Biofilms egenskaper, formasjon, typer og eksempler



den biofilm eller biofilm de er miljøer av mikroorganismer festet til en overflate, som bor i en selv-generert matrise av ekstracellulære polymerstoffer. De ble først beskrevet av Antoine von Leeuwenhoek, da han undersøkte "animas" (således døpt av ham) på en plakk av materiale av egne tenner i det syttende århundre.

Teorien som konseptualiserer biofilmer og beskriver deres formasjonsprosess, var ikke utviklet til 1978. Det ble oppdaget at mikroorganismernes evne til å danne biofilmer synes å være universell.

Biofilmer kan eksistere i så forskjellige miljøer som naturlige systemer, akvedukter, vann lagertanker, industrielle systemer og i en rekke forskjellige måter for eksempel medisinske anordninger og apparater brukt i sykehuspasienter (som katetere, for eksempel).

Gjennom bruk av scanning elektronmikroskopi og laserskanning konfokal mikroskopi, ble det funnet at biofilmer ikke er homogene innskudd, destrukturert celle og akkumulert slim, men komplekse heterogene strukturer.

Biofilmer er komplekse samfunn av tilknyttede celler på en overflate, inkludert i en svært hydratisert polymermatrise hvis vann sirkulerer gjennom åpne kanaler av strukturen.

Mange organismer som har lykkes i overlevelse av millioner av år i miljøet, for eksempel arter av slægten Pseudo og Legionella, De bruker biofilmstrategien i miljøer som er forskjellige fra deres opprinnelige innfødte miljøer.

index

  • 1 Kjennetegn ved biofilmer
    • 1.1 Kjemiske og fysiske egenskaper av biofilmmatrisen
    • 1.2 Økofysiologiske egenskaper av biofilmer
  • 2 Biofilm dannelse
    • 2.1 Første vedheft til overflaten
    • 2.2 Dannelse av monolag og mikrokolonier i multilayers
    • 2.3 Produksjon av den polymere ekstracellulære matrisen og modning av den tredimensjonale biofilmen
  • 3 Typer biofilmer
    • 3.1 Antall arter
    • 3.2 Treningsmiljø
    • 3.3 Type grensesnitt hvor de genereres
  • 4 Eksempler på biofilmer
    • 4.1 -Dentalplakk
    • 4.2-Bio film i svart vann
    • 4.3 - Biofilm under antenne
    • 4.4 - Biofilmer av årsaksmessige årsaker til humane sykdommer
    • 4.5 - Bubonisk pest
    • 4.6 - Sykehus venøse katetre
    • 4,7 - I bransjen
  • 5 Resistens av biofilmer til desinfeksjonsmidler, bakteriedrep og antibiotika
  • 6 Referanser

Kjennetegn ved biofilmer

Kjemiske og fysiske egenskaper av biofilmmatrisen

-Ekstracellulære polymere stoffer skilles ut av mikroorganismer i biofilmen, makromolekyler av polysakkarider, proteiner, nukleinsyrer, lipider og andre biopolymerer, molekyler for det meste meget hydrofile, skjærer hverandre for å danne en tredimensjonal struktur som kalles biofilm matrise.

-Strukturen til matrisen er høyt viskoelastisk, har gummiegenskaper, er motstandsdyktig mot traksjon og mekanisk brudd.

-Matrisen har evnen til å feste interfaseflater, inkludert interne rom av porøst medium, gjennom ekstracellulære polysakkarider som fungerer som adherente gummier.

-Polymermatriksen er overveiende anionisk og inkluderer også uorganiske stoffer som metallkationer.

-Den har vannkanaler gjennom hvilke oksygen, næringsstoffer og avfallsstoffer sirkulerer som kan resirkuleres.

-Denne matrise av biofilm, fungerer som en beskyttelse og overlevelse i ugunstige omgivelser, fagocytisk barriere mot inntrengere og mot inntrengning og spredning av desinfeksjonsmidler og antibiotika.

Økofysiologiske egenskaper av biofilmer

-Dannelsen av matrisen i inhomogene gradienter produserer en rekke mikrohabitater, noe som gjør at biologisk mangfold kan eksistere innenfor biofilmen.

-Innenfor matrisen er den cellulære livsstilen radikalt forskjellig fra det frie liv, ikke tilknyttet. Mikroorganismer av biofilmen er immobilisert, svært nær hverandre, assosiert med kolonier; dette faktum tillater intense samspill.

-Interaksjoner mellom biofilm mikroorganismer inkluderer kommunikasjon gjennom kjemiske signaler i en kode som heter "quorum sensing".

-Det er andre viktige interaksjoner som genoverføring og dannelse av synergistiske mikrokontributorer.

-Biofilmfenotypen kan beskrives med hensyn til genene uttrykt av de tilknyttede celler. Denne fenotypen endres med hensyn til vekstraten og genetisk transkripsjon.

-Organer innenfor biofilmen kan transkribere gener som ikke transkriberer sine planktoniske eller frie livsformer.

-Biofilmdannelsesprosessen er regulert av spesifikke gener, transkribert under første celleadhesjon.

-I det begrensede rommet til matrisen er det samarbeids- og konkurransemekanismer. Konkurransen genererer en konstant tilpasning i de biologiske populasjonene.

-Et kollektivt eksternt fordøyelsessystem genereres, som beholder de ekstracellulære enzymer nær cellene.

-Dette enzymatiske systemet tillater å sekvestere, akkumulere og metabolisere, oppløste, kolloidale og / eller suspenderte næringsstoffer.

-Matrisen fungerer som en felles ekstern sone for resirkulering, lagring av komponentene av lyserte celler, som også tjener som et kollektivt genetisk arkiv.

-Biofilm fungerer som en beskyttende barriere for strukturelle endringer i miljøet, slik som tørking, virkningen av biocider, antibiotika, vertsimmunresponser, oksidasjonsmidler, metall-kationer, og ultrafiolett stråling er også forsvar mot mange rovdyr som fagocyttisk protozoer og insekter.

-Matrisen av biofilmen utgjør et unikt økologisk miljø for mikroorganismer, noe som gir en dynamisk livsstil til det biologiske samfunnet. Biofilmer er ekte mikroøkosystemer.

Biofilmformasjon

Biofilmdannelse er en prosess i hvilken mikroorganismene passere en nomadisk encellet tilstand, frittlevende, flercellet en stillesittende tilstand hvor ytterligere vekst produserer strukturerte miljøer og celledifferensiering.

Biofilmutvikling skjer som respons på ekstracellulære miljøsignaler og selvgenererte signaler.

Forskere som har studert biofilmer er enige om at det er mulig å konstruere en generalisert hypotetisk modell for å forklare formasjonen.

Denne modellen av biofilmformasjon består av 5 trinn:

  1. Innledende vedheft til overflaten.
  2. Dannelse av et monolag.
  3. Migrasjon for å danne mikrokolonier i multilayers.
  4. Fremstilling av den polymere ekstracellulære matriksen.
  5. Modning av den tredimensjonale biofilmen.

Innledende vedheft til overflaten

Dannelsen av biofilmen begynner med den første adhesjonen av mikroorganismer til den faste overflaten, der de immobiliseres. Det har blitt oppdaget at mikroorganismer har overflatesensorer, og at overflateproteiner er involvert i dannelsen av matrisen.

I ikke-mobile organismer, når miljøforholdene er gunstige, økes produksjonen av adhesiner på deres ytre overflate. På denne måten øker kapasiteten og celleoverflatenes kapasitet.

I tilfelle av mobile arter, blir hver enkelt organisme som ligger i et område, og dette er utgangspunktet til en radikal endring i livsstil av mobile fri nomadisk, en stillesittende, fastsittende nesten.

Bevegelseskapasiteten er tapt fordi de forskjellige strukturer i formasjonen av matrisen deltar som flagella, cilia, pilus og fimbrias, i tillegg til klæbende stoffer.

Deretter dannes i begge tilfeller (mobile og ikke-mobile mikroorganismer) små aggregater eller mikrokolonier, og en mer intens celle-cellekontakt genereres; Adaptive fenotypiske endringer forekommer i det nye miljøet i de grupperte cellene.

Dannelse av et monolag og mikrokolonier i multilayers

Produksjonen av ekstracellulære polymerstoffer begynner, den første monolagdannelse oppstår og den etterfølgende utvikling i multilayere.

Produksjon av den polymere ekstracellulære matrisen og modning av den tredimensjonale biofilmen

Endelig når biofilmen sitt modenhetsstadium, med en tredimensjonal arkitektur og tilstedeværelsen av kanaler gjennom hvilke vann, næringsstoffer, kommunikasjonskemikalier og nukleinsyrer sirkulerer..

Matrisen av biofilmen beholder cellene og holder dem sammen, og fremmer en høy grad av interaksjon med intercellulær kommunikasjon og dannelse av synergistiske konsortier. Cellene i biofilmen er ikke helt immobiliserte, de kan bevege seg inne i det og løsne seg selv.

Typer av biofilmer

Antall arter

I følge antall arter som deltar i biofilmen, kan sistnevnte klassifiseres i:

  • Biofilmer av en art. For eksempel, biofilmer dannet av Streptococcus mutans eller Vellionela parvula.
  • Biofilmer av to arter. For eksempel, forening av Streptococcus mutans og Vellionela parvula i biofilmer.
  • Polymikrobielle biofilmer, bestående av mange arter. For eksempel dental plakett.

Opplæringsmiljø

Også i henhold til miljøet der de dannes, kan biofilmer være:

  • naturlig
  • industriell
  • husholdning
  • Hospitalarias

Type grensesnitt hvor de genereres

På den annen side, avhengig av hvilken type grensesnitt de er dannet, er det mulig å klassifisere dem i:

  • Solid-flytende interfase biofilmer, som de som er dannet i akvedukter og tanker, rør og vanntanker generelt.
  • Solid-gas interphase biofilms (SAB for sine forkortelser i engelske Sub Aereal Biofilms); som er mikrobielle samfunn som utvikler seg på faste mineralflater, utsatt direkte for atmosfæren og solstråling. De finnes i bygninger, naken ørken bergarter, fjell, blant andre.

Eksempler på biofilmer

-Tannplakkene

Tannplakkene har blitt studert, som et interessant eksempel på et komplekst samfunn som lever i biofilmer. Biofilmene til tannplaten er harde og ikke elastiske på grunn av tilstedeværelsen av uorganiske salter som gir stivhet til polymermatrisen.

Mikroorganismer av tannplakk er svært varierte og det er mellom 200 og 300 arter assosiert med biofilm.

Blant disse mikroorganismer er:

  • Kjønn Streptococcus; utgjøres av sureuriske bakterier som demineraliserer emalje og dentin, og initierer tannkarier. For eksempel, arten: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis og S. milleri.
  • Kjønn Lactobacillus, dannet av acidofil denaturerende bakterier av dentinproteinene. For eksempel, arten: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
  • Kjønn Actinomyces, som er sureuriske og proteolytiske mikroorganismer. Blant disse er arten: viscosus, A. odontoliticus og A. naeslundii.
  • Og andre sjangere, som: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis og Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmer i svart vann

Et annet interessant eksempel husholdningsavfallsvann, hvor de bor i biofilmer fester seg til rørene, oksyderende mikroorganismer nitrifikasjon ammonium- nitritt og autotrofe nitrifiserende bakterier.

Blant de ammoniumoksiderende bakteriene av disse biofilmene, er de funnet som numerisk dominerende arter, de av slekten nitrosomonas, distribuert gjennom biofilmmatrisen.

Hovedkomponentene i gruppen av nitrittoksydanter er de av slekten Nitrospira, som bare befinner seg i den indre delen av biofilmen.

-Underantenn biofilmer

De subaerielle biofilmene er preget av en vekst i flekker på faste mineralflater som bergarter og urbane konstruksjoner. Disse biofilmene har dominerende sammensetninger av sopp, alger, cyanobakterier, heterotrofe bakterier, protozoer, samt mikroskopiske dyr.

SAB biofilmer har særlig kjemolithotrofe mikroorganismer, som er i stand til å bruke mineral uorganiske kjemiske stoffer som energikilder.

Kjemolitotrofiske mikroorganismer har evnen til å oksidere uorganiske forbindelser som H2, NH3, NO2, S, HS, Tro2+ og dra nytte av det elektriske potensielle energiproduktet av oksidasjoner i deres metabolisme.

Blant de mikrobielle arter som er tilstede i subaerielle biofilmer, er:

  • Bakterier av slekten Geodermatophilus; cyanobakterier av slægten Chrococcoccidiopsis, coccoid og filamentøse arter som Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
  • Grønne alger av slægten Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia og Stichococcus.
  • Heterotrofe bakterier (dominerende i subaerielle biofilmer): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudo sp. og Rhodococcus sp.
  • Chemogorganotrophic bakterier og sopp som Actynomycetales (streptomycetes og Geodermatophilaceae), Proteobakterier, Actinobacteria, Acidobacteria and bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Biofilmer av kausative midler av humane sykdommer

Mange av bakteriene kjent som kausative midler til menneskelige sykdommer lever i biofilmer. Blant disse er: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans og Legionella pneumophyla.

-Bubonisk pest

Det er interessant overføring av bubonisk pest med loppebitt, en relativt nylig tilpasning av den forårsakende bakterieagenten av denne sykdommen, Yersinia pestis.

Denne bakterien vokser som en biofilm festet til det øvre fordøyelsessystemet av vektoren (loppen). I løpet av en bit regurger loppen biofilmen som inneholder Yersinia pestis i dermis og så begynner infeksjonen.

-Sykehus venøse katetre

Blant de isolater av biofilmer i sentralt venekateter eksplanterte fant de en forbausende rekke Gram-positive og Gram-negative bakterier og andre mikroorganismer.

Flere vitenskapelige studier rapporterer som Gram-positive bakterier av biofilmer i venøse katetre: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus spp. og Streptococcus pneumoniae.

Blant de gramnegative bakterier som er isolert fra disse biofilmene, rapporteres: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp., Providencia spp. og Serratia marcescens.

Andre organismer som finnes i disse biofilmene er: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis og Mycobacterium chelonei.

-I bransjen

Når det gjelder drift av industrien, biofilmer dannet rør- hindringer, skade på utstyr, forstyrrelser prosesser som varmeoverføringsoverflater for å dekke vekslere, eller korrosjon av metalldeler.

Næringsmiddelindustrien

Dannelsen av filmer i næringsmiddelindustriens næringer kan generere viktige problemer som er operative og av folkesundhet.

Tilknyttede patogener i biofilmer kan forurense matvarer med patogene bakterier og forårsake alvorlige helseproblemer hos forbrukere.

Blant biofilmene av patogener assosiert med næringsmiddelindustrien er det:

Listeria monocytogenes

Dette patogenet benytter i den første fasen av biofilmdannelse, flagella og membranproteiner. Lag biofilmer på stålflatene på skiver.

I meieriindustrien kan biofilmer produseres Listeria monocytogenes i flytende melk og meieriprodukter. Mjölksester i rør, tanker, beholdere og andre enheter, favoriserer utviklingen av biofilmer av dette patogenet som bruker dem som tilgjengelige næringsstoffer.

Pseudo spp.

Biofilm i disse bakterier kan finnes i næringsmiddelindustrien anlegg, slik som gulv, avløp og overflater av mat, slik som kjøtt, grønnsaker og frukt, sammen med lav syrederivater melk.

Pseudomonas aeruginosa utskiller flere ekstracellulære substanser som brukes til å danne polymermatriksen i biofilmen å følge mange uorganiske materialer slik som rustfritt stål.

Pseudo kan sameksistere i biofilmen i forbindelse med andre patogene bakterier som Salmonella og Listeria.

Salmonella spp.

Arten av Salmonella er det første årsakssammenhenget av zoonoser av bakteriell etiologi og utbrudd av mat toxoinfection.

Vitenskapelige studier har vist det Salmonella kan holde seg i form av biofilmer, til overflater av sement, stål og plast, av anleggene til næringsmiddelforedlingsanlegg.

Arten av Salmonella De har overflatestrukturer med tilhørende egenskaper. I tillegg produserer det cellulose som en ekstracellulær substans, som er hovedkomponenten av polymermatrisen.

Escherichia coli

Den bruker flagella- og membranproteiner i det første trinnet av biofilmdannelse. Det produserer også ekstracellulær cellulose for å generere den tredimensjonale gitteret av matrisen i biofilmen.

Resistens av biofilmer til desinfeksjonsmidler, bakteriedrep og antibiotika

Biofilms gir beskyttelse mot mikroorganismer som gjør det opp, til virkningen av desinfeksjonsmidler, bakteriedrep og antibiotika. Mekanismene som tillater denne funksjonen er følgende:

  • Forsinket penetrasjon av det antimikrobielle middel gjennom den tredimensjonale matrisen av biofilmen ved meget langsom diffusjon og vanskeligheter med å nå den effektive konsentrasjonen.
  • Endret vekstraten og lav metabolisme av mikroorganismer i biofilmen.
  • Endringer i de fysiologiske responsene til mikroorganismer under biofilmvekst, med ekspresjon av endrede resistensgener.

referanser

  1. Bakterielle biofilmer. (2008). Aktuelle emner i mikrobiologi og immunologi. Tony Romeo Editor. Vol. 322. Berlin, Hannover: Springer Verlag. pp301.
  2. Donlan, R.M. og Costerton, J.W. (2002). Biofilmer: Overlevelsesmekanismer av klinisk relevante mikroorganismer. Klinisk mikrobiologi vurderinger.15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
  3. Fleming, H.C. og Wingender, F. (2010). Biofilmmatrisen. Naturomtaler Mikrobiologi. 8: 623-633.
  4. Gorbushina, A. (2007). Livet på klippene. Miljø Mikrobiologi. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
  5. O'Toole, G., Kaplan, H.B. og Kolter, R. (2000). Biofilmformasjon som mikrobiell utvikling. Årlig gjennomgang av mikrobiologi.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
  6. Hall-Stoodley, L., Costerton, J.W. og Stoodley, P. (2004). Bakterielle biofilmer: fra det naturlige miljø til smittsomme sykdommer. Naturomtaler Mikrobiologi. 2: 95-108.
  7. Whitchurch, C.B., Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. og Mattick, J. (2002). Ekstracellulært DNA som kreves for bakteriell biofilmdannelse. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487