Struktura biofilmu.

Biofilm cechuje heterogenność strukturalna, różnorodność genetyczna, złożoność interakcji oraz obecność zewnątrzkomórkowych substancji. Sąsiadujące ze sobą w zorganizowanych przestrzennie strukturach mikroorganizmy wytwarzają wokół siebie wspólną warstwę śluzu zwaną macierzą pozakomórkową, do której wydzielają różne substancje. Głównymi składnikami macierzy są związki polimeryczne zwane EPS – extracellular polymeric substances, w skład których wchodzą polisacharydy, białka, kwasy nukleinowe, surfaktanty, fosfolipidy oraz woda. Procentowy udział wody w macierzy biofilmów dochodzi nawet do 97%. Zdolność polimerów macierzy do cyklicznego gromadzenia i oddawania wody nadaje jej cechy hydrożelu o wyjątkowych właściwościach wiskoelastycznych. Dzięki temu biofilmy niezwykle trudno jest oderwać od podłoża. Dodatkowo hydrożelowa macierz skutecznie chroni mikroorganizmy biofilmu przed wysuszeniem oraz zapewnia komórką ochronę przed zmiennymi warunkami fizycznymi otoczenia, promieniowaniem UV, wahaniami temperatury i pH oraz wysoką koncentracją szkodliwych substancji. Macierz jest również systemem komunikacji pomiędzy mikroorganizmami za pomocą sygnałów chemicznych i fizycznych poprzez rozgałęziony system otwartych kanałów, które ułatwiają rozprowadzanie substancji pokarmowych. Krążąca w kanalikach ciecz opływa mikrokolonie, dostarczając substancji odżywczych, tlenu i usuwając zbędne produkty przemiany materii. W biofilmach występuje mieszanina stanów metabolicznych. Na obrzeżach biofilmu, gdzie system wodno-kanalizacyjny jest bardziej rozwinięty, mikroorganizmy wykazują przejawy życia. Są one duże oraz aktywne metabolicznie, a rozmnażając się powodują wzrost grubości biofilmu. Natomiast mikroorganizmy występujące wewnątrz biofilmu są częściowo odcięte od systemu wodno-kanalizacyjnego, dlatego wolniej rosną i są znacznie mniejsze. Znajdują się w stanie anabiozy – „uśpienia”, a aktywacji ulegają w momencie zniszczenia zewnętrznej warstwy komórek. Zewnętrzna warstwa komórek, bez względu na to jak długo biofilm funkcjonuje, naśladuje komórki młodego biofilmu.

Rysunek 3. Zróżnicowanie aktywności metabolicznych w obrębie biofilmu

Proces tworzenia biofilmu.

Rysunek 4. Etapy powstawania biofilmu

Proces tworzenia się biofilmu jest wielostopniowy i zależy od tworzących go drobnoustrojów oraz od budowy i właściwości zajmowanych materiałów czy też kolonizowanego gospodarza. Może on być jedno lub wielowarstwowy, zbudowany z jednego lub wielu gatunków mikroorganizmów. Jego budowa uzależniona jest od takich czynników, jak: warunki hydrodynamiczne, temperatura, ruchliwość mikroorganizmów, zawartość substancji odżywczych, komunikacja międzykomórkowa, zawartość białek czy egzopolisacharydów. Formowanie biofilmu rozpoczyna się w momencie adhezji swobodnie pływających mikroorganizmów do powierzchni. Oddziaływania fizyczne powodujące przyłączenie się pierwszych kolonistów do powierzchni stałej to oddziaływanie grawitacyjne, wpływ elektromagnetycznego ładunku powierzchni, oddziaływania van der Waalsa, przyciąganie elektrostatyczne oraz siły hydro i termodynamiczne. W chwili, gdy mikroorganizmy nie zostaną oderwane od powierzchni, przytwierdzają się na stałe do podłoża za pomocą białek adhezyjnych. Pierwsze przytwierdzone do powierzchni komórki drobnoustrojów ułatwiają dołączanie kolejnych poprzez powstanie wiązań hydrofobowych, wodorowych nieswoistych lub swoistych oraz tworzenie par i kompleksów jonowych. Dochodzi do interakcji określonej adhezyny i ligandu w cząsteczkach występujących na powierzchni komórki mikroorganizmów lub docelowego ligandu w cząsteczkach substancji pozakomórkowej gospodarza. Istotne znaczenie ma również wzmożona synteza i wydzielanie zewnątrzkomórkowych biopolimerów. Powstaje podstawa lepkiej matrycy ESP, która nadaje biofilmowi określony kształt i strukturę. Wzrost intensywności namnażania się komórek przyczynia się do powiększania biofilmu. Natomiast wytwarzanie glikokaliksu, czyli otoczki składającej się z reszt polisacharydowych glikolipidów i glikoproteidów wchodzących w skład błon komórkowych następuje aż do całkowitego otoczenia przez nią powstałych kolonii. Na tym etapie w skład biofilmu wchodzą, oprócz mikroorganizmów, martwe komórki, substancje mineralne oraz związki organiczne. Do takich struktur przyłączają się komórki kolejnych drobnoustrojów. W momencie osiągnięcia przez błonę biologiczną tak zwanej grubości krytycznej następuje migracja komórek z peryferycznych części dojrzałego biofilmu do otaczającego środowiska i rozpoczyna się proces kolonizacji nowych miejsc.

Występowanie biofilmu.

Biofilm może tworzyć się wszędzie, pod warunkiem, że jest wilgotno i wystarczająco dużo składników odżywczych. Spotyka się go najczęściej na powierzchniach stałych będących w kontakcie z wilgocią, na powierzchniach tkanek organizmów żywych oraz na granicy faz ciecz powietrze. Ta wszędobylska struktura może być bardzo pożyteczna ale też niebezpieczna i uciążliwa. Biowarstwy powstające na przykład na kadłubach statków utrudniają ich ruch, ponieważ spowalniają przepływ wody po ich powierzchni. Z drugiej zaś strony stanowią bazę sieci pokarmowej, ponieważ żywią się nimi np. larwy owadów, zjadane dalej przez ryby, które są konsumowane przez niektóre ptaki. Tak, więc stanowią one istotne ogniwo w bilansie energetycznym wielu środowisk naturalnych. Mikroorganizmy tworzące biofilmy żyją często w symbiozie z roślinami. Przykładem są bakterie brodawkowe na korzeniach roślin motylkowych. Korzenie wydzielają cukry, aminokwasy, witaminy i hormony, stymulujące wzrost mikroorganizmów, a bakterie zapewniają zdolność pobierania substancji z gleby. Kolejnym przykładem może być występowanie naturalnego biofilmu u zdrowego człowieka, który pełni funkcje fizjologiczne, jak np. biofilm jelita grubego. Może on jednak przyczyniać się również do rozwoju wielu infekcji. Płytka nazębna to żółty biofilm na zębach, który jeżeli nie jest regularnie usuwany może prowadzić do próchnicy. Powstaje on również na implantach biomedycznych, prowadząc do rozwoju różnego typu stanów zapalnych. Biomedycznymi materiałami szczególnie podatnymi na formowanie się biofilmu są: sztuczne serce, protezy stawów, soczewki kontaktowe, zastawki serca, cewniki, szwy, protezy naczyń krwionośnych, spirale domaciczne oraz rozrusznik serca. Biofilmy utrudniają w znacznym stopniu utrzymywanie higieny w obiektach użytku publicznego, nie tylko w szpitalach, ale również w hotelach, basenach, placówkach fizykoterapeutycznych, sanatoriach, zakładach żywienia zbiorowego, szkołach i przedszkolach, w warunkach domowych oraz w zakładach przemysłu kosmetycznego i spożywczego (głównie mleczarskiego, mięsnego, cukrowniczego i browarniczego). Ponadto, biofilm tworzy się na powierzchni różnych materiałów i urządzeń powodując szkody w wyposażeniu, aparaturze, niszczy wytwarzane produkty, przyczynia się do większego zużycia energii elektrycznej, co w konsekwencji powoduje olbrzymie straty finansowe. Większość zakładów boryka się z problemem jego powstawania w systemach przesyłu wody, systemach chłodniczych czy wymiennikach ciepła. Jednak w wielu dziedzinach życia człowieka biofilm jest niezastąpiony. Jego zdolność do tworzenia biobarier wykorzystywana jest w procesach uzdatniania wody, ograniczania zanieczyszczeń gleb oraz wód podziemnych dzięki. W biofiltrach powietrza wykorzystuje się go w celu neutralizacji nieprzyjemnych zapachów. Nie do przecenienia jest jego rola w procesie oczyszczania ścieków.

Marta Maroszyńska

Literatura:

• Sałek.Powstawanie biofilmu w warunkach przemysłowych.
  Cz. 1. Mechanizm formowania biofilmu i jego struktura.
  Cz. 2. Lokalizacja i likwidacja biofilmu.
  Cz. 3. Zagrożenia bakteriami Legionella pneumophila
• International Bio- Consulting, Germany; Domatec GmbH, Niemcy
• B. Dorocka−Bobkowska, K. Konopka. Biofilm formation by Candida and its role in the pathogenesis of chronic infections – review. Dental and Medical Problems 40 (2): 405–410 (2003).
• B. Kałwzan. Analiza zjawiska biofilmu – warunki powstawania i funkcjonowania. Ochrona Środowiska 33 (4) (2011).
• E. Karatan, P. Watnick. Signals, regulatory networks, and materials that build and break bacterial biofilms. Microbiology and Molecular Biology Reviews 73 (2): 310-347 (2009).
• Strużycka, I. Stępień. Biofilm – nowy sposób rozumienia mikrobiologii. Borgis - Nowa Stomatologia 3, 85-89 (2009).
• J. Biernasiak, I. Błaszczyk.Podstawowe informacje z zakresu biofilmu. Politechnika Łódzka, Instytut Chemicznej Technologii Żywności, Specjalistyczne Laboratorium Analityki Cukrowniczej.Szkoła letnia STC - Łódź 2011.
• J. Gebel, M, Exnur. Biofilmy – występowanie i kontrola. Aseptyka 6, 7-15 (2004).
• J. Iciek, J. Biernasiak, I. Błaszczyk. Biofilmy w instalacjach przemysłu cukrowniczego. Politechnika Łódzka, Instytut Chemicznej Technologii Żywności.
• K. Czaczyk. Czynniki warunkujące adhezję drobnoustrojów do powierzchni abiotycznych. Postępy Mikrobiologii 43 (3), 267-283 (2004).
• K. Czaczyk, K. Myszka.Mechanisms determining bacterial biofilm resistance to antimicrobial factors. Biotechnologia 1, 7, 40-52 (2007).
• L. M. Chen, L. H. Chai. Mathematical model and mechanisms for biofilm wastewater treatment systems. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 21, 1455–1460 (2005).
• M. Matejczyk, M. Suchowierska. Charakterystyka zjawiska quorum sensing i jego znaczenie w aspekcie formowania i funkcjonowania biofilmu w inżynierii środowiska, budownictwie, medycynie oraz gospodarstwie domowym. Civil and Environmental Engineering / Budownictwo i Inżynieria Środowiska 2 , 71-75 (2011).
• M. Mnichowska-Polanowska, M. Kaczała, S. Giedrys-Kalemba. Lekooporność oraz zwalczanie biofilmu Candida. Mikologia lekarska 16 (3): 165-169 (2009).
• M. Simões, M. O. Pereira, M. J. Vieira. Effect of mechanical stress on biofilms challenged by different chemicals. Water Research 39 5142–5152 (2005).
• R. M. Donlan. Biofilms: microbial life on surfaces. Emerging Iinfectious Diseases Journal 8, 136-151 (2008).
• http://www.biofilm.org/whatis_biofilm.htm/

Źródła rysunków:

• Rysunek 1. Przykład biofilmu  http://polymath07.blogspot.com/2007/12/microbes-to-rescue.html
• Rysunek 2. Przykład biofilmu http://polymath07.blogspot.com/2007/12/microbes-to-rescue.html
• Rysunek 3. Zróżnicowanie aktywności metabolicznych w obrębie biofilmu http://bioinfo.mol.uj.edu.pl/articles/Buchala05
• Rysunek 4. Etapy powtarzania biofilmu http://bioinfo.mol.uj.edu.pl/articles/Buchala05