БИОФИЛМИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ФОРМИРАНЕ, ВИДОВЕ И ПРИМЕРИ - БИОЛОГИЯ - 2025

На биофилми или биофилми са общности от микроорганизми, прикрепени към повърхността, живеещи в матрица от извънклетъчния полимерни вещества самостоятелно - генерирани. Първоначално са описани от Антоан фон Левенхук, когато той изследва "животинските кучета" (така наречени така за него) върху плоча от материали от собствените му зъби през 17 век.

Теорията, която концептуализира биофилмите и описва процеса на тяхното формиране, е разработена едва през 1978 г. Открито е, че способността на микроорганизмите да образуват биофилми изглежда универсална.

Фигура 1. Биофилм, получен от Staphylococcus aureus в катетър. Източник: CDC / д-р Родни М. Донлан; Джанис Кар (PHIL # 7488), 2005. чрез

Биофилмите могат да съществуват в разнообразни среди като естествени системи, акведукти, резервоари за съхранение на вода, промишлени системи, както и в голямо разнообразие от медии като медицински изделия и устройства за постоянство при болнични пациенти (например катетри, например).

Чрез използването на сканираща електронна микроскопия и конфокална сканираща лазерна микроскопия беше установено, че биофилмите не са хомогенни, неструктурирани депозити на клетки и натрупани тини, а по-скоро сложни разнородни структури.

Биофилмите са сложни общности от свързани клетки на повърхността, вградени в силно хидратирана полимерна матрица, чиято вода циркулира през отворени канали в структурата.

Много организми, които са успели в оцеляването си от милиони години в околната среда, например видове от родовете Pseudomonas и Legionella, използват стратегията за биофилм в среда, различна от тяхната родна местна среда.

Характеристики на биофилмите

Химични и физични характеристики на матрицата на биофилма

-Полимерните извънклетъчни вещества, секретирани от биофилм микроорганизми, полисахаридни макромолекули, протеини, нуклеинови киселини, липиди и други биополимери, предимно силно хидрофилни молекули, се пресичат, за да образуват триизмерна структура, наречена биофилм матрица.

-Структурата на матрицата е силно вискоеластична, има гумени свойства, устойчива е на сцепление и механично разрушаване.

-Матрицата има способността да се придържа към интерфейсни повърхности, включително вътрешни пространства на пореста среда, чрез извънклетъчни полизахариди, които действат като прилепнали венци.

-Полимерната матрица е предимно анионна и включва също неорганични вещества като метални катиони.

-Има водни канали, по които циркулират кислород, хранителни вещества и отпадни вещества, които могат да бъдат рециклирани.

-Тази матрица на биофилма работи като средство за защита и оцеляване срещу неблагоприятни среди, бариера срещу фагоцитни нашественици и срещу навлизането и разпространението на дезинфектанти и антибиотици.

Екофизиологични характеристики на биофилмите

-Формирането на матрицата в нееднородни градиенти, произвежда различни микробибитати, което позволява биоразнообразието да съществува в биофилма.

-С матрицата, клетъчната жизнена форма коренно се различава от свободния живот, не е свързана. Микроорганизмите в биофилма са обездвижени, много близо един до друг, свързани в колонии; този факт позволява интензивни взаимодействия.

-Взаимодействията между микроорганизмите в биофилма включват комуникация чрез химически сигнали в код, наречен „кворум-сензор“.

-Има и други важни взаимодействия като трансфер на гени и формиране на синергични микроконсорциуми.

-Фенотипът на биофилма може да бъде описан по отношение на гените, експресирани от свързаните клетки. Този фенотип се променя по отношение на скоростта на растеж и генната транскрипция.

-Организмите в биофилма могат да преписват гени, които не преписват техните планктонни или свободни форми на живот.

-Процесът на образуване на биофилм се регулира от специфични гени, преписани по време на първоначална клетъчна адхезия.

-В ограниченото пространство на матрицата има механизми за сътрудничество и конкуренция. Конкуренцията поражда постоянна адаптация в биологичните популации.

-Генерира се колективна външна храносмилателна система, която задържа извънклетъчните ензими в близост до клетките.

-Тази ензимна система позволява секвестриране, натрупване и метаболизиране, разтворени, колоидни и / или суспендирани хранителни вещества.

-Матрицата функционира като обща външна зона за рециклиране, съхранение на компонентите на лизираните клетки, служещи и като колективен генетичен архив.

-Биофилмът функционира като защитна структурна бариера срещу промените в околната среда, като изсушаване, действието на биоциди, антибиотици, имунен отговор на гостоприемника, окислители, метални катиони, ултравиолетово лъчение и също е защита срещу много хищници като фагоцитни протозои и насекоми.

-Матрицата на биофилма представлява уникална екологична среда за микроорганизмите, която позволява динамичен начин на живот на биологичната общност. Биофилмите са истински микроекосистеми.

Образуване на биофилм

Образуването на биофилми е процес, при който микроорганизмите преминават от свободно живеещо, номадно едноклетъчно състояние в многоклетъчно заседнало състояние, при което последващият растеж произвежда структурирани общности с клетъчна диференциация.

Развитието на биофилма възниква в отговор на сигнали на извънклетъчна среда и самогенерирани сигнали.

Изследователи, които са изучавали биофилми, са съгласни, че е възможно да се изгради обобщен хипотетичен модел, който да обясни тяхното формиране.

Този модел на формиране на биофилм се състои от 5 етапа:

1. Първоначално сцепление с повърхността.
2. Формиране на монослой.
3. Миграция за образуване на многослойни микроколонии.
4. Производство на полимерна извънклетъчна матрица.
5. Съзряване на триизмерния биофилм.

Фигура 2. Процес на образуване на биофилм. Източник: Д. Дейвис, чрез Wikimedia Commons

Първоначално сцепление с повърхността

Образуването на биофилми започва с първоначалната адхезия на микроорганизмите към твърдата повърхност, където те се обездвижват. Открито е, че микроорганизмите имат повърхностни сензори и че повърхностните протеини участват във формирането на матрицата.

При неподвижните организми, когато условията на околната среда са благоприятни, производството на адхезини върху външната им повърхност се увеличава. По този начин увеличава капацитета си за адхезия на клетъчни и клетъчни повърхности.

В случая с подвижните видове отделните микроорганизми са разположени на повърхността и това е отправна точка за радикална промяна в начина им на живот от номадски свободни мобилни, до заседнали, почти заседнали.

Следователно способността да се движи се губи при формирането на матрицата, в допълнение към адхезивните вещества участват различни структури като джгутици, реснички, пилуси и фимбрии.

Тогава и в двата случая (подвижни и немобилни микроорганизми) се образуват малки агрегати или микроколонии и се генерира по-интензивен контакт между клетките; адаптирани фенотипни промени към новата среда настъпват в клъстерирани клетки.

Формиране на монослой и микроколонии в многослойни

Започва производството на извънклетъчни полимерни вещества, настъпва първоначалното образуване в монослой и последващото развитие в многослойност.

Производство на полимерната извънклетъчна матрица и узряване на триизмерния биофилм

И накрая, биофилмът достига своя стадий на зрялост, с триизмерна архитектура и наличието на канали, по които циркулират вода, хранителни вещества, химикали за комуникация и нуклеинови киселини.

Матрицата на биофилма запазва клетките и ги държи заедно, насърчавайки висока степен на взаимодействие с междуклетъчната комуникация и формирането на синергични консорции. Клетките на биофилма не са напълно обездвижени, те могат да се движат вътре в него и също да се отделят.

Видове биофилми

Брой видове

Според броя на видовете, участващи в биофилма, последните могат да бъдат класифицирани в:

• Биофилми от един вид. Например биофилми, образувани от Streptococcus mutans или Vellionela parvula.
• Биофилми от два вида. Например, е открита асоциацията на Streptococcus mutans и Vellionella parvula в биофилмите.
• Полимикробни биофилми, съставени от много видове. Например зъбна плака.

Обучителна среда

Също така в зависимост от средата, където се образуват, биофилмите могат да бъдат:

• естествен
• индустриален
• вътрешен
• Гостоприемен

Фигура 3. Биофилми от термофилни бактерии в Мики Хот Спрингс, Орегон, САЩ. Източник: Amateria1121, от Wikimedia Commons

Тип интерфейс, където са генерирани

От друга страна, според типа интерфейс, където са формирани, е възможно да ги класифицирате в:

• Твърдо-течни интерфейсни биофилми, като тези, образувани в акведукти и резервоари, тръби и резервоари за вода като цяло.
• Интерфейс на биофилми за твърд газ (SAB за съкращението си на английски Sub Aereal Biofilms); които са микробни общности, които се развиват върху твърди минерални повърхности, пряко изложени на атмосферата и слънчевата радиация. Те се срещат в сгради, голи пустинни скали, планини, между другото.

Примери за биофилми

-Зентална плака

Зъбната плака е проучена като интересен пример за сложна общност, която живее в биофилми. Биофилмите на зъбните плочи са твърди и не еластични, поради наличието на неорганични соли, които придават твърдост на полимерната матрица.

Микроорганизмите на зъбната плака са много разнообразни и в биофилма има между 200 и 300 асоциирани вида.

Сред тези микроорганизми са:

• Род Streptococcus; съставен от киселинни бактерии, които деминерализират емайла и дентина и инициират зъбен кариес. Например, видовете: мутани, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis и S. milleri.
• Родът Lactobacillus, съставен от ацидофилни бактерии, денатуриращи протеини на дентин. Например видовете: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Род Actinomyces, които са киселинни и протеолитични микроорганизми. Сред тях видовете: вискоза, A. odontoliticus и A. naeslundii.
• И други родове, като: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis и Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Биофилми в черна вода

Друг интересен пример са битовите отпадни води, където нитрифициращите микроорганизми, които окисляват амония, нитритите и автотрофните нитрифициращи бактерии, живеят в биофилми, прикрепени към тръби.

Сред амониевите оксидиращи бактерии в тези биофилми числено доминиращите видове са тези от рода Nitrosomonas, разпределени в матрицата на биофилма.

Мнозинството компоненти в групата на нитритни окислители са тези от рода Nitrospira, които са разположени само във вътрешната част на биофилма.

- Биофилмите на Subaerie

Субаерийските биофилми се характеризират с петнаст растеж на твърди минерални повърхности като скали и градски сгради. Тези биофилми представят доминиращи асоциации на гъби, водорасли, цианобактерии, хетеротрофни бактерии, протозои, както и микроскопични животни.

По-специално, биофилмите SAB притежават хемолитротрофни микроорганизми, способни да използват неорганични минерални химикали като източници на енергия.

Chemolithotrophic микроорганизми имат способността да се окисли неорганични съединения, такива като Н ₂, NH ₃, NO ₂, S, HS, Fe ²⁺ и се възползват от електрически потенциал енергията, произведена от окисление в техните метаболизъм.

Сред микробните видове, присъстващи в подземните биофилми са:

• Бактерии от рода Geodermatophilus; цианобактерии от родовете C hrococcoccidiopsis, коккоидни и нишковидни видове като Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Зелени водорасли от родовете Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia и Stichococcus.
• Хетеротрофни бактерии (доминиращи в подземните биофилми): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. и Rhodococcus sp.
• Хемоорганотрофни бактерии и гъбички като Actynomycetales (стрептомицети и Geodermatophilaceae), протеобактерии, актинобактерии, Acidobacteria и Bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Био филми на причинители на човешки заболявания

Много от бактериите, известни като причинители на човешка болест, живеят в биофилми. Сред тях са: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans и Legionella pneumophyla.

-Чума

Интерес представлява предаването на бубонна чума чрез ухапване от бълхи, сравнително скорошна адаптация на бактериалния агент, отговорен за това заболяване, Yersinia pestis.

Тази бактерия расте като биофилм, прикрепен към горната храносмилателна система на вектора (бълха). По време на ухапване бълхата регенерира биофилма, съдържащ Yersinia pestis в дермата, като по този начин инициира инфекцията.

-Хоспитални венозни катетри

Организмите, изолирани от биофилма върху обяснени централни венозни катетри, включват изумителен масив от грам-положителни и грам-отрицателни бактерии, както и други микроорганизми.

Няколко научни проучвания отчитат като грам-положителни бактерии на биофилми във венозни катетри: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Stppreptococcus. и Streptococcus pneumoniae.

Сред грамотрицателните бактерии, изолирани от тези биофилми, се отчитат следните: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudnasnas, Pseudnasnas., и Serratia marcescens.

Други организми, открити в тези биофилми са: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis и Mycobacterium chelonei.

-В индустрията

Що се отнася до работата на индустрията, биофилмите генерират препятствия на тръбите, повреда на оборудването, смущения в процеси като топлопредаване при покриване на повърхности на обменниците или корозия на метални части.

Хранително-вкусовата промишленост

Образуването на филми в хранително-вкусовата промишленост може да създаде значителни проблеми в общественото здраве и оперативната дейност.

Асоциираните патогени в биофилмите могат да замърсят хранителните продукти с патогенни бактерии и да причинят сериозни проблеми на общественото здраве на потребителите.

Сред биофилмите на патогени, свързани с хранителната промишленост, са:

Listeria monocytogenes

Този патоген използва в началния етап на образуване на биофилм, белтъци и мембранни протеини. Образува биофилми върху стоманените повърхности на машини за нарязване.

В млечната промишленост биофилмите на Listeria monocytogenes могат да се произвеждат в течно мляко и млечни продукти. Млечните остатъци в тръби, резервоари, контейнери и други устройства благоприятстват развитието на биофилми на този патоген, който ги използва като налични хранителни вещества.

Pseudomonas

Биофилмите на тези бактерии могат да бъдат намерени в съоръжения за хранително-вкусовата промишленост, като подове, канали и върху хранителни повърхности като месо, зеленчуци и плодове, както и нискокисели производни на мляко.

Pseudomonas aeruginosa секретира няколко извънклетъчни вещества, които се използват при формирането на полимерната матрица на биофилма, прилепвайки към голямо количество неорганични материали като неръждаема стомана.

Pseudomonas могат да съществуват в биофилма във връзка с други патогенни бактерии като Salmonella и Listeria.

салмонела

Видовете салмонела са първият причинител на зоонози от бактериална етиология и огнища на хранителни отравяния.

Научните проучвания показват, че салмонелата може да се прилепва като биофилми към бетонни, стоманени и пластмасови повърхности в съоръженията за преработка на храни.

Видовете салмонела притежават повърхностни структури с прилепнали свойства. Освен това, той произвежда целулозата като извънклетъчно вещество, което е основният компонент на полимерната матрица.

Ешерихия коли

Той използва жлебовидни и мембранни протеини в началния етап на образуване на биофилм. Освен това произвежда извънклетъчна целулоза, за да генерира триизмерната рамка на матрицата в биофилма.

Устойчивост на биофилмите към дезинфектанти, гермициди и антибиотици

Биофилмите предлагат защита на микроорганизмите, които ги съставят, срещу действието на дезинфектанти, гермициди и антибиотици. Механизмите, които позволяват тази функция са следните:

• Забавено проникване на антимикробното средство през триизмерната матрица на биофилма, поради много бавна дифузия и трудности при достигане на ефективната концентрация.
• Променен темп на растеж и нисък метаболизъм на микроорганизмите в биофилма.
• Промени във физиологичните реакции на микроорганизмите по време на растежа на биофилма, с променена експресия на гена на резистентност.

Препратки

1. Бактериални биофилми. (2008 г.). Актуални теми в микробиологията и имунологията. Тони Ромео Редактор. Том 322. Берлин, Хановер: Спрингер Верлаг. pp301.
2. Donlan, RM и Costerton, JW (2002). Биофилми: механизми за оцеляване на клинично значими микроорганизми. Отзиви за клинична микробиология. 15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Fleming, HC и Wingender, F. (2010). Матрицата на биофилма. Природа Отзиви Микробиология. 8: 623-633.
4. Горбушина, А. (2007). Животът на скалите. Микробиология на околната среда. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
5. O'Toole, G., Kaplan, HB и Kolter, R. (2000). Образуването на биофилми като развитие на микроби. Годишен преглед на микробиологията.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
6. Hall-Stoodley, L., Costerton, JW и Stoodley, P. (2004). Бактериални биофилми: от естествената среда до инфекциозни заболявания. Природа Отзиви Микробиология. 2: 95-108.
7. Whitchurch, CB, Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. and Mattick, J. (2002). Извънклетъчна ДНК, необходима за образуването на бактериален биофилм. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / наука.295.5559.1487