Eigenschaften, Bildung, Typen und Beispiele von Biofilmen

Das Biofilme oder Biofilme Sie sind Gemeinschaften von Mikroorganismen, die an einer Oberfläche haften und in einer selbst erzeugten Matrix extrazellulärer polymerer Substanzen leben. Sie wurden ursprünglich von Antoine von Leeuwenhoek beschrieben, als er im 17. Jahrhundert die "von ihm so benannten" Tierkapseln "auf einer Materialplatte aus eigenen Zähnen untersuchte..

Die Theorie, die Biofilme konzeptualisiert und ihren Entstehungsprozess beschreibt, wurde erst 1978 entwickelt. Es wurde entdeckt, dass die Fähigkeit von Mikroorganismen, Biofilme zu bilden, universell zu sein scheint..

Biofilme können in so unterschiedlichen Umgebungen wie natürlichen Systemen, Aquädukten, Wasserspeichertanks, industriellen Systemen sowie in einer Vielzahl von Medien wie medizinischen Geräten und Geräten für die Dauerhaftigkeit von Krankenhauspatienten (wie z. B. Kathetern) vorhanden sein..

Durch den Einsatz von Rasterelektronenmikroskopie und konfokaler Rasterlasermikroskopie wurde entdeckt, dass Biofilme keine homogenen, unstrukturierten Ablagerungen von Zellen und angesammeltem Schlick sind, sondern komplexe heterogene Strukturen..

Biofilme sind komplexe Gemeinschaften assoziierter Zellen auf einer Oberfläche, die in einer hoch hydratisierten Polymermatrix eingeschlossen sind, deren Wasser durch offene Kanäle der Struktur zirkuliert..

Viele Organismen, die Millionen von Jahren erfolgreich in der Umwelt überlebt haben, zum Beispiel Arten der Gattungen Pseudomonas Y. Legionellen, Verwenden Sie die Biofilmstrategie in anderen Umgebungen als den nativen Umgebungen.

Artikelverzeichnis

• 1 Eigenschaften von Biofilmen
  • 1.1 Chemische und physikalische Eigenschaften der Biofilmmatrix
  • 1.2 Ökophysiologische Eigenschaften von Biofilmen
• 2 Biofilmbildung
  • 2.1 Anfängliche Haftung an der Oberfläche
  • 2.2 Bildung einer Monoschicht und von Mikrokolonien in Mehrfachschichten
  • 2.3 Herstellung der polymeren extrazellulären Matrix und Reifung des dreidimensionalen Biofilms
• 3 Arten von Biofilmen
  • 3.1 Anzahl der Arten
  • 3.2 Trainingsumgebung
  • 3.3 Art der Schnittstelle, an der sie generiert werden
• 4 Beispiele für Biofilme
  • 4.1-Zahnbelag
  • 4.2 -Biofilme in Schwarzwasser
  • 4.3 - subaeriale Biofilme
  • 4.4 -Biofilme von Erregern menschlicher Krankheiten
  • 4.5-Beulenpest
  • 4.6-Krankenhausvenenkatheter
  • 4.7 -In der Industrie
• 5 Resistenz von Biofilmen gegen Desinfektionsmittel, Germizide und Antibiotika
• 6 Referenzen

Biofilmeigenschaften

Chemische und physikalische Eigenschaften der Biofilmmatrix

-Polymere extrazelluläre Substanzen, die von Biofilm-Mikroorganismen, Polysaccharid-Makromolekülen, Proteinen, Nukleinsäuren, Lipiden und anderen Biopolymeren, meist stark hydrophilen Molekülen, sekretiert werden, kreuzen sich und bilden eine dreidimensionale Struktur, die als Biofilm-Matrix bezeichnet wird..

-Die Matrixstruktur ist hochviskoelastisch, hat Kautschukeigenschaften, ist widerstandsfähig gegen Traktion und mechanischen Durchschlag.

-Die Matrix hat die Fähigkeit, an Grenzflächenoberflächen, einschließlich Innenräumen poröser Medien, durch extrazelluläre Polysaccharide zu haften, die als anhaftendes Zahnfleisch wirken..

-Die Polymermatrix ist überwiegend anionisch und enthält auch anorganische Substanzen wie Metallkationen..

-Es hat Wasserkanäle, durch die Sauerstoff, Nährstoffe und Abfallstoffe zirkulieren, die recycelt werden können..

-Diese Matrix des Biofilms dient als Schutz- und Überlebensmittel gegen widrige Umgebungen, als Barriere gegen phagozytische Eindringlinge sowie gegen den Eintritt und die Verbreitung von Desinfektionsmitteln und Antibiotika..

Ökophysiologische Eigenschaften von Biofilmen

-Die Bildung der Matrix in inhomogenen Gradienten erzeugt eine Vielzahl von Mikrohabitaten, wodurch die biologische Vielfalt innerhalb des Biofilms existieren kann..

-Innerhalb der Matrix unterscheidet sich die zelluläre Lebensform radikal vom freien, nicht assoziierten Leben. Die Biofilm-Mikroorganismen sind sehr nahe beieinander immobilisiert und in Kolonien assoziiert; Diese Tatsache ermöglicht intensive Wechselwirkungen.

-Zu den Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen im Biofilm gehört die Kommunikation über chemische Signale in einem Code, der als "Quorum Sensing" bezeichnet wird..

-Es gibt andere wichtige Wechselwirkungen wie den Gentransfer und die Bildung synergistischer Mikrokonsortien..

-Der Phänotyp des Biofilms kann anhand der von den assoziierten Zellen exprimierten Gene beschrieben werden. Dieser Phänotyp ist in Bezug auf Wachstumsrate und Gentranskription verändert.

-Organismen innerhalb des Biofilms können Gene transkribieren, die ihre planktonischen oder freien Lebensformen nicht transkribieren.

-Der Biofilmbildungsprozess wird durch spezifische Gene reguliert, die während der anfänglichen Zelladhäsion transkribiert werden.

-Auf engstem Raum der Matrix gibt es Kooperations- und Wettbewerbsmechanismen. Wettbewerb erzeugt eine ständige Anpassung in biologischen Populationen.

-Es wird ein kollektives externes Verdauungssystem erzeugt, das die extrazellulären Enzyme nahe an den Zellen hält.

-Dieses enzymatische System ermöglicht die Sequestrierung, Akkumulation und Metabolisierung von gelösten, kolloidalen und / oder suspendierten Nährstoffen.

-Die Matrix fungiert als gemeinsamer externer Recyclingbereich, als Lager für die Bestandteile lysierter Zellen, der auch als kollektives genetisches Archiv dient..

-Biofilm fungiert als strukturelle Schutzbarriere gegen Umweltveränderungen wie Austrocknung, Wirkung von Bioziden, Antibiotika, Immunantworten des Wirts, Oxidationsmittel, Metallkationen, ultraviolette Strahlung und ist auch eine Abwehr gegen viele Raubtiere wie phagozytische Protozoen und Insekten..

-Die Biofilmmatrix stellt eine einzigartige ökologische Umgebung für Mikroorganismen dar und ermöglicht der biologischen Gemeinschaft eine dynamische Lebensweise. Biofilme sind echte Mikroökosysteme.

Biofilmbildung

Die Biofilmbildung ist ein Prozess, bei dem Mikroorganismen von einem frei lebenden, einzelligen, nomadischen Zustand in einen mehrzelligen sitzenden Zustand übergehen, in dem das nachfolgende Wachstum strukturierte Gemeinschaften mit Zelldifferenzierung erzeugt.

Die Entwicklung von Biofilmen erfolgt als Reaktion auf extrazelluläre Umweltsignale und selbst erzeugte Signale.

Forscher, die Biofilme untersucht haben, sind sich einig, dass es möglich ist, ein verallgemeinertes hypothetisches Modell zu konstruieren, um ihre Entstehung zu erklären.

Dieses Modell der Biofilmbildung besteht aus 5 Stufen:

1. Anfängliche Haftung an der Oberfläche.
2. Bildung einer Monoschicht.
3. Migration zu mehrschichtigen Mikrokolonien.
4. Herstellung der polymeren extrazellulären Matrix.
5. Reifung des dreidimensionalen Biofilms.

Anfängliche Haftung an der Oberfläche

Die Biofilmbildung beginnt mit der anfänglichen Adhäsion von Mikroorganismen an die feste Oberfläche, wo sie immobilisiert werden. Es wurde entdeckt, dass Mikroorganismen Oberflächensensoren haben und dass Oberflächenproteine ​​an der Bildung der Matrix beteiligt sind.

Bei nicht mobilen Organismen nimmt bei günstigen Umgebungsbedingungen die Produktion von Adhäsinen auf ihrer äußeren Oberfläche zu. Auf diese Weise erhöht es seine Fähigkeit zur Zell-Zell- und Zelloberflächen-Adhäsion..

Bei mobilen Arten befinden sich einzelne Mikroorganismen auf einer Oberfläche, und dies ist der Ausgangspunkt für eine radikale Veränderung ihrer Lebensweise von nomadisch frei mobil zu sesshaft, fast sitzend.

Die Bewegungsfähigkeit geht verloren, da bei der Bildung der Matrix neben adhäsiven Substanzen auch verschiedene Strukturen wie Flagellen, Zilien, Pilus und Fimbrien beteiligt sind.

Dann werden in beiden Fällen (mobile und nicht mobile Mikroorganismen) kleine Aggregate oder Mikrokolonien gebildet und ein intensiverer Zell-Zell-Kontakt wird erzeugt; Adaptive phänotypische Veränderungen der neuen Umgebung treten in Clusterzellen auf.

Bildung einer Monoschicht und von Mikrokolonien in Mehrfachschichten

Die Produktion von extrazellulären polymeren Substanzen beginnt, die anfängliche Bildung in einer Monoschicht erfolgt und die anschließende Entwicklung in einer Mehrfachschicht.

Herstellung der polymeren extrazellulären Matrix und Reifung des dreidimensionalen Biofilms

Schließlich erreicht der Biofilm seinen Reifegrad mit einer dreidimensionalen Architektur und Kanälen, durch die Wasser, Nährstoffe, Kommunikationschemikalien und Nukleinsäuren zirkulieren..

Die Biofilmmatrix hält die Zellen zurück und hält sie zusammen, wodurch ein hohes Maß an Interaktion mit der interzellulären Kommunikation und die Bildung synergistischer Konsortien gefördert wird. Die Zellen des Biofilms sind nicht vollständig immobilisiert, sie können sich darin bewegen und sich auch ablösen.

Arten von Biofilmen

Anzahl der Arten

Nach der Anzahl der am Biofilm beteiligten Arten kann letzterer eingeteilt werden in:

• Biofilme einer Art. Zum Beispiel Biofilme aus Streptococcus mutans oder Vellionella parvula.
• Biofilme zweier Arten. Zum Beispiel die Assoziation von Streptococcus mutans Y. Vellionella parvula in Biofilmen.
• Polymikrobielle Biofilme, bestehend aus vielen Arten. Zum Beispiel Zahnbelag.

Trainingsumgebung

Abhängig von der Umgebung, in der sie gebildet werden, können Biofilme auch sein:

• Natürlich
• Industriell
• Inländisch
• Gastfreundlich

Art der Schnittstelle, an der sie generiert werden

Andererseits ist es abhängig von der Art der Schnittstelle, an der sie gebildet werden, möglich, sie zu klassifizieren in:

• Fest-Flüssig-Grenzflächen-Biofilme, wie diejenigen, die in Aquädukten und Tanks, Rohren und Wassertanks im Allgemeinen gebildet werden.
• Festgas-Grenzflächen-Biofilme (SAB für sein Akronym in English Sub Aereal Biofilms); Dies sind mikrobielle Gemeinschaften, die sich auf festen Mineraloberflächen entwickeln und direkt der Atmosphäre und der Sonnenstrahlung ausgesetzt sind. Sie sind unter anderem in Gebäuden, kahlen Wüstenfelsen und Bergen zu finden.

Beispiele für Biofilme

-Zahnbelag

Zahnbelag wurde als interessantes Beispiel für eine komplexe Gemeinschaft untersucht, die in Biofilmen lebt. Die Biofilme von Dentalplatten sind hart und nicht elastisch, da anorganische Salze vorhanden sind, die der Polymermatrix Steifheit verleihen..

Die Mikroorganismen von Zahnbelag sind sehr unterschiedlich und es gibt zwischen 200 und 300 assoziierte Arten im Biofilm.

Unter diesen Mikroorganismen sind:

• Das Geschlecht Streptococcus;; Es besteht aus sauren Bakterien, die Zahnschmelz und Dentin demineralisieren und Zahnkaries auslösen. Zum Beispiel die Art: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis Y. S. milleri.
• Das Geschlecht Lactobacillus, besteht aus acidophilen Bakterien, die Dentinproteine ​​denaturieren. Zum Beispiel die Art: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Das Geschlecht Actinomyces, das sind säurehaltige und proteolytische Mikroorganismen. Unter diesen sind die Arten: Viskosus, A. odontoliticus Y. A. naeslundii.
• Und andere Genres, Was: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis Y. Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilme im Abwasser

Ein weiteres interessantes Beispiel ist das häusliche Abwasser, in dem sie in an Rohren befestigten Biofilmen leben und Mikroorganismen nitrifizieren, die Ammonium, Nitrit und autotrophe nitrifizierende Bakterien oxidieren..

Unter den Ammonium oxidierenden Bakterien dieser Biofilme sind die numerisch dominanten Arten diejenigen der Gattung Nitrosomonas, verteilt in der Biofilmmatrix.

Die Hauptkomponenten innerhalb der Gruppe der Nitritoxidationsmittel sind diejenigen der Gattung Nitrospira, die sich nur im inneren Teil des Biofilms befinden.

-Subaeriale Biofilme

Subaerie-Biofilme zeichnen sich durch fleckiges Wachstum auf festen Mineraloberflächen wie Felsen und städtischen Gebäuden aus. Diese Biofilme weisen dominante Assoziationen von Pilzen, Algen, Cyanobakterien, heterotrophen Bakterien, Protozoen sowie mikroskopisch kleinen Tieren auf..

Insbesondere SAB-Biofilme besitzen chemolytotrophe Mikroorganismen, die in der Lage sind, anorganische Mineralchemikalien als Energiequellen zu verwenden..

Chemolithotrophe Mikroorganismen haben die Fähigkeit, anorganische Verbindungen wie H zu oxidieren_zwei, NH₃, NICHT_zwei, S, HS, Fe^zwei+ und nutzen Sie die Energie des elektrischen Potentialprodukts der Oxidationen in ihrem Stoffwechsel.

Zu den in subaerialen Biofilmen vorhandenen mikrobiellen Spezies gehören:

• Bakterien der Gattung Geodermatophilus; Cyanobakterien der Gattungen C.hrococcoccidiopsis, kokkoidale und filamentöse Arten wie Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Grünalgen der Gattungen Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia und Stichococcus.
• Heterotrophe Bakterien (dominant in subaerialen Biofilmen): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. und Rhodococcus sp.
• Chemoorganotrophe Bakterien und Pilze wie Actynomycetales (Streptomyceten und Geodermatophilaceae), Proteobakterien, Actinobakterien, Acidobakterien und Bacteroides-Cytophaga-Flavobacterium.

-Biofilme von Erregern menschlicher Krankheiten

Viele der Bakterien, die als Erreger menschlicher Krankheiten bekannt sind, leben in Biofilmen. Unter diesen sind: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionella parvula, Streptococcus mutans Y. Legionella pneumophyla.

-Beulenpest

Interessant ist die Übertragung der Beulenpest durch Flohbiss, eine relativ neue Anpassung des bakteriellen Erregers, der diese Krankheit verursacht., Yersinia pestis.

Dieses Bakterium wächst als Biofilm, der an den oberen Verdauungstrakt des Vektors (den Floh) gebunden ist. Während eines Bisses spuckt der Floh den Biofilm wieder aus Yersinia pestis in der Dermis und damit beginnt die Infektion.

-Krankenhausvenenkatheter

Aus Biofilm isolierte Organismen auf explantierten Zentralvenenkathetern umfassen eine erstaunliche Anzahl von grampositiven und gramnegativen Bakterien sowie andere Mikroorganismen..

Mehrere wissenschaftliche Studien berichten als grampositive Bakterien aus Biofilmen in Venenkathetern: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus Aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus spp. Y. Streptococcus pneumoniae.

Unter den aus diesen Biofilmen isolierten gramnegativen Bakterien wird Folgendes berichtet: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogene, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp., Providencia spp. Y. Serratia marcescens.

Andere in diesen Biofilmen gefundene Organismen sind: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis Y. Mycobacterium chelonei.

-In der Industrie

In Bezug auf den Betrieb der Industrie verursachen Biofilme Rohrverstopfungen, Geräteschäden, Störungen in Prozessen wie Wärmeübertragungen beim Abdecken von Wärmetauscheroberflächen oder Korrosion von Metallteilen..

Nahrungsmittelindustrie

Die Filmbildung in der Lebensmittelindustrie kann zu erheblichen betrieblichen und gesundheitlichen Problemen führen.

Assoziierte Krankheitserreger in Biofilmen können Lebensmittel mit pathogenen Bakterien kontaminieren und den Verbrauchern ernsthafte Probleme für die öffentliche Gesundheit verursachen.

Zu den Biofilmen von Krankheitserregern in der Lebensmittelindustrie gehören:

Listeria monocytogenes

Dieses Krankheitserreger verwendet im Anfangsstadium der Biofilmbildung Flagellen- und Membranproteine. Bildet Biofilme auf den Stahloberflächen von Schneidemaschinen.

In der Milchindustrie werden Biofilme von Listeria monocytogenes in flüssiger Milch und Milchprodukten. Milchrückstände in Rohren, Tanks, Behältern und anderen Geräten begünstigen die Entwicklung von Biofilmen dieses Erregers, die sie als verfügbare Nährstoffe verwenden..

Pseudomonas spp.

Biofilme dieser Bakterien können in Einrichtungen der Lebensmittelindustrie wie Fußböden, Abflüssen und auf der Oberfläche von Lebensmitteln wie Fleisch, Gemüse und Obst sowie säurearmen Derivaten von Milch gefunden werden.

Pseudomonas aeruginosa sezerniert verschiedene extrazelluläre Substanzen, die bei der Bildung der Polymermatrix des Biofilms verwendet werden und an einer großen Anzahl anorganischer Materialien wie Edelstahl haften.

Pseudomonas kann innerhalb des Biofilms in Verbindung mit anderen pathogenen Bakterien wie z Salmonellen Y. Listeria.

Salmonellen spp.

Die Arten von Salmonellen sind der erste Erreger von Zoonosen mit bakterieller Ätiologie und Ausbrüchen von Lebensmittel-Toxoinfektionen.

Wissenschaftliche Studien haben das gezeigt Salmonellen kann als Biofilm auf Beton-, Stahl- und Kunststoffoberflächen in Anlagen von Lebensmittelverarbeitungsbetrieben haften.

Die Arten von Salmonellen Sie haben Oberflächenstrukturen mit anhaftenden Eigenschaften. Zusätzlich produziert es Cellulose als extrazelluläre Substanz, die der Hauptbestandteil der Polymermatrix ist..

Escherichia coli

Es verwendet Flagellen- und Membranproteine ​​im ersten Schritt der Biofilmbildung. Es produziert auch extrazelluläre Cellulose, um das dreidimensionale Gitter der Matrix im Biofilm zu erzeugen..

Resistenz von Biofilmen gegen Desinfektionsmittel, Germizide und Antibiotika

Biofilme bieten Schutz für die Mikroorganismen, aus denen sie bestehen, sowie für die Wirkung von Desinfektionsmitteln, Germiziden und Antibiotika. Folgende Mechanismen ermöglichen diese Funktion:

• Verzögertes Eindringen des antimikrobiellen Mittels durch die dreidimensionale Matrix des Biofilms aufgrund der sehr langsamen Diffusion und der Schwierigkeit, die wirksame Konzentration zu erreichen.
• Veränderte Wachstumsrate und geringer Metabolismus von Mikroorganismen im Biofilm.
• Veränderungen der physiologischen Reaktionen von Mikroorganismen während des Biofilmwachstums mit veränderter Resistenzgenexpression.

Verweise

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