БИОФИЛМИ: КАРАКТЕРИСТИКЕ, ФОРМАЦИЈА, ВРСТЕ И ПРИМЕРИ - БИОЛОГИЈА - 2025

У биофилмове или биофилмове су заједнице микроорганизама везаних за површину, живе у матрици екстрацелуларног полимерне супстанце само - генерисани. Првотно их је описао Антоине вон Лееувенхоек, када је прегледао "анималцулес" (тако је тако назван по њему), на плочи са материјалима из властитих зуба у 17. веку.

Теорија која концептуализира биофилмове и описује њихов процес настајања, развијена је тек 1978. Откривено је да способност микроорганизама да формирају биофилме изгледа универзална.

Слика 1. Биофилм који производи Стапхилоцоццус ауреус у катетеру. Извор: ЦДЦ / др Роднеи М. Донлан; Јанице Царр (ПХИЛ # 7488), 2005. путем хттпс://цоммонс.викимедиа.орг

Биофилми могу постојати у различитим окружењима као што су природни системи, аквадукти, резервоари за складиштење воде, индустријски системи, као и у широком спектру медија као што су медицински уређаји и уређаји за постојаност пацијената у болници (на пример, катетери).

Употребом скенирајуће електронске микроскопије и конфокалне скенирајуће ласерске микроскопије откривено је да биофилми нису хомогене, неструктуриране наслаге ћелија и акумулираног муља, већ прилично сложене хетерогене структуре.

Биофилми су сложене заједнице повезаних ћелија на површини, уграђене у високо хидрирану полимерну матрицу чија вода циркулише кроз отворене канале у структури.

Многи организми који су успели да преживе милион година у окружењу, на пример, родови Псеудомонас и Легионелла, користе биофилмску стратегију у окружењима која нису њихова матична окружења.

Карактеристике биофилма

Хемијске и физичке карактеристике матрице биофилма

-Полимерне изванћелијске материје које излучују биофилм микроорганизми, полисахаридни макромолекули, протеини, нуклеинске киселине, липиди и други биополимери, углавном високо хидрофилни молекули, прелазе у формирање тродимензионалне структуре која се назива матрицом биофилма.

-Структура матрице је врло вискоеластична, има својства гуме, отпорна је на вучу и механичке провале.

-Матрикс има могућност лепљења на површинама интерфејса, укључујући унутрашње просторе порозних медија, путем ванћелијских полисахарида који делују као адхезивне десни.

-Полимерна матрица је претежно анионска и укључује неорганске материје као што су катиони метала.

-Има водене канале кроз које циркулишу кисеоник, хранљиве материје и отпадне материје које се могу рециклирати.

-Ова матрица биофилма делује као средство заштите и преживљавања против неповољних окружења, препрека против фагоцитних освајача и против уласка и дифузије дезинфекцијских средстава и антибиотика.

Екофизиолошке карактеристике биофилма

- Формирањем матрикса у нехомогеним градијентима настају разни микрохабитати, што омогућава биодиверзитету у биофилму.

-У току матрице, облик ћелијског живота се радикално разликује од слободног живота, није повезан. Микроорганизми биофилма су имобилизирани, врло близу једни другима, повезани у колонијама; ова чињеница омогућава да се догоде интензивне интеракције.

- Интеракције између микроорганизама у биофилму укључују комуникацију кроз хемијске сигнале у коду који се назива „кворум сензор“.

- Постоје и друге важне интеракције, као што су трансфер гена и формирање синергистичких микро-конзорцијума.

-Фенотип биофилма може се описати терминима гена које експримирају повезане ћелије. Овај фенотип је измењен у односу на брзину раста и транскрипцију гена.

-Организми унутар биофилма могу преписати гене који не преписују своје планктонске или слободне животне облике.

- Процес формирања биофилма регулише се специфичним генима, који су преписани током почетне адхезије ћелије.

-У скученом простору матрице постоје механизми сарадње и такмичења. Конкуренција ствара сталну адаптацију у биолошкој популацији.

- Ствара се колективни спољни систем за варење који задржава ванћелијске ензиме у близини ћелија.

-Овај ензимски систем омогућава да одваја, накупља и метаболизује, растворене, колоидне и / или суспендоване храњиве материје.

- Матрица функционише као заједничко спољно рециклажно подручје, складиштење компоненти лизираних ћелија, а уједно служи и као колективна генетска архива.

-Биофилм функционише као заштитна структурна баријера против промена у окружењу као што су исушивање, деловање биоцида, антибиотика, имунолошки одговор домаћина, оксидациона средства, метални катиони, ултраљубичасто зрачење и такође је одбрана против многих грабежљиваца, попут фагоцитних протозоа и инсеката.

- Матрица биофилма представља јединствено еколошко окружење за микроорганизме, које омогућава динамичан начин живота биолошкој заједници. Биофилми су прави микроекосистеми.

Формирање биофилма

Формирање биофилма процес је у којем микроорганизми прелазе из слободног живота, једноћелијског, номадског стања у вишећелијско седентарно стање, при чему накнадни раст производи структуриране заједнице са ћелијском диференцијацијом.

Развој биофилма настаје као одговор на ванћелијске сигнале из околине и на сопствене производе.

Истраживачи који су проучавали биофилмове слажу се да је могуће конструисати генерализовани хипотетички модел који ће објаснити њихово настајање.

Овај модел формирања биофилма састоји се од 5 фаза:

1. Почетно пријањање на површину.
2. Формирање једнослоја.
3. Миграција ради стварања вишеслојних микроколонија.
4. Израда полимерне ванћелијске матрице.
5. Сазревање тродимензионалног биофилма.

Слика 2. Процес формирања биофилма. Извор: Д. Давис, путем Викимедиа Цоммонс

Почетно пријањање на површину

Формирање биофилма започиње почетним пријањањем микроорганизама на чврсту површину, где су имобилизирани. Откривено је да микроорганизми имају површинске сензоре и да површински протеини учествују у формирању матрикса.

У непокретним организмима, када су услови животне средине повољни, производња адхезива на њиховој спољној површини повећава се. На тај начин повећава својство адхезије ћелије и ћелије.

У случају мобилних врста, појединачни микроорганизми налазе се на површини и то је полазна основа за радикалну промену у њиховом начину живота од номадски слободног мобилног, до седећег, готово седећег.

Способност кретања се, дакле, губи током формирања матрикса, поред адхезивних материја учествују и различите структуре попут флагела, цилија, пилуса и фимбрије.

Тада се у оба случаја (покретни и немобилни микроорганизми) формирају мали агрегати или микроколоније и ствара се интензивнији контакт ћелија-ћелија; адаптивне фенотипске промене на ново окружење дешавају се у кластерисаним ћелијама.

Формирање једнослоја и микроколонија у вишеслојним слојевима

Почиње производња ванћелијских полимерних супстанци, долази до почетне формације у једнослојном слоју и каснијег развоја у вишеслојном.

Израда полимерног ванћелијског матрикса и сазревање тродимензионалног биофилма

Коначно, биофилм достиже фазу зрелости, са тродимензионалном архитектуром и присуством канала кроз које циркулишу вода, хранљиве материје, комуникационе хемикалије и нуклеинске киселине.

Матрица биофилма задржава ћелије и држи их заједно, промовишући висок степен интеракције међућелијске комуникације и формирања синергистичких конзорција. Ћелије биофилма нису у потпуности имобилизоване, могу се кретати унутар њега и такође се одвајају.

Врсте биофилма

Број врста

Према броју врста које учествују у биофилму, последње се могу сврстати у:

• Биофилми врсте. На пример, биофилми формирани од Стрептоцоццус мутанс или Веллионела парвула.
• Биофилми две врсте. На пример, откривена је и повезаност Стрептоцоццус мутанс и Веллионелла парвула у биофилмовима.
• Полимикробни биофилми сачињени од многих врста . На пример, зубни плак.

Окружење за тренинг

Такође, у зависности од окружења у коме се формирају, биофилми могу бити:

• Природна
• Индустриал
• Домаће
• Гостопримљив

Слика 3. Биофилми термофилних бактерија у Мицкеи Хот Спрингсу, Орегон, САД. Извор: Аматериа1121, из Викимедиа Цоммонс

Тип интерфејса где се генеришу

С друге стране, према врсти интерфејса на коме су формирани, могуће их је класификовати у:

• Чврсти и течни интерфејс биофилми , попут оних формираних у аквадуктима и цистернама, цевима и резервоарима за воду уопште.
• Биофилми на интерфејсу са чврстим гасом (САБ за кратицу на енглеском Суб Аереал Биофилмс); које су микробне заједнице које се развијају на чврстим минералним површинама, директно изложене атмосфери и сунчевом зрачењу. Налазе се међу зградама, голим пустињским стијенама, планинама, између осталог.

Примери биофилма

-Дентални плак

Зубна плоча проучавана је као занимљив пример сложене заједнице која живи у биофилмима. Биофилми зубних плоча су чврсти и нееластични, због присуства анорганских соли, које дају чврстину полимерном матриксу.

Микроорганизми зубног плака су веома разнолики и у биофилму постоји између 200 и 300 повезаних врста.

Међу ове микроорганизме спадају:

• Род Стрептоцоццус ; сачињена од киселих бактерија које деминерализирају цаклину и дентин и иницирају зубни каријес. На пример, врсте: мутани, С. собринус, С. сангуис, С. саливалис, С. митис, С. оралис и С. миллери.
• Род Лацтобациллус , састављен од ацидофилних бактерија које денатурирају протеине дентина. На пример, врсте: цасеи, Л. ферментум, Л. ацидопхиллус.
• Род Ацтиномицес , који су кисели и протеолитички микроорганизми. Међу њима су врсте: вискозни, А. одонтолитицус и А. наеслундии.
• И други родови , као што су: Цандида албицанс, Бацтероидес форситхус, Порпхиромонас гингивалис и Ацтинобациллус ацтиномицетецомитанс.

-Биофилми у црној води

Други занимљив пример су кућне отпадне воде, где нитрирајуће микроорганизми који оксидирају амонијум, нитрит и аутотрофне нитрификационе бактерије живе у биофилима причвршћеним на цеви.

Међу амонијум оксидирајућим бактеријама у тим биофилмима бројчано су доминантне врсте из рода Нитросомонас, распоређене у матрици биофилма.

Већинске компоненте у групи нитрит-оксиданса су оне рода Нитроспира, које се налазе само у унутрашњем делу биофилма.

- Субаерие биофилми

Подземне биофилмове карактерише патуљасти раст на чврстим минералним површинама, попут стена и градских зграда. Ови биофилми представљају доминантна удружења гљивица, алги, цијанобактерија, хетеротрофних бактерија, протозоја, као и микроскопских животиња.

Посебно, САБ биофилми поседују хемитотротрофне микроорганизме, који су способни да користе неорганске минералне хемикалије као изворе енергије.

Цхемолитхотропхиц микроорганизми имају способност да оксидира неорганска једињења попут Х ₂ , НХ ₃ , НО ₂ , С, ХС, Фе ²⁺ и искористи потенцијалне електричне енергије произведене оксидације у својим метаболизмом.

Међу микробним врстама које су присутне у суфиералним биофилмима су:

• Бактерије рода Геодерматопхилус; цијанобактерије из рода Ц хроцоццоццидиопсис, кокоидне и нитасте врсте као што су Цалотхрик, Глоеоцапса, Ностоц, Стигонема, Пхормидиум,
• Зелене алге родова Цхлорелла, Десмоцоццус, Пхицопелтис, Принтзина, Требоукиа, Трентепохлиа и Стицхоцоццус.
• Хетеротрофне бактерије (доминантне у суфиералним биофилмима): Артхробацтер сп., Бациллус сп., Мицроцоццус сп., Паенибациллус сп., Псеудомонас сп. и Рходоцоццус сп.
• Хемоорганотрофне бактерије и гљивице, попут Ацтиномицеталес (стрептомицете и Геодерматопхилацеае), протеобактерије, актинобактерије, Ацидобацтериа и Бацтероидес-цитопхага-Флавобацтериум.

-Био филмови узрочника људских болести

Многе бактерије познате као узрочници људских болести живе у биофилмима. Међу њима су: Вибрио колере, Вибрио парахаемолитицус, Вибрио фисцхери, Веллионела парвула, Стрептоцоццус мутанс и Легионелла пнеумопхила.

-Куга

Интересантно је преношење бубонске куге убодом бува, релативно недавна адаптација бактеријског агенса одговорног за ову болест, Иерсиниа пестис.

Ова бактерија расте као биофилм везан на векторски горњи систем за варење (бува). Током угриза, бува регургитира биофилм који садржи Иерсиниа пестис у дермису, покрећући на тај начин инфекцију.

-Хосспитални венски катетери

Организми изолирани из биофилма на експлицитним централним венским катетерима укључују задивљујуће низ грам-позитивних и грам-негативних бактерија, као и других микроорганизама.

Неколико научних студија наводи да су грам-позитивне бактерије биофилма у венским катетерима: Цоринебацтериум спп., Ентероцоццус сп., Ентероцоццус фаецалис, Ентероцоццус фаециум, Стапхилоцоццус спп., Стапхилоцоццус ауреус, Стапхилоцоццус епидермидис, Стппрептоцоццус. и Стрептоцоццус пнеумониае.

Између грам-негативних бактерија изолованих из ових биофилма наводе се: Ацинетобацтер спп., Ацинетобацтер цалцоацетицус, Ацинетобацтер анитратус, Ентеробацтер цлоацае, Ентеробацтер аерогенс, Есцхерицхиа цоли, Клебсиелла пнеумониае, Клебсиелла окитоца, Псеуднаснас, Псеудомонас. . и Серратиа марцесценс.

Остали организми који се налазе у овим биофилмима су: Цандида спп., Цандида албицанс, Цандида тропицалис и Мицобацтериум цхелонеи.

-У индустрији

Што се тиче рада индустрије, биофилми стварају препреке на цеви, оштећења опреме, сметње у процесима као што су преношење топлоте при прекривању површина измењивача или корозија металних делова.

Прехрамбена индустрија

Формирање филмова у прехрамбеној индустрији може створити значајне јавне здравствене и оперативне проблеме.

Придружени патогени у биофилима могу контаминирати прехрамбене производе патогеним бактеријама и изазвати озбиљне проблеме јавног здравља за потрошаче.

Међу биофилима патогена повезаних са прехрамбеном индустријом су:

Листериа моноцитогенес

Овај патоген користи у почетној фази формирања биофилма, флагела и мембранских протеина. Формира биофилмове на челичним површинама машина за резање.

У млечној индустрији, биофилми Листериа моноцитогенес могу се произвести у течном млеку и млечним производима. Млечни остаци у цевима, резервоарима и контејнерима и другим уређајима погодују развоју биофилма овог патогена који их користе као доступне храњиве материје.

Псеудомонас

Биофилми ових бактерија могу се наћи у објектима прехрамбене индустрије, попут подова, одвода и на површинама хране као што су месо, поврће и воће, као и нискокиселински деривати млека.

Псеудомонас аеругиноса излучује неколико ванћелијских супстанци које се користе у формирању полимерног матрикса биофилма, придржавајући се велике количине неорганских материјала, као што је нехрђајући челик.

Псеудомонас може постојати унутар биофилма заједно са другим патогеним бактеријама, као што су Салмонелла и Листериа.

Салмонела

Врсте салмонеле су прво узрочник зооноза бактеријске етиологије и избијања тровања храном.

Научне студије су показале да се салмонела може држати као биофилми на бетонским, челичним и пластичним површинама у постројењима за прераду хране.

Врсте салмонеле поседују површинске структуре са адхезивним својствима. Поред тога, производи се целулоза као ванћелијска супстанца, која је главна компонента полимерног матрикса.

Есцхерицхиа цоли

Користи флагеле и мембранске протеине у почетном кораку формирања биофилма. Такође производи ванћелијску целулозу да би створио тродимензионални оквир матрикса у биофилму.

Отпорност биофилма на дезинфекциона средства, гермициде и антибиотике

Биофилми нуде заштиту микроорганизмима који их чине, дејству дезинфицијенса, гермицида и антибиотика. Механизми који омогућавају ову функцију су следећи:

• Одложено продирање антимикробног средства кроз тродимензионални матрикс биофилма, услед врло спорог дифузије и тешкоћа у постизању ефективне концентрације.
• Промењена стопа раста и низак метаболизам микроорганизама у биофилму.
• Промене физиолошких реакција микроорганизама током раста биофилма, уз измењену експресију гена отпорности.

Референце

1. Бактеријски биофилми. (2008). Актуелне теме из микробиологије и имунологије. Тони Ромео Едитор. Свезак 322. Берлин, Хановер: Спрингер Верлаг. пп301.
2. Донлан, РМ и Цостертон, ЈВ (2002). Биофилми: механизми преживљавања клинички релевантних микроорганизама. Прегледи клиничке микробиологије. 15 (2): 167-193. дои: 10.1128 / ЦМР.15.2.167-193.2002
3. Флеминг, ХЦ и Вингендер, Ф. (2010). Матрица биофилма. Прегледи природе Микробиологија. 8: 623-633.
4. Горбушина, А. (2007). Живот на стенама. Микробиологија животне средине. 9 (7): 1-24. дои: 10.1111 / ј.1462-2920.2007.01301.к
5. О'Тооле, Г., Каплан, ХБ и Колтер, Р. (2000). Формирање биофилма као развој микроба. Годишњи преглед микробиологије.54: 49-79. дои: 1146 / аннурев.мицробиол.54.1.49
6. Халл-Стоодлеи, Л., Цостертон, ЈВ и Стоодлеи, П. (2004). Бактеријски биофилми: од природног окружења до заразних болести. Прегледи природе Микробиологија. 2: 95-108.
7. Вхитцхурцх, ЦБ, Толкер-Ниелсен, Т., Рагас, П. и Маттицк, Ј. (2002). Изванстанична ДНК потребна за стварање бактеријских биофилма. 259 (5559): 1487-1499. дои: 10.1126 / наука.295.5559.1487