Biofilmi so skupino ene ali več vrst mikroorganizmov, ki lahko rastejo na različnih površinah. Mikroorganizmi, ki tvorijo biofilme, vključujejo bakterije, glive in protiste.
En pogost primer zobne obloge na biofilmu, sluzavo kopičenje bakterij, ki nastane na površinah zob. Škrlat z ribnikom je še en primer. Ugotovljeno je, da biofilmi rastejo na mineralih in kovinah. Našli so jih pod vodo, pod zemljo in nad tlemi. Rastejo lahko na rastlinskih tkivih in živalskih tkivih ter na implantiranih medicinskih pripomočkih, kot so katetri in srčni spodbujevalniki.
Vsaka od teh različnih površin ima skupno določilno značilnost: mokre so. V članku iz leta 2007, objavljenem v reviji Microbe, ta okolja "občasno ali stalno preplavijo z vodo". Biofilmi uspevajo na vlažnih ali vlažnih površinah.
Biofilmi so se v takšnih okoljih uveljavili že zelo dolgo. Fosilni dokazi o biofilmih segajo približno 3,25 milijarde let nazaj, je razvidno iz članka iz leta 2004, objavljenega v reviji Nature Reviews Microbiology. Biofilmi so bili na primer najdeni v 3,2 milijarde let starih globokomorskih hidrotermalnih kamninah kratona Pilbara v Avstraliji. Podobne biofilme najdemo v hidrotermalnih okoljih, kot so vrelci in globokomorski odzračevalci.
Tvorba biofilma
Nastajanje biofilma se začne, ko prosto plavajoči mikroorganizmi, kot so bakterije, pridejo v stik z ustrezno površino in začnejo tako odlagati korenine. Ta prvi korak pritrditve se zgodi, ko mikroorganizmi proizvedejo gooey snov, znano kot zunajcelična polimerna snov (EPS), navaja Center za biofilm inženiring na Državni univerzi v Montani. EPS je mreža sladkorjev, beljakovin in nukleinskih kislin (kot je DNK). Omogoča, da se mikroorganizmi v biofilmu držijo skupaj.
Napetosti sledi obdobje rasti. Nadaljnje plasti mikroorganizmov in EPS gradijo na prvih plasteh. Na koncu ustvarijo žarno in zapleteno 3D strukturo, navaja Center za biofilm inženiring. Vodni kanali prečkajo biofilme in omogočajo izmenjavo hranil in odpadnih proizvodov, je razvidno iz članka Microbe.
Številni okoljski pogoji pomagajo določiti, v kolikšni meri raste biofilm. Ti dejavniki tudi določajo, ali je sestavljen iz le nekaj plasti celic ali bistveno več. "Res je odvisno od biofilma," je dejal Robin Gerlach, profesor na oddelku za kemijsko in biološko inženirstvo na Državni univerzi Montana-Bozeman. Na primer, mikroorganizmi, ki proizvajajo veliko količino EPS, lahko prerastejo v precej debele biofilme, tudi če nimajo dostopa do veliko hranilnih snovi, je dejal. Po drugi strani pa lahko za mikroorganizme, ki so odvisni od kisika, količina, ki je na voljo, omeji, koliko lahko rastejo. Drug okoljski dejavnik je pojem "strižni stres". "Če imate zelo velik pretok skozi biofilm, denimo v potoku, je biofilm običajno dokaj tanek. Če imate biofilm v počasi tekoči vodi, kot v ribniku, lahko postane zelo gost," je pojasnil Gerlach.
Končno lahko celice biofilma zapustijo gubo in se namestijo na novi površini. Ali se celica celic odcepi, ali posamezne celice izbruhnejo iz biofilma in iščejo nov dom. Po podatkih Centra za biofilm inženiring je ta postopek znan kot "razprševanje semen".
Zakaj tvoriti biofilm?
Za mikroorganizme ima življenje kot del biofilma določene prednosti. "Skupnosti mikrobov so običajno bolj odporne na stres," je Gerlach povedal Live Science. Možni stresorji vključujejo pomanjkanje vode, visok ali nizek pH ali prisotnost strupenih za mikroorganizme snovi, kot so antibiotiki, protimikrobna zdravila ali težke kovine.
Obstoj trdnosti biofilmov je veliko možnih. Tako lahko na primer sluzast EPS pokrov deluje kot zaščitna pregrada. Pomaga lahko preprečiti dehidracijo ali deluje kot ščit pred ultravijolično (UV) svetlobo. Prav tako se škodljive snovi, kot so protimikrobna zdravila, belilo ali kovine, vežejo ali nevtralizirajo, ko pridejo v stik z EPS. Tako se razredčijo do koncentracij, ki niso smrtno nevarne, preden lahko dosežejo različne celice globoko v biofilmu, piše v članku iz leta 2004 v Nature Reviews Microbiology.
Kljub temu je mogoče, da nekateri antibiotiki prodrejo skozi EPS in se prebijejo skozi plasti biofilma. Tu lahko pride v poštev še en zaščitni mehanizem: prisotnost bakterij, ki fiziološko mirujejo. Da bi dobro delovali, vsi antibiotiki potrebujejo določeno raven celične aktivnosti. Če torej bakterije na začetku fiziološko uspavajo, antibiotikov ne more močiti več.
Drug način zaščite pred antibiotiki je prisotnost posebnih bakterijskih celic, znanih kot "traja." Takšne bakterije se ne delijo in so odporne na številne antibiotike. Glede na članek iz leta 2010, objavljen v reviji Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, "deluje" tako, da proizvaja snovi, ki blokirajo tarče antibiotikov.
Na splošno mikroorganizmi, ki živijo skupaj kot biofilm, imajo koristi od prisotnosti različnih članov skupnosti. Gerlach je navedel primer avtotrofnih in heterotrofnih mikroorganizmov, ki živijo skupaj v biofilmih. Autotrofi, kot so fotosintetske bakterije ali alge, lahko sami proizvajajo hrano v obliki organskih snovi (ki vsebujejo ogljik), medtem ko heterotrofi ne morejo proizvajati svoje hrane in ne potrebujejo zunanjih virov ogljika. "V teh večorganizalnih skupnostih pogosto križajo krmo," je dejal.
Biofilmi in mi
Glede na ogromno okolje, v katerem naletimo na biofilme, ne preseneča, da vplivajo na številne vidike človeškega življenja. Spodaj je nekaj primerov.
Zdravje in bolezen
Z razvojem raziskav z leti so bili biofilmi - bakterijski in glivični - vpleteni v različna zdravstvena stanja. Nacionalni inštitut za zdravje (NIH) je leta 2002 na razpisu za oddajo vlog za donacijo ugotovil, da biofilmi predstavljajo "več kot 80 odstotkov mikrobnih okužb v telesu".
Biofilmi lahko rastejo na vsadljenih medicinskih pripomočkih, kot so protetični srčni zaklopki, protetika sklepov, katetri in srčni spodbujevalniki. To posledično vodi do okužb. Pojav so prvič opazili v osemdesetih letih prejšnjega stoletja, ko so na intravenskih katetrih in srčnih spodbujevalcih našli bakterijske biofilme. Prav tako je znano, da bakterijski biofilmi povzročajo infektivni endokarditis in pljučnico pri osebah s cistično fibrozo, v članku iz Nature leta 2004, med drugimi okužbami, navajajo tudi drugi članki.
"Razlog, da nastajanje biofilma povzroča veliko skrbi, je v tem, da so znotraj biofilma bakterije bolj odporne na antibiotike in druga večja razkužila, ki bi jih lahko uporabili za nadzor nad njimi," je dejal AC Matin, profesor mikrobiologije in imunologije na Stanfordu Univerza. Dejansko je v primerjavi z bakterijami, ki prosto plavajo, tiste, ki rastejo kot biofilm, lahko do 1.500-krat bolj odporne na antibiotike in druga biološka in kemična sredstva, piše v članku Microbe. Matin je odpornost na biofilme v kombinaciji s splošnim povečanjem odpornosti na antibiotike med bakterijami opisal kot "dvojno hreščanje" in velik izziv pri zdravljenju okužb.
Glivični biofilmi lahko povzročijo tudi okužbe, če rastejo na vsadljenih napravah. Vrste kvasovk, kot so pripadniki rodu Candida rastejo na prsnih vsadkih, srčnem spodbujevalniku in protetičnih srčnih zaklopkah, v skladu s člankom iz leta 2014, objavljenim v reviji Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. Candida vrste rastejo tudi na tkivih človeškega telesa, kar vodi do bolezni, kot sta vaginitis (vnetje nožnice) in orofaringealna kandidiaza (okužba s kvasovkami, ki se razvije v ustih ali žrelu). Vendar avtorji ugotavljajo, da odpornost na zdravila v teh primerih ni bila prikazana.
Bioremediacija
Včasih so biofilmi koristni. "Bioremediacija je na splošno uporaba živih organizmov ali njihovih produktov - na primer encimov - za zdravljenje ali razgradnjo škodljivih spojin," je dejal Gerlach. Opozoril je, da se biofilmi uporabljajo pri čiščenju odpadnih voda, onesnaževalcev težkih kovin, kot so kromat, eksplozivih, kot je TNT, in radioaktivnih snovi, kot je uran. "Mikrobi jih lahko bodisi razgradijo, bodisi spremenijo njihovo mobilnost ali strupeno stanje in zato naredijo manj škodljive za okolje in ljudi," je dejal.
Nitrifikacija z biofilmi je ena od načinov čiščenja odpadnih voda. Med nitrifikacijo se amonijak z oksidacijo pretvori v nitrite in nitrate. To lahko storijo avtotrofne bakterije, ki rastejo kot biofilmi na plastičnih površinah, navaja članek iz leta 2013, objavljen v reviji Water Research. Te plastične površine so velike le nekaj centimetrov in so razporejene po vodi.
Eksploziven TNT (2,4,6-trinitrotoluen) velja za onesnaževalo tal, površinske in podzemne vode. Kemična struktura TNT je sestavljena iz benzena (šesterokoten aromatični obroč iz šestih atomov ogljika), pritrjen na tri nitro skupine (NO2) in eno metilno skupino (CH3). V članku iz leta 2007, objavljenem v reviji Applied and Environmental Microbiology, mikroorganizmi razgradijo TNT z zmanjšanjem. Večina mikroorganizmov zmanjša tri nitro skupine, nekateri pa napadajo aromatični obroč. Raziskovalci - Ayrat Ziganshin, Robin Gerlach in sodelavci - so ugotovili, da se kvasovke sevajo Yarrowia lipolytica je lahko TNT razgradil po obeh metodah, čeprav predvsem z napadom aromatičnega obroča.
Mikrobne gorivne celice
Mikrobne gorivne celice uporabljajo bakterije za pretvorbo organskih odpadkov v električno energijo. Mikrobi živijo na površini elektrode in nanjo prenašajo elektrone, kar na koncu ustvari tok, je dejal Gerlach. Članek iz leta 2011, objavljen v spletni reviji Univerze v Južni Kaliforniji Illumin, navaja, da bakterije, ki napajajo mikrobne gorivne celice, razgrajujejo hrano in telesne odpadke. To zagotavlja poceni vir energije in čisto trajnostno energijo.
Tekoče raziskave
Naš svet je poln biofilmov. Dejansko je bilo do sredine 20. stoletja na notranjih površinah posod z bakterijskimi kulturami več bakterij, kot da prosto plavajo v sami tekoči kulturi, piše v članku iz leta 2004 v Nature Reviews Microbiology. Razumevanje teh zapletenih mikrobnih struktur je aktivno področje raziskav.
"Biofilmi so neverjetne skupnosti. Nekateri ljudje so jih primerjali z večceličnimi organizmi, ker je med posameznimi celicami veliko interakcij," je dejal Gerlach. "Z njimi se še naprej učimo in se še naprej učimo, kako jih bolje nadzorovati; tako za zmanjšano škodo, kot na področju medicine, bodisi za večjo korist kot pri bioremediaciji. Ne bo nam zmanjkalo zanimiva vprašanja na tem področju. "
