Характеристики біоплівки, формування, типи та приклади



The біоплівки o біоплівки це спільноти мікроорганізмів, прикріплених до поверхні, що живуть у самостійно сформованій матриці позаклітинних полімерних речовин. Їх спочатку описував Антуан фон Левенгук, коли він досліджував "аніма" (таким чином хрещений ним), на табличці матеріалу власних зубів у XVII столітті..

До 1978 року теорія, яка концептуалізує біоплівки і описує їхній процес формування, не була розроблена. Було виявлено, що здатність мікроорганізмів утворювати біоплівки є універсальною..

Біоплівки можуть існувати в таких різноманітних середовищах, як природні системи, акведуки, резервуари для води, промислові системи, а також у різноманітних середовищах, таких як медичні пристрої та пристрої для постійного стаціонарного лікування хворих у лікарнях (наприклад, катетери)..

За допомогою скануючої електронної мікроскопії та конфокальної скануючої лазерної мікроскопії було виявлено, що біоплівки не є однорідними, неструктурованими відкладеннями клітин і накопиченими мулами, але складними гетерогенними структурами.

Біоплівки - це складні спільноти пов'язаних клітин на поверхні, включені в високогідратовані полімерні матриці, вода яких циркулює через відкриті канали структури.

Багато організми, які досягли успіху в своєму виживанні мільйони років в навколишньому середовищі, наприклад, видів родів Pseudomonas і Legionella, вони використовують стратегію біоплівки в середовищах, відмінних від їх рідного рідного середовища.

Індекс

  • 1 Характеристика біоплівки
    • 1.1 Хімічні та фізичні характеристики матриці біоплівки
    • 1.2 Екофізіологічні характеристики біоплівки
  • 2 Формування біоплівки
    • 2.1 Первинна адгезія до поверхні
    • 2.2 Формування моношару і мікроколонії в багатошарових
    • 2.3 Отримання полімерного позаклітинного матриксу і дозрівання тривимірної біоплівки
  • 3 Види біоплівки
    • 3.1 Кількість видів
    • 3.2 Навчальне середовище
    • 3.3 Тип інтерфейсу, де вони генеруються
  • 4 Приклади біоплівки
    • 4.1 - Зубний наліт
    • 4.2 -Біо-плівка в чорній воді
    • 4.3 - Суб-повітряні біоплівки
    • 4.4 - Біоплівки збудників захворювань людини
    • 4.5 - Бубонні чуми
    • 4.6 - Ветерні катетери в лікарнях
    • 4.7 - У промисловості
  • 5 Стійкість біоплівки до дезінфектантів, герміцидів і антибіотиків
  • 6 Посилання

Характеристики біоплівки

Хімічні та фізичні характеристики матриці біоплівки

-Позаклітинні полімерні речовини, що виділяються мікроорганізмами біоплівки, макромолекулами полісахаридів, білками, нуклеїновими кислотами, ліпідами та іншими біополімерами, більшість з яких є дуже гідрофільними, зшивають утворюють тривимірну структуру, звану матрицею біоплівки..

-Структура матриці сильно вязкоэластична, володіє гумовими властивостями, стійка до тягових і механічних розривів.

-Матриця має здатність прилипати до міжфазних поверхонь, включаючи внутрішні простори пористих середовищ, через позаклітинні полісахариди, які діють як прилипаючі гумки.

-Полімерна матриця переважно аніонна і також включає неорганічні речовини, такі як катіони металів.

-Вона має водні канали, через які поширюється кисень, поживні речовини та відходи, які можуть бути перероблені.

-Ця матриця біоплівки працює як засіб захисту і виживання в несприятливих умовах, бар'єр проти фагоцитарних загарбників і проти входу і дифузії дезінфікуючих засобів і антибіотиків.

Екофізіологічні характеристики біоплівки

-Формування матриці в неоднорідних градієнтах виробляє різноманітні мікросередовища, що дозволяє існувати в біоплівці біорізноманіття..

-У матриці клітинний спосіб життя кардинально відрізняється від вільного життя, не пов'язаний. Мікроорганізми біоплівки іммобілізовані, дуже близько один до одного, пов'язані з колоніями; це дозволяє інтенсивні взаємодії.

-Взаємодії між мікроорганізмами біоплівки включають зв'язок через хімічні сигнали в коді, що називається "зчитування кворуму".

-Існують і інші важливі взаємодії, такі як перенесення генів і формування синергічних мікроконтролерів.

-Фенотип біоплівки може бути описаний в термінах генів, експресованих пов'язаними клітинами. Цей фенотип змінюється щодо швидкості росту і генетичної транскрипції.

-Організми в біоплівці можуть транскрибувати гени, які не переписують свої планктонні або вільні форми життя.

-Процес формування біоплівки регулюється специфічними генами, транскрибованими під час початкової клітинної адгезії.

-У обмеженому просторі матриці існують механізми співпраці та конкуренції. Конкуренція породжує постійну адаптацію в біологічних популяціях.

-Створюється колективна зовнішня травна система, яка зберігає позаклітинні ферменти поблизу клітин.

-Ця ферментативна система дозволяє секвестувати, накопичувати і метаболізувати, розчиняти, колоїдні та / або суспендовані поживні речовини.

-Матриця функціонує як спільна зовнішня зона утилізації, зберігання компонентів лізованих клітин, а також служить колективним генетичним архівом.

-Біоплівка працює як захисний структурний бар'єр від змін навколишнього середовища, таких як сушка, дія біоцидів, антибіотиків, імунних реакцій господаря, окислювачів, катіонів металів, ультрафіолетового випромінювання, а також захист від багатьох хижаків, таких як фагоцитарні найпростіші та комахи.

-Матриця біоплівки являє собою унікальне екологічне середовище для мікроорганізмів, що дозволяє динамічному способу життя біологічної спільноти. Біоплівки - справжні мікроекосистеми.

Утворення біоплівки

Формування біоплівки є процесом, в якому мікроорганізми переходять від кочового одноклітинного, вільно живого стану до багатоклітинного малорухливого стану, де подальше зростання виробляє структуровані спільноти з клітинною диференціацією.

Розвиток біоплівки відбувається у відповідь на позаклітинні сигнали навколишнього середовища та самогенеровані сигнали.

Дослідники, які вивчали біофільми, згодні з тим, що можна побудувати узагальнену гіпотетичну модель, щоб пояснити їх формування.

Ця модель формування біоплівки складається з 5 етапів:

  1. Початкова адгезія до поверхні.
  2. Формування моношару.
  3. Міграція для формування мікроколоній в багатошарових.
  4. Отримання полімерного позаклітинного матриксу.
  5. Дозрівання тривимірної біоплівки.

Початкова адгезія до поверхні

Формування біоплівки починається з початкової адгезії мікроорганізмів до твердої поверхні, де вони іммобілізовані. Виявлено, що мікроорганізми мають поверхневі сенсори і що поверхневі білки беруть участь у формуванні матриці.

У немобільних організмах, коли умови навколишнього середовища є сприятливими, виробництво адгезинів на їх зовнішній поверхні збільшується. Таким чином, зростає його адгезійна здатність до клітинної клітини і клітинної поверхні.

У випадку рухомих видів окремі мікроорганізми розташовані на поверхні, і це є відправною точкою до радикальної зміни їх кочового мобільного способу життя, сидячого, майже сидячого.

Потужність руху втрачається, тому що у формуванні матриці беруть участь різні структури, такі як джгутики, вії, пілуси і фімбрії, крім клейових речовин.

Потім в обох випадках (рухомі і немобільні мікроорганізми) утворюються дрібні агрегати або мікроколонії, і генерується більш інтенсивний контакт клітинної клітини; Адаптивні фенотипічні зміни відбуваються в новому середовищі, в згрупованих клітинах.

Формування моношару і мікроколонії в багатошарових

Починається виробництво позаклітинних полімерних речовин, відбувається початкове утворення моношару і подальший розвиток у багатошарових.

Виробництво полімерного позаклітинного матриксу і дозрівання тривимірної біоплівки

Нарешті, біоплівка досягає своєї стадії зрілості з тривимірною архітектурою і наявністю каналів, через які циркулюють вода, поживні речовини, хімічні сполуки та нуклеїнові кислоти..

Матриця біоплівки зберігає клітини і утримує їх разом, сприяючи високій мірі взаємодії з міжклітинним зв'язком і формуванням синергічних консорціумів. Клітини біоплівки не повністю іммобілізовані, вони можуть переміщатися всередині неї, а також від'єднуватися.

Види біоплівки

Кількість видів

За кількістю видів, що беруть участь у біоплівці, останні можуть бути класифіковані на:

  • Біоплівки виду. Наприклад, біоплівки утворюються шляхом Streptococcus mutans o Vellionela parvula.
  • Біоплівки двох видів. Наприклад, об'єднання Streptococcus mutans і Vellionela parvula в біоплівках.
  • Полімікробні біоплівки, що складаються з багатьох видів. Наприклад, зубний наліт.

Навчальне середовище

Також за середовищем, де вони утворюються, біоплівки можуть бути:

  • Природний
  • Промисловий
  • Вітчизняні
  • Лікарні

Тип інтерфейсу, де вони генеруються

З іншого боку, в залежності від типу інтерфейсу, в якому вони формуються, їх можна класифікувати в:

  • Твердо-рідкі міжфазні біоплівки, утворюються в акведуках і цистернах, трубах і резервуарах для води взагалі.
  • Міжфазні біоплівки з твердим газом (SAB для своїх скорочень в англійській Sub Aereal Biofilms); які є мікробними спільнотами, які розвиваються на твердих мінеральних поверхнях, піддаються безпосередньому впливу атмосфери і сонячної радіації. Вони зустрічаються в будівлях, голих пустельних скелях, горах, серед інших.

Приклади біоплівки

-Зубний наліт

Досліджено зубний наліт як цікавий приклад складного співтовариства, що живе в біоплівках. Біоплівки зубних пластин жорсткі і не еластичні, завдяки присутності неорганічних солей, які надають жорсткості полімерної матриці..

Мікроорганізми зубного нальоту дуже різноманітні, і в біоплівці пов'язано від 200 до 300 видів.

До числа цих мікроорганізмів відносяться:

  • Стать Стрептокок; утворені кислотними бактеріями, які демінералізують емаль і дентин, і ініціюють карієс зубів. Наприклад, вид: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis і S. milleri.
  • Стать Lactobacillus, утворюються ацидофільними денатурующіми бактеріями білки дентину. Наприклад, вид: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
  • Стать Actinomyces, які є кислотними і протеолітичними мікроорганізмами. Серед них: viscosus, A. odontoliticus і A. naeslundii.
  • І інші жанри, як: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis і Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Біоплівки в чорній воді

Ще один цікавий приклад господарсько-побутові стічні води, де вони живуть в біоплівки дотримуючись трубопроводів, що окислюють мікроорганізмів нитрифицирующих нітрит амонію і автотрофні нитрифицирующих бактерій.

Серед окислюючих амоній бактерій цих біоплівки вони зустрічаються як чисельно домінуючі види, родини Нітросомонас, розподілені по всій матриці біоплівки.

Основними компонентами групи нітритних окислювачів є ті з роду Нітроспіра, які розташовані тільки у внутрішній частині біоплівки.

-Суб-повітряні біоплівки

Субаефірні біоплівки характеризуються зростанням плям на твердих мінеральних поверхнях, таких як скелі та міські споруди. Ці біоплівки мають домінуючі асоціації грибів, водоростей, ціанобактерій, гетеротрофних бактерій, найпростіших, а також мікроскопічних тварин..

Зокрема, біоплівки SAB володіють хіміолітотрофними мікроорганізмами, здатними використовувати мінеральні неорганічні хімічні речовини як джерела енергії.

Хемолітотрофні мікроорганізми мають здатність окислювати неорганічні сполуки, такі як Н2, NH3, NO2, S, HS, Faith2+ і скористатися електричним потенційним енергетичним продуктом окислення в їх метаболізмі.

Серед мікробіологічних видів, присутніх в субэфирних біоплівках, є:

  • Бактерії роду Geodermatophilus; ціанобактерій родів Chrococcocidiopsis, кокоїдні і ниткоподібні види типу Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
  • Зелені водорості пологів Хлорела, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia і Stichococcus.
  • Гетеротрофні бактерії (домінуючі в субаерних біоплівках): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. і Rhodococcus sp.
  • Хемоорганотрофні бактерії і гриби як Actynomycetales (стрептоміцети і Geodermatophilaceae), Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria та bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Біоплівки збудників захворювань людини

Багато з бактерій, відомих як збудники захворювань людини, живуть у біоплівках. Серед них: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans і Legionella pneumophyla.

-Бубонні чуми

Цікавою є передача бубонної чуми при укусі блохи, відносно недавній адаптації збудника бактеріального агента цього захворювання., Yersinia pestis.

Ця бактерія росте як біоплівка, прикріплена до верхньої травної системи вектора (блохи). Під час укусу блоха регургітує біоплівку, що містить Yersinia pestis у дермі і починається інфекція.

-Катетери венозні лікарні

Серед ізолятів биопленок в центральних венозних катетерів експлантірованних вони виявили дивовижне розмаїття грам-позитивних і грам-негативних бактерій та інших мікроорганізмів.

Кілька наукових досліджень повідомляють про грампозитивні бактерії біоплівки в венозних катетерах: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, стафілокок spp., Стафілокок aureus, Staphylococcus epidermidis, Стрептокок spp. і Streptococcus pneumoniae.

Серед грамнегативних бактерій, виділених з цих біоплівки, повідомляється: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter клоака, Enterobacter aerogens, кишкова паличка, клебсієли пневмонія, клебсієла оксіток, синьогнійна паличка, Pseudomonas putida, Proteus SPP., Providencia spp. і Serratia marcescens.

Інші мікроорганізми, знайдені в цих біоплівках: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis і Mycobacterium chelonei.

-У промисловості

Що стосується роботи промисловості, біоплівки генеруватися трубопроводами перешкоди, пошкодження обладнання, процеси інтерференції, такі як поверхня теплопередачі, щоб покрити теплообмінники, або корозію металевих деталей.

Харчова промисловість

Формування плівок у галузях харчової галузі може призвести до важливих проблем оперативного та громадського здоров'я.

Асоційовані патогени в біоплівках можуть забруднювати харчові продукти з патогенними бактеріями і викликати серйозні проблеми здоров'я населення у споживачів.

Серед біоплівки збудників, пов'язаних з харчовою промисловістю, є:

Listeria monocytogenes

Цей патоген використовує на початковій стадії утворення біоплівки, джгутиків і мембранних білків. Формують біоплівки на сталевих поверхнях нарізних верстатів.

У молочній промисловості можна виробляти біоплівки Listeria monocytogenes у рідкому молоці та молочних продуктах. Молочні залишки в трубах, резервуарах, контейнерах та інших пристроях сприяють розвитку біоплівки цього збудника, який використовує їх як доступні поживні речовини.

Pseudomonas spp.

Біоплівки цих бактерій можна знайти в підприємствах харчової промисловості, такі як підлоги, водостоки і поверхні харчових продуктів, такі як м'ясо, овочі і фрукти, поряд з низькою похідних кислот молока.

Pseudomonas aeruginosa секретує кілька позаклітинних речовин, які використовуються при формуванні полімерної матриці біоплівки, прилипає до багатьох неорганічних матеріалів, таким як нержавіюча сталь.

Pseudomonas може співіснувати в біоплівці у зв'язку з іншими патогенними бактеріями, такими як Salmonella і Listeria.

Salmonella spp.

Види Росії Salmonella є першим причинним фактором зоонозів бактеріальної етіології та спалахів харчової токсоінфекції.

Наукові дослідження показали, що Salmonella може прилипати у вигляді біоплівки, до поверхонь цементу, сталі і пластмаси, приміщень харчових заводів.

Види Росії Salmonella Вони мають поверхневі структури з адгезивними властивостями. Крім того, він продукує целюлозу як позаклітинне речовина, яке є основним компонентом полімерної матриці.

Escherichia coli

Він використовує білки джгутів і мембран на початковому етапі формування біоплівки. Він також виробляє позаклітинні целюлози для генерування тривимірної решітки матриці в біоплівці.

Стійкість біоплівки до дезінфікуючих засобів, бактерій і антибіотиків

Біоплівки забезпечують захист мікроорганізмів, що входять до його складу, до дії дезінфікуючих засобів, герміцидів і антибіотиків. Механізми, які дозволяють використовувати цю функцію, такі:

  • Затримка проникнення антимікробного агента через тривимірну матрицю біоплівки, шляхом дуже повільної дифузії і утруднення досягнення ефективної концентрації.
  • Змінена швидкість росту і низький метаболізм мікроорганізмів в біоплівці.
  • Зміни у фізіологічних реакціях мікроорганізмів під час зростання біоплівки, з експресією генів зміненої резистентності.

Список літератури

  1. Бактеріальні біоплівки. (2008). Актуальні теми мікробіології та імунології. Редактор Тоні Ромео. Том 322. Берлін, Ганновер: Springer Verlag. pp301.
  2. Donlan, R.M. і Costerton, J.W. (2002). Біоплівки: механізми виживання клінічно значимих мікроорганізмів. Огляди клінічної мікробіології.15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
  3. Fleming, H.C. і Wingender, F. (2010). Матриця біоплівки. Відгуки про природу Мікробіологія. 8: 623-633.
  4. Горбушина А. (2007). Життя на скелях. Екологічна мікробіологія. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
  5. O'Toole, G., Kaplan, H.B. і Kolter, R. (2000). Формування біоплівки як мікробного розвитку. Щорічний огляд мікробіології.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
  6. Hall-Stoodley, L., Costerton, J.W. і Stoodley, P. (2004). Бактеріальні біоплівки: від природного середовища до інфекційних захворювань. Відгуки про природу Мікробіологія. 2: 95-108.
  7. Whitchurch, C.B., Tolker-Nielsen, Т., Ragas, P. і Mattick, J. (2002). Позаклітинна ДНК, необхідна для утворення бактеріальної біоплівки. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487