De biofilms of biofilms Het zijn gemeenschappen van micro-organismen die aan een oppervlak vastzitten en in een zelf gegenereerde matrix van extracellulaire polymere stoffen leven. Ze werden aanvankelijk beschreven door Antoine von Leeuwenhoek, toen hij de "animalcules" (zo door hem genoemd) onderzocht op een plaat met materiaal van zijn eigen tanden in de 17e eeuw..
De theorie die biofilms conceptualiseert en hun vormingsproces beschrijft, was pas in 1978 ontwikkeld. Er werd ontdekt dat het vermogen van micro-organismen om biofilms te vormen universeel lijkt te zijn..
Biofilms kunnen voorkomen in omgevingen die zo gevarieerd zijn als natuurlijke systemen, aquaducten, wateropslagtanks, industriële systemen, maar ook in een breed scala aan media, zoals medische apparaten en apparaten voor duurzaamheid bij ziekenhuispatiënten (zoals katheters, bijvoorbeeld).
Door het gebruik van rasterelektronenmicroscopie en confocale scanninglasermicroscopie werd ontdekt dat biofilms geen homogene, ongestructureerde afzettingen van cellen en opgehoopt slib zijn, maar eerder complexe heterogene structuren..
Biofilms zijn complexe gemeenschappen van geassocieerde cellen op een oppervlak, ingesloten in een sterk gehydrateerde polymere matrix waarvan het water door open kanalen van de structuur circuleert..
Veel organismen die erin zijn geslaagd miljoenen jaren in het milieu te overleven, bijvoorbeeld soorten van de geslachten Pseudomonas Y Legionella, gebruik de biofilmstrategie in andere omgevingen dan hun oorspronkelijke omgeving.
Artikel index
-Polymere extracellulaire stoffen die worden uitgescheiden door biofilmmicro-organismen, polysaccharidemacromoleculen, eiwitten, nucleïnezuren, lipiden en andere biopolymeren, meestal sterk hydrofiele moleculen, kruisen elkaar om een driedimensionale structuur te vormen die de biofilmmatrix wordt genoemd..
-De matrixstructuur is zeer visco-elastisch, heeft rubbereigenschappen, is bestand tegen tractie en mechanische afbraak.
-De matrix kan zich hechten aan interface-oppervlakken, inclusief interne ruimtes van poreuze media, door middel van extracellulaire polysacchariden die als hechtend tandvlees werken..
-De polymere matrix is overwegend anionisch en omvat ook anorganische stoffen zoals metaalkationen..
-Het heeft waterkanalen waardoor zuurstof, voedingsstoffen en afvalstoffen circuleren die kunnen worden gerecycled..
-Deze matrix van de biofilm werkt als een middel om te beschermen en te overleven tegen ongunstige omgevingen, een barrière tegen fagocytische indringers en tegen het binnendringen en verspreiden van desinfecterende middelen en antibiotica..
-De vorming van de matrix in niet-homogene gradiënten produceert een verscheidenheid aan microhabitats, waardoor biodiversiteit binnen de biofilm kan bestaan..
-Binnen de matrix verschilt de cellulaire levensvorm radicaal van vrij, niet-geassocieerd leven. De biofilm-micro-organismen zijn geïmmobiliseerd, zeer dicht bij elkaar, geassocieerd in kolonies; dit feit zorgt ervoor dat er intense interacties kunnen plaatsvinden.
-Interacties tussen micro-organismen in de biofilm omvatten communicatie via chemische signalen in een code die "quorum sensing" wordt genoemd..
-Er zijn andere belangrijke interacties, zoals genoverdracht en de vorming van synergetische microconsortia..
-Het fenotype van de biofilm kan worden beschreven in termen van de genen die tot expressie worden gebracht door de bijbehorende cellen. Dit fenotype is veranderd met betrekking tot groeisnelheid en gentranscriptie.
-Organismen in de biofilm kunnen genen transcriberen die hun planktonische of vrije levensvormen niet transcriberen.
-Het biofilmvormingsproces wordt gereguleerd door specifieke genen, die worden getranscribeerd tijdens de initiële celadhesie.
-In de besloten ruimte van de matrix zijn er samenwerkings- en concurrentiemechanismen. Competitie genereert een constante aanpassing in biologische populaties.
-Er wordt een collectief extern spijsverteringssysteem gegenereerd, dat de extracellulaire enzymen dicht bij de cellen vasthoudt.
-Dit enzymatische systeem maakt het mogelijk om opgeloste, colloïdale en / of gesuspendeerde voedingsstoffen te sekwestreren, accumuleren en metaboliseren.
-De matrix fungeert als een gemeenschappelijke externe recyclingruimte, een opslagplaats voor de componenten van gelyseerde cellen en dient tevens als een collectief genetisch archief..
-Biofilm functioneert als een beschermende structurele barrière tegen omgevingsveranderingen zoals uitdroging, de werking van biociden, antibiotica, immuunreacties van de gastheer, oxidatiemiddelen, metaalkationen, ultraviolette straling en is ook een verdediging tegen vele roofdieren zoals fagocytische protozoa en insecten..
-De biofilmmatrix vormt een unieke ecologische omgeving voor micro-organismen die een dynamische manier van leven mogelijk maakt voor de biologische gemeenschap. Biofilms zijn echte micro-ecosystemen.
Biofilmvorming is een proces waarbij micro-organismen van een vrijlevende, eencellige, nomadische toestand naar een meercellige sedentaire toestand gaan, waar daaropvolgende groei gestructureerde gemeenschappen met celdifferentiatie voortbrengt..
Biofilmontwikkeling vindt plaats als reactie op extracellulaire omgevingssignalen en zelf gegenereerde signalen.
Onderzoekers die biofilms hebben bestudeerd, zijn het erover eens dat het mogelijk is om een gegeneraliseerd hypothetisch model te construeren om hun vorming te verklaren.
Dit model van biofilmvorming bestaat uit 5 fasen:
Biofilmvorming begint met de initiële adhesie van micro-organismen aan het vaste oppervlak, waar ze worden geïmmobiliseerd. Er is ontdekt dat micro-organismen oppervlaktesensoren hebben en dat oppervlakte-eiwitten betrokken zijn bij de vorming van de matrix.
Bij niet-mobiele organismen, wanneer de omgevingsomstandigheden gunstig zijn, neemt de productie van adhesinen op hun externe oppervlak toe. Op deze manier verhoogt het zijn capaciteit voor cel-cel- en celoppervlakadhesie..
In het geval van mobiele soorten bevinden individuele micro-organismen zich op een oppervlak en dit is het startpunt voor een radicale verandering in hun manier van leven van nomadisch vrij mobiel naar sedentair, bijna zittend..
Het bewegingsvermogen gaat verloren doordat bij de vorming van de matrix naast adhesieve stoffen ook andere structuren zoals flagella, cilia, pilus en fimbria deelnemen.
Vervolgens worden in beide gevallen (mobiele en niet-mobiele micro-organismen) kleine aggregaten of microkolonies gevormd en wordt een intenser cel-celcontact gegenereerd; adaptieve fenotypische veranderingen in de nieuwe omgeving treden op in geclusterde cellen.
De productie van extracellulaire polymere stoffen begint, de initiële vorming in monolaag vindt plaats en de daaropvolgende ontwikkeling in meerlagige.
Ten slotte bereikt de biofilm zijn volwassenheidsstadium, met een driedimensionale architectuur en de aanwezigheid van kanalen waardoor water, voedingsstoffen, communicatiechemicaliën en nucleïnezuren circuleren..
De biofilmmatrix houdt de cellen vast en houdt ze bij elkaar, waardoor een hoge mate van interactie met intercellulaire communicatie en de vorming van synergetische consortia wordt bevorderd. De cellen van de biofilm zijn niet volledig geïmmobiliseerd, ze kunnen erin bewegen en ook loslaten.
Afhankelijk van het aantal soorten dat aan de biofilm deelneemt, kan de laatste worden ingedeeld in:
Ook afhankelijk van de omgeving waarin ze worden gevormd, kunnen biofilms zijn:
Aan de andere kant is het, afhankelijk van het type interface waarin ze zijn gevormd, mogelijk om ze te classificeren in:
Tandplak is bestudeerd als een interessant voorbeeld van een complexe gemeenschap die leeft in biofilms. De biofilms van tandplaten zijn hard en niet elastisch vanwege de aanwezigheid van anorganische zouten, die de polymere matrix stijf maken..
De micro-organismen van tandplak zijn zeer gevarieerd en er zijn tussen de 200 en 300 geassocieerde soorten in biofilm.
Onder deze micro-organismen zijn:
Een ander interessant voorbeeld is het huishoudelijk afvalwater, waar ze leven in biofilms die aan leidingen zijn vastgemaakt, nitrificerende micro-organismen die ammonium, nitriet en autotrofe nitrificerende bacteriën oxideren..
Onder de ammoniumoxiderende bacteriën van deze biofilms zijn de numeriek dominante soorten die van het geslacht Nitrosomonas, verspreid over de biofilmmatrix.
De meeste componenten binnen de groep van nitrietoxidatiemiddelen zijn die van het geslacht Nitrospira, die zich alleen in het interne deel van de biofilm bevinden.
Subaerie biofilms worden gekenmerkt door fragmentarische groei op vaste minerale oppervlakken zoals rotsen en stedelijke gebouwen. Deze biofilms vertonen dominante associaties van schimmels, algen, cyanobacteriën, heterotrofe bacteriën, protozoa en microscopisch kleine dieren..
In het bijzonder bevatten SAB-biofilms chemolytotrofe micro-organismen die in staat zijn anorganische minerale chemicaliën als energiebronnen te gebruiken..
Chemolithotrofe micro-organismen kunnen anorganische verbindingen zoals H. oxiderentwee, NH3, NIETtwee, S, HS, Fetwee+ en profiteren van de energie van een elektrisch potentieel product van de oxidaties in hun metabolisme.
Onder de microbiële soorten die aanwezig zijn in subaeriële biofilms zijn:
Veel van de bacteriën die bekend staan als veroorzakers van ziekten bij de mens, leven in biofilms. Hiertoe behoren: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionella parvula, Streptococcus mutans Y Legionella pneumophyla.
De overdracht van builenpest door vlooienbeet is interessant, een relatief recente aanpassing van het bacteriële agens dat deze ziekte veroorzaakt., Yersinia pestis.
Deze bacterie groeit als een biofilm die zich vasthecht aan het bovenste spijsverteringskanaal van de vector (de vlo). Tijdens een beet braakt de vlo de biofilm uit Yersinia pestis in de dermis en zo begint de infectie.
Organismen geïsoleerd uit biofilm op geëxplanteerde centraal veneuze katheters omvatten een verbazingwekkende reeks grampositieve en gramnegatieve bacteriën, evenals andere micro-organismen..
Verschillende wetenschappelijke studies rapporteren Gram-positieve bacteriën uit biofilms in veneuze katheters: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Stafylokokken aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus spp. Y Streptococcus pneumoniae.
Onder de gramnegatieve bacteriën die uit deze biofilms zijn geïsoleerd, worden de volgende vermeld: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogenen, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp., Providencia spp. Y Serratia marcescens.
Andere organismen die in deze biofilms worden aangetroffen, zijn: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis Y Mycobacterium chelonei.
Wat betreft de werking van de industrie: biofilms veroorzaken verstoppingen in leidingen, schade aan apparatuur, storingen in processen zoals warmteoverdracht bij het bedekken van oppervlakken van wisselaars of corrosie van metalen onderdelen..
Filmvorming in de voedingsindustrie kan aanzienlijke operationele en volksgezondheidsproblemen veroorzaken.
Geassocieerde pathogenen in biofilms kunnen voedselproducten besmetten met pathogene bacteriën en ernstige volksgezondheidsproblemen veroorzaken bij de consument.
Onder de biofilms van ziekteverwekkers die in verband worden gebracht met de voedingsindustrie zijn:
Deze ziekteverwekker gebruikt in de beginfase van biofilmvorming flagella- en membraaneiwitten. Vormt biofilms op de stalen oppervlakken van snijmachines.
In de zuivelindustrie komen biofilms van Listeria monocytogenes in vloeibare melk en van melk afgeleide producten. Zuivelresten in leidingen, tanks, containers en andere apparaten bevorderen de ontwikkeling van biofilms van deze ziekteverwekker die ze gebruikt als beschikbare voedingsstoffen..
Biofilms van deze bacteriën zijn te vinden in faciliteiten van de voedingsindustrie, zoals vloeren, afvoeren en op de oppervlakken van voedingsmiddelen zoals vlees, groenten en fruit, evenals zuurarme derivaten van melk.
Pseudomonas aeruginosa scheidt verschillende extracellulaire stoffen af die worden gebruikt bij de vorming van de polymere matrix van de biofilm en hecht aan een groot aantal anorganische materialen zoals roestvrij staal.
Pseudomonas kunnen naast elkaar bestaan in de biofilm in combinatie met andere pathogene bacteriën zoals Salmonella Y Listeria.
De soort van Salmonella zijn de eerste veroorzaker van zoönosen van bacteriële etiologie en uitbraken van voedselvergiftiging.
Wetenschappelijke studies hebben dat aangetoond Salmonella kunnen als biofilms hechten aan beton, staal en kunststof oppervlakken in voedselverwerkende fabrieken.
De soort van Salmonella ze hebben oppervlaktestructuren met hechtende eigenschappen. Bovendien produceert het cellulose als een extracellulaire stof, het hoofdbestanddeel van de polymere matrix..
Het gebruikt flagella- en membraaneiwitten in de eerste stap van biofilmvorming. Het produceert ook extracellulaire cellulose om het driedimensionale rooster van de matrix in de biofilm te genereren..
Biofilms bieden bescherming aan de micro-organismen waaruit ze bestaan, tegen de werking van ontsmettingsmiddelen, germiciden en antibiotica. De mechanismen die deze functie mogelijk maken, zijn de volgende:
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.