Biofilmų charakteristikos, formavimas, tipai ir pavyzdžiai



The biofilmai o biofilmai jie yra mikroorganizmų, prijungtų prie paviršiaus, gyvenančių savarankiškai sukurtoje ekstraląstelinių polimerinių medžiagų matricoje, bendruomenės. Iš pradžių jie buvo aprašyti Antoine von Leeuwenhoek, išnagrinėjęs „animą“ (taip pakrikštytas jo) ant savo dantų medžiagos plokštelės XVIII a..

Teorija, kuri konceptualizuoja biofilmus ir apibūdina jų formavimo procesą, nebuvo sukurta iki 1978 m. Buvo nustatyta, kad mikroorganizmų gebėjimas formuoti biofilmus atrodo universalus.

Biofilmai gali egzistuoti tokiose įvairiose aplinkose kaip natūralios sistemos, akvedukai, vandens talpyklos, pramoninės sistemos, taip pat įvairiose laikmenose, pvz., Medicinos prietaisuose ir ligoninių pacientų pastovumo prietaisuose (pvz., Kateteriuose)..

Naudojant nuskaitymo elektronų mikroskopiją ir konfokalinę skenavimo lazerinę mikroskopiją buvo nustatyta, kad biofilmai nėra homogeniniai, nestruktūruoti ląstelių nuosėdos ir sukaupta dumblas, bet sudėtingos heterogeninės struktūros.

Biofilmai yra sudėtingos susijusių ląstelių bendruomenės paviršiuje, įtrauktos į labai hidratuotą polimerinę matricą, kurios vanduo cirkuliuoja per atvirus konstrukcijos kanalus..

Daugelis organizmų, kurie sėkmingai išgyveno milijonus metų aplinkoje, pavyzdžiui, genties rūšys Pseudomonas ir Legionella, jie naudoja biofilmų strategiją aplinkose, skirtingose ​​nuo gimtosios aplinkos.

Indeksas

  • 1 Biofilmų charakteristikos
    • 1.1 Biofilminės matricos cheminės ir fizinės savybės
    • 1.2 Biofilmų ekofiziologinės savybės
  • 2 Biofilmų susidarymas
    • 2.1 Pradinis sukibimas su paviršiumi
    • 2.2 Vienkartinio ir mikrokolonijų formavimas daugiasluoksnėse medžiagose
    • 2.3 Polimerinės ekstraląstelinės matricos gamyba ir trimatės biofilmo brandinimas
  • 3 Biofilmų tipai
    • 3.1 Rūšių skaičius
    • 3.2 Mokymo aplinka
    • 3.3 Sąsajos tipas, kur jie generuojami
  • 4 Biofilmų pavyzdžiai
    • 4.1 - Dantų apnašas
    • 4.2 -Bio plėvelė juodame vandenyje
    • 4.3 - Biofilmai
    • 4.4 - Žmonių ligų priežastinių veiksnių biofilmai
    • 4.5 - Bubono maras
    • 4.6 - Ligoninių venų kateteriai
    • 4.7 - pramonėje
  • 5 Biofilmų atsparumas dezinfekantams, germicidams ir antibiotikams
  • 6 Nuorodos

Biofilmų charakteristikos

Biofilminės matricos cheminės ir fizinės savybės

-Biofilmų mikroorganizmų išskiriamos ekstraląstelinės polimerinės medžiagos, polisacharidų makromolekulės, baltymai, nukleino rūgštys, lipidai ir kiti biopolimerai, kurių daugelis yra labai hidrofiliniai, kryžminis ryšys, sudarantis trimatę struktūrą, vadinamą biofilme..

-Matricos struktūra yra labai viskoelastinė, pasižymi gumos savybėmis, atspari traukimui ir mechaniniam plyšimui.

-Matrica turi gebėjimą prilipti prie tarpfazių paviršių, įskaitant vidines poringas terpes, per ekstraląstelinius polisacharidus, kurie veikia kaip adhezinės dervos.

-Polimerinė matrica daugiausia yra anijoninė ir apima ir neorganines medžiagas, tokias kaip metalo katijonai.

-Ji turi vandens kanalus, per kuriuos cirkuliuoja deguonis, maistinės medžiagos ir atliekos, kurias galima perdirbti.

-Ši biofilmo matrica veikia kaip apsaugos ir išgyvenimo priemonė nepalankioje aplinkoje, barjeras nuo fagocitinių užpuolikų ir dezinfekavimo priemonių bei antibiotikų patekimo į rinką ir difuzijos..

Biofilmų ekofiziologinės savybės

-Matricos susidarymas nevienalyčiuose gradientuose sukuria įvairias mikro buveines, kurios leidžia biologinei įvairovei egzistuoti biofilme..

-Matricoje ląstelių gyvenimo būdas iš esmės skiriasi nuo laisvo gyvenimo, nesusijusio. Biofilmo mikroorganizmai yra imobilizuoti, labai arti vienas kito, susiję su kolonijomis; šis faktas leidžia intensyviai bendrauti.

-Biofilmo mikroorganizmų sąveika apima ryšį per cheminius signalus kode, vadinamame "kvorumo jutimu"..

-Yra ir kitų svarbių sąveikų, tokių kaip genų perdavimas ir sinerginių mikrokomponentų susidarymas.

-Biofilmo fenotipą galima apibūdinti pagal genus, išreikštus susijusių ląstelių. Šis fenotipas keičiamas atsižvelgiant į augimo greitį ir genetinę transkripciją.

-Biofilme esantys organizmai gali perrašyti genus, kurie neperrašo jų planktoninės ar laisvos gyvybės formos.

-Biofilmų formavimo procesą reguliuoja specifiniai genai, transkribuojami pradinės ląstelės adhezijos metu.

-Ribotoje matricos erdvėje yra bendradarbiavimo ir konkurencijos mechanizmai. Konkurencija sukuria nuolatinį prisitaikymą prie biologinių populiacijų.

-Sukuriama kolektyvinė išorinė virškinimo sistema, kuri išlieka ląstelių ląstelių fermentų.

-Ši fermentinė sistema leidžia suskaidyti, kaupti ir metabolizuoti, ištirpinti, koloidines ir / arba suspenduotas maistines medžiagas.

-Matrica veikia kaip bendra išorinė perdirbimo zona, lizuotų ląstelių komponentų saugojimas, taip pat veikia kaip kolektyvinis genetinis archyvas.

-Biofilmas veikia kaip apsauginis struktūrinis barjeras nuo aplinkos pokyčių, tokių kaip džiovinimas, biocidų, antibiotikų, šeimininko imuninės reakcijos, oksiduojančių medžiagų, metalų katijonų, ultravioletinės spinduliuotės ir taip pat apsaugo nuo daugelio plėšrūnų, pvz., Fagocitinių pirmuonių ir vabzdžių..

-Biofilmo matrica sudaro unikalią ekologinę aplinką mikroorganizmams, kuri leidžia dinamiškai gyventi biologinei bendruomenei. Biofilmai yra tikros mikroekosistemos.

Biofilmų susidarymas

Biofilmų susidarymas yra procesas, kurio metu mikroorganizmai pereina iš nomadinės vienaląsnės laisvos gyvensenos į daugialąsčią sėdimą būseną, kur vėlesnis augimas sukuria struktūruotas bendruomenes su ląstelių diferenciacija.

Biofilmų vystymasis vyksta reaguojant į ekstraląstelinius aplinkos signalus ir savaime generuojamus signalus.

Mokslininkai, kurie mokėsi biofilmus, sutinka, kad galima sukurti apibendrintą hipotetinį modelį, paaiškinantį jų formavimąsi.

Šis biofilmų formavimo modelis susideda iš 5 etapų:

  1. Pradinis sukibimas su paviršiumi.
  2. Vienkartinio sluoksnio susidarymas.
  3. Migracija, siekiant sudaryti mikrokolonijas daugiasluoksnėse.
  4. Polimerinės ekstraląstelinės matricos gamyba.
  5. Trimatės biofilmės brandinimas.

Pradinis sukibimas su paviršiumi

Biofilmo susidarymas prasideda nuo pradinio mikroorganizmų sukibimo su kietu paviršiumi, kur jie yra imobilizuoti. Nustatyta, kad mikroorganizmai turi paviršiaus jutiklius ir kad paviršiaus baltymai yra susiję su matricos formavimu.

Ne mobiliuose organizmuose, kai aplinkos sąlygos yra palankios, padidėja adhezinų gamyba jų išoriniame paviršiuje. Tokiu būdu padidėja jo ląstelių ir ląstelių paviršiaus sukibimo pajėgumas.

Judančių rūšių atveju atskiri mikroorganizmai yra ant paviršiaus ir tai yra pradinis taškas, kad radikaliai keistųsi jų judriojo gyvenimo būdas, sėdimas, beveik sėdimas.

Judėjimo gebėjimas prarandamas, nes formuojant matricą, skirtingos struktūros dalyvauja kaip lipnios, blakstienos, pilos ir fimbrijos, be klijų medžiagų..

Tada abiem atvejais (mobilieji ir ne mobilieji mikroorganizmai) susidaro nedideli agregatai arba mikro-kolonijos ir susidaro intensyvesnis ląstelių ląstelių kontaktas; Adaptyvūs fenotipiniai pokyčiai atsiranda naujoje aplinkoje, grupuotose ląstelėse.

Vienkartinio ir mikrokolonijų formavimas daugiasluoksnėse medžiagose

Pradedama ekstraląstelinių polimerinių medžiagų gamyba, atsiranda pradinis vienagumbių susidarymas ir vėlesnė plėtra daugiasluoksnėse medžiagose.

Polimerinės ekstraląstelinės matricos gamyba ir trimatės biofilmo brandinimas

Galiausiai, bioplėvelė pasiekia brandos stadiją, turinčią trimatę architektūrą ir kanalus, per kuriuos cirkuliuoja vanduo, maistinės medžiagos, ryšių cheminiai junginiai ir nukleino rūgštys..

Biofilmo matrica išlaiko ląsteles ir saugo jas kartu, skatindama aukšto lygio sąveiką su tarpląsteliniu ryšiu ir sinerginių konsorciumų formavimu. Biofilmo ląstelės nėra visiškai imobilizuotos, jos gali judėti viduje ir taip pat atsiskirti.

Biofilmų tipai

Rūšių skaičius

Pagal bioklyje dalyvaujančių rūšių skaičių pastaruosius galima suskirstyti į:

  • Rūšies biofilmai. Pavyzdžiui, biofilmai, suformuoti Streptococcus mutans o Vellionela parvula.
  • Dviejų rūšių biofilmai. Pavyzdžiui, asociacija Streptococcus mutans ir Vellionela parvula biofilmuose.
  • Polimikrobinės biofilmos, sudarytos iš daugelio rūšių. Pavyzdžiui, dantų apnašas.

Mokymo aplinka

Be to, atsižvelgiant į aplinką, kurioje jie susidaro, biofilmai gali būti:

  • Natūralus
  • Pramoninis
  • Vidaus
  • Ligoninės

Sąsajos tipas, kur jie generuojami

Kita vertus, priklausomai nuo sąsajos tipo, kur jie yra suformuoti, galima juos klasifikuoti:

  • Kietosios ir skystos tarpfazinės biofilmos, kaip ir akvedukuose, cisternose, vamzdynuose ir vandens rezervuaruose.
  • Kietųjų dujų tarpfazinės biofilmos (SAB dėl santrumpų anglų kalba Sub Aereal Biofilms); kurios yra mikroorganizmų bendruomenės, susidarančios ant kietų mineralinių paviršių, tiesiogiai veikiančių atmosferą ir saulės spinduliuotę. Jie randami pastatuose, plika dykumos uolose, kalnuose, be kita ko.

Biofilmų pavyzdžiai

-Dantų apnašas

Ištirtas dantų apnašas, kaip įdomus kompleksinės bendruomenės, kuri gyvena biofilmuose, pavyzdys. Dantų plokštelių biofilmai yra kieti ir neelastiniai, nes yra neorganinių druskų, kurios suteikia polimerinei matricai standumą.

Dantų apnašos mikroorganizmai yra labai įvairūs ir biofilme yra nuo 200 iki 300 rūšių.

Tarp šių mikroorganizmų yra:

  • Lytis Streptococcus; sudaro rūgštinės bakterijos, kurios demineralizuoja emalį ir dentiną, ir inicijuoja dantų ėduonį. Pavyzdžiui, rūšis: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis ir S. milleri.
  • Lytis Lactobacillus, susidaro dentino baltymų acidofilinės denatūruojančios bakterijos. Pavyzdžiui, rūšis: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
  • Lytis Actinomyces, kurie yra rūgštiniai ir proteolitiniai mikroorganizmai. Tarp šių rūšių: viscosus, A. odontoliticus ir A. naeslundii.
  • Ir kiti žanrai, patinka: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis ir Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmai juodame vandenyje

Kitas įdomus pavyzdys yra buitinės nuotekos, kuriose jos gyvena bioplėvelėse, prijungtose prie vamzdžių, nitrifikuojančių mikroorganizmų, oksiduojančių amonio, nitritų ir autotrofinių nitrifikuojančių bakterijų..

Tarp šių biofilmų amonio oksiduojančių bakterijų jie yra laikomi dominuojančiomis rūšimis, kaip ir genties Nitrosomonas, visame biofilmo matricoje.

Pagrindiniai nitritų oksidantų grupės komponentai yra genties Nitrospira, kurios yra tik vidinėje biofilmo dalyje.

-Antžeminiai biofilmai

Subaeriniai biofilmai pasižymi pleistrų augimu ant kietų mineralinių paviršių, pvz., Uolų ir miesto konstrukcijų. Šios biofilmos turi dominuojančias grybų, dumblių, žydinčių bakterijų, heterotrofinių bakterijų, pirmuonių ir mikroskopinių gyvūnų asociacijas..

Ypač SAB biofilmose yra chemolitotrofinių mikroorganizmų, kurie gali naudoti mineralines neorganines chemines medžiagas kaip energijos šaltinius.

Chemolitotrofiniai mikroorganizmai turi galimybę oksiduoti neorganinius junginius, tokius kaip H2, NH3, NE2, S, HS, tikėjimas2+ ir pasinaudokite galimu oksidacijos potencialiu energijos produktu, kuris yra jų metabolizme.

Tarp mikroorganizmų rūšių, esančių subaeriniuose biofilmuose, yra:

  • Genties bakterijos Geodermatophilus; C serbų cianobakterijoshrococcoccidiopsis, kokso ir gijos rūšys Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
  • Žaliųjų dumblių gentys Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia ir Stichococcus.
  • Heterotrofinės bakterijos (dominuojančios subaeriniuose biofilmuose): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. ir Rhodococcus sp.
  • Chemogorganotrofinės bakterijos ir grybai, kaip Actynomycetales (streptomicetai ir geodermatofilaceae), Proteobakterijos, Actinobakterijos, Acidobakterijos ir bakteroidai-cytophaga-Flavobacterium.

-Žmonių ligų sukėlėjų biofilmai

Daugelis bakterijų, žinomų kaip žmonių ligų sukėlėjai, gyvena biofilmuose. Tarp jų yra: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans ir Legionella pneumophyla.

-Bubono maras

Įdomu tai, kad burbuliukų maras perduodamas blusų įkandimu, palyginti neseniai pritaikyta šios ligos sukėlėjo bakterinė medžiaga., Yersinia pestis.

Ši bakterija auga kaip biofilmas, pritvirtintas prie virškinimo sistemos viršutinės virškinimo sistemos (blusos). Užkandimo metu blusos regurgituoja bioplėvelę, kurioje yra Yersinia pestis dermoje ir taip prasideda infekcija.

-Ligoninių venų katetrai

Iš organizmų, išskirtų iš biofilmų sprogusiuose centriniuose venų kateteriuose, yra neįtikėtina gramteigiamų ir gram-neigiamų bakterijų, taip pat kitų mikroorganizmų įvairovė..

Keletas mokslinių tyrimų rodo, kad geno teigiamos bakterijos biofilmuose yra venų kateteriuose: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus spp. ir Streptococcus pneumoniae.

Tarp gram-neigiamų bakterijų, išskirtų iš šių biofilmų, pranešama: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp., Providence spp. ir Serratia marcescens.

Kiti šiuose biofilmuose esantys organizmai yra: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis ir Mycobacterium chelonei.

-Pramonėje

Kalbant apie pramonės veikimą, biofilmai generuoja vamzdžių kliūtis, sugadina įrangą, trukdo procesams, pvz., Šilumos perdavimui, kai padengiami šilumokaičio paviršiai, arba metalinių dalių korozija..

Maisto pramonė

Filmų formavimas maisto šakos šakose gali sukelti svarbių problemų ir visuomenės sveikatos.

Susiję patogenai biofilmuose gali užteršti maisto produktus patogeninėmis bakterijomis ir sukelti rimtų visuomenės sveikatos problemų vartotojams.

Tarp su maisto pramone susijusių patogenų biofilmų yra:

Listeria monocytogenes

Šis patogenas naudojamas pradiniame biofilmų susidarymo etape, flagella ir membraniniai baltymai. Sukurkite biofilmus ant pjaustymo mašinų plieno paviršių.

Pieno pramonėje galima gaminti biofilmas Listeria monocytogenes skystame piene ir pieno produktuose. Pieno likučiai vamzdžiuose, talpyklose, talpyklose ir kituose įrenginiuose skatina šio patogeno biofilmų, naudojančių juos kaip turimas maistines medžiagas, plėtrą..

Pseudomonas spp.

Šių bakterijų biofilmus galima rasti maisto pramonės įrenginiuose, tokiuose kaip grindys, drenažai ir maisto paviršiai, pvz., Mėsa, daržovės ir vaisiai, taip pat mažo pieno rūgštingumo dariniai..

Pseudomonas aeruginosa paslaptis kelias ekstraląstelines medžiagas, kurios naudojamos formuojant biofilmo polimerinę matricą, prilipusį prie didelio kiekio neorganinių medžiagų, pvz., nerūdijančio plieno.

Pseudomonas kartu su kitomis patogeninėmis bakterijomis, pvz Salmonella ir Listerija.

Salmonella spp.

Rūšys Salmonella yra pirmasis bakterinių etiologijos zoonozių priežastis ir maisto toksoinfekcijos protrūkiai.

Moksliniai tyrimai parodė, kad Salmonella biofilmų pavidalu gali prisitaikyti prie cemento, plieno ir plastiko paviršių, maisto perdirbimo įmonių įrenginių.

Rūšys Salmonella Jie turi paviršiaus struktūras su prilipusiomis savybėmis. Be to, ji gamina celiuliozę kaip ekstraląstelinę medžiagą, kuri yra pagrindinė polimerinės matricos sudedamoji dalis.

Escherichia coli

Pradiniame biofilmų formavimo etape jis naudoja flagelinius ir membraninius baltymus. Ji taip pat gamina ekstraląstelinę celiuliozę, kad biofilme generuotų matricos trimatę grotelę.

Biofilmų atsparumas dezinfekantams, germicidams ir antibiotikams

Biofilmai užtikrina apsaugą mikroorganizmams, kurie juos gamina, dezinfekavimo priemonių, germicidų ir antibiotikų veikimui. Mechanizmai, kurie leidžia šią funkciją, yra šie:

  • Antimikrobinių medžiagų įsiskverbimas per trijų dimensijų biofilmės matricą, lėtai sklaidant ir sunkiai pasiekiant veiksmingą koncentraciją.
  • Pakeistas mikroorganizmų augimo greitis ir mažas metabolizmas biofilme.
  • Mikroorganizmų fiziologinio atsako pokyčiai biofilmo augimo metu, pakeitus atsparumo genus.

Nuorodos

  1. Bakterijų biofilmai. (2008). Dabartinės mikrobiologijos ir imunologijos temos. Tony Romeo redaktorius. 322 tomas. Berlynas, Hanoveris: Springer Verlag. pp301.
  2. Donlan, R.M. ir Costerton, J.W. (2002). Biofilmai: kliniškai svarbių mikroorganizmų išlikimo mechanizmai. Klinikinės mikrobiologijos apžvalgos.15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
  3. Fleming, H.C. ir Wingender, F. (2010). Biofilmo matrica. Gamtos apžvalgos Mikrobiologija. 8: 623-633.
  4. Gorbushina, A. (2007). Gyvenimas ant uolų. Aplinkos mikrobiologija. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
  5. O'Toole, G., Kaplan, H.B. ir Kolter, R. (2000). Biofilmų susidarymas kaip mikrobų vystymasis. Metinė mikrobiologijos apžvalga.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
  6. Hall-Stoodley, L., Costerton, J.W. ir Stoodley, P. (2004). Bakterijų biofilmai: nuo natūralios aplinkos iki infekcinių ligų. Gamtos apžvalgos Mikrobiologija. 2: 95-108.
  7. Whitchurch, C.B., Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. ir Mattick, J. (2002). Ekstraceliulinė DNR, reikalinga bakterijų biofilmų susidarymui. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487