A Brief Introduction to Biofilms
|
|
|
|
|
Biofilm in pipe section.
Biofilm in stream in Yellowstone National Park.
Biofilm scraped from reverse osmosis membrane.
Dental plaque is biofilm.,hoewel u misschien niet bekend bent met de term biofilm, heeft u zeker regelmatig biofilms gezien. Bijvoorbeeld, de plaque die zich vormt op je tanden en veroorzaakt tandbederf is een type bacteriële biofilm. De “smurrie” die je huishoudelijke afvoer verstopt is ook een biofilm. Als je ooit in een beek of rivier hebt gelopen, heb je misschien uitgegleden op rotsen die slijmerig waren met biofilm. Een aanhoudende infectie op een schrammetje van een sportblessure was waarschijnlijk een biofilm., En zo gaat het: biofilms—ze zijn waar je wilt zijn.
dus wat is een biofilm?
een biofilm bestaat uit levende, reproducerende micro-organismen, zoals bacteriën, die als kolonie of gemeenschap bestaan. Met andere woorden, biofilms leven en hebben een complexe sociale structuur die wetenschappers en ingenieurs nog steeds proberen te ontrafelen, een structuur die hen zowel beschermt als laat groeien.
hoe ontstaan biofilms?,
een biofilm ontstaat wanneer bepaalde micro-organismen (bijvoorbeeld sommige soorten bacteriën) zich in een vochtige omgeving aan het oppervlak van een object hechten en zich beginnen voort te planten. De micro-organismen vormen een bevestiging aan het oppervlak van het object door het afscheiden van een slijmerige, lijmachtige substantie. Biofilms kunnen zich op vrijwel elk denkbaar oppervlak vormen: metalen, kunststoffen, natuurlijke materialen (zoals rotsen), medische implantaten, keukenbladen, contactlenzen, de wanden van een bubbelbad of zwembad (heb je ooit gemerkt dat de zijkanten van een bubbelbad of zwembad een beetje slijmerig leken?,), menselijk en dierlijk weefsel, enzovoort. Inderdaad, waar de combinatie van vocht, voedingsstoffen, en een oppervlak bestaat, biofilms zal waarschijnlijk ook worden gevonden.
een biofilmgemeenschap kan worden gevormd door één soort micro-organisme, maar in de natuur bestaan biofilms bijna altijd uit mengsels van vele soorten bacteriën, evenals schimmels, algen, gisten, protozoa en andere micro-organismen, samen met niet-levend afval en corrosieproducten. Bijvoorbeeld, zijn meer dan 500 bacteriële species geà dentificeerd in typische tandplak biofilms!
hoe groot kan een biofilm worden?,
Biofilms kunnen zo dun zijn dat detectie met het blote oog wordt vermeden—slechts enkele cellagen dik. De biofilms die vrijwel zeker bestaan op uw aanrecht, bijvoorbeeld, zijn over het algemeen niet op te sporen voor het oog (tenzij, zoals sommige studenten, je niet uw tellers te wassen heel vaak). Ze kunnen ook vele centimeters dik worden; waarschijnlijk niet op een aanrecht (althans dat hopen we niet), maar zeker als algen op rotsen in een beekje.
wat zorgt ervoor dat een biofilm aan elkaar blijft plakken?,ingenieurs en wetenschappers hebben ontdekt dat biofilms bij elkaar worden gehouden door suikerhoudende moleculaire strengen, collectief aangeduid als “extracellulaire polymere stoffen” (een mondvol van een term die in wezen betekent “verbindingen of stoffen die buiten de muren van cellen”) of “EPS.”De cellen produceren strengen EPS en worden bij elkaar gehouden door deze strengen, waardoor ze complexe, driedimensionale, verbonden gemeenschappen kunnen ontwikkelen die bestand zijn tegen aanvallen die individuele cellen die geen deel uitmaken van een biofilm kolonie zouden vernietigen.,
Permissions
P. Dirckx, Center for Biofilm Engineering, Montana State University, Bozeman
figuur 1. De Levenscyclus Van De Biofilm.
1. Vrij zwevend, of planktonisch, bacteriën tegenkomen een ondergedompeld oppervlak en binnen enkele minuten kunnen worden gehecht. Ze beginnen slijmerige extracellulaire polymere stoffen (EPS) te produceren en het oppervlak te koloniseren.
2., De productie van EPS staat de opkomende biofilm gemeenschap toe om een complexe, driedimensionale structuur te ontwikkelen die door een verscheidenheid van milieufactoren wordt beà nvloed. Biofilm gemeenschappen kunnen ontwikkelen binnen enkele uren.
3. Biofilms kunnen zich door onthechting van kleine of grote klontjes cellen, of door een type van “zaaiende verspreiding” verspreiden die individuele cellen vrijgeeft. Of het type van onthechting staat bacteriën toe om zich aan een oppervlakte of aan een biofilm stroomafwaarts van de originele gemeenschap te hechten.
hoe kunnen schadelijke biofilms worden behandeld?
P. Dirckx, Center for Biofilm Engineering, Montana State University, Bozeman
figuur 1. De Levenscyclus Van De Biofilm.
1. Vrij zwevend, of planktonisch, bacteriën tegenkomen een ondergedompeld oppervlak en binnen enkele minuten kunnen worden gehecht. Ze beginnen slijmerige extracellulaire polymere stoffen (EPS) te produceren en het oppervlak te koloniseren.
2., De productie van EPS staat de opkomende biofilm gemeenschap toe om een complexe, driedimensionale structuur te ontwikkelen die door een verscheidenheid van milieufactoren wordt beà nvloed. Biofilm gemeenschappen kunnen ontwikkelen binnen enkele uren.
3. Biofilms kunnen zich door onthechting van kleine of grote klontjes cellen, of door een type van “zaaiende verspreiding” verspreiden die individuele cellen vrijgeeft. Of het type van onthechting staat bacteriën toe om zich aan een oppervlakte of aan een biofilm stroomafwaarts van de originele gemeenschap te hechten.
Ah!, Nu komen we bij de kern van de biofilms kwestie. Lees deze kleine sectie zorgvuldig, want als je het punt hier, zult u begrijpen waarom de studie van biofilms is zo radicaal en belangrijk, en de rest van dit hypertextbook zal zinvol zijn voor u. U ziet, de effectieve behandeling (d.w.z. vernietiging) van schadelijke micro-organismen, zoals bacteriën, is bestudeerd voor vele lange jaren vanuit het verkeerde perspectief! Dat klopt., Schadelijke micro-organismen werden bestudeerd (en zijn nog steeds, helaas, voor een groot deel) in isolatie, niet als leden van een biofilm kolonie, waar ze eigenlijk normaal wonen.
laten we dit bespreken door middel van een voorbeeld. Heb je ooit gehoord van, Laten we zeggen, een mondwater dat wordt geadverteerd om ” miljoenen bacteriën te doden bij contact?”Dat is waarschijnlijk een waarheidsgetrouwe verklaring van de mondwater bedrijf (hey, we zijn niet proberen om iemand uit het bedrijfsleven lopen; echter, we willen hen helpen hun zaken beter te doen). Maar denk hier eens over na. Die miljoenen bacteriën zitten in een plaque biofilm in je mond., Hoe kan het mondwater de biofilm binnendringen om in contact te komen met elk van die miljoenen individuele bacteriën? Goede vraag. Vergeet niet dat we zeiden dat biofilms behoorlijk dik kunnen worden, en dat ze de capaciteit lijken te hebben om defensieve mechanismen tegen aanvallen van buitenaf te vormen.,het is een feit dat de huidige mondwasmiddelen, antibiotica, huishoudelijke reinigingsmiddelen, ontsmettingsmiddelen en de meeste andere behandelingsformules werden ontwikkeld door hun effect te testen op schadelijke micro-organismen in een planktonische toestand (een toestand waarin micro-organismen als individuen in een oplossing drijven, niet als onderdeel van een biofilmkolonie die aan een oppervlak is bevestigd). Dus, hoewel dergelijke behandelingen inderdaad miljoenen kiemen kunnen doden bij contact, het effect van deze behandelingen is ernstig beperkt wanneer ze worden toegepast op echte wereldomgevingen waarin de micro-organismen te doden zijn eigenlijk lid van een biofilm.,de conclusie, en een die momenteel agressief wordt nagestreefd door biofilm onderzoekers over de hele wereld, is dat de hele studie van de behandeling van schadelijke micro-organismen moet worden herzien in het licht van dit nieuwe begrip van hoe die micro-organismen zich daadwerkelijk presenteren in onze omgeving: als biofilms. De structuur, de groei, de afweermechanismen, de reproductie, en alle andere facetten van biofilms moeten worden begrepen, en nieuwe behandelingen en methodes voor het evalueren van de doeltreffendheid van die behandelingen moeten worden ontwikkeld.,
Dit zijn de grote uitdagingen voor degenen die het veld van biofilms betreden. Er is al veel vooruitgang geboekt, maar er is nog veel meer te begrijpen en te doen, zowel in termen van het ontwikkelen van effectieve behandelingen als in het opleiden van de samenleving over biofilms en hun implicaties. Daarom zeggen we dat dit een goed vakgebied is voor jongeren om te beschouwen als een carrièrefocus in de biologie, microbiologie, milieutechniek en-wetenschap, biochemie en andere disciplines.
Oh, en laten we het verhaal over het mondwater afmaken., Gezien wat nu bekend is over tandplak, zou je moeten gorgelen met een goede mondwater voor ongeveer vijf minuten recht om te doden uit die miljoenen ziektekiemen aanwezig zijn op tanden bedekt met een “gemiddelde” hoeveelheid plaque.
Wat zijn de financiële gevolgen van Biofilms?
Biofilms kosten de VS letterlijk miljarden dollars per jaar aan energieverlies, schade aan apparatuur, productbesmetting en medische infecties., Maar biofilms bieden ook een enorm potentieel voor het bioremedieren van gevaarlijke afvallocaties, het biofilteren van stedelijk en industrieel water en afvalwater en het vormen van biobarriers om bodem en grondwater te beschermen tegen verontreiniging. De complexiteit van biofilm activiteit en gedrag vereist onderzoek bijdragen van vele disciplines zoals biochemie, engineering, wiskunde en microbiologie. Nieuwe inzichten in de mysteries van biofilm worden regelmatig gepubliceerd in een breed scala aan wetenschappelijke en technische tijdschriften.