Характеристики, форми, типове и примери за биофилми

на биофилми или биофилми те са общности на микроорганизми, прикрепени към повърхността, живеещи в самостоятелно генерирана матрица от извънклетъчни полимерни вещества. Първоначално те бяха описани от Антоан фон Левенхок, когато той изследваше "анима" (по този начин кръщаван от него), върху плака от материал на собствените си зъби през седемнадесети век.

Теорията, която концептуализира биофилмите и описва техния процес на формиране, не е разработена до 1978 г. Открито е, че способността на микроорганизмите да образуват биофилми изглеждат универсални..

Биофилмите могат да съществуват в разнообразни среди като естествени системи, акведукти, резервоари за вода, промишлени системи, както и в различни среди, като медицински устройства и устройства за постоянство в болнични пациенти (като например катетри)..

Чрез използване на сканираща електронна микроскопия и конфокална сканираща лазерна микроскопия беше открито, че биофилмите не са хомогенни, неструктурирани отлагания на клетки и натрупани тиня, но сложни хетерогенни структури.

Биофилмите са сложни общности на свързани клетки на повърхност, включени в силно хидратирана полимерна матрица, чиято вода циркулира през отворени канали на структурата.

Много организми, които са успели да оцелеят в околната среда милиони години, например видове от родовете Pseudomonas и Legionella, те използват биофилмната стратегия в среда, различна от родната им местна среда.

индекс

• 1 Характеристики на биофилмите
  • 1.1 Химични и физични характеристики на матрицата на биофилма
  • 1.2 Екофизиологични характеристики на биофилмите
• 2 Образуване на биофилм
  • 2.1 Първоначална адхезия към повърхността
  • 2.2 Формиране на монослой и микроколонии в многослойни слоеве
  • 2.3. Производство на полимерната извънклетъчна матрица и съзряването на триизмерния биофилм
• 3 Видове биофилми
  • 3.1 Брой на видовете
  • 3.2 Обучителна среда
  • 3.3 Тип интерфейс, където се генерират
• 4 Примери за биофилми
  • 4.1 - Зъбна плака
  • 4.2 - Био филм в черна вода
  • 4.3 - Под-въздушни биофилми
  • 4.4 - Биофилми на причинители на човешки заболявания
  • 4.5 - Бубонна чума
  • 4.6 - Венозни катетри в болницата
  • 4.7 - В индустрията
• 5 Устойчивост на биофилми към дезинфектанти, бактерициди и антибиотици
• 6 Препратки

Характеристики на биофилмите

Химични и физични характеристики на матрицата на биофилма

-Екстрацелуларните полимерни вещества, отделяни от биофилмни микроорганизми, макромолекули на полизахариди, протеини, нуклеинови киселини, липиди и други биополимери, повечето от които са много хидрофилни, омрежващи се, образуват триизмерна структура, наречена матрица на биофилма..

-Структурата на матрицата е силно виско еластична, има каучукови свойства, е устойчива на сцепление и механично скъсване.

-Матрицата има способността да прилепва към интерфазни повърхности, включително вътрешни пространства на пореста среда, чрез извънклетъчни полизахариди, които действат като прилепващи венци..

-Полимерната матрица е предимно анионна и също така включва неорганични вещества като метални катиони.

-Той има водни канали, през които се циркулират кислород, хранителни вещества и отпадъчни вещества, които могат да бъдат рециклирани.

-Тази матрица на биофилма работи като средство за защита и оцеляване в неблагоприятна среда, бариера срещу фагоцитни нашественици и срещу навлизането и разпространението на дезинфектанти и антибиотици.

Екофизиологични характеристики на биофилмите

-Формирането на матрицата в нехомогенни градиенти произвежда разнообразни микро хабитати, което позволява биоразнообразието да съществува в биофилма..

-В матрицата клетъчният начин на живот е коренно различен от свободния живот, не е свързан. Микроорганизмите на биофилма са имобилизирани, много близо един до друг, свързани в колонии; Този факт позволява интензивни взаимодействия.

-Взаимодействията между биофилмните микроорганизми включват комуникация чрез химически сигнали в код, наречен "кворумно наблюдение"..

-Има и други важни взаимодействия като трансфер на гени и формиране на синергични микроконтролери.

-Фенотипът на биофилма може да бъде описан от гледна точка на гените, експресирани от свързаните клетки. Този фенотип се променя по отношение на скоростта на растеж и генетичната транскрипция.

-Организмите в биофилма могат да транскрибират гени, които не транскрибират техните планктонни или свободни форми на живот.

-Процесът на образуване на биофилм се регулира от специфични гени, транскрибирани по време на началната клетъчна адхезия.

-В затвореното пространство на матрицата съществуват механизми за сътрудничество и конкуренция. Конкуренцията генерира постоянна адаптация в биологичните популации.

-Създава се колективна външна храносмилателна система, която запазва извънклетъчните ензими в близост до клетките.

-Тази ензимна система позволява да се изолират, натрупват и метаболизират, разтварят, колоидни и / или суспендирани хранителни вещества.

-Матрицата функционира като обща външна зона за рециклиране, съхраняване на компонентите на лизираните клетки, служеща и като колективен генетичен архив..

-Биофилмът действа като защитна структурна бариера срещу промени в околната среда, като сушене, действие на биоциди, антибиотици, имунни реакции на гостоприемника, окислители, метални катиони, ултравиолетово лъчение и защита срещу много хищници като фагоцитни протозои и насекоми..

-Матрицата на биофилма представлява уникална екологична среда за микроорганизми, която позволява на биологичната общност динамичен начин на живот. Биофилмите са истински микроекосистеми.

Образуване на биофилм

Образуването на биофилми е процес, при който микроорганизмите преминават от номадно едноклетъчно, свободно живо състояние към многоклетъчно заседнало състояние, където последващият растеж произвежда структурирани общности с клетъчна диференциация.

Развитието на биофилма възниква в отговор на извънклетъчни екологични сигнали и самогенерирани сигнали.

Изследователите, които са изучавали биофилми, са съгласни, че е възможно да се изгради обобщен хипотетичен модел, за да се обясни тяхното формиране.

Този модел на формиране на биофилм се състои от 5 етапа:

1. Първоначална адхезия към повърхността.
2. Образуване на монослой.
3. Миграция за формиране на микроколонии в многослойни слоеве.
4. Производство на полимерната извънклетъчна матрица.
5. Съзряване на триизмерния биофилм.

Първоначална адхезия към повърхността

Образуването на биофилма започва с първоначалната адхезия на микроорганизмите към твърдата повърхност, където те са имобилизирани. Установено е, че микроорганизмите имат повърхностни сензори и повърхностните протеини участват в образуването на матрицата.

В немобилните организми, когато условията на околната среда са благоприятни, производството на адхезини на външната им повърхност се увеличава. По този начин се увеличава неговата клетъчна и клетъчна повърхностна адхезионна способност.

В случая на подвижните видове, отделните микроорганизми се намират на повърхността и това е отправна точка за радикална промяна в техния номадски мобилен начин на живот, заседнал, почти безкраен.

Капацитетът на движение се губи, защото при формирането на матрицата, различните структури участват като флагели, реснички, пилуси и фимбрии, освен лепилните вещества.

След това, и в двата случая (мобилни и немобилни микроорганизми), се образуват малки агрегати или микроколонии и се генерира по-интензивен клетъчен контакт; Адаптивни фенотипни промени настъпват в новата среда, в групираните клетки.

Образуване на монослой и микроколонии в многослойни слоеве

Започва производството на извънклетъчни полимерни вещества, образува се първоначално образуване на монослой и последващо развитие в многопластови слоеве.

Производство на полимерна извънклетъчна матрица и съзряване на триизмерния биофилм

Накрая, биофилмът достига своя етап на зрялост, с триизмерна архитектура и наличието на канали, през които циркулират вода, хранителни вещества, химични съединения и нуклеинови киселини..

Матрицата на биофилма запазва клетките и ги държи заедно, насърчавайки висока степен на взаимодействие с междуклетъчната комуникация и формирането на синергични консорциуми. Клетките на биофилма не са напълно обездвижени, те могат да се движат вътре в нея и също така да се отделят.

Видове биофилми

Брой на видовете

Според броя на видовете, участващи в биофилма, последните могат да бъдат класифицирани в:

• Биофилми на даден вид. Например, биофилми, образувани от Streptococcus mutans или Vellionela parvula.
• Биофилми от два вида. Например асоциацията на Streptococcus mutans и Vellionela parvula в биофилми.
• Полимикробни биофилми, съставени от много видове. Например, зъбна плака.

Обучителна среда

Също така в зависимост от средата, в която се формират, биофилмите могат да бъдат:

• естествен
• индустриален
• домакинство
• Hospitalarias

Тип интерфейс, където се генерират

От друга страна, в зависимост от вида на интерфейса, където се формират, е възможно да се класифицират в:

• Твърдо-течни интерфазни биофилми, като такива, образувани в акведукти и резервоари, тръби и резервоари за вода като цяло.
• Интерфазни биофилми с твърд газ (SAB за съкращенията му на английски Sub Aereal Biofilms); които са микробни общности, които се развиват на твърди минерални повърхности, изложени директно на атмосферата и слънчевата радиация. Намират се в сгради, голи пустинни скали, планини и др.

Примери на биофилми

-Зъбната плака

Зъбната плака е изследвана като интересен пример за сложна общност, която живее в биофилми. Биофилмите на зъбните плочи са твърди и не еластични, поради наличието на неорганични соли, които придават твърдост на полимерната матрица..

Микроорганизмите на зъбната плака са много разнообразни и има между 200 и 300 вида, свързани с биофилма.

Сред тези микроорганизми са:

• Полът стрептокок; съставен от кисели бактерии, които деминерализират емайла и дентина и инициират зъбен кариес. Например: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis и S. milleri.
• Полът Lactobacillus, образувани от ацидофилни денатуриращи бактерии на дентиновите протеини. Например: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Полът Actinomyces, които са киселинни и протеолитични микроорганизми. Сред тях видът: viscosus, A. odontoliticus и A. naeslundii.
• И други жанрове, като: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis и Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Биофилми в черна вода

Друг интересен пример са битовите отпадъчни води, където те живеят в биофилми, прикрепени към тръби, нитрифициращи микроорганизми, окисляващи амониеви, нитритни и автотрофни нитрифициращи бактерии..

Сред амониевите окислителни бактерии на тези биофилми, те се срещат като числено доминиращи видове, тези от рода Nitrosomonas, разпределени в матрицата на биофилма.

Основните компоненти в групата на нитритните окислители са тези от рода Nitrospira, които са разположени само във вътрешната част на биофилма.

-Суб-въздушни биофилми

Субаерните биофилми се характеризират с нарастване на петна върху твърди минерални повърхности като скали и градски конструкции. Тези биофилми имат доминиращи асоциации на гъби, водорасли, цианобактерии, хетеротрофни бактерии, протозои, както и микроскопични животни..

По-специално, SAB биофилми притежават хемолитотрофни микроорганизми, способни да използват минерални неорганични химични вещества като енергийни източници..

Хемолитотрофните микроорганизми имат способността да окисляват неорганични съединения като Н₂, NH₃, NO₂, S, HS, Faith²⁺ и да се възползват от електрически потенциалния енергиен продукт на оксидациите в техния метаболизъм.

Сред микробните видове, присъстващи в субаерните биофилми, са:

• Бактерии от рода Geodermatophilus; цианобактерии от родовете Chrococcoccidiopsis, като кокоидни и нишковидни видове Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Зелени водорасли от родовете Хлорела, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia и Stichococcus.
• Хетеротрофни бактерии (доминиращи в субаерните биофилми): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus SP., Paenibacillus SP., Pseudomonas SP. и Rhodococcus SP.
• Хемоорганотрофни бактерии и гъбички като Actynomycetales (стрептомицети и Geodermatophilaceae), Протобактерии, Actinobacteria, Acidobacteria и bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Биофилми на причинители на човешки заболявания

Много от бактериите, известни като причинители на човешки болести, живеят в биофилми. Сред тях са: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans и Legionella pneumophyla.

-Бубонична чума

Интересно е предаването на бубонна чума чрез ухапване от бълха, сравнително скорошна адаптация на бактериалния агент на това заболяване., Yersinia pestis.

Тази бактерия расте като биофилм, прикрепен към горната храносмилателна система на вектора (бълхата). По време на ухапване, бълхата повръща биофилма, който съдържа Yersinia pestis в дермата и така започва инфекцията.

-Болнични венозни катетри

Сред организмите, изолирани от биофилми в експандирани централни венозни катетри, има изумително разнообразие от Грам-положителни и Грам-отрицателни бактерии, както и други микроорганизми..

Няколко научни изследвания сочат като грам-положителни бактерии на биофилми във венозни катетри: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus SPP., стафилокок ауреус, Staphylococcus epidermidis, стрептокок SPP. и Streptococcus pneumoniae.

Сред грам-отрицателните бактерии, изолирани от тези биофилми, се съобщава: Acinetobacter SPP., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp. SPP. и Serratia marcescens.

Други организми, открити в тези биофилми, са: Candida SPP., Candida albicans, Candida tropicalis и Mycobacterium chelonei.

-В индустрията

Що се отнася до експлоатационните характеристики на промишлеността, биофилмите генерират запушвания на тръбите, увреждане на оборудването, смущения в процеси като пренос на топлина при покриване на повърхности на топлообменника или корозия на метални части.

Хранителна промишленост

Формирането на филми в отраслите на хранително-вкусовата промишленост може да генерира важни проблеми, които са оперативни и на общественото здраве.

Свързаните патогени в биофилми могат да замърсят хранителни продукти с патогенни бактерии и да причинят сериозни проблеми на общественото здраве при потребителите.

Сред биофилмите на патогените, свързани с хранителната промишленост, има:

Listeria monocytogenes

Този патоген използва в началния етап на образуване на биофилм, флагела и мембранни протеини. Формирайте биофилми върху стоманените повърхности на машини за нарязване.

В млечната промишленост могат да се произвеждат биофилми Listeria monocytogenes в течно мляко и млечни продукти. Млечните остатъци в тръби, резервоари, контейнери и други устройства благоприятстват развитието на биофилми от този патоген, които ги използват като налични хранителни вещества.

Pseudomonas SPP.

Биофилмите от тези бактерии могат да бъдат открити в хранително-вкусовата промишленост, като подове, канали и хранителни повърхности като месо, зеленчуци и плодове, както и производни с ниска киселинност на млякото..

Pseudomonas aeruginosa секретни няколко извънклетъчни вещества, които се използват при образуването на полимерната матрица на биофилма, придържайки се към голямо количество неорганични материали като неръждаема стомана.

Pseudomonas могат да съществуват в рамките на биофилма заедно с други патогенни бактерии, като например салмонела и Listeria.

салмонела SPP.

Видът на салмонела са първият причинител на зоонози на бактериална етиология и огнища на хранителна токсоинфекция.

Това показват научни изследвания салмонела може да се залепва под формата на биофилми, върху повърхностите на цимент, стомана и пластмаса, на съоръженията на хранително-преработвателните предприятия.

Видът на салмонела Те имат повърхностни структури с прилепнали свойства. Освен това, той произвежда целулоза като извънклетъчно вещество, което е основният компонент на полимерната матрица.

Escherichia coli

Той използва флагела и мембранни протеини в началния етап на образуване на биофилм. Той също произвежда извънклетъчна целулоза, за да генерира триизмерна решетка на матрицата в биофилма.

Устойчивост на биофилми към дезинфектанти, бактерициди и антибиотици

Биофилмите предлагат защита на микроорганизмите, които го създават, на действието на дезинфектанти, бактерициди и антибиотици. Механизмите, които позволяват тази функция, са следните:

• Забавено проникване на антимикробния агент през триизмерната матрица на биофилма, чрез много бавна дифузия и трудно достигане на ефективната концентрация.
• Променен растеж и нисък метаболизъм на микроорганизмите в биофилма.
• Промени във физиологичните реакции на микроорганизмите по време на растеж на биофилм, с изразяване на изменени гени на резистентност.

препратки

1. Бактериални биофилми. (2008 г.). Актуални теми в микробиологията и имунологията. Редакторът на Тони Ромео. 322. Берлин, Хановер: Springer Verlag. pp301.
2. Donlan, R.M. и Costerton, J.W. (2002 г.). Биофилми: механизми за оцеляване на клинично значими микроорганизми. Отзиви за клинична микробиология.15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Fleming, H.C. и Wingender, F. (2010). Матрицата на биофилма. Nature Reviews Микробиология. 8: 623-633.
4. Gorbushina, A. (2007). Живот на скалите. Микробиология на околната среда. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
5. O'Toole, G., Kaplan, H.B. и Kolter, R. (2000). Образуване на биофилм като микробно развитие. Годишен преглед на микробиологията.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
6. Hall-Stoodley, L., Costerton, J.W. и Stoodley, P. (2004). Бактериални биофилми: от естествената среда до инфекциозни заболявания. Nature Reviews Микробиология. 2: 95-108.
7. Whitchurch, C.B., Tolker-Nielsen, Т., Ragas, P. and Mattick, J. (2002). Екстрацелуларна ДНК, необходима за образуване на бактериален биофилм. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487