БІОПЛІВКИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, УТВОРЕННЯ, ВИДИ ТА ПРИКЛАДИ - БІОЛОГІЯ - 2025

У біоплівках або біоплівки є спільнотою мікроорганізмів , прикріплених до поверхні, що живе в матриці позаклітинної полімерних речовин самості - генеруватися. Спочатку вони були описані Антуаном фон Левенгуком, коли він оглянув "тваринних курей" (таким чином назвали його) на пластині з власних зубів у 17 столітті.

Теорія, яка концептуалізує біоплівки та описує процес їх утворення, була розроблена до 1978 р. Було виявлено, що здатність мікроорганізмів утворювати біоплівки видається універсальною.

Рисунок 1. Біоплівка, вироблена золотистим стафілококом в катетері. Джерело: CDC / Родні М. Донлан, к.е.н .; Джаніс Карр (PHIL № 7488), 2005. через https://commons.wikimedia.org

Біоплівки можуть існувати в таких різних середовищах, як природні системи, акведукти, резервуари для зберігання води, промислові системи, а також у широкому спектрі засобів масової інформації, таких як медичні пристрої та пристрої для пацієнтів лікарні (наприклад, катетери).

За допомогою використання скануючої електронної мікроскопії та конфокальної скануючої лазерної мікроскопії було виявлено, що біоплівки - це не однорідні, неструктуровані відкладення клітин та накопичений мул, а досить складні неоднорідні структури.

Біоплівки - це складні спільноти асоційованих клітин на поверхні, вбудованих у високогідратовану полімерну матрицю, вода якої циркулює по відкритих каналах у структурі.

Багато організмів, які успішно прожили мільйони років у навколишньому середовищі, наприклад, види родів Pseudomonas та Legionella, використовують стратегію біоплівки в інших середовищах, ніж їх рідні місцеві середовища.

Характеристика біоплівки

Хімічні та фізичні характеристики матриці біоплівки

-Полімерні позаклітинні речовини, що виділяються мікроорганізмами біоплівки, макромолекулами полісахаридів, білками, нуклеїновими кислотами, ліпідами та іншими біополімерами, в основному сильно гідрофільними молекулами, перетинаються, утворюючи тривимірну структуру, що називається матрицею біоплівки.

-Структура матриці відрізняється високою в'язкістю, має гумові властивості, стійка до тяги та механічних руйнувань.

-Матриця має здатність прилягати до інтерфейсних поверхонь, включаючи внутрішні простори пористих середовищ, через позаклітинні полісахариди, які виступають в якості прилягаючих ясен.

-Полімерна матриця є переважно аніонною і включає також неорганічні речовини, такі як катіони металів.

-У ньому є водні канали, по яких циркулюють кисень, поживні речовини та відходи, які можна переробити.

-Це матриця біоплівки працює як засіб захисту та виживання від несприятливих середовищ, бар'єр проти фагоцитарних загарбників та проти введення та дифузії дезінфікуючих засобів та антибіотиків.

Екофізіологічна характеристика біоплівки

-При утворенні матриці в неоднорідних градієнтах утворюються різноманітні мікроселища, що дозволяє біорізноманіттю існувати в біоплівці.

-З матрицею, життєва форма стільникового зв'язку докорінно відрізняється від вільного життя, не пов’язана. Мікроорганізми біоплівки іммобілізовані, дуже близькі один до одного, пов’язані в колоніях; цей факт дозволяє інтенсивно взаємодіяти.

-Взаємодія між мікроорганізмами в біоплівці включає зв'язок через хімічні сигнали в коді, який називається «кворум зондування».

-Є інші важливі взаємодії, такі як передача генів та формування синергетичних мікроконсорціумів.

-Фенотип біоплівки можна описати за допомогою генів, експресованих асоційованими клітинами. Цей фенотип змінюється щодо швидкості росту та транскрипції генів.

- Організми в біоплівці можуть транскрибувати гени, які не транскрибують їх планктонних або вільних форм життя.

- Процес утворення біоплівки регулюється певними генами, записаними під час початкової адгезії клітин.

-У обмеженому просторі матриці є механізми співпраці та конкуренції. Конкуренція породжує постійну адаптацію в біологічних популяціях.

-Створюється колективна зовнішня травна система, яка зберігає позаклітинні ферменти біля клітин.

-Це ферментативна система дозволяє секвеструвати, накопичувати та метаболізувати, розчинені, колоїдні та / або суспендовані поживні речовини.

-Матриця функціонує як загальна зовнішня зона переробки, зберігання компонентів лізованих клітин, а також служить колективним генетичним архівом.

-Біоплівка функціонує як захисний структурний бар'єр від змін навколишнього середовища, таких як десикація, дія біоцидів, антибіотиків, імунна реакція господаря, окислювачі, катіони металів, ультрафіолетове випромінювання, а також є захистом від багатьох хижаків, таких як фагоцитарні найпростіші та комахи.

-Матриця біоплівки являє собою унікальне екологічне середовище для мікроорганізмів, яке дозволяє динамічний спосіб життя біологічного співтовариства. Біоплівки - справжні мікроекосистеми.

Формування біоплівки

Утворення біоплівки - це процес, при якому мікроорганізми переходять від вільноживого, кочового одноклітинного стану до багатоклітинного малорухливого стану, де подальший ріст виробляє структуровані спільноти з клітинною диференціацією.

Розвиток біоплівки відбувається у відповідь на позаклітинні сигнали навколишнього середовища та на самогенеровані сигнали.

Дослідники, які вивчали біоплівки, сходяться на думці, що можна побудувати узагальнену гіпотетичну модель для пояснення їх формування.

Ця модель формування біоплівки складається з 5 етапів:

1. Початкове зчеплення з поверхнею.
2. Формування моношару.
3. Міграція для утворення багатошарових мікроколоній.
4. Виробництво полімерної позаклітинної матриці.
5. Дозрівання тривимірної біоплівки.

Малюнок 2. Процес утворення біоплівки. Джерело: Д. Девіс, через Wikimedia Commons

Початкове зчеплення з поверхнею

Утворення біоплівки починається з початкового прилипання мікроорганізмів до твердої поверхні, де вони іммобілізуються. Було виявлено, що мікроорганізми мають поверхневі датчики і що поверхневі білки беруть участь у формуванні матриці.

У нерухливих організмів, коли умови навколишнього середовища сприятливі, збільшується вироблення адгезинів на їх зовнішній поверхні. Таким чином він збільшує свою здатність до адгезії клітинних клітин та клітинної поверхні.

Що стосується рухомих видів, окремі мікроорганізми розташовані на поверхні, і це є відправною точкою до кардинальної зміни способу їх життя від кочового, малорухливого, майже безсильного мобільного.

Тому здатність рухатися втрачається в утворенні матриці, крім клейких речовин беруть участь різні структури, такі як джгутики, війки, пілюси та фімбрії.

Тоді в обох випадках (рухливі та немобільні мікроорганізми) утворюються невеликі агрегати або мікроколонії і утворюється більш інтенсивний контакт клітин-клітин; адаптовані фенотипічні зміни до нового середовища відбуваються в кластеризованих клітинах.

Формування одношарових і мікроколоній у багатошарових

Починається виробництво позаклітинних полімерних речовин, відбувається початкове утворення в моношарі та подальший розвиток у багатошарових.

Виробництво полімерної позаклітинної матриці та дозрівання тривимірної біоплівки

Нарешті, біоплівка досягає своєї стадії зрілості, має тривимірну архітектуру та наявність каналів, по яких циркулює вода, поживні речовини, хімічні речовини зв'язку та нуклеїнові кислоти.

Матриця біоплівки утримує клітини і утримує їх разом, сприяючи високому ступені взаємодії з міжклітинним зв’язком та формуванню синергетичних консорціумів. Клітини біоплівки повністю не іммобілізуються, вони можуть переміщатися всередині неї, а також відшаровуватися.

Види біоплівки

Кількість видів

За кількістю видів, що беруть участь у біоплівці, останні можна класифікувати на:

• Біоплівки виду. Наприклад, біоплівки, утворені Streptococcus mutans або Vellionela parvula.
• Біоплівки двох видів. Наприклад, виявлено асоціацію Streptococcus mutans та Vellionella parvula в біоплівках.
• Полімікробні біоплівки, що складаються з багатьох видів . Наприклад, зубний наліт.

Навчальне середовище

Також залежно від середовища, де вони утворюються, біоплівки можуть бути:

• Природні
• Промислові
• Вітчизняний
• Гостинна

Малюнок 3. Біоплівки термофільних бактерій у Міккі Хот-Спрінгз, штат Орегон, США. Джерело: Amateria1121, з Wikimedia Commons

Тип інтерфейсу, де вони генеруються

З іншого боку, відповідно до типу інтерфейсу, де вони формуються, їх можна класифікувати на:

• Тверда-рідка біофільми інтерфейсу , такі як ті, що утворюються в акведуках і цистернах, трубах і резервуарах для води взагалі.
• Біофільми інтерфейсу твердого газу (SAB за його абревіатурою англійською мовою Sub Aereal Biofilms); які є мікробними спільнотами, що розвиваються на твердих мінеральних поверхнях, безпосередньо піддаються впливу атмосфери та сонячної радіації. Вони зустрічаються в будівлях, голих пустельних скелях, горах, серед інших.

Приклади біоплівки

-З зубний наліт

Зубний наліт вивчений як цікавий приклад складної спільноти, яка живе в біоплівках. Біоплівки зубних пластинок тверді та нееластичні, завдяки наявності неорганічних солей, які надають жорсткість полімерному матриксу.

Мікроорганізми зубного нальоту дуже різноманітні і в біоплівці є від 200 до 300 асоційованих видів.

Серед цих мікроорганізмів є:

• Рід Streptococcus ; складається з кислих бактерій, які демінералізують емаль і дентин, і ініціюють карієс зубів. Наприклад, види: мутани, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis та S. milleri.
• Рід Lactobacillus , що складається з ацидофільних бактерій, денатурирующих білки дентину. Наприклад, види: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Рід Actinomyces - це кислотні та протеолітичні мікроорганізми. Серед них види: в'язка, A. odontoliticus та A. naeslundii.
• І інші пологи , такі як: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis та Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Біофільми в чорній воді

Ще один цікавий приклад - побутові стічні води, де нітрифікуючі мікроорганізми, що окислюють амоній, нітрити та автотрофні нітрифікуючі бактерії, мешкають у біоплівках, приєднаних до труб.

Серед окислюючих амонієм бактерій цих біоплівки чисельно домінуючими є види роду Nitrosomonas, поширені по всій матриці біоплівки.

Більшість компонентів групи нітритових окислювачів - це рід Нітроспіри, які розташовані лише у внутрішній частині біоплівки.

- Підфільми біоплівки

Біоплівки для підмайстрів характеризуються плямистим зростанням на твердих мінеральних поверхнях, таких як скелі та міські будівлі. Ці біоплівки є домінуючими асоціаціями грибів, водоростей, ціанобактерій, гетеротрофних бактерій, найпростіших, а також мікроскопічних тварин.

Зокрема, біоплівки SAB мають хемолітротрофні мікроорганізми, здатні використовувати неорганічні мінеральні хімічні речовини як джерела енергії.

Хемолітотрофні мікроорганізми мають здатність окислювати неорганічні сполуки, такі як H ₂ , NH ₃ , NO ₂ , S, HS, Fe ²⁺ та використовувати переваги електричної потенціальної енергії, що виробляється окисленнями в їх метаболізмах.

Серед мікробних видів, присутніх у підфільтрованих біоплівках, є:

• Бактерії роду Geodermatophilus; ціанобактерії родів C hrococcoccidiopsis, коккоїдні та нитчасті види, такі як Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Зелені водорості родів Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia і Stichococcus.
• Гетеротрофні бактерії (домінуючі в підфільтрових біоплівках): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. і Rhodococcus sp.
• Хемоорганотрофні бактерії та грибки, такі як Actynomycetales (стрептоміцети та Geodermatophilaceae), протеобактерії, актинобактерії, ацидобактерії та бактероїди-цитофага-флавобактерії.

-Біо-фільми збудників захворювань людини

Багато бактерій, відомих як збудники хвороб людини, живуть у біоплівках. Серед них: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans та Legionella pneumophyla.

-Бубонна чума

Представляє інтерес передача бубонної чуми при укусі блохи, відносно недавня адаптація бактеріального агента, відповідального за це захворювання, Yersinia pestis.

Ця бактерія росте як біоплівка, приєднана до верхньої травної системи вектора (блоха). Під час укусу блоха регургітує біоплівку, що містить в дермі Yersinia pestis, тим самим ініціюючи інфекцію.

-Госпітальні венозні катетери

Організми, виділені з біоплівки на пояснених центральних венозних катетерах, включають дивовижний масив грампозитивних та грамнегативних бактерій, а також інших мікроорганізмів.

Кілька наукових досліджень повідомляють про грампозитивні бактерії біоплівки у венозних катетерах: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Stppreptococcus. і Streptococcus pneumoniae.

Серед грамнегативних бактерій, виділених з цих біоплівки, повідомляються про такі: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Aeterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudnasnas, Pseudnasnas. . і Serratia marcescens.

Іншими організмами, які містяться в цих біоплівках, є: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis та Mycobacterium chelonei.

-У галузі

Що стосується роботи галузі, біоплівки створюють перешкоди для труб, пошкодження обладнання, втручання в такі процеси, як передача тепла при покритті поверхонь обмінників або корозія металевих деталей.

Харчова промисловість

Формування фільмів у харчовій промисловості може створити значні проблеми у сфері охорони здоров’я та експлуатації.

Асоційовані збудники в біоплівках можуть забруднювати харчові продукти патогенними бактеріями та спричиняти серйозні проблеми у сфері охорони здоров'я у споживачів.

Серед біоплівки збудників хвороб, пов'язаних з харчовою промисловістю, є:

Listeria monocytogenes

Цей збудник використовує на початковій стадії формування біоплівки, джгутикові та мембранні білки. Формує біоплівки на сталевих поверхнях машин для нарізки.

У молочній промисловості біоплівки Listeria monocytogenes можуть вироблятися у рідкому молоці та молочних продуктах. Залишки молочних продуктів у трубах, резервуарах, контейнерах та інших пристроях сприяють розвитку біоплівки цього збудника, який використовує їх як доступні поживні речовини.

Псевдомонас

Біоплівки цих бактерій можна знайти в приміщеннях харчової промисловості, таких як підлоги, стоки та на харчових поверхнях, таких як м'ясо, овочі та фрукти, а також низькокислотні похідні молока.

Pseudomonas aeruginosa виділяє кілька позаклітинних речовин, які використовуються при формуванні полімерної матриці біоплівки, прилягаючи до великої кількості неорганічних матеріалів, таких як нержавіюча сталь.

Псевдомонаси можуть співіснувати в біоплівці разом з іншими патогенними бактеріями, такими як сальмонела та лістерія.

Сальмонела

Види сальмонели є першим збудником зоонозів бактеріальної етіології та спалахів харчових отруєнь.

Наукові дослідження показали, що сальмонела може приєднуватися як біоплівки до бетонних, сталевих та пластикових поверхонь на підприємствах харчової промисловості.

Види сальмонел мають поверхневі структури з прилеглими властивостями. Крім того, він виробляє целюлозу як позаклітинну речовину, яка є основним компонентом полімерної матриці.

Кишкова паличка

Він використовує джгутикові та мембранні білки на початковому етапі формування біоплівки. Він також виробляє позаклітинну целюлозу для створення тривимірної рамки матриці в біоплівці.

Стійкість біоплівки до дезінфікуючих засобів, герміцидів та антибіотиків

Біоплівки забезпечують захист мікроорганізмів, що їх складають, проти дії дезінфікуючих засобів, герміцидів та антибіотиків. Механізми, що дозволяють використовувати цю функцію, такі:

• Затримка проникнення антимікробного агента через тривимірну матрицю біоплівки через дуже повільну дифузію та труднощі досягнення ефективної концентрації.
• Змінена швидкість росту і низький метаболізм мікроорганізмів у біоплівці.
• Зміни фізіологічних реакцій мікроорганізмів під час росту біоплівки із зміною експресії гена резистентності.

Список літератури

1. Бактеріальні біоплівки. (2008). Актуальні теми з мікробіології та імунології. Тоні Ромео Редактор. Т. 322. Берлін, Ганновер: Спрінгер Верлаг. pp301.
2. Donlan, RM and Costerton, JW (2002). Біоплівки: механізми виживання клінічно значущих мікроорганізмів. Огляди клінічної мікробіології. 15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Флемінг, ХК та Вінгендер, Ф. (2010). Матриця біоплівки. Мікробіологія природи. 8: 623-633.
4. Горбушина, А. (2007). Життя на скелях. Мікробіологія навколишнього середовища. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
5. O'Toole, G., Kaplan, HB та Kolter, R. (2000). Формування біоплівки як розвиток мікробів. Щорічний огляд мікробіології.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
6. Холл-Стодлі, Л., Костертон, Дж. У. та Стодлі, П. (2004). Бактеріальні біоплівки: від природного середовища до інфекційних захворювань. Мікробіологія природи. 2: 95-108.
7. Whitchurch, CB, Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. and Mattick, J. (2002). Позаклітинна ДНК, необхідна для утворення бактеріальної біоплівки. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / наук.295.5559.1487