A Brief Introduction to Biofilms (Deutsch)

A Brief Introduction to Biofilms

Biofilm in pipe section. (N. Zelver)

Biofilm in stream in Yellowstone National Park. (D. Davies)

Biofilm scraped from reverse osmosis membrane. (C.Wend)

Dental plaque is biofilm., (Courtesy, ASM Image Library)

Obwohl Sie mit dem Begriff Biofilm vielleicht nicht vertraut sind, sind Sie sicherlich regelmäßig auf Biofilme gestoßen. Zum Beispiel ist die Plaque, die sich auf Ihren Zähnen bildet und Karies verursacht, eine Art bakterieller Biofilm. Der „Dunk“, der Ihre Haushaltsabflüsse verstopft, ist auch ein Biofilm. Wenn Sie jemals in einem Bach oder Fluss gelaufen sind, sind Sie möglicherweise auf Felsen gerutscht, die mit Biofilm schleimig waren. Eine anhaltende Infektion an einem Kratzen, die Sie von einer Sportverletzung bekommen haben, war wahrscheinlich ein Biofilm., Und so geht es: Biofilme-sie sind da, wo du sein willst.

Was ist ein Biofilm?

Ein Biofilm besteht aus lebenden, sich vermehrenden Mikroorganismen wie Bakterien, die als Kolonie oder Gemeinschaft existieren. Mit anderen Worten, Biofilme sind lebendig und haben eine komplexe soziale Struktur, die Wissenschaftler und Ingenieure immer noch zu entwirren versuchen, eine Struktur, die sie sowohl schützt als auch wachsen lässt.

Wie bilden sich Biofilme?,

Ein Biofilm bildet sich, wenn bestimmte Mikroorganismen (z. B. einige Arten von Bakterien) in feuchter Umgebung an der Oberfläche eines Objekts haften und sich zu vermehren beginnen. Die Mikroorganismen bilden eine Anhaftung an die Oberfläche des Objekts, indem sie eine schleimige, klebrige Substanz sezernieren. Biofilme können sich auf fast jeder erdenklichen Oberfläche bilden: Metalle, Kunststoffe, natürliche Materialien (wie Steine), medizinische Implantate, Küchentheken, Kontaktlinsen, die Wände eines Whirlpools oder Schwimmbades (haben Sie jemals bemerkt, dass die Seiten eines Whirlpools oder Schwimmbades etwas schleimig wirkten?,), menschliches und tierisches Gewebe und weiter und weiter. Überall dort, wo die Kombination von Feuchtigkeit, Nährstoffen und einer Oberfläche besteht, werden wahrscheinlich auch Biofilme gefunden.

Eine Biofilmgemeinschaft kann durch eine einzige Art von Mikroorganismen gebildet werden, aber in der Natur bestehen Biofilme fast immer aus Mischungen vieler Bakterienarten sowie Pilzen, Algen, Hefen, Protozoen und anderen Mikroorganismen zusammen mit nicht lebenden Ablagerungen und Korrosionsprodukten. Zum Beispiel wurden über 500 Bakterienarten in typischen Zahnbelag-Biofilmen identifiziert!

Wie groß kann ein biofilm bekommen?,

Biofilme können so dünn sein, dass sie mit bloßem Auge nicht erkannt werden—nur wenige Zellschichten dick. Die Biofilme, die zum Beispiel mit ziemlicher Sicherheit auf Ihrer Küchentheke vorhanden sind, sind für das Auge im Allgemeinen nicht nachweisbar (es sei denn, Sie waschen Ihre Theken wie einige College-Studenten nicht sehr oft). Sie können auch viele Zentimeter dick werden; wahrscheinlich nicht auf einer Arbeitsplatte (zumindest hoffen wir nicht), aber sicherlich als Algen auf Felsen in einem Bachbett.

Was lässt einen Biofilm zusammenkleben?,

Ingenieure und Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Biofilme durch zuckerhaltige Molekülstränge zusammengehalten werden, die gemeinsam als „extrazelluläre polymere Substanzen“ (ein Schluck eines Begriffs, der im Wesentlichen „Verbindungen oder Substanzen bedeutet, die sich außerhalb der Zellwände bilden“) oder „EPS“ bezeichnet werden.“Die Zellen produzieren EPS-Stränge und werden von diesen Strängen zusammengehalten, so dass sie komplexe, dreidimensionale, anhaftende Gemeinschaften entwickeln können, die gegen Angriffe resistent sind, die einzelne Zellen zerstören würden, die nicht Teil einer Biofilmkolonie sind.,

Wie können schädliche Biofilme behandelt werden?

Ah!, Jetzt kommen wir hier zum Kern des Biofilmproblems. Lesen Sie diesen kleinen Abschnitt sorgfältig durch, denn wenn Sie hier auf den Punkt kommen, werden Sie verstehen, warum das Studium von Biofilmen so radikal und wichtig ist und der Rest dieses Hypertextbuchs für Sie sinnvoll ist. Sie sehen, die wirksame Behandlung (d. H. Zerstörung) schädlicher Mikroorganismen wie Bakterien wird seit vielen Jahren aus der falschen Perspektive untersucht! Das ist richtig., Schädliche Mikroorganismen wurden isoliert untersucht (und sind es leider immer noch), nicht als Mitglieder einer Biofilmkolonie, in der sie sich normalerweise befinden.

Lassen Sie uns dies anhand eines Beispiels diskutieren. Haben Sie jemals von einem Mundwasser gehört, das beworben wird, um „Millionen von Keimen bei Kontakt abzutöten“?“Das ist wahrscheinlich eine wahrheitsgemäße Aussage der Mouthwash Company (hey, wir versuchen nicht, jemanden aus dem Geschäft zu führen; wir möchten ihnen jedoch helfen, ihr Geschäft besser zu machen). Aber jetzt betrachte das. Diese Millionen von Keimen sind in einen Plaque-Biofilm in Ihrem Mund eingebettet., Wie dringt das Mundwasser in den Biofilm ein, um tatsächlich jeden dieser Millionen einzelner Keime zu kontaktieren? Gute Frage. Denken Sie daran, dass wir gesagt haben, dass Biofilme ziemlich dick werden können und dass sie die Fähigkeit zu haben scheinen, Abwehrmechanismen gegen Angriffe von außen zu bilden.,

Tatsache ist, dass die heutigen Mundwässer, Antibiotika, Haushaltsreiniger, Desinfektionsmittel und die meisten anderen Behandlungsformeln entwickelt wurden, indem ihre Wirkung auf schädliche Mikroorganismen in einem planktonischen Zustand getestet wurde (ein Zustand, in dem Mikroorganismen als Individuen in einer Lösung schwimmen, nicht als Teil einer an einer Oberfläche befestigten Biofilmkolonie). Obwohl solche Behandlungen tatsächlich Millionen von Keimen bei Kontakt abtöten können, ist die Wirkung dieser Behandlungen stark eingeschränkt, wenn sie auf reale Umgebungen angewendet werden, in denen die zu tötenden Mikroorganismen tatsächlich Mitglieder eines Biofilms sind.,

Die Schlussfolgerung, die derzeit von Biofilmforschern auf der ganzen Welt aggressiv verfolgt wird, ist, dass die gesamte Untersuchung der Behandlung schädlicher Mikroorganismen im Lichte dieses neuen Verständnisses, wie sich diese Mikroorganismen tatsächlich in unserer Umwelt präsentieren, überarbeitet werden muss: als Biofilme. Die Struktur, das Wachstum, die Abwehrmechanismen, die Fortpflanzung und alle anderen Facetten von Biofilmen müssen verstanden und neue Behandlungen und Methoden zur Bewertung der Wirksamkeit dieser Behandlungen entwickelt werden.,

Dies sind die großen Herausforderungen für diejenigen, die das Feld der Biofilme betreten. Es wurden bereits große Fortschritte erzielt, aber es gibt noch viel mehr zu verstehen und zu tun, sowohl bei der Entwicklung wirksamer Behandlungen als auch bei der Aufklärung der Gesellschaft über Biofilme und ihre Auswirkungen. Deshalb sagen wir, dass dies ein gutes Feld für junge Menschen ist, das als Karrierefokus in Biologie, Mikrobiologie, Umwelttechnik und Wissenschaft, Biochemie und anderen Disziplinen betrachtet werden kann.

Oh, und lass uns die Geschichte über das Mundwasser beenden., Angesichts dessen, was jetzt über Zahnbelag bekannt ist, müssten Sie etwa fünf Minuten lang mit einem guten Mundwasser gurgeln, um die Millionen von Keimen abzutöten, die auf Zähnen vorhanden sind, die mit einer „durchschnittlichen“ Menge an Plaque überzogen sind.

Was sind die Finanziellen Auswirkungen von Biofilmen?

Biofilme kosten die USA jedes Jahr buchstäblich Milliarden von Dollar an Energieverlusten, Geräteschäden, Produktkontamination und medizinischen Infektionen., Biofilme bieten aber auch ein enormes Potenzial für die Bioremediation gefährlicher Abfallstellen, die Biofilterung von kommunalem und industriellem Wasser und Abwasser sowie die Bildung von Biobarriern zum Schutz von Boden und Grundwasser vor Kontamination. Die Komplexität von Biofilmaktivität und-verhalten erfordert Forschungsbeiträge aus vielen Disziplinen wie Biochemie, Ingenieurwesen, Mathematik und Mikrobiologie. Neue Einblicke in die Geheimnisse des Biofilms werden regelmäßig in einer Vielzahl von Wissenschafts-und Ingenieurzeitschriften veröffentlicht.