni kasutatakse biofilmide moodustumise, lipu ja membraani valkude algfaasis. Moodustage viilutamismasinate teraspindadele biofilme.

Piimatööstuses on võimalik toota biofilme Listeria monocytogenes vedelas piimas ja piimatoodetes. Piimajäägid torudes, mahutites, mahutites ja muudes seadmetes soodustavad selle patogeeni biofilmi arengut, mis kasutab neid olemasolevate toitainetena..

Pseudomonas spp.

Biokiled need bakterid võib leida toiduainetööstuse võimalusi, nagu põrandad, kanalisatsiooni ja pinnad toidu nagu liha, köögiviljad ja puuviljad, koos madala derivaadid piima.

Pseudomonas aeruginosa sekreteerib mitut rakuvälise aineid, mida kasutatakse moodustamisel polümeermaatriksis biokile küljes paljude anorgaaniliste ainete nagu roostevaba teras.

Pseudomonas koos bioloogilise filmiga koos teiste patogeensete bakteritega nagu Salmonella ja Listeria.

Salmonella spp.

Liigi liik Salmonella on bakteriaalse etioloogia zoonooside ja toidu toksoinfektsioonide puhangute esimene põhjuslik vahend.

Teaduslikud uuringud on seda näidanud Salmonella võib biofilmi kujul kinni pidada tsemendi, terase ja plastide pindadele, toiduainete töötlemisettevõtete rajatistele.

Liigi liik Salmonella Neil on pinnakonstruktsioonid, millel on kleepuvad omadused. Lisaks toodab see rakuvälise ainena tselluloosi, mis on polümeermaatriksi põhikomponent.

Escherichia coli

Biofilmide moodustamise alguses kasutab ta lipu ja membraani valke. Samuti toodab see ekstratsellulaarset tselluloosi, et tekitada biokile maatriksi kolmemõõtmeline võre.

Biofilmi vastupanu desinfektsioonivahenditele, germitsiididele ja antibiootikumidele

Biofilmid pakuvad kaitset mikroorganismidele, mis seda valmistavad, desinfektsioonivahendite, germitsiidide ja antibiootikumide toimele. Mehhanismid, mis võimaldavad seda funktsiooni, on järgmised:

  • Antimikroobse toimeaine viivitatud tungimine biokile kolmemõõtmelise maatriksi kaudu, väga aeglase difusiooni ja tõhusa kontsentratsiooni saavutamise raskuse tõttu.
  • Mikroorganismide muutunud kasvukiirus ja vähene metabolism biokile.
  • Muutused mikroorganismide füsioloogilistes reaktsioonides biofilmide kasvu ajal, koos muutunud resistentsusgeenide ekspressiooniga.

Viited

  1. Bakteriaalsed biofilmid. (2008). Mikrobioloogia ja immunoloogia aktuaalsed teemad. Tony Romeo toimetaja. Vol. 322. Berlin, Hannover: Springer Verlag. pp301.
  2. Donlan, R.M. ja Costerton, J.W. (2002). Biofilmid: kliiniliselt oluliste mikroorganismide ellujäämismehhanismid. Kliinilised mikrobioloogia ülevaated.15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
  3. Fleming, H.C. ja Wingender, F. (2010). Biokile maatriks. Mikrobioloogia. 8: 623-633.
  4. Gorbushina, A. (2007). Elu kividel. Keskkonna mikrobioloogia. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
  5. O'Toole, G., Kaplan, H.B. ja Kolter, R. (2000). Biofilmide moodustumine mikroobide arenguna. Mikrobioloogia iga-aastane ülevaade.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
  6. Hall-Stoodley, L., Costerton, J.W. ja Stoodley, P. (2004). Bakteriaalsed biofilmid: looduskeskkonnast nakkushaigusteni. Mikrobioloogia. 2: 95-108.
  7. Whitchurch, C.B., Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. ja Mattick, J. (2002). Ekstratsellulaarne DNA vajab bakteriaalset biofilmide moodustumist. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487