A biofilmek egy vagy több típusú mikroorganizmus együttese, amelyek számos különféle felületen növekedhetnek. A biofilmeket képező mikroorganizmusok közé tartoznak a baktériumok, gombák és protisták.
A biofilm fogplakk egyik leggyakoribb példája, a fogak felületén kialakult, vékony baktériumhalmozódás. A tavacskát egy másik példa. A biofilmeket ásványokon és fémeken növekszik. A víz alatt, a föld alatt és a föld felett találtak. Növekedhetnek növényi és állati szövetekben, valamint beültetett orvostechnikai eszközökön, például katéterek és szívritmus-szabályozók.
Ezen különálló felületek mindegyikének közös meghatározó tulajdonsága van: nedvesek. Ezeket a környezeteket "időszakonként vagy folyamatosan elnyelik a víz" - mondja egy, a Microbe Magazine 2007. évi cikke. A biofilmek nedves vagy nedves felületeken gyarapodnak.
A biofilmek nagyon hosszú ideje beépültek ilyen környezetbe. A biofilmek fosszilis bizonyítéka mintegy 3,25 milliárd évvel ezelőtt nyúlik vissza, mondja a Nature Reviews Microbiology folyóiratban megjelent 2004-es cikk. Például biofilmeket találtak az ausztráliai Pilbara Craton 3,2 milliárd éves mélytengeri hidrotermikus kőzeteiben. Hasonló biofilmek vannak hidrotermikus környezetben, például meleg források és mélytengeri szellőzők.
Biofilm képződés
A biofilm képződés akkor kezdődik, amikor a szabadon lebegő mikroorganizmusok, például a baktériumok érintkezésbe kerülnek egy megfelelő felülettel, és úgy kezdik lerakni a gyökereiket. A kapcsolódás ezen első lépése akkor fordul elő, amikor a mikroorganizmusok egy extracelluláris polimer anyagként (EPS) ismert gooey anyagot állítanak elő, állítja a Montana Állami Egyetem Biofilm Műszaki Központja. Az EPS cukrok, fehérjék és nukleinsavak (például DNS) hálózata. Ez lehetővé teszi a biofilm mikroorganizmusainak összetapadását.
A csatlakozást egy növekedési időszak követi. A mikroorganizmusok és az EPS további rétegei az első rétegekre épülnek. Végső soron izzós és összetett 3D-s struktúrát hoznak létre a Biofilm Műszaki Központ szerint. A vízcsatornák keresztező keresztmetszetű biofilmeket tartalmaznak, és lehetővé teszik a tápanyagok és a hulladék termékek cseréjét, a Microbe cikkben foglaltak szerint.
Több környezeti körülmény segít meghatározni a biofilm növekedésének mértékét. Ezek a tényezők azt is meghatározzák, hogy csak néhány sejtrétegből készül-e, vagy szignifikánsan többet. "Ez tényleg a biofilmtől függ" - mondta Robin Gerlach, a Montana Állami Egyetem Bozemani Vegyészeti és Biológiai Mérnöki Tanszékének professzora. Például, a nagy mennyiségű EPS-t termelő mikroorganizmusok meglehetősen vastag biorétegekké válhatnak, még akkor is, ha nem férnek hozzá sok tápanyaghoz - mondta. Másrészt az oxigéntől függő mikroorganizmusok esetében a rendelkezésre álló mennyiség korlátozhatja azok növekedését. Egy másik környezeti tényező a "nyírófeszültség" fogalma. "Ha nagyon nagy a biofilm átfolyása, például egy patakban, akkor a biofilm általában meglehetősen vékony. Ha biofilm van lassan folyó vízben, például egy tóban, akkor nagyon vastag lehet" - magyarázta Gerlach.
Végül, a biofilm sejtjei elhagyhatják a redőt, és új felületen helyezkedhetnek el. Vagy egy sejtcsomó eltűnik, vagy az egyes sejtek kitörnek a biofilmből és új otthont keresnek. Ez utóbbi eljárást "vetési diszperziónak" hívják, a Biofilm Műszaki Központ szerint.
Miért kell biofilmet létrehozni?
A mikroorganizmusok számára a biofilm részeként való élés bizonyos előnyökkel jár. "A mikrobák közösségei általában jobban ellenállnak a stressznek" - mondta Gerlach a Live Science-nek. A potenciális stresszorok közé tartozik a vízhiány, a magas vagy alacsony pH, vagy a mikroorganizmusokra mérgező anyagok, például antibiotikumok, antimikrobiális szerek vagy nehézfémek jelenléte.
A biofilmek keménységére számos lehetséges magyarázat van. Például a vékony EPS burkolat védőgátként működhet. Elősegítheti a kiszáradást vagy pajzsként szolgálhat az ultraibolya (UV) fény ellen. Emellett a káros anyagok, mint például az antimikrobiális szerek, fehérítők vagy fémek is, megkötve vagy semlegesítik őket, amikor érintkezésbe kerülnek az EPS-vel. Így azokat a koncentrációkig hígítják, amelyek nem halálosak, még mielőtt a biofilm mélyén eljutnának a különböző sejtekhez, a Nature Reviews Microbiology 2004-es cikke szerint.
Ennek ellenére bizonyos antibiotikumok behatolhatnak az EPS-be, és átjuthatnak a biofilm rétegein. Itt egy másik védőmechanizmus játszhat szerepet: a fiziológiailag alvó baktériumok jelenléte. Annak érdekében, hogy jól működjön, minden antibiotikumnak bizonyos szintű sejt aktivitásra van szüksége. Tehát, ha a baktériumok kezdetben fiziológiás nyugalmi állapotban vannak, akkor nem sok az, ha egy antibiotikum megszakítja.
Az antibiotikumok elleni védelem egy másik módja a "fennmaradó" néven ismert baktériumsejtek jelenléte. Az ilyen baktériumok nem osztódnak és sok antibiotikummal szemben rezisztensek. A Cold Spring Harbor Perspectives in Biology folyóiratban megjelent 2010-es cikk szerint "megőrzi" funkcióját olyan anyagok előállításával, amelyek blokkolják az antibiotikumok célját.
Általában véve a biofilmként együtt élõ mikroorganizmusok elõnyeik a különbözõ közösségi tagok jelenléte. Gerlach megemlítette az autotrofikus és heterotróf mikroorganizmusok példáját, amelyek a biofilmekben együtt élnek. Az autotrófok, például a fotoszintézisű baktériumok vagy algák képesek saját élelmüket organikus (széntartalmú) anyag formájában előállítani, míg a heterotrófok nem képesek saját élelmet előállítani, és külső szénforrást igényelnek. "Ezekben a multi-szervezeti közösségekben gyakran keresztezik takarmányokat" - mondta.
Biofilmek és mi
Tekintettel a biofilmek széles skálájú környezetre, nem meglepő, hogy ezek az emberi élet sok szempontját érintik. Az alábbiakban néhány példát találunk.
Egészség és betegség
A kutatás fejlődésével az évek során a biofilmek - baktériumok és gombák - különféle egészségügyi körülmények között szerepelnek. A 2002. évi pályázati felhívás során a Nemzeti Egészségügyi Intézet (NIH) megjegyezte, hogy a biofilmek "a test mikrobiális fertőzéseinek több mint 80% -át adják".
A biofilmek növekedhetnek olyan beültetett orvostechnikai eszközökön, mint például a protetikus szívszelepek, az ízületi protézisek, a katéterek és a pacemakerek. Ez viszont fertőzésekhez vezet. A jelenséget először az 1980-as években fedezték fel, amikor bakteriális biofilmeket fedeztek fel az intravénás katéterekre és a pacemakerekre. A Nature Reviews Microbiology 2004-es cikke szerint a bakteriális filmekről ismert, hogy a fertőző endokarditist és tüdőgyulladást is okoznak cisztás fibrózisban szenvedőknél.
"A biofilm képződése komoly aggodalomra ad okot, hogy egy biofilmben a baktériumok sokkal rezisztensebbek az antibiotikumokkal és más nagyobb fertőtlenítőszerekkel szemben, amelyeket felhasználhattál ezek ellenőrzésére" - mondta AC Matin, a Stanford mikrobiológiai és immunológiai professzora. Egyetemi. Valójában, a szabadon lebegő baktériumokkal összehasonlítva, a biofilmként növekvő baktériumok akár 1500-szor is rezisztensebbek lehetnek az antibiotikumokkal és más biológiai és kémiai ágensekkel szemben - állítja a Microbe cikk. Matin a biofilm-rezisztenciát és a baktériumok antibiotikumokkal szembeni rezisztenciájának általános növekedését "kettős whammy" -nek és a fertőzések kezelésének komoly kihívását írta le.
A gombás biofilmek fertőzéseket is okozhatnak, ha beültetett eszközökön növekednek. Élesztőfajok, például a nemzetség tagjai Candida nőnek emlő implantátumokon, szívritmus-szabályozókban és protetikus szívbillentyűkön, a 2014-es cikk szerint, amelyet a Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine folyóiratban publikáltak. Candida a fajok az emberi test szövetein is növekednek, és olyan betegségekhez vezetnek, mint például vaginitisz (hüvelyi gyulladás) és oropharyngealis candidiasis (a szájban vagy a torokban kialakuló élesztőfertőzés). A szerzők azonban megjegyzik, hogy ezekben az esetekben nem mutatták ki a gyógyszer-rezisztenciát.
bioremediáció
A biofilmek néha hasznosak. "A biológiai rehabilitáció általában az élő szervezetek vagy azok termékeinek - például enzimeknek - a használata a káros vegyületek kezelésére vagy lebontására" - mondta Gerlach. Megjegyezte, hogy a biofilmeket szennyvíz, nehézfém-szennyező anyagok (például kromát), robbanóanyagok, például TNT és radioaktív anyagok, például urán kezelésére használják. "A mikrobák lebonthatják őket, vagy megváltoztathatják mobilitást vagy mérgező állapotukat, és ennélfogva kevésbé ártalmasak lehetnek a környezetre és az emberekre" - mondta.
A biofilmekkel végzett nitrifikáció a szennyvízkezelés egyik formája. A nitrifikáció során az ammónia oxidációval nitritekké és nitrátokká alakul. Ezt megtehetik az autotrofikus baktériumok, amelyek bio-filmekként nőnek fel a műanyag felületeken - állítja a Water Research folyóiratban megjelent 2013. évi cikk. Ezek a műanyag felületek mindössze néhány centiméter nagyságúak, és az egész vízben eloszlanak.
A robbanóképes TNT-t (2,4,6-Trinitrotoluol) talajnak, felszíni víznek és talajvízszennyezőnek tekintik. A TNT kémiai szerkezete benzolból áll (hatszögletű, hat szénatomot tartalmazó gyűrű), amely három nitrocsoporthoz kapcsolódik (NO2) és egy metilcsoport (CH3). A mikroorganizmusok redukcióval lebontják a TNT-t, mondja az Applied and Environmental Microbiology folyóiratban megjelent 2007. évi cikk. A legtöbb mikroorganizmus redukálja a három nitrocsoportot, míg néhány megtámadja az aromás gyűrűt. A kutatók - Ayrat Ziganshin, Robin Gerlach és munkatársai - úgy találták, hogy az élesztő törzs Yarrowia lipolytica mindkét módszerrel képes volt lebontani a TNT-t, bár elsősorban az aromás gyűrű megtámadásával.
Mikrobiális üzemanyagcellák
A mikrobiális üzemanyagcellák baktériumokat használnak a szerves hulladék elektromosá történő átalakítására. A mikrobák egy elektróda felületén élnek és elektronokat továbbítanak rá, végül áramot generálva - mondta Gerlach. Az Illumin-ben, a dél-kaliforniai egyetem online magazinjában megjelent 2011. évi cikk rámutat arra, hogy a mikrobiális üzemanyagcellákat tápláló baktériumok lebontják az ételeket és a testi hulladékokat. Ez olcsó energiaforrást és tiszta, fenntartható energiát biztosít.
Folyamatban lévő kutatás
Világunkat biofilmek töltik meg. Valójában a 20. század közepére több baktériumot találtak a baktériumtenyészetet tartó edények belső felületén, mint a folyékony tenyészetben szabadon úszó, a Nature Reviews Microbiology 2004-es cikke szerint. A komplex mikrobiális struktúrák megértése aktív kutatási terület.
"A biofilmek elképesztő közösségek. Egyesek összehasonlították őket a többsejtű organizmusokkal, mivel az egyes sejtek között sok a kölcsönhatás" - mondta Gerlach. "Továbbra is megismerjük őket, és tovább tanuljuk arról, hogyan lehetne jobban ellenőrizni őket; mind a csökkent kárért, mint például az orvostudomány területén, mind pedig a nagyobb előny érdekében, mint a bioremediációban. Nem fogunk kifogyni a érdekes kérdések ezen a területen. "
