Biofilms egenskaber, dannelse, typer og eksempler

den biofilm eller biofilm de er mikroorganismer, der er knyttet til en overflade, der lever i en selvgenereret matrix af ekstracellulære polymere stoffer. De blev oprindeligt beskrevet af Antoine von Leeuwenhoek, da han undersøgte "animas" (således døbt af ham) på en plaque af materiale af egne tænder i det syttende århundrede.

Teorien, der begriber biofilmer og beskriver deres dannelsesproces, var ikke udviklet til 1978. Det blev opdaget, at mikroorganismernes evne til at danne biofilmer synes at være universelt.

Biofilm kan eksistere i så forskellige miljøer som naturlige systemer, vandledninger, vand lagertanke, industrielle systemer og i en række forskellige måder som medicinsk udstyr og apparatur brugt i hospitalspatienter (som katetre, for eksempel).

Gennem brug af scanningselektronmikroskopi og laserscanning konfokal mikroskopi, fandt man, at biofilm er ikke homogene aflejringer, destruktureret celle og akkumulerede slim, men komplekse heterogene strukturer.

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

Mange organismer, der har haft succes i deres overlevelse af millioner af år i miljøet, for eksempel arter af slægten Pseudomonas og Legionella, de bruger biofilm-strategien i miljøer, der adskiller sig fra deres oprindelige indfødte miljøer.

indeks

• 1 Karakteristik af biofilm
  • 1.1 Kemiske og fysiske egenskaber ved biofilmmatrixen
  • 1.2 Økofysiologiske egenskaber ved biofilm
• 2 Biofilmdannelse
  • 2.1 Indledende vedhæftning til overfladen
  • 2.2 Dannelse af et monolag og mikrokolonier i multilayere
  • 2.3 Produktion af den polymere ekstracellulære matrix og modning af den tredimensionale biofilm
• 3 Typer af biofilm
  • 3.1 Antal arter
  • 3.2 Træningsmiljø
  • 3.3 Type af grænseflade, hvor de genereres
• 4 Eksempler på biofilm
  • 4.1-Dental plaque
  • 4.2-Bio film i sort vand
  • 4.3 - Biofilm under antenne
  • 4.4 - Biofilmer af årsagssygdomme hos humane sygdomme
  • 4.5 - Bubonisk pest
  • 4.6 - Hospital venøse katetre
  • 4.7 - I branchen
• 5 Resistance af biofilm til desinfektionsmidler, germicider og antibiotika
• 6 referencer

Karakteristik af biofilm

Kemiske og fysiske egenskaber ved biofilmmatrixen

-Ekstracellulære polymere stoffer, der udskilles af mikroorganismer i biofilmen, makromolekyler af polysaccharider, proteiner, nukleinsyrer, lipider og andre biopolymerer, molekyler meste meget hydrofile, skærer hinanden til dannelse af en tredimensional struktur kaldet biofilm matrix.

-Matrixens struktur er yderst viskoelastisk, har gummiegenskaber, er modstandsdygtig over for trækkraft og mekanisk ruptur.

-Matricen har evnen til at klæbe til interfaseoverflader, herunder interne rum af porøse medier, gennem ekstracellulære polysaccharider, der virker som adhærente gummier.

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

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

-Denne matrix af biofilmen fungerer som et middel til beskyttelse og overlevelse i ugunstige omgivelser, barriere mod fagocytiske indtrengere og mod indtrængen og diffusionen af ​​desinfektionsmidler og antibiotika.

Økofysiologiske egenskaber ved biofilm

-Dannelsen af ​​matrixen i inhomogene gradienter producerer en række mikrohabitater, hvilket gør det muligt for biodiversiteten at eksistere inden for biofilmen.

-Inden for matrixen er den cellulære livsstil radikalt forskellig fra det frie liv, der ikke er forbundet. Mikroorganismerne af biofilmen er immobiliseret, meget tæt på hinanden, associeret i kolonier; denne kendsgerning tillader intense interaktioner at forekomme.

-Interaktioner mellem biofilm mikroorganismer omfatter kommunikation via kemiske signaler i en kode kaldet "quorum sensing".

-Der er andre vigtige interaktioner som genoverførsel og dannelse af synergistiske mikrokomponenter.

-Biofilmfænotypen kan beskrives med hensyn til generne udtrykt af de associerede celler. Denne fænotype ændres med hensyn til væksthastigheden og genetisk transkription.

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

-Biofilmdannelsesprocessen reguleres af specifikke gener, transkriberet under initial celleadhæsion.

-I matrixens begrænsede rum er der samarbejds- og konkurrencemekanismer. Konkurrencen skaber en konstant tilpasning i de biologiske populationer.

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

-Dette enzymatiske system gør det muligt at sekvestre, akkumulere og metabolisere, opløst, kolloidalt og / eller suspenderet næringsstoffer.

-Matrixen fungerer som en fælles ekstern zone for genbrug, opbevaring af komponenterne i lyserede celler, der også tjener som et kollektivt genetisk arkiv.

-Biofilm fungerer som en beskyttende barriere for strukturelle miljøændringer såsom tørring, virkningen af ​​biocider, antibiotika, værtsimmunresponser, oxidationsmidler, metalkationer og ultraviolet stråling er også forsvar mod mange rovdyr som fagocytisk protozo og insekter.

-Matrixen af ​​biofilmen udgør et unikt økologisk miljø for mikroorganismer, som giver mulighed for en dynamisk livsstil for det biologiske samfund. Biofilm er sande mikroøkosystemer.

Biofilmdannelse

Biofilmdannelse er en proces, hvor mikroorganismer passere en nomadisk encellet tilstand, fritlevende, flercellede en stillesiddende tilstand, hvor yderligere vækst frembringer strukturerede samfund og celledifferentiering.

Biofilmudvikling opstår som reaktion 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 af biofilm dannelse består af 5 faser:

1. Indledende vedhæftning til overfladen.
2. Dannelse af et monolag.
3. Migration til dannelse af mikrokolonier i multilayere.
4. Fremstilling af den polymere ekstracellulære matrix.
5. Modning af den tredimensionale biofilm.

Indledende vedhæftning til overfladen

Dannelsen af ​​biofilmen begynder med den oprindelige adhæsion af mikroorganismer til den faste overflade, hvor de immobiliseres. 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, øges produktionen af ​​adhæsiner på deres ydre overflade. På denne måde øges dets cellecelle og celleoverfladeadhæsionsevne.

I tilfælde af mobile arter, er individuelle organismer beliggende i et område, og det er udgangspunktet for en radikal ændring i livsstil af mobil fri nomadisk, en stillesiddende, næsten siddende.

Kapaciteten af ​​bevægelse går tabt, fordi de forskellige strukturer i matrixdannelsen deltager som flagella, cilia, pilus og fimbrias, foruden klæbemidlet.

Derefter dannes der i begge tilfælde (mobile og ikke-mobile mikroorganismer) små aggregater eller mikrokolonier, og der dannes en mere inten cellecellekontakt; Adaptive fænotypiske ændringer forekommer i det nye miljø i de grupperede celler.

Dannelse af et monolag og mikrokolonier i multilayere

Produktionen af ​​ekstracellulære polymere stoffer begynder, den oprindelige monolagdannelse forekommer og den efterfølgende udvikling i multilayere.

Fremstilling af den polymere ekstracellulære matrix og modning af den tredimensionale biofilm

Endelig når biofilmen sin modenhed, med en tredimensionel arkitektur og tilstedeværelsen af ​​kanaler, hvorigennem vand, næringsstoffer, kommunikationskemikalier og nukleinsyrer cirkulerer..

Matrixen i biofilmen bevarer cellerne og holder dem sammen, der fremmer en høj grad af interaktion med intercellulær kommunikation og dannelse af synergistiske konsortier. Cellerne i biofilmen er ikke fuldstændig immobiliserede, de kan bevæge sig ind i den og også løsne sig selv.

Typer af biofilm

Antal arter

Ifølge antallet af arter, der deltager i biofilmen, kan sidstnævnte klassificeres i:

• Biofilmer af en art. For eksempel er biofilmer dannet af Streptococcus mutans eller Vellionela parvula.
• Biofilmer af to arter. For eksempel associeringen af Streptococcus mutans og Vellionela parvula i biofilmer.
• Polymikrobielle biofilmer, der består af mange arter. For eksempel dental plaque.

Træningsmiljø

Også i henhold til det miljø, hvor de dannes, kan biofilm være:

• naturlig
• industrielle
• husstand
• Hospitalarias

Type af grænseflade, hvor de genereres

På den anden side, afhængigt af den type grænseflade, hvor de dannes, er det muligt at klassificere dem i:

• Fast-flydende interfase biofilmer, som dem, der er dannet i akvedukt og tanke, rør og vandtanke generelt.
• Fastgas-interfase biofilmer (SAB for dens forkortelser i engelske Sub Aereal Biofilms); som er mikrobielle samfund, som udvikler sig på faste mineralflader, udsættes direkte for atmosfæren og solstråling. De findes i bygninger, nøgne ørken klipper, bjerge, blandt andre.

Eksempler på biofilm

-Dental plaque

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

Mikroorganismerne i tandplade er meget varierede, og der er mellem 200 og 300 arter associeret i biofilm.

Blandt disse mikroorganismer er:

• Kønnet Streptococcus; dannet af sureuriske bakterier, der demineraliserer emalje og dentin, og initierer tandcaries. For eksempel, arten: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis og S. milleri.
• Kønnet Lactobacillus, dannet af acidofile denatureringsbakterier af dentinproteinerne. For eksempel, arten: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Kønnet Actinomyces, som er sure og proteolytiske mikroorganismer. Blandt disse, arten: viscosus, A. odontoliticus og A. naeslundii.
• Og andre genrer, som: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis og Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilm i sort vand

Et andet interessant eksempel husspildevand, hvor de bor i biofilm klæber til rørsystemer, oxiderende mikroorganismer nitrificerende ammoniumnitrit og autotrofe nitrifikationsbakterier.

Blandt de ammoniumoxiderende bakterier af disse biofilmer findes de som numerisk dominerende arter, dem af slægten Nitrosomonas, fordelt gennem biofilm matrixen.

Hovedkomponenterne i gruppen af ​​nitritoxiderende stoffer er dem af slægten Nitrospira, som kun er placeret i den indre del af biofilmen.

-Sub-antenne biofilmer

De subaeriale biofilmer er præget af en vækst i plaster på faste mineraloverflader som sten og bykonstruktioner. Disse biofilmer har dominerende sammenslutninger af svampe, alger, cyanobakterier, heterotrofe bakterier, protozoer samt mikroskopiske dyr.

SAB biofilm har især kemolithotrofe mikroorganismer, der er i stand til at anvende mineralske uorganiske kemiske stoffer som energikilder.

Kemolitotrofiske mikroorganismer har evnen til at oxidere uorganiske forbindelser, såsom H₂, NH₃, NO₂, S, HS, Tro²⁺ og drage fordel af det elektriske potentielle energiprodukt af oxidationer i deres metabolisme.

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

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

-Biofilm af forårsagende midler af humane sygdomme

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

-Bubonisk pest

Det er interessant at transmittere bubonisk pest ved loppebid, en forholdsvis ny tilpasning af den forårsagende bakterie agent af denne sygdom, Yersinia pestis.

Denne bakterie vokser som en biofilm knyttet til det øvre fordøjelsessystem af vektoren (loppen). Under en bid genopløser loppen den biofilm, der indeholder Yersinia pestis i dermis og så begynder infektionen.

-Hospital venøse katetre

Blandt de isolater af biofilm i centrale venøse katetre eksplanterede fandt de en forbløffende række Gram-positive og Gram-negative bakterier, og andre mikroorganismer.

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

Blandt de gramnegative bakterier, der er isoleret fra disse biofilmer, 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, der findes i disse biofilmer, er: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis og Mycobacterium chelonei.

-I branchen

Som for driften af ​​industrien, biofilm genereret rørsystemer forhindringer, beskadigelse af udstyr, interferens processer såsom varmeoverførselsoverflader til dækning vekslere eller korrosion af metaldele.

Fødevareindustrien

Dannelsen af ​​film i næringsmiddelindustriens næringer kan skabe vigtige problemer, der er operative og for folkesundheden.

Tilknyttede patogener i biofilmer kan forurene fødevareprodukter med patogene bakterier og forårsage alvorlige folkesundhedsproblemer hos forbrugerne.

Blandt biofilmerne af patogener forbundet med fødevareindustrien er der:

Listeria monocytogenes

Dette patogen beskæftiger sig i den indledende fase af biofilmdannelse, flagella og membranproteiner. Skab biofilm på stålfladerne på skæremaskiner.

I mejeribranchen kan biofilm produceres Listeria monocytogenes i flydende mælk og mejeriprodukter. Mælkeester i rør, tanke, beholdere og andre enheder favoriserer udviklingen af ​​biofilmer af dette patogen, der bruger dem som tilgængelige næringsstoffer.

Pseudomonas spp.

Biofilm af disse bakterier kan findes i levnedsmiddelfaciliteter, såsom gulve, afløb og overflader af fødevarer, såsom kød, grøntsager og frugt, sammen med lav syrederivater mælk.

Pseudomonas aeruginosa udskiller adskillige ekstracellulære stoffer, der anvendes ved dannelse af polymermatrixen af ​​biofilmen klæber til mange uorganiske materialer, såsom rustfrit stål.

Pseudomonas kan eksistere i biofilmen sammen med andre patogene bakterier som f.eks Salmonella og Listeria.

Salmonella spp.

Arten af Salmonella er det første årsagssag til zoonoser af bakteriel etiologi og udbrud af fødevare toxoinfektion.

Videnskabelige studier har vist det Salmonella kan klæbe i form af biofilm, til overfladerne af cement, stål og plast, af anlæg af fødevareforarbejdningsanlæg.

Arten af Salmonella De har overfladestrukturer med vedhæftende egenskaber. Derudover producerer det cellulose som et ekstracellulært stof, som er hovedkomponenten af ​​polymermatrixen.

Escherichia coli

Det bruger flagella og membranproteiner i det indledende trin af biofilmdannelse. Det producerer også ekstracellulær cellulose til dannelse af matrixens tredimensionelle gitter i biofilmen.

Modstand af biofilm til desinfektionsmidler, germicider og antibiotika

Biofilms giver beskyttelse til de mikroorganismer, der gør det op, til virkningen af ​​desinfektionsmidler, germicider og antibiotika. De mekanismer, der tillader denne funktion, er følgende:

• Forsinket indtrængning af det antimikrobielle middel gennem den tredimensionale matrix af biofilmen ved meget langsom diffusion og vanskelighed med at nå den effektive koncentration.
• Ændret vækst og lav metabolisme af mikroorganismer i biofilmen.
• Ændringer i mikroorganismernes fysiologiske responser under biofilmvækst med ekspression af ændrede resistensgener.

referencer

1. Bakterielle biofilmer. (2008). Aktuelle emner inden for mikrobiologi og immunologi. Tony Romeo Editor. Vol. 322. Berlin, Hannover: Springer Verlag. pp301.
2. Donlan, R.M. og Costerton, J.W. (2002). Biofilms: Overlevelsesmekanismer af klinisk relevante mikroorganismer. Klinisk mikrobiologi Anmeldelser.15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Fleming, H.C. og Wingender, F. (2010). Biofilmmatrixen. Natur Anmeldelser Mikrobiologi. 8: 623-633.
4. Gorbushina, A. (2007). Livet på klipperne. 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). Biofilmdannelse som mikrobiell udvikling. Årlig gennemgang af 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 infektionssygdomme. Natur Anmeldelser Mikrobiologi. 2: 95-108.
7. Whitchurch, C. B., Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. og Mattick, J. (2002). Ekstracellulært DNA krævet til bakteriel biofilmdannelse. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487