Biofilms egenskaper, formation, typer och exempel



den biofilmer eller biofilmer de är mikroorganismer som är fästa på en yta, som lever i en självgenererad matris av extracellulära polymera substanser. De beskrevs ursprungligen av Antoine von Leeuwenhoek, när han undersökte "animas" (sålunda döpt av honom) på en plåt av material av egna tänder i sjuttonhundratalet.

Teorin som konceptualiserar biofilmer och beskriver deras bildningsprocess hade inte utvecklats fram till 1978. Det upptäcktes att mikroorganismernas förmåga att bilda biofilmer verkar vara universella.

Biofilmer kan existera i sådana olika miljöer som naturliga system, akvedukter, vattenlagringstankar, industriella system och i en mängd olika sätt som medicinska anordningar och apparater bringade i sjukhuspatienter (såsom katetrar, till exempel).

Genom användning av svepelektronmikroskopi och laserskanning konfokalmikroskopi visade det sig att biofilmer inte är homogena insättningar, destrukturerad cell och ackumulerat slem, men komplexa heterogena strukturer.

Biofilmer är komplexa samhällen av associerade celler på en yta inkluderad i en starkt hydrerad polymermatris vars vatten cirkulerar genom öppna kanaler i strukturen.

Många organismer som har lyckats med att överleva miljontals år i miljön, till exempel släktarter pseudomonas och Legionella, De använder biofilmstrategin i miljöer som skiljer sig från deras inhemska inhemska miljöer.

index

  • 1 Egenskaper hos biofilmer
    • 1.1 Kemiska och fysiska egenskaper hos biofilmmatrisen
    • 1.2 Ekofysiologiska egenskaper hos biofilmer
  • 2 Biofilmbildning
    • 2.1 Initial vidhäftning på ytan
    • 2.2 Bildning av ett monoskikt och mikrokolonier i multilayers
    • 2.3 Framställning av den polymera extracellulära matrisen och mognad av den tredimensionella biofilmen
  • 3 Typer av biofilmer
    • 3.1 Antal arter
    • 3.2 Utbildningsmiljö
    • 3.3 Typ av gränssnitt där de genereras
  • 4 Exempel på biofilmer
    • 4.1 - Dentalplakan
    • 4,2-Bio-film i svart vatten
    • 4.3 - Bio-bio-biomaterial
    • 4.4 - Biofilmer av orsakssamband med humana sjukdomar
    • 4,5 - Bubonisk pest
    • 4.6 - Sjukhus venösa katetrar
    • 4,7 - I branschen
  • 5 Resistens av biofilmer till desinfektionsmedel, bakteriedödande medel och antibiotika
  • 6 referenser

Egenskaper hos biofilmer

Kemiska och fysiska egenskaper hos biofilmmatrisen

-Extracellulära polymera substanser utsöndrade av mikroorganismer i biofilm, makromolekyler av polysackarider, proteiner, nukleinsyror, lipider och andra biopolymerer, molekyler oftast mycket hydrofila, skär varandra för att bilda en tredimensionell struktur som kallas biofilm matris.

-Matrisens struktur är mycket viskoelastisk, har gummiegenskaper, är resistent mot dragkraft och mekanisk bristning.

-Matrisen har förmågan att vidhäfta interfasytor, inklusive interna utrymmen av poröst medium, genom extracellulära polysackarider som fungerar som vidhäftande gummin.

-Polymermatrisen är övervägande anjonisk och innefattar också oorganiska substanser, såsom metallkatjoner.

-Det har vattenkanaler genom vilka syre, näringsämnen och avfallsmängder cirkulerar som kan återvinnas.

-Denna matris av biofilmen fungerar som ett medel för skydd och överlevnad i negativa miljöer, barriär mot fagocytiska invaders och mot inträde och diffusion av desinfektionsmedel och antibiotika.

Ekofysiologiska egenskaper hos biofilmer

-Matrisens bildning i inhomogena gradienter producerar en mängd mikrohabitater, vilket medger att biologisk mångfald finns inom biofilmen.

-Inuti matrisen är den cellulära livsformen radikalt annorlunda från det fria livet, inte associerat. Mikroorganismerna hos biofilmen immobiliseras, mycket nära varandra, associerade i kolonier; detta faktum tillåter intense interaktioner att inträffa.

-Interaktioner mellan biofilmmikroorganismer innefattar kommunikation genom kemiska signaler i en kod som kallas "kvorumavkänning".

-Det finns andra viktiga interaktioner som genöverföring och bildandet av synergistiska mikrokontributörer.

-Biofilmfenotypen kan beskrivas i termer av generna uttryckta av de associerade cellerna. Denna fenotyp förändras med avseende på tillväxthastigheten och genetisk transkription.

-Organismer inom biofilmen kan transkribera gener som inte transkriberar sina planktoniska eller fria livsformer.

-Biofilmbildningsförfarandet regleras av specifika gener, transkriberas under initial celladhesion.

-I matrisens begränsade utrymme finns samarbets- och konkurrensmekanismer. Tävlingen genererar en konstant anpassning i de biologiska populationerna.

-Ett kollektivt yttre matsmältningssystem genereras, vilket behåller de extracellulära enzymerna nära cellerna.

-Detta enzymatiska system gör det möjligt att sekvestrera, ackumulera och metabolisera, upplösta, kolloidala och / eller suspenderade näringsämnen.

-Matrisen fungerar som en gemensam extern zon för återvinning, lagring av komponenterna i lyserade celler, som också fungerar som ett kollektivt genetiskt arkiv.

-Biofilm fungerar som en skyddande barriär till strukturella förändringar i miljön, såsom torkning, verkan av biocider, antibiotika, värdimmunsvar, oxidationsmedel, metallkatjoner, och ultraviolett strålning är också försvar mot många rovdjur som fagocytisk protozoer och insekter.

-Matrisen i biofilmen utgör en unik ekologisk miljö för mikroorganismer, vilket möjliggör ett dynamiskt livsstil för det biologiska samhället. Biofilmer är sanna mikroekosystem.

Biofilmbildning

Biofilmbildning är en process i vilken mikroorganismer passera en nomadisk encellig tillstånd, fritt levande, flercelliga en stillasittande tillstånd där ytterligare tillväxt producerar strukturerade samhällen och celldifferentiering.

Biofilmutveckling sker som svar på extracellulära miljösignaler och självgenererade signaler.

Forskare som har studerat biofilmer är överens om att det är möjligt att konstruera en generaliserad hypotetisk modell för att förklara deras bildning.

Denna modell av biofilmbildning består av 5 steg:

  1. Initial vidhäftning till ytan.
  2. Bildning av ett monoskikt.
  3. Migration för att bilda mikrokolonier i multilayers.
  4. Produktion av den polymera extracellulära matrisen.
  5. Mognad av den tredimensionella biofilmen.

Initial vidhäftning till ytan

Bildningen av biofilmen börjar med den initiala vidhäftningen av mikroorganismer till den fasta ytan, där de immobiliseras. Det har upptäckts att mikroorganismer har ytosensorer och att ytproteiner är involverade i bildningen av matrisen.

I icke-mobila organismer, när miljöförhållandena är gynnsamma, ökar produktionen av adhesiner på sin yttre yta. På detta sätt ökar dess cellcells- och cellytankapacitet.

När det gäller mobila arter individuella organismer ligger i ett område och detta är utgångspunkten för en radikal förändring i livsstil mobil gratis nomadiska, en stillasittande, nästan oskaftade.

Kapaciteten för rörelse går förlorad, eftersom de olika strukturerna i formningen av matrisen deltar som flagella, cilia, pilus och fimbrias, förutom de adhesiva ämnena.

Sedan bildas i båda fallen (mobila och icke-mobila mikroorganismer) små aggregat eller mikrokolonier och en mer intensiv cellcellskontakt genereras; Adaptiva fenotypiska förändringar sker i den nya miljön, i de grupperade cellerna.

Bildning av ett monoskikt och mikrokolonier i multilayers

Produktionen av extracellulära polymera ämnen börjar, den initiala monoskiktbildningen sker och den efterföljande utvecklingen i multilayers.

Produktion av den polymera extracellulära matrisen och mognad av den tredimensionella biofilmen

Slutligen når biofilmen sitt mognadsstadium, med en tredimensionell arkitektur och närvaron av kanaler genom vilka vatten, näringsämnen, kommunikationskemiska föreningar och nukleinsyror cirkulerar..

Matrisen i biofilmen behåller cellerna och håller dem ihop, främjar en hög grad av interaktion med intercellulär kommunikation och bildande av synergistiska konsortier. Biofilms celler är inte helt immobiliserade, de kan flytta inuti det och lossna sig själva.

Typer av biofilmer

Antal arter

Enligt antalet arter som deltar i biofilmen kan den senare klassificeras i:

  • Biofilmer av en art. Till exempel, biofilmer bildade av Streptococcus mutans eller Vellionela parvula.
  • Biofilmer av två arter. Till exempel föreningen av Streptococcus mutans och Vellionela parvula i biofilmer.
  • Polymikrobiella biofilmer, bestående av många arter. Till exempel dental plaque.

Utbildningsmiljö

Också i enlighet med miljön där de bildas kan biofilmer vara:

  • naturliga
  • industriell
  • hushåll
  • Hospitalarias

Typ av gränssnitt där de genereras

Å andra sidan, beroende på vilken typ av gränssnitt de är bildade, är det möjligt att klassificera dem i:

  • Fast-flytande interfas biofilmer, som de som bildas i akvedukter och tankar, rör och vattentankar i allmänhet.
  • Solid-gas interfas biofilmer (SAB för dess förkortningar i engelska Sub Aereal Biofilms); vilka är mikrobiella samhällen som utvecklas på fasta mineralytor, utsätts direkt för atmosfären och solstrålningen. De finns i byggnader, nakna ökenstenar, berg, bland andra.

Exempel på biofilmer

-Tandplattan

Tandplattan har studerats, som ett intressant exempel på en komplex gemenskap som lever i biofilmer. Dentalplattornas biofilmer är hårda och inte elastiska på grund av närvaron av oorganiska salter som ger styvhet till polymermatrisen.

Mikroorganismerna i tandplåten är mycket varierade och det finns mellan 200 och 300 arter associerade i biofilm.

Bland dessa mikroorganismer är:

  • Kön Streptococcus; utgörs av sura bakterier som demineraliserar emalj och dentin och initierar tandkärl. Till exempel är arten: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis och S. milleri.
  • Kön Lactobacillus, bildad av acidofila denatureringsbakterier av dentinproteinerna. Till exempel är arten: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
  • Kön Actinomyces, vilka är sura och proteolytiska mikroorganismer. Bland dessa är arten: viskos, A. odontoliticus och A. naeslundii.
  • Och andra genrer, som: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis och Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilmer i svart vatten

Ett annat intressant exempel hushållsavfall vatten, där de bor i biofilmer vidhäftande till rörledningar, oxiderande mikroorganismer nitrifierande ammoniumnitrit och autotrofa nitrifikationsbakterier.

Bland de ammoniumoxiderande bakterierna hos dessa biofilmer finns de som numeriskt dominerande arter, släktet Nitrosomonas, distribueras genom biofilmmatrisen.

Huvudkomponenterna inom gruppen av nitritoxider är de hos släktet Nitrospira, som endast är belägna i den inre delen av biofilmen.

-Bioantenner med antenn

De subaeriella biofilmerna präglas av en tillväxt i fläckar på fasta mineralytor som stenar och stadsbyggnader. Dessa biofilmer har dominerande föreningar av svampar, alger, cyanobakterier, heterotrofa bakterier, protozoer, liksom mikroskopiska djur.

SAB biofilmer har i synnerhet kemolitotrofa mikroorganismer som kan använda mineraliska oorganiska kemiska ämnen som energikällor.

Kemolitotrofiska mikroorganismer har förmågan att oxidera oorganiska föreningar, såsom H2, NH3, NEJ2, S, HS, Tro2+ och dra fördel av den elektriska potentiella energiprodukten av oxidationer i deras metabolism.

Bland de mikrobiella arter som finns i de subaeriella biofilmerna är:

  • Bakterier av släktet Geodermatophilus; cyanobakterier av släktet Chrococcoccidiopsis, coccoid och trådformiga arter som Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
  • Gröna alger av släktet Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia och Stichococcus.
  • Heterotrofa bakterier (dominerande i subaeriella biofilmer): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., pseudomonas sp. och Rhodococcus sp.
  • Chemogorganotrophic bakterier och svampar som Actynomycetales (streptomycetes och Geodermatophilaceae), Proteobakterier, Actinobacteria, Acidobacteria och bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Biofilmer av orsaksmedel av mänskliga sjukdomar

Många av de bakterier som är kända som orsakande medel för mänskliga sjukdomar lever i biofilmer. Bland dessa är: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans och Legionella pneumophyla.

-Bubonisk pest

Det är intressant överföringen av bubonicpest med loppbett, en relativt ny anpassning av den orsakande bakteriemedlet av denna sjukdom, Yersinia pestis.

Denna bakterie växer som en biofilm fäst vid vektorns övre matsmältningssystem (loppan). Under en bit returerar loppen den biofilm som innehåller Yersinia pestis i dermis och så börjar infektionen.

-Sjukhus venösa katetrar

Bland isolat av biofilmer i centrala venkatetrar explanterade de hittade en häpnadsväckande mängd olika grampositiva och gramnegativa bakterier, och andra mikroorganismer.

Flera vetenskapliga studier rapporterar som gram-positiva bakterier av biofilmer i venösa katetrar: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus spp. och Streptococcus pneumoniae.

Bland de gramnegativa bakterierna som isolerats från dessa biofilmer rapporteras: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp., Providencia spp. och Serratia marcescens.

Andra organismer som finns i dessa biofilmer är: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis och Mycobacterium chelonei.

-I branschen

Som för driften av branschen, biofilmer genererade rörlednings hinder, skada på utrustning, interferens processer såsom värmeöverföringsytor för att täcka växlarna, eller korrosion av metalldelar.

Livsmedelsindustrin

Bildandet av filmer i näringsgrenens industrier kan skapa viktiga problem som är operativa och folkhälsan.

Associerade patogener i biofilmer kan förorena livsmedelsprodukter med patogena bakterier och orsaka allvarliga folkhälsoproblem hos konsumenter.

Bland biofilmerna av patogener i samband med livsmedelsindustrin finns följande:

Listeria monocytogenes

Denna patogen sysselsätter i början av biofilmbildning, flagella och membranproteiner. Forma biofilmer på stålytorna på skivmaskiner.

I mjölkindustrin kan biofilmer produceras Listeria monocytogenes i flytande mjölk och mejeriprodukter. Mjölksyrorna i rör, tankar, behållare och andra anordningar gynnar utvecklingen av biofilmer av denna patogen som använder dem som tillgängliga näringsämnen.

pseudomonas spp.

Biofilmer av dessa bakterier kan hittas i livsmedelsindustrianläggningar, såsom golv, avlopp och ytor av livsmedel såsom kött, grönsaker och frukt, tillsammans med låg syraderivat mjölk.

Pseudomonas aeruginosa hemliga flera extracellulära substanser som används vid bildningen av polymerfilmen i biofilmen, vidhäftning till en stor mängd oorganiska material såsom rostfritt stål.

pseudomonas kan sameksistera inom biofilmen i samverkan med andra patogena bakterier såsom salmonella och Listeria.

salmonella spp.

Arten av salmonella är det första orsakssambandet till zoonoser av bakteriell etiologi och utbrott av mat-toxoinfektion.

Vetenskapliga studier har visat det salmonella kan klara sig i form av biofilmer, på ytor av cement, stål och plast, av anläggningar för livsmedelsförädlingsanläggningar.

Arten av salmonella De har ytstrukturer med vidhäftande egenskaper. Dessutom producerar det cellulosa som en extracellulär substans, vilken är huvudkomponenten i polymermatrisen.

Escherichia coli

Det använder flagella och membranproteiner i det inledande steget för biofilmbildning. Det producerar också extracellulär cellulosa för att generera den tredimensionella gitteret i matrisen i biofilmen.

Resistens av biofilmer till desinfektionsmedel, bakteriedödande medel och antibiotika

Biofilms erbjuder skydd mot mikroorganismerna som gör det lättare för desinfektionsmedel, bakteriedödande medel och antibiotika. Mekanismerna som tillåter denna funktion är följande:

  • Fördröjd penetration av det antimikrobiella medlet genom den tredimensionella matrisen av biofilmen genom mycket långsam diffusion och svårighet att nå den effektiva koncentrationen.
  • Ändrad tillväxthastighet och låg metabolism av mikroorganismer i biofilmen.
  • Förändringar i mikroorganismernas fysiologiska reaktioner under biofilmtillväxt, med uttryck av förändrade resistensgener.

referenser

  1. Bakteriella biofilmer. (2008). Aktuella ämnen inom mikrobiologi och immunologi. Tony Romeo Editor. Vol. 322. Berlin, Hannover: Springer Verlag. pp301.
  2. Donlan, R.M. och Costerton, J.W. (2002). Biofilmer: överlevnadsmekanismer av kliniskt relevanta mikroorganismer. Klinisk mikrobiologi Recensioner.15 (2): 167-193. doi: 10,1128 / CMR.15.2.167-193.2002
  3. Fleming, H.C. och Wingender, F. (2010). Biofilmmatrisen. Naturrecensioner Mikrobiologi. 8: 623-633.
  4. Gorbushina, A. (2007). Livet på klipporna. Miljömikrobiologi. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
  5. O'Toole, G., Kaplan, H.B. och Kolter, R. (2000). Biofilmbildning som mikrobiell utveckling. Årlig granskning av mikrobiologi.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
  6. Hall-Stoodley, L., Costerton, J.W. och Stoodley, P. (2004). Bakteriella biofilmer: från den naturliga miljön till infektionssjukdomar. Naturrecensioner Mikrobiologi. 2: 95-108.
  7. Whitchurch, C. B., Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. och Mattick, J. (2002). Extracellulärt DNA som krävs för bakteriell biofilmbildning. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487