Ciri biofilm, pembentukan, jenis dan contoh



The biofilm o biofilm mereka adalah komuniti mikroorganisma yang dilekatkan pada permukaan, hidup dalam matriks yang dihasilkan oleh bahan-bahan polimer luar ekstrasel. Mereka pada mulanya digambarkan oleh Antoine von Leeuwenhoek, ketika dia meneliti "animas" (dengan demikian dibaptis olehnya), pada plak bahan gigi sendiri pada abad ketujuh belas.

Teori yang mengkonseptualisasikan biofilm dan menerangkan proses pembentukannya tidak dibangunkan sehingga tahun 1978. Telah dapati bahawa keupayaan mikroorganisma untuk membentuk biofilm seolah-olah universal.

Biofilms mungkin wujud dalam apa-apa persekitaran yang pelbagai sebagai sistem semula jadi, saluran air, tangki simpanan air, sistem industri dan dalam pelbagai cara seperti peralatan perubatan dan peralatan dibelanjakan pada pesakit hospital (sebagai kateter, sebagai contoh).

Melalui penggunaan mikroskop elektron pengimbas dan laser imbasan mikroskop confocal, didapati bahawa biofilms tidak deposit homogen, sel destructured dan lendir terkumpul, tetapi struktur heterogen kompleks.

Biofilms adalah komuniti kompleks sel-sel yang berkaitan pada permukaan, termasuk dalam matriks polimer yang terhidrat yang airnya beredar melalui saluran terbuka struktur.

Banyak organisma yang telah berjaya dalam hidupnya berjuta-juta tahun di alam sekitar, contohnya spesies genera Pseudomonas dan Legionella, mereka menggunakan strategi biofilm dalam persekitaran yang berbeza dari persekitaran asli asli mereka.

Indeks

  • 1 Ciri-ciri biofilm
    • 1.1 Ciri kimia dan fizikal matriks biofilm
    • 1.2 Ciri-ciri ekofisiologi biofilm
  • 2 Pembentukan Biofilm
    • 2.1 lekat awal ke permukaan
    • 2.2 Pembentukan monolayer dan mikrokoloni dalam pelbagai jenis
    • 2.3 Pengeluaran matriks ekstraselular polimerik dan kematangan biofilm tiga dimensi
  • 3 Jenis biofilm
    • 3.1 Bilangan spesis
    • 3.2 Persekitaran latihan
    • 3.3 Jenis antara muka yang dihasilkan
  • 4 Contoh biofilm
    • 4.1 - Plak gigi
    • 4.2 -Bio filem dalam air hitam
    • 4.3 - Biofilem sub-udara
    • 4.4 - Biofilms agen penyebab penyakit manusia
    • 4.5 - Wabak Bubonik
    • 4.6 - Catheters vena Hospital
    • 4.7 - Dalam industri
  • 5 Rintangan biofilm ke kuman, kuman dan antibiotik
  • 6 Rujukan

Ciri-ciri biofilm

Ciri-ciri kimia dan fizikal matriks biofilm

-bahan extracellular polimer dirembeskan oleh mikroorganisma dalam biofilm, makromolekul polisakarida, protein, asid nukleik, lipid dan biopolimer lain, molekul kebanyakannya sangat hydrophilic, bersilang untuk membentuk satu struktur tiga dimensi yang dipanggil biofilm matriks.

-Struktur matriks sangat viscoelastic, mempunyai sifat getah, tahan terhadap daya tarikan dan pecah mekanikal.

-Matriks mempunyai keupayaan untuk mematuhi permukaan interphase, termasuk ruang dalaman media berpori, melalui polisakarida ekstraselular yang bertindak sebagai gusi adheren.

-Matriks polimer kebanyakannya anionik dan juga termasuk bahan-bahan bukan organik seperti kation logam.

-Ia mempunyai saluran air di mana oksigen, nutrien dan bahan buangan beredar yang boleh dikitar semula.

-Matriks biofilm ini, berfungsi sebagai alat perlindungan dan kelangsungan hidup dalam persekitaran yang buruk, penghalang terhadap penceroboh fagositik dan terhadap kemasukan dan penyebaran kuman dan antibiotik.

Ciri-ciri ekofisiologi biofilm

-Pembentukan matriks dalam kecerobohan tidak berperikemanusiaan menghasilkan pelbagai mikrohabitat, yang membolehkan biodiversiti wujud dalam biofilm.

-Dalam matriks, cara hidup selular sangat berbeza daripada kehidupan bebas, tidak dikaitkan. Mikroorganisma biofilm tidak dapat dipindahkan, sangat rapat antara satu sama lain, yang berkaitan dengan koloni; fakta ini membolehkan interaksi sengit berlaku.

-Interaksi antara mikroorganisma biofilm termasuk komunikasi melalui isyarat kimia dalam kod yang dipanggil "pendengaran kuorum".

-Ada interaksi penting lain seperti pemindahan gen dan pembentukan mikrokontribut sinergi.

-Fenotip biofilm boleh diterangkan dari segi gen-gen yang dinyatakan oleh sel-sel yang berkaitan. Fenotip ini diubah dengan kadar pertumbuhan dan transkripsi genetik.

-Organisme dalam biofilm boleh menyalin gen yang tidak menyalin bentuk kehidupan planktonik atau hidup mereka.

-Proses pembentukan biofilm dikawal oleh gen tertentu, ditranskripsikan semasa perekatan sel awal.

-Di ruang terhad matriks, terdapat mekanisme kerjasama dan persaingan. Pertandingan ini menghasilkan penyesuaian berterusan dalam populasi biologi.

-Sistem penghadaman luar kolektif dijana, yang mengekalkan enzim ekstraselular berhampiran sel-sel.

-Sistem enzimatik ini membolehkan mengumpul, mengumpul dan memetabolisme, membubarkan, koloid dan / atau gantung yang digantung.

-Matrik berfungsi sebagai zon luaran yang kitar semula, penyimpanan komponen sel lysed, juga berfungsi sebagai arkib genetik kolektif.

-fungsi biofilm sebagai penghalang perlindungan terhadap perubahan persekitaran struktur seperti pengeringan, tindakan biosid, antibiotik, pihak tindak balas imun, agen pengoksidaan, kation logam, dan sinaran ultraungu juga pembelaan terhadap banyak pemangsa sebagai protozoa phagocytic dan serangga.

-Matriks biofilm ini membentuk persekitaran ekologi yang unik untuk mikroorganisma, yang membolehkan cara kehidupan dinamik kepada masyarakat biologi. Biofilms adalah mikro-ekosistem yang benar.

Pembentukan Biofilm

pembentukan biofilm adalah satu proses di mana mikroorganisma lulus negeri unisel, bebas hidup nomad, multicellular keadaan tidak aktif di mana pertumbuhan menghasilkan masyarakat berstruktur dan pembezaan sel.

Pembangunan biofilm berlaku sebagai tindak balas kepada isyarat alam sekitar ekstraselular dan isyarat diri.

Penyelidik yang telah mengkaji biofilm bersetuju bahawa ia mungkin membina model hipotesis umum untuk menjelaskan pembentukan mereka.

Model pembentukan biofilm ini terdiri daripada 5 peringkat:

  1. Lekatan awal ke permukaan.
  2. Pembentukan monolayer.
  3. Penghijrahan untuk membentuk mikrokoloni dalam pelbagai orang.
  4. Pengeluaran matriks ekstrasel polimer.
  5. Kematangan biofilm tiga dimensi.

Lekatan awal ke permukaan

Pembentukan biofilm bermula dengan perekat awal mikroorganisma ke permukaan pepejal, di mana mereka tidak bergerak. Telah ditemui bahawa mikroorganisma mempunyai sensor permukaan dan protein permukaan yang terlibat dalam pembentukan matriks.

Dalam organisma bukan mudah alih, apabila keadaan persekitarannya menguntungkan, pengeluaran adhesin pada permukaan luaran mereka meningkat. Dengan cara ini, kapasiti pelekatan sel sel dan permukaan sel meningkat.

Dalam kes spesies mudah alih, organisma individu yang terletak di kawasan dan ini adalah titik permulaan untuk perubahan radikal dalam gaya hidup mudah alih nomad percuma, yang tidak aktif, hampir sessile.

Kapasiti pergerakan hilang kerana dalam pembentukan matriks, struktur yang berlainan berpartisipasi seperti flagella, silia, pilus dan fimbrias, selain bahan pelekat.

Kemudian, dalam kedua-dua kes (mikroorganisma mudah alih dan bukan mudah alih), agregat kecil atau mikro-koloni terbentuk dan sentuhan sel sel yang lebih sengit dihasilkan; Perubahan phenotypic adaptif berlaku kepada persekitaran baru, dalam sel dikumpulkan.

Pembentukan monolayer dan mikrokoloni dalam pelbagai jenis

Pengeluaran bahan-bahan polimer luar ekstrasel bermula, pembentukan monolayer awal berlaku dan perkembangan seterusnya dalam pelbagai jenis.

Pengeluaran matriks ekstraselular polimerik dan kematangan biofilm tiga dimensi

Akhirnya, biofilm mencapai peringkat kematangannya, dengan senibina tiga dimensi dan kehadiran saluran melalui mana air, nutrien, sebatian kimia komunikasi dan asid nukleik beredar..

Matriks biofilm mengekalkan sel-sel dan mengekalkannya bersama-sama, mempromosikan interaksi yang tinggi dengan interaksi komunikasi dan pembentukan konsortium sinergi. Sel-sel biofilm tidak sepenuhnya dimobilisasi, mereka boleh bergerak ke dalamnya dan juga melepaskan diri.

Jenis-jenis biofilem

Bilangan spesis

Mengikut bilangan spesies yang menyertai biofilm, yang terakhir boleh diklasifikasikan kepada:

  • Biofilms spesies. Sebagai contoh, biofilm yang dibentuk oleh Streptococcus mutans o Vellionela parvula.
  • Biofilms daripada dua spesies. Sebagai contoh, persatuan Streptococcus mutans dan Vellionela parvula dalam biofilm.
  • Biofilm polimikrobial, terdiri daripada banyak spesies. Sebagai contoh, plak gigi.

Persekitaran latihan

Juga mengikut persekitaran di mana ia terbentuk, biofilm boleh:

  • Semulajadi
  • Perindustrian
  • Domestik
  • Hospital

Jenis antara muka yang dihasilkan

Sebaliknya, bergantung kepada jenis antara muka di mana ia terbentuk, adalah mungkin untuk mengklasifikasikannya dalam:

  • Biofilm interphase padat cecair, seperti yang terbentuk di saluran perairan dan tangki, paip dan tangki air secara amnya.
  • Biofilm interphase gas pepejal (SAB untuk singkatannya dalam Bahasa Inggeris Sub Aereal Biofilms); yang merupakan komuniti mikrob yang membangunkan permukaan mineral pepejal, terdedah terus ke atmosfera dan sinaran matahari. Mereka ditemui dalam bangunan, batu-batu padang pasir telanjang, gunung, antara lain.

Contoh biofilm

-Plak gigi

Plak pergigian telah dikaji, sebagai contoh yang menarik dari masyarakat yang kompleks yang hidup di biofilm. Biofilm plat gigi keras dan tidak elastik, kerana terdapatnya garam tak organik, yang memberikan ketegaran kepada matriks polimer.

Mikroorganisma plak gigi sangat bervariasi dan terdapat antara 200 hingga 300 spesies yang berkaitan dengan biofilm.

Di antara mikroorganisma ini, adalah:

  • Jantina Streptococcus; dibentuk oleh bakteria aciduric yang demineralisasi enamel dan dentin, dan memulakan karies gigi. Sebagai contoh, spesies: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis dan S. milleri.
  • Jantina Lactobacillus, dibentuk oleh bakteria asidofilik yang menghalangi protein dentin. Sebagai contoh, spesies: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
  • Jantina Actinomyces, yang merupakan mikroorganisma acidurik dan proteolitik. Antaranya, spesies: viscosus, A. odontoliticus dan A. naeslundii.
  • Dan genre lain, seperti: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis dan Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilms dalam air hitam

Satu lagi contoh yang menarik sisa domestik air, di mana mereka tinggal di biofilms mematuhi paip, pengoksidaan mikroorganisma nitrifying ammonium nitrit dan bakteria nitrifying autotrophic.

Antara bakteria pengoksidaan amonium biofilm ini, mereka didapati sebagai spesies berangka berangka, yang terdiri daripada genus Nitrosomonas, diedarkan ke seluruh matriks biofilm.

Komponen utama dalam kumpulan oksida nitrit adalah genus Nitrospira, yang terletak hanya di bahagian dalam biofilm.

-Biofilem sub-udara

Biofilm subaerial dicirikan oleh pertumbuhan dalam patch pada permukaan mineral pepejal seperti batu dan pembinaan bandar. Biofilm ini mempunyai persatuan dominan kulat, alga, sianobakteria, bakteria heterotropik, protozoa, serta haiwan mikroskopik.

Khususnya, biofilm SAB mempunyai mikroorganisma chemolithotrophic, yang mampu menggunakan bahan kimia bukan organik mineral sebagai sumber tenaga.

Mikroorganisma khemotitropik mempunyai keupayaan untuk mengoksidakan sebatian tak organik seperti H2, NH3, TIDAK2, S, HS, Iman2+ dan mengambil kesempatan daripada produk tenaga berpotensi elektrik oksidasi dalam metabolisme mereka.

Antara spesies mikrob yang terdapat dalam biofilm subaerial, adalah:

  • Bakteria genus Geodermatophilus; cyanobacteria daripada genera Chrococcoccidiopsis, spesis kokoid dan filamen seperti Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
  • Ganggang hijau genera Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia dan Stichococcus.
  • Bakteria heterotrofik (dominan dalam biofilm subaerial): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. dan Rhodococcus sp.
  • Bakteria dan kulat Chemogorganotrophic sebagai Actynomycetales (streptomycetes dan Geodermatophilaceae), Proteobakteria, Actinobacteria, Acidobacteria dan bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Biofilms agen penyebab penyakit manusia

Banyak bakteria yang dikenali sebagai agen penyebab penyakit manusia hidup dalam biofilm. Antaranya ialah: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans dan Legionella pneumophyla.

-Wabak Bubonic

Ia adalah menarik penghantaran wabak bubonic oleh gigitan kutu, penyesuaian yang agak baru-baru ini dari agen bakteria penyebab penyakit ini, Yersinia pestis.

Bakteria ini tumbuh sebagai biofilm yang melekat pada sistem pencernaan atas vektor (loak). Semasa menggigit, kutu itu membubarkan biofilm yang mengandungi Yersinia pestis di dermis dan jangkitan bermula.

-Catheters vena hospital

Antara pencilan biofilms dalam kateter vena pusat yang dipindahkan mereka mendapati suasana yang menakjubkan bakteria Gram-positif dan Gram-negatif, dan mikroorganisma lain.

Beberapa kajian saintifik melaporkan sebagai bakteria Gram-positif biofilm dalam kateter vena: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus spp. dan Streptococcus pneumoniae.

Antara bakteria Gram negatif yang diasingkan daripada biofilm ini dilaporkan: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp., Providencia spp. dan Serratia marcescens.

Organisme lain yang terdapat dalam biofilm ini ialah: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis dan Mycobacterium chelonei.

-Dalam industri

Bagi operasi industri, biofilms dijana halangan paip, kerosakan kepada peralatan, proses gangguan seperti permukaan pemindahan haba untuk menampung penukar, atau kakisan bahagian logam.

Industri makanan

Pembentukan filem dalam industri cawangan alergi boleh menjana masalah penting yang berkuasa dan kesihatan awam.

Patogen yang berkaitan dalam biofilm boleh mencemari produk makanan dengan bakteria patogen dan menyebabkan masalah kesihatan awam yang serius kepada pengguna.

Antara biofilem patogen yang berkaitan dengan industri makanan, terdapat:

Listeria monocytogenes

Patogen ini digunakan pada peringkat awal pembentukan biofilm, flagella dan protein membran. Bentuk biofilm pada permukaan keluli menghiris mesin.

Dalam industri tenusu, biofilm boleh dihasilkan Listeria monocytogenes dalam susu cair dan produk tenusu. Sisa-sisa tenusu dalam paip, tangki, bekas dan peranti lain, memihak kepada perkembangan biofilm patogen ini yang menggunakannya sebagai nutrien yang ada.

Pseudomonas spp.

Biofilms bakteria ini boleh didapati di kemudahan industri makanan, seperti lantai, longkang dan permukaan makanan seperti daging, sayur-sayuran dan buah-buahan, bersama-sama dengan susu rendah derivatif asid.

Pseudomonas aeruginosa rahsia beberapa bahan extracellular yang digunakan dalam pembentukan matriks polimer biofilm, mematuhi sejumlah besar bahan bukan organik seperti keluli tahan karat.

Pseudomonas boleh wujud bersama dalam biofilm bersamaan dengan bakteria patogen lain seperti Salmonella dan Listeria.

Salmonella spp.

Spesies Salmonella adalah agen penyebab zoonoses bakteria etiologi dan wabak makanan toxoinfection.

Kajian saintifik telah menunjukkan bahawa Salmonella boleh mematuhi bentuk biofilm, ke permukaan simen, keluli dan plastik, kemudahan kilang pemprosesan makanan.

Spesies Salmonella Mereka mempunyai struktur permukaan dengan sifat pemeluk. Selain itu, ia menghasilkan selulosa sebagai bahan extracellular, yang merupakan komponen utama matriks polimer.

Escherichia coli

Ia menggunakan protein flagella dan membran dalam langkah awal pembentukan biofilm. Ia juga menghasilkan selulosa ekstraselular untuk menghasilkan kisi tiga dimensi matriks dalam biofilm.

Rintangan biofilm ke kuman, kuman dan antibiotik

Biofilms menawarkan perlindungan kepada mikroorganisma yang membuatnya, kepada tindakan kuman, kuman dan antibiotik. Mekanisme yang membolehkan ciri ini adalah seperti berikut:

  • Penembusan agen antimikrob yang ditangguhkan melalui matriks tiga dimensi biofilm, oleh penyebaran sangat perlahan dan kesukaran untuk mencapai kepekatan berkesan.
  • Kadar pertumbuhan yang berubah-ubah dan metabolisme mikroorganisma yang rendah dalam biofilm.
  • Perubahan tindak balas fisiologi mikroorganisma semasa pertumbuhan biofilm, dengan ekspresi gen rintangan yang diubah.

Rujukan

  1. Biofilms bakteria. (2008). Topik Semasa dalam Mikrobiologi dan Imunologi. Editor Tony Tony. Vol. 322. Berlin, Hannover: Springer Verlag. pp301.
  2. Donlan, R.M. dan Costerton, J.W. (2002). Biofilms: mekanisme survival mikroorganisma yang berkaitan secara klinikal. Ulasan Mikrobiologi Klinikal.15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
  3. Fleming, H.C. dan Wingender, F. (2010). Matriks biofilm. Ulasan Alam Mikrobiologi. 8: 623-633.
  4. Gorbushina, A. (2007). Hidup di atas batu. Mikrobiologi Alam Sekitar. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
  5. O'Toole, G., Kaplan, H.B. dan Kolter, R. (2000). Pembentukan Biofilm sebagai pembangunan mikrob. Kajian Tahunan Mikrobiologi.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
  6. Hall-Stoodley, L., Costerton, J.W. dan Stoodley, P. (2004). Biofilm bakteria: dari persekitaran semula jadi kepada penyakit berjangkit. Ulasan Alam Mikrobiologi. 2: 95-108.
  7. Whitchurch, C.B., Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. dan Mattick, J. (2002). DNA ekstrasel diperlukan untuk pembentukan biofilm bakteria. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / sains.295.5559.1487