Biofilms egenskaper, bildning, typer och exempel

883
Egbert Haynes

De biofilmer eller biofilmer De är samhällen av mikroorganismer fästa på en yta och lever i en självgenererad matris av extracellulära polymera ämnen. De beskrevs ursprungligen av Antoine von Leeuwenhoek, när han undersökte "animalcules" (sålunda namngiven av honom), på en platta med material från sina egna tänder på 1600-talet..

Teorin som konceptualiserar biofilmer och beskriver deras bildningsprocess hade inte utvecklats förrän 1978. Det upptäcktes att mikroorganismernas förmåga att bilda biofilmer verkar vara universell..

Figur 1. Biofilm producerad av Staphylococcus aureus i en kateter. Källa: CDC / Rodney M. Donlan, Ph.D. Janice Carr (PHIL # 7488), 2005. via https://commons.wikimedia.org

Biofilm kan finnas i miljöer som är så varierande som naturliga system, akvedukter, vattenförvaringstankar, industriella system, såväl som i ett brett utbud av media såsom medicintekniska produkter och anordningar för permanenta sjukhuspatienter (t.ex. katetrar, till exempel).

Genom användning av svepelektronmikroskopi och konfokal skanningslasermikroskopi upptäcktes att biofilmer inte är homogena, ostrukturerade avlagringar av celler och ackumulerad silt utan snarare komplexa heterogena strukturer..

Biofilmer är komplexa samhällen av associerade celler på en yta, inneslutna i en mycket hydratiserad polymermatris vars vatten cirkulerar genom öppna kanaler i strukturen..

Många organismer som har lyckats med sin överlevnad i miljontals år i miljön, till exempel arter av släktena Pseudomonas Y Legionella, använda biofilmstrategin i andra miljöer än deras inhemska miljöer.

Artikelindex

  • 1 Egenskaper för biofilmer
    • 1.1 Kemiska och fysikaliska egenskaper hos biofilmmatrisen
    • 1.2 Ekofysiologiska egenskaper hos biofilmer
  • 2 Biofilmbildning
    • 2.1 Initial vidhäftning till ytan
    • 2.2 Bildning av ett monolager och mikrokolonier i flerskikt
    • 2.3 Produktion av den polymera extracellulära matrisen och mognad av den tredimensionella biofilmen
  • 3 typer av biofilmer
    • 3.1 Antal arter
    • 3.2 Utbildningsmiljö
    • 3.3 Typ av gränssnitt där de genereras
  • 4 Exempel på biofilmer
    • 4.1-Tandplack
    • 4.2-Biofilmer i svart vatten
    • 4.3 - biofilmer under luften
    • 4.4 -Biofilmer av orsakande medel för mänskliga sjukdomar
    • 4,5 -Bubonic pest
    • 4,6 -Hospitala venösa katetrar
    • 4.7 -I branschen
  • 5 Motstånd från biofilmer mot desinfektionsmedel, bakteriedödande medel och antibiotika
  • 6 Referenser

Biofilmegenskaper

Kemiska och fysiska egenskaper hos biofilmmatrisen

-Polymera extracellulära ämnen som utsöndras av biofilmmikroorganismer, polysackaridmakromolekyler, proteiner, nukleinsyror, lipider och andra biopolymerer, mestadels mycket hydrofila molekyler, passerar över för att bilda en tredimensionell struktur som kallas biofilmmatrisen..

-Matrisstrukturen är mycket viskoelastisk, har gummigenskaper, är motståndskraftig mot dragkraft och mekanisk nedbrytning.

-Matrisen har förmågan att vidhäfta till gränsytor, inklusive inre utrymmen för porösa medier, genom extracellulära polysackarider som fungerar som vidhäftande tandkött..

-Den polymera matrisen är övervägande anjonisk och innefattar även oorganiska substanser såsom metallkatjoner..

-Den har vattenkanaler genom vilka syre, näringsämnen och avfall som cirkulerar som kan återvinnas..

-Denna matris av biofilmen fungerar som ett medel för skydd och överlevnad mot ogynnsamma miljöer, en barriär mot fagocytiska inkräktare och mot inträde och diffusion av desinfektionsmedel och antibiotika..

Ekofysiologiska egenskaper hos biofilmer

-Bildningen av matrisen i inhomogena gradienter ger en mängd olika mikrohabitater, vilket gör att biologisk mångfald existerar inom biofilmen..

-Inom matrisen skiljer sig den cellulära livsformen radikalt från det fria, oassocierade livet. Biofilmens mikroorganismer är immobiliserade, mycket nära varandra, associerade i kolonier; detta faktum gör att intensiva interaktioner kan inträffa.

-Interaktioner mellan mikroorganismer i biofilmen inkluderar kommunikation genom kemiska signaler i en kod som kallas "kvorumavkänning"..

-Det finns andra viktiga interaktioner som genöverföring och bildandet av synergistiska mikrokonsortier..

-Fenotypen för biofilmen kan beskrivas i termer av generna som uttrycks av de associerade cellerna. Denna fenotyp förändras med avseende på tillväxthastighet och gentranskription.

-Organismer inom biofilmen kan transkribera gener som inte transkriberar deras planktoniska eller fria livsformer.

-Processen för bildande av biofilm regleras av specifika gener, transkriberas under initial celladhesion.

-I det begränsade utrymmet i matrisen finns samarbets- och konkurrensmekanismer. Konkurrens genererar konstant anpassning i biologiska populationer.

-Ett kollektivt externt matsmältningssystem genereras som håller de extracellulära enzymerna nära cellerna.

-Detta enzymatiska system gör det möjligt att binda, ackumulera och metabolisera, upplösta, kolloidala och / eller suspenderade näringsämnen.

-Matrisen fungerar som ett gemensamt externt återvinningsområde, ett lager för komponenterna i lyserade celler, som också fungerar som ett kollektivt genetiskt arkiv..

-Biofilm fungerar som en skyddande strukturell barriär mot miljöförändringar såsom uttorkning, verkan av biocider, antibiotika, värdimmunsvar, oxidationsmedel, metallkatjoner, ultraviolett strålning och är också ett försvar mot många rovdjur som fagocytisk protozoer och insekter..

-Biofilmmatrisen utgör en unik ekologisk miljö för mikroorganismer, vilket möjliggör en dynamisk livsstil för den biologiska gemenskapen. Biofilmer är sanna mikroekosystem.

Bildande av biofilm

Bildande av biofilm är en process där mikroorganismer går från ett frilevande, encelligt, nomadiskt tillstånd till ett flercelligt stillasittande tillstånd, där efterföljande tillväxt producerar strukturerade samhällen med celldifferentiering.

Biofilmutveckling sker som svar på extracellulära miljösignaler och självgenererade signaler.

Forskare som har studerat biofilm är överens om att det är möjligt att konstruera en generaliserad hypotetisk modell för att förklara deras bildning.

Denna modell av biofilmbildning består av 5 steg:

  1. Initial vidhäftning till ytan.
  2. Bildande av ett monolager.
  3. Migration för att bilda flerskiktsmikrokolonier.
  4. Produktion av den polymera extracellulära matrisen.
  5. Mognad av den tredimensionella biofilmen.
Figur 2. Biofilmbildningsprocess. Källa: D. Davis [CC BY 2.5 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.5)], via Wikimedia Commons

Initial vidhäftning till ytan

Bildandet av biofilm börjar med den första vidhäftningen av mikroorganismer till den fasta ytan, där de är immobiliserade. Det har upptäckts att mikroorganismer har ytsensorer och att ytproteiner är involverade i bildandet av matrisen.

I icke-mobila organismer, när miljöförhållandena är gynnsamma, ökar produktionen av adhesiner på deras yttre yta. På detta sätt ökar det sin kapacitet för vidhäftning mellan celler och celler..

När det gäller rörliga arter ligger enskilda mikroorganismer på en yta och detta är utgångspunkten mot en radikal förändring i deras livsstil från nomadisk fri mobil till stillasittande, nästan sittande.

Rörelsekapaciteten går förlorad eftersom matrisen bildar olika strukturer som flagella, cilia, pilus och fimbria, förutom limämnen.

Sedan bildas i båda fallen (mobila och icke-mobila mikroorganismer) små aggregat eller mikrokolonier och en mer intensiv cellcellskontakt genereras; adaptiva fenotypiska förändringar i den nya miljön förekommer i klustrade celler.

Bildande av ett monolager och mikrokolonier i flerskikt

Produktionen av extracellulära polymera ämnen börjar, den initiala bildningen i monolager sker och den efterföljande utvecklingen i flerskikt.

Produktion av den polymera extracellulära matrisen och mognad av den tredimensionella biofilmen

Slutligen når biofilmen sitt mognadsstadium med en tredimensionell arkitektur och närvaron av kanaler genom vilka vatten, näringsämnen, kommunikationskemikalier och nukleinsyror cirkulerar..

Biofilmmatrisen behåller cellerna och håller ihop dem, vilket främjar en hög grad av interaktion med intercellulär kommunikation och bildandet av synergistiska konsortier. Biofilmens celler är inte helt immobiliserade, de kan röra sig inuti den och även lossna.

Typer av biofilmer

Antal arter

Enligt antalet arter som deltar i biofilmen kan den senare klassificeras i:

  • Biofilmer av en art. Till exempel biofilmer som består av Streptococcus mutans eller Vellionella parvula.
  • Biofilmer av två arter. Till exempel föreningen av Streptococcus mutans Y Vellionella parvula i biofilmer.
  • Polymikrobiella biofilmer, som består av många arter. Till exempel tandplack.

Utbildningsmiljö

Beroende på omgivningen där de bildas kan biofilmer också vara:

  • Naturlig
  • Industriell
  • Inhemsk
  • Gästfri
Figur 3. Biofilmer av termofila bakterier i Mickey Hot Springs, Oregon, USA. Källa: Amateria1121 [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], från Wikimedia Commons

Typ av gränssnitt där de genereras

Å andra sidan är det, beroende på vilken typ av gränssnitt de bildas, möjligt att klassificera dem i:

  • Gränssnittsbiofilmer med gränssnitt, sådana som bildas i akvedukter och tankar, rör och vattentankar i allmänhet.
  • Gränssnittsbiofilmer (SAB för sin förkortning på engelska Sub Aereal Biofilms); som är mikrobiella samhällen som utvecklas på fasta mineralytor, direkt exponerade för atmosfären och solstrålningen. De finns bland annat i byggnader, kala ökenstenar, berg.

Exempel på biofilmer

-Plack

Tandplack har studerats som ett intressant exempel på ett komplext samhälle som lever i biofilm. Biofilmerna från tandplattorna är hårda och inte elastiska på grund av närvaron av oorganiska salter, vilket ger styvhet till den polymera matrisen..

Mikroorganismerna i tandplack är mycket varierande och det finns mellan 200 och 300 associerade arter i biofilm.

Bland dessa mikroorganismer är:

  • Könet Streptokock; består av sura bakterier som demineraliserar emalj och dentin och initierar tandkaries. Till exempel arten: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis Y S. milleri.
  • Könet Lactobacillus, består av acidofila bakterier som denaturerar dentinproteiner. Till exempel arten: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
  • Könet Actinomyces, vilka är sura och proteolytiska mikroorganismer. Bland dessa är arten: viscosus, A. odontoliticus Y A. naeslundii.
  • Och andra genrer, Vad: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis Y Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmer i avloppsvatten

Ett annat intressant exempel är det inhemska avloppsvattnet, där de lever i biofilmer fästa vid rör, nitrifierande mikroorganismer som oxiderar ammonium, nitrit och autotrofa nitrifierande bakterier..

Bland de ammoniumoxiderande bakterierna i dessa biofilmer är de numeriskt dominerande arterna av släktet Nitrosomonas, distribueras genom biofilmmatrisen.

Majoriteten av komponenterna i gruppen av nitritoxidanter är av släktet Nitrospira, som endast finns i den inre delen av biofilmen.

-Biofilmer under luften

Subaerie-biofilmer kännetecknas av fläckig tillväxt på fasta mineralytor som stenar och stadsbyggnader. Dessa biofilmer presenterar dominerande föreningar av svampar, alger, cyanobakterier, heterotrofa bakterier, protozoer samt mikroskopiska djur..

I synnerhet har SAB-biofilmer kemolytotrofa mikroorganismer som kan använda oorganiska mineralkemikalier som energikällor..

Kemolitotrofa mikroorganismer har förmågan att oxidera oorganiska föreningar såsom Htvå, NH3, INTEtvå, S, HS, Fetvå+ och dra nytta av energin från den elektriska potentiella produkten av oxidationerna i deras ämnesomsättningar.

Bland de mikrobiella arter som finns i subaeriella biofilmer är:

  • Bakterier av släktet Geodermatophilus; cyanobakterier av släktena Chrococcoccidiopsis, kokos och trådformiga arter såsom Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
  • Gröna alger av släktena Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia och Stichococcus.
  • Heterotrofiska bakterier (dominerande i subaeriella biofilmer): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. och Rhodococcus sp.
  • Kemoorganotrofa bakterier och svampar såsom Actynomycetales (streptomycetes och Geodermatophilaceae), Proteobakterier, Actinobacteria, Acidobacteria och bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Biofilmer av orsakande medel för mänskliga sjukdomar

Många av de bakterier som kallas orsakande medel för mänsklig sjukdom lever i biofilmer. Bland dessa är: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionella parvula, Streptococcus mutans Y Legionella pneumophyla.

-Böldpest

Överföringen av bubonisk pest med loppbett är intressant, en relativt ny anpassning av det bakteriella medlet som orsakar denna sjukdom., Yersinia pestis.

Denna bakterie växer som en biofilm fäst vid vektorn övre matsmältningskanalen (loppan). Under en bit återupplivar loppan biofilminnehållet Yersinia pestis i dermis och därmed börjar infektionen.

-Sjukhus venösa katetrar

Organismer som isolerats från biofilm på explanterade centrala venkatetrar inkluderar en häpnadsväckande uppsättning gram-positiva och gramnegativa bakterier, liksom andra mikroorganismer..

Flera vetenskapliga studier rapporterar som grampositiva bakterier från biofilmer i venkateter: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Stafylokock aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptokock spp. Y Streptococcus pneumoniae.

Bland de gramnegativa bakterierna som isolerats från dessa biofilmer rapporteras följande: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp., Providencia spp. Y Serratia marcescens.

Andra organismer som finns i dessa biofilmer är: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis Y Mycobacterium chelonei.

-Inom industrin

När det gäller driften av branschen genererar biofilmer rörhinder, skador på utrustning, störningar i processer som värmeöverföring vid täckning av växelytor eller korrosion av metalldelar..

Livsmedelsindustrin

Filmbildning i livsmedelsindustrin kan skapa betydande operativa och folkhälsoproblem.

Associerade patogener i biofilmer kan förorena livsmedelsprodukter med patogena bakterier och orsaka allvarliga folkhälsoproblem för konsumenterna.

Bland biofilmerna av patogener associerade med livsmedelsindustrin finns:

Listeria monocytogenes

Detta patogena medel används i det inledande skedet av bildande av biofilm, flageller och membranproteiner. Bildar biofilm på skivmaskinens stålytor.

I mejeriindustrin, biofilmer av Listeria monocytogenes i flytande mjölk och mjölkprodukter. Mejerirester i rör, tankar, behållare och andra anordningar gynnar utvecklingen av biofilmer av denna patogen som använder dem som tillgängliga näringsämnen..

Pseudomonas spp.

Biofilmer av dessa bakterier finns i anläggningar för livsmedelsindustrin, såsom golv, avlopp och på ytorna av livsmedel som kött, grönsaker och frukt, samt mjölkderivat med låga syror..

Pseudomonas aeruginosa utsöndrar olika extracellulära ämnen som används vid bildandet av den polymera matrisen i biofilmen, vidhäftande till ett stort antal oorganiska material såsom rostfritt stål.

Pseudomonas kan samexistera i biofilmen i samband med andra patogena bakterier såsom Salmonella Y Listeria.

Salmonella spp.

Arten av Salmonella är det första orsaksmedlet för zoonoser av bakteriell etiologi och utbrott av livsmedelstoxinfektion.

Vetenskapliga studier har visat det Salmonella kan fästas som biofilm på betong-, stål- och plastytor i anläggningar för livsmedelsbearbetning.

Arten av Salmonella de har ytstrukturer med vidhäftande egenskaper. Dessutom producerar den cellulosa som en extracellulär substans, som är huvudkomponenten i den polymera matrisen..

Escherichia coli

Den använder flageller och membranproteiner i det första steget med bildandet av biofilm. Det producerar också extracellulär cellulosa för att generera det tredimensionella gitteret i matrisen i biofilmen..

Motstånd från biofilmer mot desinfektionsmedel, bakteriedödande medel och antibiotika

Biofilmer erbjuder skydd för mikroorganismer som utgör dem, mot verkan av desinfektionsmedel, bakteriedödande medel och antibiotika. De mekanismer som tillåter denna funktion är följande:

  • Försenad penetration av det antimikrobiella medlet genom biofilmens tredimensionella matris på grund av mycket långsam diffusion och svårigheter att nå den effektiva koncentrationen.
  • Förändrad tillväxthastighet och låg metabolism av mikroorganismer i biofilmen.
  • Förändringar i de fysiologiska reaktionerna hos mikroorganismer under biofilmtillväxt, med förändrat resistensgenuttryck.

Referenser

  1. Bakteriella biofilmer. (2008). Aktuella ämnen inom mikrobiologi och immunologi. Tony Romeo Redaktör. Vol. 322. Berlin, Hannover: Springer Verlag. pp301.
  2. Donlan, R.M. och Costerton, J.W. (2002). Biofilmer: överlevnadsmekanismer för kliniskt relevanta mikroorganismer. Kliniska mikrobiologiska recensioner.15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
  3. Fleming, H.C. och Wingender, F. (2010). Biofilmmatrisen. Naturrecensioner Mikrobiologi. 8: 623-633.
  4. Gorbushina, A. (2007). Livet på klipporna. Miljömikrobiologi. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
  5. O'Toole, G., Kaplan, H.B. och Kolter, R. (2000). Biofilmbildning som mikrobiell utveckling. Årlig granskning av mikrobiologi. 54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
  6. Hall-Stoodley, L., Costerton, J.W. och Stoodley, P. (2004). Bakteriella biofilmer: från den naturliga miljön till infektionssjukdomar. Naturrecensioner Mikrobiologi. 2: 95-108.
  7. Whitchurch, C.B., Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. och Mattick, J. (2002). Extracellulärt DNA krävs för bakteriell biofilmbildning. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487

Ingen har kommenterat den här artikeln än.