Biofilmin ominaisuudet, muodostuminen, tyypit ja esimerkit

biofilmejä tai biofilmejä ne ovat mikro-organismien yhteisöjä, jotka on kiinnitetty pintaan ja jotka elävät itsenäisesti muodostetussa solunulkoisten polymeeristen aineiden matriisissa. Ne kuvasivat aluksi Antoine von Leeuwenhoek, kun hän tutki "animasa" (jonka hän oli kastanut) omalla hampaallaan olevalle materiaalille 1700-luvulla.

Teoriaa, joka kuvaa biofilmejä ja kuvaa niiden muodostumisprosessia, ei ollut kehitetty vuoteen 1978 asti. Todettiin, että mikro-organismien kyky muodostaa biofilmejä näyttää olevan universaali.

Biofilmejä voi esiintyä erilaisissa ympäristöissä kuten luonnollisissa järjestelmissä, vesijohtimissa, vesisäiliöissä, teollisuusjärjestelmissä sekä erilaisissa välineissä, kuten lääketieteellisissä laitteissa ja sairaalahoidon pysyvyyslaitteissa (esimerkiksi katetreissa)..

Skannauselektronimikroskopian ja konfokaalisen skannauslaserimikroskopian avulla havaittiin, että biofilmit eivät ole homogeenisia, rakenteettomat solujen kerrostumat ja kerääntynyt liete, vaan monimutkaiset heterogeeniset rakenteet.

Biofilmit ovat monimutkaisia ​​yhteenliittyneiden solujen yhteisöjä pinnalla, joka sisältyy erittäin hydratoituun polymeerimatriisiin, jonka vesi kiertää rakenteen avoimien kanavien läpi..

Monet organismit, jotka ovat menestyneet miljoonien vuosien hengissä ympäristössä, esimerkiksi sukujen lajit pseudomonas ja Legionella, he käyttävät biofilmistrategiaa erilaisissa ympäristöissä kuin alkuperäisissä ympäristöissä.

indeksi

• 1 Biofilmin ominaisuudet
  • 1.1 Biofilmimatriisin kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet
  • 1.2 Biofilmien ekologiset ominaisuudet
• 2 Biofilmin muodostuminen
  • 2.1 Alustava kiinnitys pintaan
  • 2.2 Monikerroksen ja mikrokolonioiden muodostuminen monikerroksisiin
  • 2.3 Polymeerisen solunulkoisen matriisin tuotanto ja kolmiulotteisen biofilmin kypsyminen
• 3 Biofilmityypit
  • 3.1 Lajien lukumäärä
  • 3.2 Koulutusympäristö
  • 3.3 Liitännän tyyppi, johon ne on luotu
• 4 Esimerkkejä biofilmeistä
  • 4.1 - Hammasplakka
  • 4.2 -Bio-kalvo mustassa vedessä
  • 4.3 - Sub-aerial biofilms
  • 4.4 - Ihmisten sairauksien syy-tekijöiden biofilmit
  • 4.5 - Buboninen rutto
  • 4.6 - Sairaalaveden katetrit
  • 4.7 - Teollisuudessa
• 5 Biofilmien vastustuskyky desinfiointiaineille, germisidille ja antibiooteille
• 6 Viitteet

Biofilmin ominaisuudet

Biofilmimatriisin kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet

-Biofilmin mikro-organismien erittämät solunulkoiset polymeeriset aineet, polysakkaridien makromolekyylit, proteiinit, nukleiinihapot, lipidit ja muut biopolymeerit, joista useimmat ovat hyvin hydrofiilisiä, muodostavat kolmiulotteisen rakenteen, jota kutsutaan biofilmin matriisiksi..

-Matriksin rakenne on erittäin viskoelastinen, sillä on kumiominaisuuksia, kestää vetoa ja mekaanista murtumista.

-Matriisilla on kyky tarttua välissä oleviin pintoihin, mukaan lukien huokoisen väliaineen sisäiset tilat, solunulkoisten polysakkaridien kautta, jotka toimivat tarttuvina kumina..

-Polymeerimatriisi on pääasiassa anioninen ja sisältää myös epäorgaanisia aineita, kuten metallikationeja.

-Siinä on vesikanavia, joiden kautta kierrätetään happea, ravinteita ja jätemateriaaleja.

-Tämä biofilmin matriisi toimii suojakeinona ja selviytymisenä haitallisissa ympäristöissä, esteenä fagosyyttisiä hyökkääjiä vastaan ​​ja desinfiointiaineiden ja antibioottien pääsyn ja leviämisen estämiseksi..

Biofilmien ekologiset ominaisuudet

-Matriisin muodostuminen epäomogeenisissa gradienteissa tuottaa erilaisia ​​mikro-elinympäristöjä, jotka mahdollistavat biologisen monimuotoisuuden olemassaolon biofilmissä..

-Matriisissa solun elintapa eroaa radikaalisti vapaasta elämästä, joka ei liity. Biofilmin mikro-organismit ovat immobilisoituja, hyvin lähellä toisiaan, assosioituneina pesäkkeisiin; tämä seikka mahdollistaa voimakkaiden vuorovaikutusten syntymisen.

-Biofilmin mikro-organismien väliset vuorovaikutukset sisältävät viestintää kemiallisten signaalien kautta koodissa, joka on nimeltään "koorumin tunnistaminen"..

-On muitakin tärkeitä vuorovaikutuksia, kuten geeninsiirto ja synergististen mikrorahoittajien muodostuminen.

-Biofilmin fenotyyppiä voidaan kuvata assosioituneiden solujen ilmentämien geenien perusteella. Tätä fenotyyppiä muutetaan kasvunopeuden ja geneettisen transkription suhteen.

-Biofilmin sisällä olevat organismit voivat transkriboida geenejä, jotka eivät transkriboi niiden planktonisia tai vapaita elämää.

-Biofilmin muodostusprosessia säätelevät spesifiset geenit, jotka on transkriptoitu solun ensimmäisessä adheesiossa.

-Matriisin suljetussa tilassa on yhteistyö- ja kilpailumekanismeja. Kilpailu synnyttää jatkuvan sopeutumisen biologisiin populaatioihin.

-Luodaan yhteinen ulkoinen ruoansulatusjärjestelmä, joka säilyttää solunulkoiset entsyymit solujen lähellä.

-Tämä entsymaattinen järjestelmä sallii sekvensoida, kerääntyä ja metaboloida, liuottaa, kolloidisia ja / tai suspendoituja ravintoaineita.

-Matriisi toimii yhteisenä ulkoisena kierrätysvyöhykkeenä, lysoitujen solujen komponenttien varastoinnissa, joka toimii myös kollektiivisena geneettisenä arkistona.

-Biokalvo toimii suojaavana rakenteellisena esteenä ympäristön muutoksilta, kuten kuivumiselta, biosidien, antibioottien, isännän immuunivasteiden, hapettimien, metalli-kationien, ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta ja on myös suoja monia saalistajia vastaan, kuten fagosyyttinen alkueläimet ja hyönteiset.

-Biofilmin matriisi muodostaa ainutlaatuisen ekologisen ympäristön mikro-organismeille, mikä mahdollistaa dynaamisen elämäntavan biologiselle yhteisölle. Biofilmit ovat todellisia mikroekosysteemejä.

Biofilmin muodostuminen

Biofilmien muodostuminen on prosessi, jossa mikro-organismit siirtyvät nomadisesta yksisoluisesta vapaasta elämästä monisoluiseen istuma-tilaan, jossa myöhempi kasvu tuottaa rakenteellisia yhteisöjä, joissa on solujen erilaistumista.

Biofilmin kehittyminen tapahtuu vasteena solunulkoisille ympäristösignaaleille ja itse tuotetuille signaaleille.

Biofilmeja tutkineet tutkijat ovat yhtä mieltä siitä, että on mahdollista rakentaa yleinen hypoteettinen malli selittämään niiden muodostumista.

Tämä biofilmin muodostumisen malli koostuu viidestä vaiheesta:

1. Alustava tartunta pintaan.
2. Yksikerroksen muodostuminen.
3. Siirtyminen mikrokolonioiden muodostamiseksi monikerroksisiin.
4. Polymeerisen solunulkoisen matriisin valmistus.
5. Kolmiulotteisen biofilmin kypsyminen.

Alustava tartunta pintaan

Biofilmin muodostuminen alkaa mikro-organismien ensimmäisestä tarttumisesta kiinteään pintaan, jossa ne on immobilisoitu. On havaittu, että mikro-organismeilla on pinta-antureita ja että pinta-proteiinit osallistuvat matriisin muodostumiseen.

Ei-liikkuvissa organismeissa, kun ympäristöolosuhteet ovat suotuisat, liimojen tuotanto niiden ulkopinnalle kasvaa. Tällä tavoin sen solu-solu- ja solupinnan tarttuvuuskapasiteetti kasvaa.

Liikkuvien lajien kohdalla yksittäiset mikro-organismit sijaitsevat pinnalla ja tämä on lähtökohta radikaalille muutokselle heidän liikkuvassa liikkuvassa elämäntapassaan, istumattomana, melkein syrjäisenä.

Liikkumiskyky häviää, koska matriisin muodostuksessa eri rakenteet osallistuvat liimamateriaalien lisäksi kuten flagella, silia, pilus ja fimbrias.

Sitten molemmissa tapauksissa (liikkuvat ja ei-liikkuvat mikro-organismit) muodostuu pieniä aggregaatteja tai mikro-pesäkkeitä ja syntyy voimakkaampi solu-soluyhteys; Adaptiiviset fenotyyppiset muutokset tapahtuvat uudessa ympäristössä ryhmitetyissä soluissa.

Monikerroksen ja mikrokolonioiden muodostuminen monikerroksisiin

Ekstrasellulaaristen polymeeristen aineiden tuotanto alkaa, ensimmäinen monikerroksinen muodostuminen tapahtuu ja sitä kehitetään monikerroksissa.

Polymeerisen solunulkoisen matriisin valmistus ja kolmiulotteisen biofilmin kypsyminen

Lopuksi biokalvo saavuttaa kypsyysasteensa kolmiulotteisella arkkitehtuurilla ja kanavilla, joiden läpi vesi, ravintoaineet, viestinnän kemialliset yhdisteet ja nukleiinihapot kiertävät..

Biofilmin matriisi säilyttää solut ja pitää ne yhdessä, edistäen korkeaa vuorovaikutusta solujen välisen viestinnän ja synergististen konsortioiden muodostumisen kanssa. Biofilmin solut eivät ole täysin immobilisoituja, ne voivat liikkua sen sisällä ja myös irrottaa itsensä.

Biofilmityypit

Lajien lukumäärä

Biokalvoon osallistuvien lajien lukumäärän mukaan jälkimmäinen voidaan luokitella seuraaviin:

• Lajin biofilmit. Esimerkiksi biofilmit, jotka ovat muodostaneet Streptococcus mutans tai Vellionela parvula.
• Kahden lajin biofilmit. Esimerkiksi yhdistys Streptococcus mutans ja Vellionela parvula biofilmeissä.
• Polymikrobiset biofilmit, jotka koostuvat monista lajeista. Esimerkiksi hammasplakin.

Koulutusympäristö

Biofilmit voivat myös olla muodostetun ympäristön mukaan:

• luonnollinen
• teollinen
• talous
• Hospitalarias

Liitännän tyyppi, johon ne on luotu

Toisaalta sen mukaan, millaisesta rajapinnasta ne muodostetaan, ne voidaan luokitella:

• Kiinteä-neste-interfaasi-biofilmit, kuin ne, jotka on muodostettu akvedukseista ja säiliöistä, putkista ja vesisäiliöistä yleensä.
• Kiinteän ja kaasun väliset biofilmit (SAB sen lyhenteitä varten englanniksi Sub Aereal Biofilms); jotka ovat mikrobiyhteisöjä, jotka kehittyvät kiinteille mineraalipinnoille, jotka altistuvat suoraan ilmakehälle ja auringon säteilylle. Niitä löytyy mm. Rakennuksista, alasti aavikkokivistä, vuorista.

Esimerkkejä biofilmeistä

-Hammasplakki

Hammasplakkia on tutkittu mielenkiintoisena esimerkkinä monimutkaisesta yhteisöstä, joka elää biofilmeissä. Hammaslevyjen biofilmit ovat kovia eikä elastisia johtuen epäorgaanisista suoloista, jotka antavat jäykkyyden polymeerimatriisiin.

Hammasplakin mikro-organismit ovat hyvin vaihtelevia ja biokalvoon liittyy 200-300 lajia.

Näiden mikro-organismien joukossa ovat:

• Sukupuoli Streptococcus; koostuu happamuusbakteereista, jotka demineralisoivat emalia ja dentiiniä, ja aloittavat hammaskarieksen. Esimerkiksi laji: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis ja S. milleri.
• Sukupuoli Lactobacillus, muodostuu dentiiniproteiinien hapettuneista denaturoivista bakteereista. Esimerkiksi laji: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Sukupuoli Actinomyces, jotka ovat happamia ja proteolyyttisiä mikro-organismeja. Näiden joukossa: viscosus, A. odontoliticus ja A. naeslundii.
• Ja muut tyylilajit, kuten: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis ja Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmit mustassa vedessä

Toinen mielenkiintoinen esimerkki on kotitalousjätevedet, joissa he elävät putkiin kiinnitetyissä biofilmeissä, ammoniumin, nitriitin ja autotrofisten nitrifioivien bakteerien hapettavissa mikro-organismeissa.

Näiden biofilmien ammoniumoksidoituvien bakteerien joukossa ne löytyvät numeerisesti hallitsevina lajeina, jotka ovat suvun lajeja Nitrosomonas, koko biofilmimatriisiin.

Nitriittioksidanttien ryhmän pääkomponentit ovat sukuun kuuluvia Nitrospira, jotka sijaitsevat vain biofilmin sisäosassa.

-Sub-aerial biofilmit

Subaeriaksi biofilmeille on tunnusomaista laastareiden kasvu kiinteillä mineraalipinnoilla, kuten kivillä ja kaupunkirakenteilla. Näillä biofilmeillä on hallitseva yhdistelmä sieniä, leviä, syanobakteereja, heterotrofisia bakteereita, alkueläimiä sekä mikroskooppisia eläimiä.

Erityisesti SAB-biofilmeissä on kemolitotrofisia mikro-organismeja, jotka kykenevät käyttämään mineraali-epäorgaanisia kemiallisia aineita energialähteinä.

Kemolitotrofisilla mikro-organismeilla on kyky hapettaa epäorgaanisia yhdisteitä, kuten H₂, NH₃, NO₂, S, HS, usko²⁺ ja hyödyntää niiden aineenvaihdunnassa tapahtuvien hapetusten sähköistä potentiaalista energiatuotetta.

Subaerialisissa biofilmeissä esiintyvien mikrobilajien joukossa ovat:

• Suvun bakteerit Geodermatophilus; C-suvun bakteerithrococcoccidiopsis, kokkidi- ja filamenttilajit Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Sukujen vihreät levät Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia ja Stichococcus.
• Heterotrofiset bakteerit (hallitsevat subaerialisissa biofilmeissä): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., pseudomonas sp. ja Rhodococcus sp.
• Kemogorganotrofiset bakteerit ja sienet kuten Actynomycetales (streptomycetes ja Geodermatophilaceae), Proteobakteerit, Actinobakteerit, Acobobakteerit ja bakteeri-cytophaga-Flavobacterium.

-Ihmisten sairauksien aiheuttavien aineiden biofilmit

Monet bakteerit, jotka tunnetaan ihmisen sairauksien aiheuttajina, elävät biofilmeissä. Näistä ovat: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans ja Legionella pneumophyla.

-Buboninen rutto

On mielenkiintoista, että kupliva rutto leviää kirppun puremalla, tämän taudin aiheuttavan bakteeri-aineen suhteellinen hiljattain sopeutuminen, Yersinia pestis.

Tämä bakteeri kasvaa biofilminä, joka on kiinnitetty vektorin ylempään ruoansulatusjärjestelmään (kirppu). Pureman aikana kirppu palauttaa biopaperin, joka sisältää Yersinia pestis dermissä ja niin infektio alkaa.

-Sairaalan laskimokatetrit

Biofilmeistä eristetyistä organismeista, jotka ovat räjähtyneissä keskisuurissa katetreissa, on hämmästyttävä valikoima Gram-positiivisia ja Gram-negatiivisia bakteereita sekä muita mikro-organismeja..

Useat tieteelliset tutkimukset raportoivat geenipositiivisina bakteereina biofilmeistä laskimo katetreissa: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., stafylokokki aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus spp. ja Streptococcus pneumoniae.

Näistä biofilmeistä eristetyistä gram-negatiivisista bakteereista raportoidaan: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp., Providence spp. ja Serratia marcescens.

Muissa näissä biofilmeissä esiintyvät organismit ovat: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis ja Mycobacterium chelonei.

-Alalla

Teollisuuden käyttökelpoisuuden osalta biofilmit tuottavat putken esteitä, laitteiden vaurioita, häiriöitä prosesseissa, kuten lämmönsiirrossa lämmönsiirtopintojen peittämisessä, tai metalliosien korroosiota.

Elintarviketeollisuus

Elokuvien muodostuminen ruoanlihan toimialoilla voi aiheuttaa merkittäviä operatiivisia ongelmia ja kansanterveyttä.

Biofilmeihin liittyvät taudinaiheuttajat voivat saastuttaa elintarvikkeita patogeenisillä bakteereilla ja aiheuttaa vakavia kansanterveysongelmia kuluttajille.

Elintarviketeollisuuteen liittyvien patogeenien biofilmeistä on olemassa:

Listeria monocytogenes

Tämä patogeeni käyttää biofilmin muodostumisen, flagellan ja membraaniproteiinien alkuvaiheessa. Muodosta biofilmejä viipalointikoneiden teräspinnoille.

Maitoalalla voidaan tuottaa biofilmejä Listeria monocytogenes maidon ja maitotuotteiden osalta. Maitojäännökset putkissa, säiliöissä, säiliöissä ja muissa laitteissa suosivat tämän taudinaiheuttajan biofilmejä, jotka käyttävät niitä saatavilla olevina ravintoaineina.

pseudomonas spp.

Näiden bakteerien biofilmejä löytyy elintarviketeollisuuden tiloista, kuten lattiat, viemärit ja elintarvikepinnat, kuten liha, vihannekset ja hedelmät sekä vähäisen maitohapon johdannaiset..

Pseudomonas aeruginosa salaa useita ekstrasellulaarisia aineita, joita käytetään biopallon polymeerimatriisin muodostamisessa, kiinnittymällä suureen määrään epäorgaanisia materiaaleja, kuten ruostumatonta terästä.

pseudomonas voivat esiintyä yhdessä biofilmin kanssa muiden patogeenisten bakteerien, kuten salmonella ja Listeria.

salmonella spp.

Laji salmonella ovat ensimmäinen syy-tekijä bakteerien etiologian zoonooseissa ja elintarvikemyrkkyjen puhkeamissa.

Tieteelliset tutkimukset ovat osoittaneet, että salmonella voi tarttua biofilmeihin sementin, teräksen ja muovin pinnoille, elintarvikkeiden jalostuslaitosten tiloihin.

Laji salmonella Niissä on pintarakenteita, joilla on tarttuvat ominaisuudet. Lisäksi se tuottaa selluloosaa ekstrasellulaarisena aineena, joka on polymeerimatriisin pääkomponentti.

Escherichia coli

Se käyttää lippuvalmisteita ja kalvoproteiineja biofilmin muodostuksen alkuvaiheessa. Se tuottaa myös solunulkoista selluloosaa, joka tuottaa matriisin kolmiulotteisen hilan biofilmissä.

Biofilmien vastustuskyky desinfiointiaineille, germisidille ja antibiooteille

Biofilmit tarjoavat suojaa mikro-organismeille, jotka muodostavat sen, desinfiointiaineiden, germisidien ja antibioottien vaikutukseen. Tämän ominaisuuden sallivat mekanismit ovat seuraavat:

• Antimikrobisen aineen viivästynyt tunkeutuminen biofilmin kolmiulotteisen matriisin kautta, hyvin hitaasti diffuusiolla ja vaikeudella saavuttaa tehokas pitoisuus.
• Biofilmin mikro-organismien kasvunopeuden ja vähäisen aineenvaihdunnan muutos.
• Muutokset mikro-organismien fysiologisissa vasteissa biofilmin kasvun aikana ja muuttuneiden resistenssigeenien ilmentymisellä.

viittaukset

1. Bakteriaaliset biofilmit. (2008). Nykyiset mikrobiologian ja immunologian aiheet. Tony Romeo Editor. Vol. 322. Berliini, Hannover: Springer Verlag. pp301.
2. Donlan, R.M. ja Costerton, J.W. (2002). Biofilmit: kliinisesti merkittävien mikro-organismien selviytymismekanismit. Kliiniset mikrobiologian arviot.15 (2): 167 - 193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Fleming, H.C. ja Wingender, F. (2010). Biofilmimatriisi. Nature Reviews Mikrobiologia. 8: 623-633.
4. Gorbushina, A. (2007). Elämä kivillä. Ympäristön mikrobiologia. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
5. O'Toole, G., Kaplan, H.B. ja Kolter, R. (2000). Biofilmin muodostuminen mikrobien kehittymisenä. Mikrobiologian vuosikatsaus.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
6. Hall-Stoodley, L., Costerton, J.W. ja Stoodley, P. (2004). Bakteerien biofilmit: luonnollisesta ympäristöstä tartuntataudeihin. Nature Reviews Mikrobiologia. 2: 95 - 108.
7. Whitchurch, C.B., Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. ja Mattick, J. (2002). Ekstrasellulaarinen DNA tarvitaan bakteerien biofilmin muodostumiseen. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487