Czym jest biofilm błona biologiczna jak powstaje w instalacjach wodnych

Dodano 02-01-2015 przez Jacek Gąsiorowski

Czym jest biofilm
Biofilm (błona biologiczna) Drobnoustroje w środowisku naturalnym rzadko występują w postaci pojedynczych rozproszonych komórek, czyli tzw. planktonu, a raczej wykazują tendencję do absorpcji na granicy faz ciało stałe-ciecz, ciecz-gaz czy ciecz-ciecz

Najczęściej tworzą one skupiska zwane biofilmem (lub błoną biologiczną) przylegające do powierzchni stałych lub powierzchni komórek innych organizmów. Biofilm jest wielokomórkowym tworem złożonym z drobnoustrojów jednego lub wielu gatunków czy rodzajów. Zdloność do tworzenia biofilmu mają zarówno mikroorganizmy autotroficzne, jak i heterotroficzne wśród których znajdują się saprofity, a także drobnoustroje chorobotwórcze. W jego skład mogą wchodzić - obok bakterii - także grzyby, glony czy pierwotniaki. Biofilm tworzą złożone, wielokomórkowe struktury, w których liczne komórki drobnoustrojów otoczone są warstwą śluzu.
  

Jak powstaje biofilm?

Rozwój biofilmu na różnego rodzaju powierzchniach stałych może przynosić zarówno korzyści, jak i skutki negatywne. W środowisku bierze aktywny udział w wielu ważnych procesach mikrobiologicznych zachodzących w przyrodzie, np.: samooczyszczanie się wod powierzchniowych, podziemnych, gruntu, oczyszczanie ścieków na złożach biologicznych. Z drugiej jednak strony niekorzystne zmiany związane z powstawaniem biofilmu są powodem poważnych strat w gospodarce oraz rozprzestrzeniania się zakażeń trudnych do leczenia. Zasiedlanie przez biofilm sieci wodociągowej stanowi zagrożenie sanitarne dla konsumentów wody, wzmaga korozję mikrobiologiczną oraz może być przyczyną strat hydraulicznych spowodowanych zwiększeniem szorstkości powierzchni przewodów wodociągowych.
Mikroorganizmy wchodzace w skład biofilmu charakteryzuje wzrost inwazyjności oraz zdolność do wywoływania grożnych zakażeń. Okazało się, że są one bardziej odporne na działanie temperatury oraz środkow przeciwbakteryjnych. W przemyśle spozywczym zasiedlanie przez biofilm produktów żywnościowych moze być przyczyna psucia się żywności oraz zakażenia konsumentów.

Powstawanie biofilmu jest procesem wielostopniowym
uwarunkowanym z jednej strony właściwościami tworzących go mikroorganizmów, a z drugiej strony budową i właściwościami kolonizownych materiałów względnie kolonizowanego gospodarza. Szczególną rolę w procesie adhezji odgrywają wytwarzane przez mikroorganizmy tworzące biofilm polimery zewnątrzkomorkowe, lipopolisacharydy i białka ich ściany komórkowej, a także struktury zewnątrzkomórkowe, takie jak fimbrie i rząski. Kolonizację ułatwia także struktura powierzchni oraz wszelkie jej uszkodzenia i chropowatość

[1] adhezja odwracalna
Początkowo przemieszczanie się komórek w kierunku zasiedlanej powierzchni regulują oddziaływania fizyczne związane z działaniem sił hydrodynamicznych, grawitacyjnych, termodynamicznych (ruchy Browna) oraz sił van der Waalsa. Siły te odgrywają najistotniejszą rolę w adhezji odwracalnej, gdzie odległość między komórkami jest stosunkowo duża, a względnie szerokie spektrum ich działania pozwala na zbliżenie się komórki do powierzchni. Adhezja odwracalna nie zapewnia trwałości biofilmu, może być on łatwo usunięty za pomocą środków fizycznych i chemicznych.   



[2] adhezja nieodwracalna
Drugi etap adhezji zachodzi w chwili, gdy komórki zbliżają się do powierzchni na odległość mniejszą niż 1,5nm. Ma ona nieodwracalny, dochodzi bowiem do wytworzenia specyficznych wiązań między zasiedlaną powierzchnią, a występującymi na powierzchni komórek adhezynamitakimi jak flagelle, fimbrie, pile oraz polimery polisacharydowe. Podstawową rolę w tym procesie odgrywają polimery zewnątrzkomórkowe (ESP) tworzące tzw. glikokaliks, dzięki któremu możliwa jest adhezja komórek mikroorganizmów nawet do takich powierzchni, jak tworzywa sztuczne czy metale.   



[3] tworzenie mikrokolonii
Adhezja nieodwracalna umożliwia wytworzenie mikrokolonii i dojrzewanie biofilmu. Następuje namnażanie drobnoustrojów i ich stopniowe różnicowanie. W ich komórkach dochodzi do aktywacji lub hamowania ekspresji niektórych genów. Zmiany aktywności poszczególnych genów prowadzą do dojrzewania biofilmu i wystąpienia cech fenotypowych, zależnie od warunków i potrzeb tworzącej się społeczności komórek.   



[4] dojrzała postać biofilmu
Bakterie bytujące we we wnętrzu biofilmu narażone są na ograniczenie dostępu tlenu, z tego też względu zmienia się ich metabolizm - wzrasta aktywność beztlenowych szlaków metabolicznych (desulfurikacji, denitryfikacji i fermentacji), zahamowaniu ulega też synteza niektórych enzymów (np. proteaz, fosfolipazy C) oraz toksyn. Dzięki tym zjawiskom komórkibakterii wchodzące w skład biofilmu wykazują odmienne cechy niż komórki żyjące w postaci wolnej. Dochodzi do licznych zmian genetycznych, nadających komórkom specyficzne właściwości przekazywane następnie komórkom sąsiadującym lub potomnym. Dojrzała forma biofilmu otoczona jest grubą warstwą glikokaliksu, do którego absorbowane są substancje mineralne, związki organiczne i komórki innych drobnoustrojów.   



[5] dyspersja i migracja komórek z biofilmu
W ostatnim etapie rozwoju biofilmu osiąga tzw. krytyczną grubość i stopniowo przestaje utrzymywać istniejącą formę. Następuje wówczas migracja komórek z peryferyjnych części dojrzałego biofilmu do otoczenia. Prawdopodobnie dochodzi do degradacji polimerowej matrycy, aktywacji aparatów ruchowych i zmian fizjologicznych w komórkach, umożliwiających ich egzystencję poza biofilmem. W ten sposób biofilm przystosowuje się do zmian środowiskowych, a oderwane komórki rozpoczynają proces kolonizacji nowych powierzchni.   



Mechanizmy odporności biofilmu na substancje przeciwdrobnoustrojowe
Komórki mikroorganizmów zgromadzone w biofilmie są bardziej odporne na działanie czynników zewnętrznych, niż te same, pozostające w postaci planktonu. Odporność ta wynika ze specyficznej struktury biofilmu. Głównym jej powodem jest otoczenie komórek biofilmu lepkim polimerem (EPS), który ogranicza dyfuzję substancji przeciw ustrojowych do wnętrza biofilmu, a także zmniejsza skuteczność działania komórek obronnych organizmu zaatakowanego żywiciela. EPS chroni też drobnoustroje przed fagocytazą i wysychaniem. Ponadto, w miarę dojrzewania biofilmu, następuje wzrost udziału składników polisacharydowych w jego otoczce, co zwiększa liczbę wolnych grup funkcyjnych przyczyniając się do wysokiej odporności mikroorganizmów. Na siłę oddziaływania substancji przeciwbakteryjnych mają także duży wpływ warunki życiowe panujące wewnątrz biofilmu. Przede wszystkim mniejsza jest zawartość tlenu, a w głębszych warstwach biofilmu nawet panują warunki beztlenowe. Dlatego też część komórek przechodzi w stan anabiozy, a zarówno metabolizm, jak i ich namnażanie wewnątrz biofilmu są zwolnione. Ponieważ niektóre środki przeciwbakteryjne działają wyłącznie na komórki aktywne metabolicznie, przejście w fazę stacjonarną części komórek znajdujących się w wewnętrznej strefie biofilmu może być związane ze znacznym zmniejszeniem się ich wrażliwości na te substancje. W dojrzałym biofilmie uruchamiane są także geny odpowiedzialne za syntezę enzymów rozkładających wolno dyfundujące substancje przeciwbakteryjne.   

Tagi