Charakteristiky, formace, typy a příklady biofilmů



biofilmy o biofilmy jsou to společenství mikroorganismů připojených k povrchu, žijících v samo generované matrici extracelulárních polymerních látek. Oni byli zpočátku popsáni Antoine von Leeuwenhoek, když on zkoumal “animas” (tak jím pokřtěný), na desce materiálu jeho vlastních zubů v sedmnáctém století \ t.

Teorie, která konceptualizuje biofilmy a popisuje jejich proces tvorby, nebyla vyvinuta až do roku 1978. Bylo zjištěno, že schopnost mikroorganismů vytvářet biofilmy se jeví jako univerzální..

Biofilmy mohou existovat v různých prostředích, jako jsou přírodní systémy, akvadukty, zásobníky vody, průmyslové systémy, stejně jako v různých médiích, jako jsou zdravotnické prostředky a zařízení pro trvalou hospitalizaci pacientů (například katétry)..

Pomocí skenovací elektronové mikroskopie a konfokálního rastrovacího laserového mikroskopu bylo zjištěno, že biofilmy nejsou homogenní, nestrukturované usazeniny buněk a nahromaděné bahno, ale složité heterogenní struktury.

Biofilmy jsou složité komunity sdružených buněk na povrchu, které jsou součástí vysoce hydratované polymerní matrice, jejíž voda cirkuluje otevřenými kanály struktury..

Mnoho organismů, které byly úspěšné v přežití miliónů let v životním prostředí, například druhy rodu Pseudomonas a Legionella, využívají strategii biofilmu v prostředích odlišných od jejich nativních prostředí.

Index

  • 1 Charakteristika biofilmů
    • 1.1 Chemické a fyzikální vlastnosti matrice biofilmu
    • 1.2 Ekofyziologické vlastnosti biofilmů
  • 2 Tvorba biofilmu
    • 2.1 Počáteční přilnavost k povrchu
    • 2.2 Tvorba monovrstvy a mikrokolonií ve vícevrstvách
    • 2.3 Produkce polymerní extracelulární matrice a zrání trojrozměrného biofilmu
  • 3 Typy biofilmů
    • 3.1 Počet druhů
    • 3.2 Vzdělávací prostředí
    • 3.3 Typ rozhraní, kde jsou generovány
  • 4 Příklady biofilmů
    • 4.1 - Zubní plak
    • 4.2 -Bio film v černé vodě
    • 4.3 - Subvrstvové biofilmy
    • 4.4 - Biofilmy původců lidských onemocnění
    • 4.5 - Bubonický mor
    • 4.6 - Nemocniční žilní katétry
    • 4.7 - V průmyslu
  • 5 Odolnost biofilmů vůči dezinfekčním prostředkům, germicidům a antibiotikům
  • 6 Odkazy

Charakteristika biofilmů

Chemické a fyzikální vlastnosti matrice biofilmu

-Extracelulární polymerní látky vylučované biofilmovými mikroorganismy, makromolekulami polysacharidů, bílkovinami, nukleovými kyselinami, lipidy a dalšími biopolymery, z nichž většina je velmi hydrofilní, vytvářejí trojrozměrnou strukturu nazývanou biofilmovou matricí..

-Struktura matrice je vysoce viskoelastická, má vlastnosti gumy, je odolná proti trakci a mechanickému roztržení.

-Matrice má schopnost přilnout k povrchům mezifáze, včetně vnitřních prostorů porézního média, přes extracelulární polysacharidy, které působí jako adhezivní gumy.

-Polymerní matrice je převážně aniontová a také zahrnuje anorganické látky, jako jsou kationty kovů.

-Má vodní kanály, kterými proudí kyslík, živiny a odpadní látky, které lze recyklovat.

-Tato matrice biofilmu funguje jako prostředek ochrany a přežití v nepříznivém prostředí, bariéra proti fagocytárním vetřelcům a proti vstupu a difúzi dezinfekčních prostředků a antibiotik..

Ekofyziologické charakteristiky biofilmů

-Tvorba matrice v nehomogenních gradientech produkuje různé druhy mikrohabitů, což umožňuje existenci biologické rozmanitosti v rámci biofilmu..

-V matrici se buněčný způsob života radikálně liší od svobodného života, nikoli asociovaného. Mikroorganismy biofilmu jsou imobilizovány, velmi blízko u sebe, spojené v koloniích; tato skutečnost umožňuje intenzivní interakce.

-Interakce mezi mikroorganismy biofilmu zahrnují komunikaci prostřednictvím chemických signálů v kódu zvaném "snímání kvora".

-Existují i ​​další důležité interakce, jako je přenos genů a tvorba synergických mikrokontrolérů.

-Fenotyp biofilmu může být popsán pomocí genů exprimovaných asociovanými buňkami. Tento fenotyp se mění s ohledem na rychlost růstu a genetickou transkripci.

-Organismy v biofilmu mohou přepisovat geny, které nepřepisují své planktonické nebo volné formy života.

-Proces tvorby biofilmu je regulován specifickými geny, transkribovanými během počáteční buněčné adheze.

-V omezeném prostoru matice existují mechanismy spolupráce a konkurence. Soutěž vytváří konstantní adaptaci v biologických populacích.

-Vzniká kolektivní vnější zažívací systém, který udržuje extracelulární enzymy v blízkosti buněk.

-Tento enzymatický systém umožňuje sekvestrovat, hromadit a metabolizovat, rozpouštět, koloidní a / nebo suspendované živiny.

-Matice funguje jako společná vnější zóna recyklace, skladování složek lyzovaných buněk a slouží také jako kolektivní genetický archiv.

-Biofilm funguje jako ochranná strukturní bariéra proti změnám prostředí, jako je sušení, působení biocidů, antibiotik, imunitní reakce hostitele, oxidačních činidel, kovových kationtů, ultrafialového záření a je také obranou proti mnoha predátorům, jako jsou například fagocytární protozoa a hmyz..

-Matrice biofilmu představuje jedinečné ekologické prostředí pro mikroorganismy, které biologickému společenství umožňuje dynamický způsob života. Biofilmy jsou skutečnými mikro-ekosystémy.

Tvorba biofilmu

Tvorba biofilmů je proces, při kterém se mikroorganismy stěhují z kočovného jednobuněčného, ​​volně žijícího stavu do mnohobuněčného sedavého stavu, kde následný růst produkuje strukturovaná společenství s buněčnou diferenciací.

K vývoji biofilmu dochází v odezvě na extracelulární environmentální signály a signály generované samostatně.

Výzkumníci, kteří studovali biofilmy, souhlasí s tím, že je možné vytvořit obecný hypotetický model, který vysvětlí jejich vznik.

Tento model tvorby biofilmu se skládá z 5 stupňů:

  1. Počáteční přilnavost k povrchu.
  2. Tvorba monovrstvy.
  3. Migrace do mikrokolonií ve vícevrstvách.
  4. Produkce polymerní extracelulární matrice.
  5. Zrání trojrozměrného biofilmu.

Počáteční přilnavost k povrchu

Tvorba biofilmu začíná počáteční adhezí mikroorganismů na pevný povrch, kde jsou imobilizovány. Bylo zjištěno, že mikroorganismy mají povrchové senzory a že povrchové proteiny se podílejí na tvorbě matrice.

V nemobilních organismech se při příznivých podmínkách prostředí zvýší produkce adhezinů na jejich vnějším povrchu. Tímto způsobem se zvyšuje jeho schopnost adheze na buněčné a buněčné povrchové ploše.

V případě mobilních druhů jsou jednotlivé mikroorganismy umístěny na povrchu, což je výchozím bodem k radikální změně v jejich kočovném mobilním životním stylu, sedavém, téměř přisedlém..

Schopnost pohybu je ztracena, protože při tvorbě matrice se různé struktury účastní, jako jsou například bičíky, řasy, pilus a fimbrie, kromě adhezivních látek..

Pak se v obou případech (mobilní i nemobilní mikroorganismy) vytvoří malé agregáty nebo mikrokolonie a vytvoří se intenzivnější kontakt buněk a buněk; Adaptivní fenotypové změny se vyskytují v novém prostředí, ve skupinových buňkách.

Tvorba monovrstvy a mikrokolonií ve vícevrstvách

Začíná produkce extracelulárních polymerních látek, dochází k počáteční tvorbě monovrstvy a následnému vývoji ve vícevrstvách.

Produkce polymerní extracelulární matrice a zrání trojrozměrného biofilmu

Konečně, biofilm dosáhne svého stupně zralosti, s trojrozměrnou architekturou a přítomností kanálů, kterými cirkuluje voda, živiny, komunikační chemické sloučeniny a nukleové kyseliny..

Matrice biofilmu zadržuje buňky a udržuje je pohromadě, což podporuje vysoký stupeň interakce s mezibuněčnou komunikací a tvorbou synergických konsorcií. Buňky biofilmu nejsou zcela imobilizovány, mohou se uvnitř pohybovat a také se oddělit.

Druhy biofilmů

Počet druhů

Podle počtu druhů účastnících se biofilmu mohou být tyto druhy zařazeny do:

  • Biofilmy druhu. Například biofilmy tvořené Streptococcus mutans o Vellionela parvula.
  • Biofilmy dvou druhů. Například asociace Streptococcus mutans a Vellionela parvula v biofilmech.
  • Polymikrobiální biofilmy, tvořené mnoha druhy. Například zubní plak.

Vzdělávací prostředí

Biofilmy mohou být také podle prostředí, ve kterém jsou vytvořeny:

  • Přirozeně
  • Průmyslové
  • Domácí
  • Nemocnice

Typ rozhraní, kde jsou generovány

Na druhou stranu, v závislosti na typu rozhraní, kde jsou vytvořeny, je možné je klasifikovat do:

  • Interfázové biofilmy s pevnou kapalinou, jako jsou akvadukty a nádrže, potrubí a vodní nádrže obecně.
  • Interfázové biofilmy s pevným plynem (SAB pro jeho zkratky v anglickém Sub Aereal Biofilms); které jsou mikrobiálními komunitami, které se vyvíjejí na pevných minerálních površích, vystaveny přímo atmosféře a slunečnímu záření. Oni jsou nalezeni v budovách, nahé pouštní skály, hory, mezi ostatními.

Příklady biofilmů

-Zubní plak

Zubní plak byl studován jako zajímavý příklad komplexní komunity, která žije v biofilmech. Biofilmy zubních destiček jsou tvrdé a nejsou elastické v důsledku přítomnosti anorganických solí, které poskytují polymerní matrici tuhost..

Mikroorganismy zubního plaku jsou velmi rozmanité a v biofilmu je spojeno 200 až 300 druhů.

Mezi tyto mikroorganismy patří:

  • Pohlaví Streptococcus; tvořené kyselými bakteriemi, které demineralizují sklovinu a dentin a iniciují zubní kaz. Například druh: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis a S. milleri.
  • Pohlaví Lactobacillus, tvořené acidofilními denaturačními bakteriemi proteinů dentinu. Například druh: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
  • Pohlaví Actinomyces, které jsou kyselými a proteolytickými mikroorganismy. Mezi těmito druhy: viscosus, A. odontoliticus a A. naeslundii.
  • A další žánry, jako: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis a Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmy v černé vodě

Dalším zajímavým příkladem jsou odpadní vody z domácností, kde žijí v biofilmech spojených s trubkami, nitrifikační mikroorganismy oxidující amonné, dusitanové a autotrofní nitrifikační bakterie.

Mezi amoniovými oxidačními bakteriemi těchto biofilmů se nalézají jako numericky dominantní druhy rodu Nitrosomonas, distribuovány v matrici biofilmu.

Hlavní složky v rámci skupiny dusitanových oxidantů jsou látky rodu Nitrospira, které jsou umístěny pouze ve vnitřní části biofilmu.

-Sub-letecké biofilmy

Subaeriální biofilmy se vyznačují růstem náplastí na pevných minerálních površích, jako jsou skály a městské stavby. Tyto biofilmy mají dominantní asociace hub, řas, sinic, heterotrofních bakterií, prvoky a mikroskopických zvířat..

Biofilmy SAB mají zejména chemolithotrofní mikroorganismy, které jsou schopny používat minerální anorganické chemické látky jako zdroje energie..

Chemolithotropní mikroorganismy mají schopnost oxidovat anorganické sloučeniny, jako je H2, NH3, NE2, S, HS, Faith2+ a využít energetického produktu elektrického potenciálu oxidací v jejich metabolismu.

Mezi mikrobiální druhy přítomné v subaeriálních biofilmech patří:

  • Bakterie rodu Geodermatophilus; cyanobakterií rodu Chcocococcidiopsis, kokcidní a vláknité druhy jako Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
  • Zelené řasy rodů Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia a Stichococcus.
  • Heterotrofní bakterie (dominantní v subaeriálních biofilmech): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. a Rhodococcus sp.
  • Chemogorganotrofní bakterie a houby jako Actynomycetales (streptomycety a Geodermatophilaceae), Proteobakterie, Actinobacteria, Acidobacteria a bakteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Biofilmy původců lidských onemocnění

Mnoho bakterií známých jako původci lidských onemocnění žije v biofilmech. Mezi tyto patří: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans a Legionella pneumophyla.

-Bubonický mor

Zajímavé je, že přenos bubonického moru je způsoben blechovým kousnutím, což je relativně nedávná adaptace kauzálního bakteriálního agens tohoto onemocnění., Yersinia pestis.

Tato bakterie roste jako biofilm spojený s horním zažívacím systémem vektoru (blecha). Během kousnutí blecha vyvolává biofilm obsahující Yersinia pestis v dermis a tak začíná infekce.

-Nemocniční žilní katétry

Mezi organismy izolovanými z biofilmů v explantovaných centrálních venózních katétrech existuje neuvěřitelná paleta grampozitivních a gramnegativních bakterií, jakož i dalších mikroorganismů..

Několik vědeckých studií uvádí jako grampozitivní bakterie biofilmů ve venózních katétrech: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus spp. a Streptococcus pneumoniae.

Z Gram-negativních bakterií izolovaných z těchto biofilmů se uvádí: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp. spp. a Serratia marcescens.

Další organismy nalezené v těchto biofilmech jsou: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis a Mycobacterium chelonei.

-V průmyslu

Pokud jde o provozuschopnost průmyslu, biofilmy vytvářejí překážky v potrubí, poškození zařízení, rušení procesů, jako je přenos tepla při zakrytí povrchů výměníku nebo koroze kovových částí..

Potravinářský průmysl

Vytváření filmů v odvětvích potravinářského odvětví může vyvolat závažné problémy, které mohou působit na zdraví a zdraví.

Přidružené patogeny v biofilmech mohou kontaminovat potravinářské výrobky patogenními bakteriemi a způsobit spotřebitelům vážné zdravotní problémy.

Mezi biofilmy patogenů spojených s potravinářským průmyslem patří:

Listeria monocytogenes

Tento patogen využívá v počátečním stadiu tvorby biofilmu, bičíků a membránových proteinů. Vytvořte biofilmy na ocelových plochách krájecích strojů.

V mlékárenském průmyslu lze vyrábět biofilmy Listeria monocytogenes v tekutém mléku a mléčných výrobcích. Zbytky mléka v trubkách, nádržích, nádobách a jiných zařízeních napomáhají rozvoji biofilmů tohoto patogenu, který je používá jako dostupné živiny..

Pseudomonas spp.

Biofilmy těchto bakterií lze nalézt v zařízeních potravinářského průmyslu, jako jsou podlahy, kanalizace a povrchy potravin, jako je maso, zelenina a ovoce, jakož i deriváty s nízkou kyselostí mléka..

Pseudomonas aeruginosa tajné několik extracelulárních látek, které se používají při tvorbě polymerní matrice biofilmu, přilnutí k velkému množství anorganických materiálů, jako je nerezová ocel.

Pseudomonas mohou koexistovat v rámci biofilmu ve spojení s jinými patogenními bakteriemi, jako jsou např Salmonella a Listeria.

Salmonella spp.

Druhy Salmonella jsou prvním původcem zoonóz bakteriální etiologie a vypuknutím toxoinfekce potravin.

Vědecké studie to ukázaly Salmonella může ve formě biofilmů přilnout k povrchům z cementu, oceli a plastu, zařízení provozoven zpracovávajících potraviny.

Druhy Salmonella Mají povrchové struktury s adherentními vlastnostmi. Kromě toho produkuje celulózu jako extracelulární látku, která je hlavní složkou polymerní matrice.

Escherichia coli

V počátečním kroku tvorby biofilmu využívá flagella a membránové proteiny. Produkuje také extracelulární celulózu pro vytvoření trojrozměrné mřížky matrice v biofilmu.

Odolnost biofilmů vůči dezinfekčním prostředkům, germicidům a antibiotikům

Biofilmy poskytují ochranu mikroorganismům, které tvoří, působení dezinfekčních prostředků, germicidů a antibiotik. Mechanismy, které tuto funkci umožňují, jsou následující:

  • Zpožděné pronikání antimikrobiálního činidla prostřednictvím trojrozměrné matrice biofilmu, velmi pomalá difúze a obtížné dosažení účinné koncentrace.
  • Změněná rychlost růstu a nízký metabolismus mikroorganismů v biofilmu.
  • Změny fyziologických odpovědí mikroorganismů během růstu biofilmu, s expresí změněných genů rezistence.

Odkazy

  1. Bakteriální biofilmy. (2008). Aktuální témata z mikrobiologie a imunologie. Tony Romeo Editor. 322. Berlín, Hannover: Springer Verlag. pp301.
  2. Donlan, R.M. a Costerton, J.W. (2002). Biofilmy: mechanismy přežití klinicky relevantních mikroorganismů. Klinické mikrobiologické recenze.15 (2): 167-193. doi: 10,1128 / CMR.15.2.167-193.2002
  3. Fleming, H.C. a Wingender, F. (2010). Matrice biofilmu. Příroda Recenze Mikrobiologie. 8: 623-633.
  4. Gorbushina, A. (2007). Život na skalách. Environmentální mikrobiologie. 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 biofilmu jako mikrobiální vývoj. Výroční přehled mikrobiologie.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
  6. Hall-Stoodley, L., Costerton, J.W. a Stoodley, P. (2004). Bakteriální biofilmy: od přirozeného prostředí po infekční onemocnění. Příroda Recenze Mikrobiologie. 2: 95-108.
  7. Whitchurch, C.B., Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. a Mattick, J. (2002). Extracelulární DNA potřebná pro tvorbu bakteriálního biofilmu. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487