BIOFILMER: KARAKTERISTIKA, DANNELSE, TYPER OG EKSEMPLER - BIOLOGI - 2025

De biofilm eller biofilm er fællesskaber af mikroorganismer bundet til en overflade, der bor i en matrix af ekstracellulær polymere stoffer self - genereret. De blev oprindeligt beskrevet af Antoine von Leeuwenhoek, da han undersøgte "animalcules" (således opkaldt efter ham), på en plade af materiale fra hans egne tænder i det 17. århundrede.

Teorien, der konceptualiserer biofilmer og beskriver deres dannelsesproces, var ikke blevet udviklet før i 1978. Det blev opdaget, at mikroorganismernes evne til at danne biofilmer ser ud til at være universel.

Figur 1. Biofilm produceret af Staphylococcus aureus i et kateter. Kilde: CDC / Rodney M. Donlan, ph.d. Janice Carr (PHIL # 7488), 2005. via

Biofilm kan eksistere i så varierede miljøer som naturlige systemer, akvædukter, vandopbevaringstanke, industrielle systemer såvel som i en lang række medier såsom medicinsk udstyr og apparater til hospitalspatienter (f.eks. Katetre).

Gennem anvendelse af scanningselektronmikroskopi og konfokal scanningslasermikroskopi blev det opdaget, at biofilm ikke er homogene, ustrukturerede aflejringer af celler og akkumulerede silt, men snarere komplekse heterogene strukturer.

Biofilmer er komplekse samfund af associerede celler på en overflade, indlejret i en stærkt hydratiseret polymermatrix, hvis vand cirkulerer gennem åbne kanaler i strukturen.

Mange organismer, der har haft succes med at overleve i millioner af år i miljøet, for eksempel arter af slægterne Pseudomonas og Legionella, bruger biofilmstrategien i andre miljøer end deres oprindelige oprindelige miljøer.

Egenskaber ved biofilm

Kemiske og fysiske egenskaber ved biofilmmatrixen

-De polymere ekstracellulære stoffer, der udskilles af biofilmmikroorganismer, polysaccharidmakromolekyler, proteiner, nukleinsyrer, lipider og andre biopolymerer, for det meste stærkt hydrofile molekyler, krydser for at danne en tredimensionel struktur kaldet biofilmmatrix.

-Matrixens struktur er meget viskoelastisk, har gummiegenskaber, er modstandsdygtig over for trækkraft og mekanisk nedbrydning.

-Matrixen har evnen til at klæbe til interfaceflader, inklusive indre rum i porøse medier, gennem ekstracellulære polysaccharider, der fungerer som klæbende tandkød.

-Polymermatrixen er overvejende anionisk og inkluderer også uorganiske stoffer såsom metalkationer.

-Det har vandkanaler, gennem hvilke ilt, næringsstoffer og affaldsstoffer cirkulerer, der kan genanvendes.

-Denne matrix af biofilmen fungerer som et middel til beskyttelse og overlevelse mod ugunstige miljøer, en barriere mod fagocytiske indtrængende og mod indtræden og diffusion af desinfektionsmidler og antibiotika.

Økofysiologiske egenskaber ved biofilmer

-Dannelsen af ​​matrixen i ikke-homogene gradienter producerer en række mikrohabitats, der tillader biodiversitet at eksistere i biofilmen.

-I matrixen adskiller den cellulære livsform sig radikalt fra det frie liv, ikke forbundet. Biofilmmikroorganismer er immobiliserede, meget tæt på hinanden, forbundet i kolonier; denne kendsgerning tillader intense interaktioner at forekomme.

-Interaktioner mellem mikroorganismerne i biofilmen inkluderer kommunikation gennem kemiske signaler i en kode kaldet ”quorum sensing”.

-Der er andre vigtige interaktioner, såsom genoverførsel og dannelse af synergistisk mikrokonsorti.

-Fenotypen af ​​biofilmen kan beskrives med hensyn til generne udtrykt af de tilknyttede celler. Denne fænotype ændres med hensyn til væksthastighed og gentranskription.

-Organismerne inden for biofilmen kan transkribere gener, der ikke transkriberer deres planktoniske eller frie livsformer.

-Biofilmdannelsesprocessen reguleres af specifikke gener, der transkriberes under initial celleadhæsion.

-I matrixens begrænsede rum er der mekanismer til samarbejde og konkurrence. Konkurrence genererer konstant tilpasning i biologiske populationer.

-Det genereres et kollektivt eksternt fordøjelsessystem, som bevarer de ekstracellulære enzymer nær cellerne.

-Dette enzymatiske system giver mulighed for at sekvestere, akkumulere og metabolisere, opløste, kolloidale og / eller suspenderede næringsstoffer.

-Matrixen fungerer som et fælles eksternt genvindingsområde, lagring af komponenterne i lyserede celler, og tjener også som et kollektivt genetisk arkiv.

-Biofilmen fungerer som en beskyttende strukturel barriere mod miljømæssige ændringer som tørring, virkningen af ​​biocider, antibiotika, værtsimmunrespons, oxidationsmidler, metalkationer, ultraviolet stråling og er også et forsvar mod mange rovdyr såsom fagocytiske protozoer og insekter.

-Matrixen af ​​biofilmen udgør et unikt økologisk miljø for mikroorganismer, der tillader en dynamisk livsstil for det biologiske samfund. Biofilmer er ægte mikroøkosystemer.

Biofilmdannelse

Biofilmdannelse er en proces, hvor mikroorganismer går fra en frit-levende, nomadisk unicellulær tilstand til en multicellulær stillesiddende tilstand, hvor efterfølgende vækst producerer strukturerede samfund med cellulær differentiering.

Biofilmudvikling forekommer som respons på ekstracellulære miljøsignaler og selvgenererede signaler.

Forskere, der har studeret biofilmer, er enige om, at det er muligt at konstruere en generaliseret hypotetisk model for at forklare deres dannelse.

Denne model for dannelse af biofilm består af 5 trin:

1. Første vedhæftning til overfladen.
2. Dannelse af et monolag.
3. Migration til dannelse af flerlags mikrokolonier.
4. Produktion af den polymere ekstracellulære matrix.
5. Modning af den tredimensionelle biofilm.

Figur 2. Fremgangsmåde til dannelse af en biofilm. Kilde: D. Davis, via Wikimedia Commons

Første vedhæftning til overfladen

Dannelsen af ​​biofilmen begynder med den oprindelige vedhæftning af mikroorganismer til den faste overflade, hvor de er immobiliserede. Det er blevet opdaget, at mikroorganismer har overfladesensorer, og at overfladeproteiner er involveret i dannelsen af ​​matrixen.

I ikke-mobile organismer, når miljøforholdene er gunstige, stiger produktionen af ​​adhæsioner på deres ydre overflade. På denne måde øger det sin vedhæftningskapacitet på celle og celleoverflade.

For mobile arter er individuelle mikroorganismer lokaliseret på en overflade, og dette er udgangspunktet for en radikal ændring i deres livsstil fra nomadisk fri mobil, til stillesiddende, næsten rolig.

Evnen til at bevæge sig derfor tabt i dannelsen af ​​matrixen, forskellige strukturer såsom flagella, cilia, pilus og fimbria deltager ud over klæbende stoffer.

Derefter dannes i begge tilfælde (mobile og ikke-mobile mikroorganismer) små aggregater eller mikrokolonier, og en mere intens celle-cellekontakt dannes; adaptive fænotypiske ændringer til det nye miljø forekommer i grupperede celler.

Dannelse af et monolag og mikrokolonier i multilag

Produktionen af ​​ekstracellulære polymere stoffer begynder, den indledende dannelse i monolag sker og den efterfølgende udvikling i flerlag.

Produktion af den polymere ekstracellulære matrix og modning af den tredimensionelle biofilm

Endelig når biofilmen sit modenhedsstadium med en tredimensionel arkitektur og tilstedeværelsen af ​​kanaler, gennem hvilke vand, næringsstoffer, kommunikationskemikalier og nukleinsyrer cirkulerer.

Biofilmmatrixen bevarer cellerne og holder dem sammen, hvilket fremmer en høj grad af interaktion med intercellulær kommunikation og dannelsen af ​​synergistiske konsortier. Cellerne i biofilmen er ikke helt immobiliserede, de kan bevæge sig inde i den og også blive løsnet.

Typer af biofilm

Antal arter

I henhold til antallet af arter, der deltager i biofilmen, kan sidstnævnte klassificeres i:

• Biofilm af en art. F.eks. Biofilmer dannet af Streptococcus mutans eller Vellionela parvula.
• Biofilm af to arter. For eksempel er forbindelsen af ​​Streptococcus mutans og Vellionella parvula i biofilm også blevet opdaget.
• Polymikrobielle biofilmer, der består af mange arter. For eksempel tandplade.

Træningsmiljø

Afhængig af miljøet, hvor de dannes, kan biofilm også være:

• Naturlig
• Industriel
• Indenlandsk
• Gæstfri

Figur 3. Biofilm af termofile bakterier i Mickey Hot Springs, Oregon, USA. Kilde: Amateria1121, fra Wikimedia Commons

Type interface, hvor de genereres

På den anden side er det muligt, efter den type interface, hvor de er dannet, at klassificere dem til:

• Biofilmer med fast-væske-grænseflade, såsom dem, der dannes i akvædukter og tanke, rør og vandtanke generelt.
• Biogas med fast gas-interface (SAB for dens forkortelse i engelske Sub Aereal Biofilms); som er mikrobielle samfund, der udvikler sig på faste mineraloverflader, direkte udsat for atmosfæren og solstråling. De findes blandt andet i bygninger, blotte ørkenklipper, bjerge.

Eksempler på biofilm

-Tandplak

Dentalplaque er blevet undersøgt som et interessant eksempel på et komplekst samfund, der lever i biofilm. Biofilmene fra tandplader er hårde og ikke elastiske på grund af tilstedeværelsen af ​​uorganiske salte, der giver stivhed til den polymere matrix.

Mikroorganismerne i tandplak er meget varierede, og der er mellem 200 til 300 associerede arter i biofilm.

Blandt disse mikroorganismer er:

• Slægten Streptococcus; består af surbakterier, der demineraliserer emalje og dentin og indleder tandkaries. For eksempel er arten: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis og S. milleri.
• Slægten Lactobacillus, der består af acidofile bakterier, der denaturerer dentinproteiner. For eksempel er arten: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Slægten Actinomyces, som er surt og proteolytisk mikroorganismer. Blandt disse arter: viscosus, A. odontoliticus og A. naeslundii.
• Og andre slægter, såsom: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis og Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmer i sort vand

Et andet interessant eksempel er husholdningsspildevand, hvor nitriferende mikroorganismer, der oxiderer ammonium, nitrit og autotrofiske nitrifierende bakterier lever i biofilm, der er bundet til rør.

Blandt de ammoniumoxiderende bakterier i disse biofilmer er de numerisk dominerende arter de af slægten Nitrosomonas, fordelt over biofilmens matrix.

Størstedelen af ​​komponenterne i gruppen af ​​nitritoxidanter er de af Nitrospira-slægten, som kun er placeret i den indre del af biofilmen.

- Subaerie biofilm

Subaerie-biofilmer er kendetegnet ved ujævn vækst på faste mineraloverflader som klipper og bybygninger. Disse biofilmer præsenterer dominerende foreninger af svampe, alger, cyanobakterier, heterotrofiske bakterier, protozoer såvel som mikroskopiske dyr.

Især har SAB-biofilmer kemolytotrofe mikroorganismer, der er i stand til at anvende uorganiske mineralkemikalier som energikilder.

Chemolithotrophic mikroorganismer har evnen til at oxidere uorganiske forbindelser, såsom H ₂, NH ₃, NO ₂, S, HS, Fe ²⁺ og drage fordel af det elektriske potentiale energi produceret af oxidationer i deres stofskifte.

Blandt de mikrobielle arter, der er til stede i subaerielle biofilmer, er:

• Bakterier af slægten Geodermatophilus; cyanobakterier af slægterne C hrococcoccidiopsis, coccoid og filamentøse arter såsom Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Grønsalger af slægterne Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia og Stichococcus.
• Heterotrofiske bakterier (dominerende i subaerial biofilm): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. og Rhodococcus sp.
• Chemoorganotrophic bakterier og svampe såsom Actynomycetales (streptomycetes og Geodermatophilaceae), Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria og Bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Biofilm af årsagsmidler til menneskelige sygdomme

Mange af de bakterier, der er kendt som årsagsmidler til menneskelig sygdom, lever i biofilm. Blandt disse er: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans og Legionella pneumophyla.

-Byldepest

Af interesse er overførslen af ​​bubonepest ved loppebid, en relativt nylig tilpasning af det bakteriemiddel, der er ansvarligt for denne sygdom, Yersinia pestis.

Denne bakterie vokser som en biofilm bundet til vektorens øvre fordøjelsessystem (loppen). I løbet af en bid genopløber loppen biofilmen, der indeholder Yersinia pestis i dermis, og påbegynder dermed infektionen.

-Hospital venekateter

Organismer isoleret fra biofilm på eksplanterede centrale venekateter inkluderer en forbløffende række gram-positive og gram-negative bakterier såvel som andre mikroorganismer.

Flere videnskabelige undersøgelser rapporterer som gram-positive bakterier af biofilmer i venekateter: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Stppreptocc. og Streptococcus pneumoniae.

Blandt de gram-negative bakterier, der er isoleret fra disse biofilmer, rapporteres følgende: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas putppida spp.. og Serratia marcescens.

Andre organismer, der findes i disse biofilmer, er: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis og Mycobacterium chelonei.

-I branchen

Med hensyn til industriens drift genererer biofilm rørhindringer, beskadigelse af udstyr, interferenser i processer som varmeoverførsler, når der dækkes veksler overflader, eller korrosion af metaldele.

Fødevareindustri

Filmdannelse i fødevareindustrien kan skabe betydelige folkesundhedsmæssige og operationelle problemer.

Tilknyttede patogener i biofilm kan forurene fødevarer med patogene bakterier og forårsage alvorlige folkesundhedsmæssige problemer for forbrugerne.

Blandt biofilmerne af patogener forbundet med fødevareindustrien er:

Listeria monocytogenes

Denne patogen bruger i det indledende trin af dannelse af biofilm, flagella og membranproteiner. Danner biofilm på ståloverfladerne på skæremaskiner.

I mejeriindustrien kan biofilm af Listeria monocytogenes produceres i flydende mælk og mælkeprodukter. Mejerierester i rør, tanke, containere og andre apparater favoriserer udviklingen af ​​biofilm af denne patogen, der bruger dem som tilgængelige næringsstoffer.

Pseudomonas

Biofilm af disse bakterier kan findes i fødevareindustriens faciliteter, såsom gulve, afløb og på madoverflader, såsom kød, grøntsager og frugter, samt lavsyrer derivater af mælk.

Pseudomonas aeruginosa udskiller adskillige ekstracellulære stoffer, der bruges til dannelse af biofilmens polymere matrix vedhæftning til en stor mængde uorganiske materialer, såsom rustfrit stål.

Pseudomonas kan eksistere i biofilmen sammen med andre patogene bakterier, såsom Salmonella og Listeria.

Salmonella

Salmonella-arter er det første kausale middel til zoonoser af bakteriel etiologi og udbrud af madforgiftning.

Videnskabelige undersøgelser har vist, at Salmonella kan klæbe som biofilm til beton-, stål- og plastoverflader i fødevareforarbejdningsanlæg.

Salmonella-arter har overfladestrukturer med klæbende egenskaber. Derudover producerer det cellulose som et ekstracellulært stof, som er hovedkomponenten i den polymere matrix.

Escherichia coli

Det bruger flagella- og membranproteiner i det første trin med dannelse af biofilm. Det producerer også ekstracellulær cellulose for at generere den tredimensionelle ramme for matrixen i biofilmen.

Biofilms resistens over for desinfektionsmidler, germicider og antibiotika

Biofilmer giver beskyttelse til de mikroorganismer, der udgør dem, mod virkningen af ​​desinfektionsmidler, germicider og antibiotika. De mekanismer, der tillader denne funktion er følgende:

• Forsinket penetrering af det antimikrobielle middel gennem den tredimensionelle matrix af biofilmen på grund af meget langsom diffusion og vanskeligheder med at nå den effektive koncentration.
• Ændret vækstrate og lav metabolisme af mikroorganismer i biofilmen.
• Ændringer i de fysiologiske responser fra mikroorganismer under biofilmvækst med ændret resistensgenekspression.

Referencer

1. Bakterielle biofilmer. (2008). Aktuelle emner inden for mikrobiologi og immunologi. Tony Romeo Editor. Vol. 322. Berlin, Hannover: Springer Verlag. pp301.
2. Donlan, RM og Costerton, JW (2002). Biofilmer: overlevelsesmekanismer for klinisk relevante mikroorganismer. Clinical Microbiology Reviews. 15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Fleming, HC og Wingender, F. (2010). Biofilmmatrixen. Naturanmeldelser Mikrobiologi. 8: 623-633.
4. Gorbushina, A. (2007). Livet på klipperne. Miljømikrobiologi. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
5. O'Toole, G., Kaplan, HB og Kolter, R. (2000). Biofilmdannelse som mikrobiel udvikling. Årlig gennemgang af mikrobiologi 54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
6. Hall-Stoodley, L., Costerton, JW og Stoodley, P. (2004). Bakterielle biofilmer: fra det naturlige miljø til infektionssygdomme. Naturanmeldelser Mikrobiologi. 2: 95-108.
7. Whitchurch, CB, Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. og Mattick, J. (2002). Ekstracellulært DNA krævet til dannelse af bakteriel biofilm. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487