Biofilmy są kolekcją jednego lub więcej rodzajów mikroorganizmów, które mogą rosnąć na wielu różnych powierzchniach. Mikroorganizmy tworzące biofilmy obejmują bakterie, grzyby i protisty.
Jednym z powszechnych przykładów płytki nazębnej biofilmu, śluzowatego nagromadzenia bakterii, które tworzą się na powierzchniach zębów. Szumowiny stawowe to kolejny przykład. Znaleziono biofilmy rosnące na minerałach i metalach. Znaleziono je pod wodą, pod ziemią i nad ziemią. Mogą rosnąć na tkankach roślinnych i zwierzęcych oraz na wszczepionych urządzeniach medycznych, takich jak cewniki i rozruszniki serca.
Każda z tych odrębnych powierzchni ma wspólną cechę charakterystyczną: są mokre. Środowiska te są „okresowo lub stale nasycane wodą”, zgodnie z artykułem z 2007 roku opublikowanym w magazynie Microbe. Biofilmy rozwijają się na wilgotnych lub mokrych powierzchniach.
Biofilmy osiedliły się w takich środowiskach od bardzo dawna. Dowody kopalne biofilmów pochodzą z około 3,25 miliarda lat temu, zgodnie z artykułem z 2004 roku opublikowanym w czasopiśmie Nature Reviews Microbiology. Na przykład biofilmy znaleziono w 3,2 miliardach głębokowodnych skał hydrotermalnych w Pilbara Craton w Australii. Podobne biofilmy występują w środowiskach hydrotermalnych, takich jak gorące źródła i głębinowe otwory wentylacyjne.
Tworzenie biofilmu
Tworzenie się biofilmu rozpoczyna się, gdy swobodnie pływające mikroorganizmy, takie jak bakterie, zetkną się z odpowiednią powierzchnią i zaczną kłaść się, że tak powiem. Ten pierwszy etap przyłączenia ma miejsce, gdy mikroorganizmy wytwarzają lepką substancję zwaną pozakomórkową substancją polimerową (EPS), zgodnie z Centrum Inżynierii Biofilmu na Uniwersytecie Stanowym Montana. EPS to sieć cukrów, białek i kwasów nukleinowych (takich jak DNA). Umożliwia mikroorganizmom w biofilmie sklejanie się.
Po przywiązaniu następuje okres wzrostu. Kolejne warstwy mikroorganizmów i EPS budują na pierwszych warstwach. Ostatecznie tworzą bulwiastą i złożoną strukturę 3D, zgodnie z Centrum Inżynierii Biofilmu. Kanały wodne krzyżują biofilmy i pozwalają na wymianę składników odżywczych i odpadów, zgodnie z artykułem w Microbe.
Wiele warunków środowiskowych pomaga określić stopień wzrostu biofilmu. Czynniki te determinują również, czy składa się tylko z kilku warstw komórek, czy znacznie więcej. „To naprawdę zależy od biofilmu” - powiedział Robin Gerlach, profesor na wydziale inżynierii chemicznej i biologicznej na Montana State University-Bozeman. Na przykład mikroorganizmy wytwarzające dużą ilość EPS mogą wyrosnąć na dość grube warstwy biologiczne, nawet jeśli nie mają dostępu do wielu składników odżywczych, powiedział. Z drugiej strony, w przypadku mikroorganizmów zależnych od tlenu dostępna ilość może ograniczać ich wzrost. Innym czynnikiem środowiskowym jest koncepcja „naprężenia ścinającego”. „Jeśli przepływ biofilmu jest bardzo wysoki, jak w strumieniu, biofilm jest zwykle dość cienki. Jeśli biofilm znajduje się w wolno płynącej wodzie, np. W stawie, może stać się bardzo gęsty” - wyjaśnił Gerlach.
Wreszcie komórki w biofilmie mogą opuścić fałd i osiąść na nowej powierzchni. Albo kęp komórek odrywa się, albo pojedyncze komórki wyrywają się z biofilmu i szukają nowego domu. Ten ostatni proces jest znany jako „rozproszenie nasion”, według Centrum Inżynierii Biofilmu.
Po co tworzyć biofilm?
Dla mikroorganizmów życie jako część biofilmu ma pewne zalety. „Społeczności drobnoustrojów są zwykle bardziej odporne na stres”, powiedział Gerlach dla Live Science. Potencjalne czynniki stresogenne obejmują brak wody, wysokie lub niskie pH lub obecność substancji toksycznych dla mikroorganizmów, takich jak antybiotyki, środki przeciwdrobnoustrojowe lub metale ciężkie.
Istnieje wiele możliwych wyjaśnień dotyczących odporności biofilmów. Na przykład śluzowate pokrycie EPS może działać jako bariera ochronna. Może pomóc w zapobieganiu odwodnieniu lub działać jako osłona przed światłem ultrafioletowym (UV). Ponadto szkodliwe substancje, takie jak środki przeciwdrobnoustrojowe, wybielacze lub metale, są wiązane lub neutralizowane, gdy wchodzą w kontakt z EPS. Tak więc są one rozcieńczane do stężeń, które nie są śmiertelnie niebezpieczne, zanim dotrą do różnych komórek głęboko w biofilmie, zgodnie z artykułem z 2004 r. W Nature Reviews Microbiology.
Mimo to niektóre antybiotyki mogą przenikać do EPS i przedostawać się przez warstwy biofilmu. W grę może wchodzić inny mechanizm ochronny: obecność bakterii nieaktywnych fizjologicznie. Aby dobrze działać, wszystkie antybiotyki wymagają pewnego poziomu aktywności komórkowej. Tak więc, jeśli bakterie są fizjologicznie uśpione na początku, antybiotyk nie ma wiele do zrobienia.
Innym sposobem ochrony przed antybiotykami jest obecność specjalnych komórek bakteryjnych znanych jako „utrzymuje się”. Takie bakterie nie dzielą się i są odporne na wiele antybiotyków. Według artykułu z 2010 r. Opublikowanego w czasopiśmie Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, „utrzymuje się” funkcja, wytwarzając substancje, które blokują cele antybiotyków.
Ogólnie rzecz biorąc, mikroorganizmy żyjące razem jako biofilm korzystają z obecności różnych członków społeczności. Gerlach przytoczył przykład mikroorganizmów autotroficznych i heterotroficznych, które żyją razem w biofilmach. Autotrofy, takie jak bakterie fotosyntetyczne lub glony, są w stanie wytwarzać własne pożywienie w postaci materiału organicznego (zawierającego węgiel), podczas gdy heterotrofy nie mogą wytwarzać własnego pożywienia i wymagają zewnętrznych źródeł węgla. „W tych społecznościach z wieloma organizmami często krzyżują się” - powiedział.
Biofilmy i my
Biorąc pod uwagę ogromną różnorodność środowisk, w których spotykamy biofilmy, nic dziwnego, że wpływają one na wiele aspektów życia ludzkiego. Poniżej znajduje się kilka przykładów.
Zdrowie i choroba
Wraz z postępem badań na przestrzeni lat, biofilmy - bakteryjne i grzybowe - są zaangażowane w różne warunki zdrowotne. W zaproszeniu do składania wniosków o dotację z 2002 r. National Institutes of Health (NIH) zauważyło, że biofilmy stanowiły „ponad 80 procent zakażeń bakteryjnych w organizmie”.
Biofilmy mogą rosnąć na wszczepionych urządzeniach medycznych, takich jak protezy zastawek serca, protezy stawów, cewniki i rozruszniki serca. To z kolei prowadzi do infekcji. Zjawisko to po raz pierwszy odnotowano w latach 80. XX wieku, gdy znaleziono biofilmy bakteryjne na dożylnych cewnikach i rozrusznikach serca. Wiadomo również, że biofilmy bakteryjne powodują infekcyjne zapalenie wsierdzia i zapalenie płuc u osób z mukowiscydozą, zgodnie z artykułem z 2004 r. W Nature Reviews Microbiology, między innymi infekcjami.
„Powodem, dla którego tworzenie się biofilmu jest poważnym powodem do niepokoju, jest to, że bakterie w obrębie biofilmu są bardziej odporne na antybiotyki i inne główne środki dezynfekujące, których można użyć do ich kontrolowania”, powiedział AC Matin, profesor mikrobiologii i immunologii w Stanford Uniwersytet. W rzeczywistości, w porównaniu do bakterii swobodnie pływających, te rosnące jako biofilm mogą być nawet 1500 razy bardziej odporne na antybiotyki i inne czynniki biologiczne i chemiczne, zgodnie z artykułem w Microbe. Matin opisał oporność na biofilm w połączeniu z ogólnym wzrostem oporności na antybiotyki wśród bakterii jako „podwójne uderzenie” i główne wyzwanie w leczeniu infekcji.
Biofilmy grzybicze mogą również powodować infekcje poprzez rozwój na wszczepionych urządzeniach. Gatunki drożdży, takie jak członkowie rodzaju Candida rosną na implantach piersi, rozrusznikach serca i protezach zastawek serca zgodnie z artykułem z 2014 roku opublikowanym w czasopiśmie Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. Candida gatunki rosną również na tkankach ludzkiego ciała, co prowadzi do chorób, takich jak zapalenie pochwy (zapalenie pochwy) i kandydoza jamy ustnej i gardła (infekcja drożdży, która rozwija się w jamie ustnej lub gardle). Jednak autorzy zauważają, że w tych przypadkach nie wykazano oporności na leki.
Bioremediacja
Czasami przydatne są biofilmy. „Bioremediacja to na ogół wykorzystanie żywych organizmów lub ich produktów - na przykład enzymów - do leczenia lub degradacji szkodliwych związków” - powiedział Gerlach. Zauważył, że biofilmy są stosowane w oczyszczaniu ścieków, zanieczyszczeń metalami ciężkimi, takimi jak chromian, materiałów wybuchowych, takich jak TNT i substancji radioaktywnych, takich jak uran. „Mikroby mogą albo je zdegradować, albo zmienić ich ruchliwość lub stan toksyczny, a tym samym uczynić je mniej szkodliwymi dla środowiska i ludzi” - powiedział.
Nitryfikacja za pomocą biofilmów jest jedną z form oczyszczania ścieków. Podczas nitryfikacji amoniak przekształca się w azotyny i azotany poprzez utlenianie. Można tego dokonać przez bakterie autotroficzne, które rosną jako biofilmy na powierzchniach plastikowych, zgodnie z artykułem z 2013 r. Opublikowanym w czasopiśmie Water Research. Te plastikowe powierzchnie mają zaledwie kilka centymetrów i rozmieszczone są w wodzie.
Wybuchowy TNT (2,4,6-trinitrotoluen) jest uważany za zanieczyszczenie gleby, wód powierzchniowych i wód gruntowych. Struktura chemiczna TNT składa się z benzenu (sześciokątny aromatyczny pierścień złożony z sześciu atomów węgla) przyłączonego do trzech grup nitrowych (NO2) i jedna grupa metylowa (CH3). Mikroorganizmy degradują TNT przez redukcję, zgodnie z artykułem z 2007 roku opublikowanym w czasopiśmie Applied and Environmental Microbiology. Większość mikroorganizmów redukuje trzy grupy nitrowe, a niektóre atakują pierścień aromatyczny. Naukowcy - Ayrat Ziganshin, Robin Gerlach i współpracownicy - stwierdzili, że szczep drożdży Yarrowia lipolytica był w stanie degradować TNT za pomocą obu metod, choć przede wszystkim atakując pierścień aromatyczny.
Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe
Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe wykorzystują bakterie do przekształcania odpadów organicznych w energię elektryczną. Gerlach powiedział, że drobnoustroje żyją na powierzchni elektrody i przenoszą na nią elektrony, ostatecznie wytwarzając prąd. Artykuł z 2011 r. Opublikowany w Illumin, internetowym magazynie Uniwersytetu Południowej Kalifornii, zauważa, że bakterie zasilające mikrobiologiczne ogniwa paliwowe rozkładają żywność i odpady organizmu. Zapewnia to tanie źródło energii i czystą, zrównoważoną energię.
Trwają badania
Nasz świat jest pełen biofilmów. W rzeczywistości do połowy XX wieku na wewnętrznych powierzchniach pojemników zawierających kultury bakteryjne znaleziono więcej bakterii niż swobodnie pływających w samej płynnej hodowli, zgodnie z artykułem z 2004 r. W Nature Reviews Microbiology. Zrozumienie tych złożonych struktur mikrobiologicznych jest aktywnym obszarem badań.
„Biofilmy są niesamowitymi społecznościami. Niektórzy porównali je do organizmów wielokomórkowych, ponieważ zachodzi wiele interakcji między pojedynczymi komórkami” - powiedział Gerlach. „Wciąż się o nich uczymy i nadal uczymy się, jak lepiej je kontrolować; zarówno w celu zmniejszenia szkód, jak w dziedzinie medycyny, jak i w celu zwiększenia korzyści, jak w bioremediacji. Nie zabraknie ciekawe pytania w tej dziedzinie. ”
