Banner_2
Drukuj

Czym jest biofilm

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) przylegajace 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.





66379707




Line_Gray
Line_Gray




Jak powstaje ?

 Rozwój biofilmu na różnego rodzaju powierzchniach stałych może przynościć zarówno korzyści, jak i skutki negatywne. W środowisku bierze aktywny udział w wielu ważnych procesach mikrobiologicznych zachodzacych w przyrodzie, np.: samoczyszczanie 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 moze być przyczyną strat hydraulicznych spowodowanych zwiększeniem szorstkości powierzchni przewodów wodociągowych.
Mikroorganizmy wchodzace w skład biofilmu charakteryzuje wzrost inwazyjności oraz zdolność do wywyoływania 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.




Line_Gray




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





Biofilm




Line_Gray



[1] adhezja odwracalna
Początkowo przemieszczanie się komórek w kierunku zasiedlanej powierzchni regulują oddziaływania fizyczne zwiazane z działaniem sił hydrodynamicznych, grawitacyjnych, termodynamicznych (ruchy Browna) oraz sił van der Waalsa. Siły te odgrywają najistotniejszą rolę w adhezji odwracalnej, gdzie odległośc między komórkami jest stosunkowo duża, a wzglednie 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 dojżewanie 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 warunkówi potrzeb tworzącej się społeczności komorek.




[4] dojrzała postać biofilmu
Bakterie bytujące we wewnętrzu 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. Dojżała forma biofilmu otoczona jest gubą 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.




Line_Gray



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 przeciwustrojowych do wnętrza biofilmu, a także zmniejsza skuteczność działania komórek obronnych organizmu zaatakowanego żywiciela. EPS chroni też drobnoustroje przed fagocytazą i wysychaniem. Ponadto, w miarę dojżewania biofilmu, następije 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 zarównometabolizm, 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 dojżałym biofilmie uruchamiane są także geny odpowiedzialne za syntezę enzymów rozkładających wolnodyfundujące substancje przeciwbakteryjne.




Line_Gray
Line_Gray



Problemy związane z biofilmem

Patogeneza chorób człowieka i zwierząt


   Organizm człowieka jest układem owartym, zasiedlonym przez liczne mikroorganizmy, głównie w postaci biofilmu. Większość z nich to mikroorganizmy symbiotyczne, natomiast pozostałe to mikroorganizmy oportunistyczne, które wywyołują objawy chorobowe tylko w chwili zachwiania homeostazy w organizmie człowieka. Dochodzi wówczas u nich do ekspresji pewnych genów, czego skutkiem mogą być bardzo ciężkie infekcje.
Należą do nich infekcje: układu krążenia, układu moczowego, układu mięniowo-szkieletowego czy próchnica zębów Powstawanie biofilmu jest przyczyną poważnych problemów u chorych z mukowiscydozą. Produkowany przez organizm chorego śluz jest podłożem do rozwoju mikroorganizmów. Uszkodzenie płuc u pacjentów spowodowane jest wzmożoną odpowiedzią immunologiczną na rozwój mikroorganizmów


Infekcja / choroba Mikroorganizm w biofilmie
Próchnica zębów ziarniaki Gram-dodatnie(kwasotwórcze)
(z rodzaju Streptococcus)
Zapalenie przyzębia
(paradontoza)
bakterie beztlenowe Gram-ujemne
(Fusobacterium nucleatum, Porphyromonas gingivalis
Bacterioides forsythus, Prevotella intermedia)
Zapalenie ucha środkowego szczepy gatunku Hemophilus influenzae
Streptococcus pneumoniae, Moraxella catarrhalis
Infekcja układu mięśniowo-szkieletowego ziarniaki Gram-dodatnie
(z rodzaju Streptococcus)
Martwicze zapalenie powięzi streptokoki z grupy A
Przewlekłe infekcje ran bakterie z rodzaju (z rodzaju Streptococcus)
fakultatywne laseczki Gram-ujemne, bakterie beztlenowe
Infekcja dróg żółciowych bakterie jelitowe
(z gatunku Escherichia coli)
Zapalenie szpiku bakterie i grzyby - różne gatunki
Bakteryjne zapalenie prostaty Escherichia colii inne bakterie Gram-ujemne
Infekcyjne zapalenie wsierdzia
w obrębie zastawki własnej
paciorkowce zieleniejące
Zapalenie płuc w przebiegu mukowiscydozy Pseudomonas aeruginosa
i Burkholderia cepacia

Line_Gray
Body Line_Gray
problemy wywołane biofilmem





Line_Gray



Szczególne zagrożenie stanowią mikroorganizmy bytujące w miejscach o dużej wilgotności i dobrym napowietrzaniu, takich jak umywalki, nawilżacze powietrza, klimatyzatory. W takich miejscach przebywają pałeczki z rodzaju Pseudomonas o silnych właściwościach inwazyjnych i toksycznych, szerokiej odporności na antybiotyki oraz środki dezynfekcyjne.



Line_Gray



Zwierzęta. Mikroorganizmy zdolne do wytwarzania biofilmu są częstą przyczyną groźnych zakażeń u zwierząt. Typowym przykładem może być zapalenie gruczołu mlekowego u krów wywołane przez gronkowce, najczęściej przez Staphylococcus aureus Gatunek ten należy do najgroźniejszych patogenów, a wytwarzany biofilm sprzyja utrzymywaniu się stanu zapalnego na skutek zmniejszenia wrażliwości bakterii na fagocytozę i środki przeciwbakteryjne. Zachorowania u zwierząt przybierają niekiedy postać epizootii, najczęściej mają postać ostrych lub przewlekłych biegunek, rzadziej zmian w postaci rumienia oraz zapalenia stawów.



Line_Gray



W przemyśle spożywczym - drobnoustroje mogą zasiedlać zarówno produkty spożywcze, jak i powierzchnie robocze służące do ich przetwarzania. Zakażone produkty pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego stają się przyczyną poważnych schorzeń u ludzi. Wywołują je bakterie z rodzaju Yersini, Salmonella, Eschericha, Campylobacter, Staphylococcus, Bacillus oraz płaeczki z rodzaju Listria. Zakażenie pałeczkami Yersinia u człowieka może mieć postać zatrucia pokarmowego, zapalenia jelit, bakteriemii czy posocznicy. Biofilmy bakteryjne skutecznie kolonizują powierzchnie użytkowe ze stali nierdzewnej, szkła czy teflonu.



Line_Gray



W budownictwie - określane jako biodeterioracja, korozja mikrobiologiczna, biokorozja lub też korozja wzbudzona wywyoływana przez mikroorganizmy. Zjawisko to powoduje niszczenie budowli i konstrukcji naziemnych, zagłębionych w gruncie oraz podwodnych. Rozwój drobnoustrojów na powierzchni materiałów budowlanych uzależniony jest od szeregu czynników fizyczno-chemicznych. Szczególne znaczenie ma wilgotność materiału i ich skład mineralogiczny, porowatość, przepuszczalność wodna. Kolonizację powierzchni materiałów ułatwia naruszenie jej struktury na skutek działania wiatru, wody, cząstek pyłów. Epifityczne glony rozwijają się na powierzchniach wilgotnych i ciepłych, w miejscach do których dociera światło. Powierzchnię budynków zasiedlają glony należące do zielenic i sinic, z rodzaju Pleurococcus, Sitichococcus, Oscillatoria i Scytonema. Ich wpływ na uszkodzenia powierzchni budynków związany jest z zatrzymywaniem wody przez biomasę glonów i późniejszymi zmianami temperatur (przemarzanie).



Line_Gray



Wodociągi i instalacje zasiedlane przez biofilm stanowią zagrożenie sanitarne dla konsumentów wody. Erozja i odrywanie fragmentów biofilmu jest przyczyną wtórnego skażenia mikrobiologicznego wody przeznaczonej do spożycia. Wśród uwalnianych mikroorganizmów znajdują się także potencjalnie chorobotwórcze dla ludzi, takie jak bakterie gatunku Legionella pneumophila czy pierwotniaki z rodzajów Cryptosporidium i Giardia. Biofilm zasiedlać może przewody wodociągowe zbudowane z tradycyjnych materiałów, takich jak żeliwo i stal czy cement, a także zastępujących je tworzyw sztucznych. Rurociągi zbudowane z metali podlegają korozji mikrobiologicznej, co może być przyczyną zmniejszenia się przepływności przewodów wodociągowych. Stosowanie tworzyw sztucznych nie zabezpiecza w pełni sieci wodociągowej przed rozwojem biofilmu. Z powierzchni materiałów polimerowych wymywane są związki organiczne wykorzystywane przez mikroorganizmy w charakterze substratu pokarmowego. Prowadzi to do wyraźnego spadku jakości sanitarnej wody u odbiorców.



Line_Gray



PODSUMOWANIE zjawisko biofilmu jest przedmiotem badań z jednej strony daje możliwości wykorzystania do stymulacji szeregu procesów technologicznych, a z drugiej należy opracowywać metody jego eliminacji z uwagi na szkody jakie wywołuje powodując trudne do wyleczenia schorzenia oraz straty w gospodarce. W systemach wodociągowych konieczna jest kontrola rozwoju biofilmu, polegająca na utrzymywaniu środka dezynfekcyjnego w ilości umożliwiającej rozwój bakterii. Stosowane do tej pory metody usuwania biofilmu opierają się na modyfikacji środowiska, w których on występuje poprzez stosowanie ultradźwięków, zmiany PH czy niskonapięciowych pól magnetycznych. Eliminacja biofilmu jest szczególnie ważna z punktu widzenia zdrowia człowieka, dla którego stanowi poważne zagrożenie.



Logo_BG

 

  Flag_UK Flag_ES Flag_FR Flag_IT Globe_Gray
 

quality_logo_row

CWT Vulcan Find us on Facebook
Konsultant CWT on-line. Napisz do nas... Wyślij