Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Biofilm bakteryjny – lepsza strona medalu
Redakcja _, 14.10.2013 , Tagi: biofilm, bakterie, mikroorganizmy
Biofilm bakteryjny – lepsza strona medalu
Biofilm bakteryjny jest społecznością mikroorganizmów kooperujących ze sobą, którym przyświeca jeden główny cel – przetrwanie. Komórki bakteryjne są zawieszone w matrycy, utworzonej z biopolimerów i wody, co nadaje strukturze przestrzenny charakter. W ostatnim czasie powstało wiele artykułów poświęconych sposobom eliminacji biofilmów bakteryjnych, stanowiących zagrożenie w szpitalach czy zakładach przetwórstwa spożywczego. Lecz czy zawsze zjawisko powstawania biofilmu powinno kojarzyć się nam z rozwojem lekooporności lub szybkim zakażeniem ustroju? Otóż odpowiedź brzmi – nie. Cechy biofilmu kształtowane są przez poszczególne mikroorganizmy wchodzące w jego skład, a nie zawsze są to bakterie chorobotwórcze. Wiele z bakterii zdolnych do integracji w biofilm wchodzi w pozytywne relacje z innymi organizmami (ludzie, zwierzęta, rośliny), przy czym znajduje zastosowanie w różnych profilach ludzkiej działalności.

Biofilm bakteryjny w środowisku naturalnym może stanowić element symbiotycznego układu z innymi organizmami. Przykładem są bakterie Rhizobium, które zasiedlając korzenie roślin motylkowych mogą przyjmować formę biofilmu. Bakterie Rhizobium indukują powstawanie brodawek (guzków) na powierzchni korzeni, w których wiążą azot atmosferyczny. Zredukowane formy azotu są łatwo przyswajane przez roślinę, co pozwala na jej uniezależnienie od nawozów azotowych. W zamian roślina umożliwia bakteriom korzystanie ze związków organicznych powstałych na drodze fotosyntezy. Zdolności do tworzenia biofilmu zostały udowodnione u wybranych przedstawicieli symbiotycznych bakterii z rodzaju Mesorhizobium (M. huakii, M. Tianshanense), Sinorhizobium (S. meliloti), Bradyrhizobium (B. elkanii) oraz Rhizobium (R. leguminosarum, R. etli). Mechanizmy kształtujące biofilm u tych mikroorganizmów są złożone i charakterystyczne dla poszczególnych szczepów.

Ponadto, zdolność do tworzenia biofilmu jest charakterystyczna dla niektórych bakterii mlekowych zaliczanych do organizmów probiotycznych, np.: należących do rodzaju Lactobacillus (Lb. reuterii, Lb. rhamnosus GG). Taka forma egzystencji pozwala tym mikroorganizmom skutecznie zasiedlać odpowiednie miejsca w organizmie (przewód pokarmowy, pochwa), zapobiegając tym samym inwazji patogenów (zjawisko konkurencji). Metabolity bakterii mlekowych, kształtujące matrycę biofilmu, niejednokrotnie posiadają właściwości korzystne dla zdrowia człowieka. Wybrane egzopolisacharydy (EPS) probiotycznych szczepów mogą stymulować odpowiedź immunologiczną organizmu ludzi lub zwierząt poprzez indukcję powstawania cytokin (Lb. reuterii). Obecnie prowadzonych jest wiele badań nad określeniem czasu, jaki jest potrzebny probiotycznym szczepom do adherencji do nabłonka jelit (proces kształtowania się biofilmu). Poznanie mechanizmów powstawania, czasu tworzenia oraz przebywania wprowadzanych do ustroju korzystnych bakterii znacznie ułatwiłaby opracowanie systemu suplementacji preparatami farmaceutycznymi (kiedy, jak często oraz w jaki sposób podawać).

Ze zdolności integrowania się mikroorganizmów w biofilm korzysta sektor ochrony środowiska. Biologiczne oczyszczanie ścieków jest jednym z najskuteczniejszych sposobów degradacji zanieczyszczeń. Różne grupy mikroorganizmów kooperują ze sobą, rozkładając toksyczne związki. Ogromne ilości mikroorganizmów przekształcają masy nierozpuszczalne w prostsze związki organiczne. Przykładem zastosowania biofilmu mikrobiologicznego w oczyszczaniu ścieków są złoża biologiczne. Mikroorganizmy osadzone na określonym nośniku pełnią rolę filtru lub półprzepuszczalnej błony. Niektóre związki zostają zatrzymane na powierzchni błony biologicznej, inne zostają przechwycone i zmagazynowane w postaci przetworzonej wewnątrz struktury biofilmu. Na procesy rozkładu substancji niepożądanych wpływają zarówno cechy mikroorganizmów (zdolność do wytwarzania odpowiednich enzymów, metabolitów), jak i czynniki zewnętrzne: intensywność napowietrzania, gęstość biofilmu (nadmiar biomasy należy usuwać). W złożach biologicznych znalazły zastosowanie m.in. bakterie Acinetobacter calcoaceticus, Comamonas denitrificans oraz Pseudomonas aeruginosa.

Podejmowane są próby wykorzystania niektórych mikroorganizmów integrujących się w biofilm jako alternatywne źródła energii. Urządzenia określane jako mikrobiologiczne ogniwa paliwowe (ang. Microbial fuel cells (MFCs) zakładają wykorzystanie specjalnie wyselekcjonowanych konsorcjów bakterii jako katalizatorów procesów utlenienia różnych związków organicznych i nieorganicznych (odpadowych) do generowania prądu. Urządzenia te składają się z dwóch oddzielnych komór, z których każda zawiera jedną z dwóch elektrod (katodę bądź anodę). Konsorcjum mikroorganizmów umieszcza się w jednej z tych komór razem z substratem, który mają rozłożyć. Podczas rozkładu materii bakterie umieszczone w komorze anodowej będą wytwarzać elektrony oraz protony w nadmiarze. Protony będą przechodzić przez membranę kationowymienną do komory katodowej. Elektrony natomiast zostaną przeniesione na anodę (biegun ujemny), a następnie przechodząc przez rezystor do katody (biegun dodatni), będą reagować z końcowym akceptorem elektronów (tlenem) oraz protonami. Podsumowując, w ogniwie mikrobiologicznym dochodzi do przepływu jonów pomiędzy elektrodami, co inicjuje napięcie. Rozpoczyna się generacja prądu.

System pozyskiwania energii elektrycznej oparty o ogniwa mikrobiologiczne nie jest wykorzystywany na szeroką skalę. Badania prowadzone przez szereg specjalistów oraz rozwój techniki daje jednak nadzieję na jego rozpowszechnienie.

Analiza zjawiska biofilmu mikrobiologicznego nie powinna skupiać się wyłącznie na negatywnych aspektach związanych z jego powstawaniem. Problemy należy rozwiązywać, przy czym warto brać pod uwagę, że fenomen tworzenia błony biologicznej przez mikroorganizmy dotyczy zarówno szkodliwych, jak i pożytecznych bakterii. Bliższe poznanie mechanizmów kierujących tym zjawiskiem może zaowocować nowymi rozwiązaniami w wielu dziedzinach związanych z ludzką działalnością.

 

Agnieszka Wasyńczuk

Źródła

Literatura:

  1. Deepika G., Karunakaran E., Hurley C. R., Biggs C. A., D. Charalampopoulos (2012) Influence of fermentation conditions on the surface properties and adhesion of Lactobacillus rhamnosus GG. Microbial Cell Factories. 11:116, 1-12.

  2. Jones S. E., Versalovic J. (2009) Probiotic Lactobacillus reuteri biofilms produce antimicrobial and anti-inflammatory factors. BMC Microbiology. 9:35.

  3. Kania-Surowiec I. (2013) Złoża biologiczne w oczyszczaniu ścieków z recyklingu tworzyw sztucznych. Inżynieria Ekologiczna. 32, 74-84.

  4. Logan B., Hamelers B., Rozendal R., Schröder U., Keller J., Freguia S., Aelterman P., Verstraete W., Rabaey K. (2006) Microbial Fuel Cells: Methodology and Technology. Environmental Science & Technology. Vol. 40 (1), 5181-5192.

  5. Rinaudi L. V., Giordano W. (2010) An integrated view of biofilm formation in rhizobia. FEMS Microbiology Letters. 304. 1–11.

  6. Skorupska A., Król J., Mazur A., Marczak M. (2008) Genomika Rhizobium leguminosarum – badanie genów syntezy polisacharydów powierzchniowych. Biotechnologia. 2(81) 27- 40.

  7. Sobolczyk J., Rodziewicz A., Baranowska K. (2009) Wpływ wybranych warunków środowiskowych na biosyntezę egzopolimerycznych składników biofilmu przez bakterie Bacillus cereus. ACTA Scientiarum Polonorum Biotechnologia. 8(1), 15-26.

  8. Trafny A. (2012) Jak zdobyć i wykorzystać wiedze o wielogatunkowych biofilmach? Postępy Mikrobiologii. 51, 3, 205–211.

KOMENTARZE
news

<Listopad 2017>

pnwtśrczptsbnd
30
31
1
2
3
4
5
6
7
9
10
11
12
14
15
16
17
II Seminarium Inżynierii Biomedycznej
2017-11-17 do 2017-11-17
19
II Kongres Podologiczny
2017-11-19 do 2017-11-19
20
V Międzynarodowy Kongres Biogospodarki
2017-11-20 do 2017-11-21
Prowadzenie badań w Kontroli Jakości
2017-11-20 do 2017-11-20
Szkolenie dla QP
2017-11-20 do 2017-11-20
22
25
26
27
1
3
Newsletter