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.,nawet jeśli nie znasz terminu biofilm, z pewnością napotkałeś biofilmy na bieżąco. Na przykład płytka nazębna, która tworzy się na zębach i powoduje próchnicę jest jednym z rodzajów biofilmu bakteryjnego. „Gunk”, który zatyka kanalizację domową, jest również biofilmem. Jeśli kiedykolwiek chodziłeś w strumieniu lub rzece, być może poślizgnąłeś się na skałach, które były oślizgłe z biofilmem. Utrzymująca się infekcja na zadrapaniu po urazie sportowym to prawdopodobnie biofilm., I tak to jest: biofilmy—są tam, gdzie chcesz być.
czym jest biofilm?
biofilm składa się z żywych, rozmnażających się mikroorganizmów, takich jak bakterie, które istnieją jako kolonia lub społeczność. Innymi słowy, biofilmy są żywe i mają złożoną strukturę społeczną, którą naukowcy i inżynierowie wciąż próbują rozwikłać, strukturę, która chroni je i pozwala im rosnąć.
Jak powstają biofilmy?,
biofilm powstaje, gdy pewne mikroorganizmy (na przykład niektóre rodzaje bakterii) przylegają do powierzchni jakiegoś obiektu w wilgotnym środowisku i zaczynają się rozmnażać. Mikroorganizmy tworzą przytwierdzenie do powierzchni obiektu poprzez wydzielanie śluzowatej, podobnej do kleju substancji. Biofilmy mogą tworzyć się na niemal każdej możliwej powierzchni: metale, tworzywa sztuczne, materiały naturalne (takie jak skały), implanty medyczne, blaty kuchenne, soczewki kontaktowe, ściany wanny z hydromasażem lub basenu (czy zauważyłeś, że boki wanny z hydromasażem lub basenu wydawały się nieco oślizgłe?,), tkanki ludzkiej i zwierzęcej i tak dalej. Rzeczywiście, wszędzie tam, gdzie istnieje kombinacja wilgoci, składników odżywczych i powierzchni, prawdopodobnie znajdą się również biofilmy.
społeczność biofilmu może być utworzona przez jeden rodzaj mikroorganizmu, ale w naturze biofilmy prawie zawsze składają się z mieszanin wielu gatunków bakterii, a także grzybów, glonów, drożdży, pierwotniaków i innych mikroorganizmów, wraz z nieżywymi resztkami i produktami korozji. Na przykład w typowych biofilmach płytki nazębnej zidentyfikowano ponad 500 gatunków bakterii!
Jak duży może być biofilm?,
biofilmy mogą być tak cienkie, aby uniknąć wykrycia gołym okiem—tylko kilka warstw komórek grubych. Biofilmy, które prawie na pewno istnieją na blacie kuchennym, na przykład, są na ogół niewykrywalne dla oka (chyba, że, jak niektórzy studenci, nie myjesz swoich blatów bardzo często). Mogą również rosnąć do wielu cali grubości; prawdopodobnie nie na blacie (przynajmniej mamy nadzieję, że nie), ale na pewno jako glony na skałach w streambed.
co sprawia, że biofilm skleja się ze sobą?,
inżynierowie i naukowcy odkryli, że biofilmy są trzymane razem przez słodkie nici molekularne, określane zbiorczo jako ” zewnątrzkomórkowe substancje polimerowe „(usta pełne terminu, który zasadniczo oznacza” związki lub substancje, które tworzą się poza ścianami komórek”) lub ” EPS.”Komórki wytwarzają pasma EPS i są trzymane razem przez te pasma, umożliwiając im tworzenie złożonych, trójwymiarowych, dołączonych społeczności, które są odporne na ataki, które zniszczyłyby pojedyncze komórki nie będące częścią kolonii biofilmu.,
P. Dirckx, Center for Biofilm Engineering, Montana State University, Bozeman
Rysunek 1. Cykl Życia Biofilmu.
1. Swobodnie pływające lub planktoniczne bakterie napotykają zanurzoną powierzchnię i w ciągu kilku minut mogą się przyczepić. Zaczynają wytwarzać śluzowate pozakomórkowe substancje polimerowe (EPS) i kolonizować powierzchnię.
2., Produkcja EPS pozwala powstającej społeczności biofilmu na opracowanie złożonej, trójwymiarowej struktury, na którą wpływ mają różne czynniki środowiskowe. Społeczności biofilmu mogą rozwinąć się w ciągu kilku godzin.
3. Biofilmy mogą rozmnażać się poprzez odwarstwienie małych lub dużych kępek komórek lub przez rodzaj „wysiewającego dyspersalu”, który uwalnia pojedyncze komórki. Każdy rodzaj odwarstwienia pozwala bakteriom przyczepić się do powierzchni lub do biofilmu poniżej pierwotnej społeczności.
Jak można leczyć szkodliwe biofilmy?
Ah!, Teraz przejdźmy do sedna problemu biofilmów. Przeczytaj uważnie ten mały rozdział, ponieważ kiedy dojdziesz do sedna, zrozumiesz, dlaczego badanie biofilmów jest tak radykalne i ważne, a reszta tego hipertekstualnego podręcznika będzie miała dla ciebie sens. Widzisz, skuteczne leczenie (czyli niszczenie) szkodliwych mikroorganizmów, takich jak bakterie, jest badane przez wiele lat z niewłaściwej perspektywy! Zgadza się., Szkodliwe mikroorganizmy były badane (i nadal są, niestety, w dużej mierze) w izolacji, a nie jako członkowie Kolonii biofilmu, gdzie faktycznie normalnie przebywają.
omówmy to na przykładzie. Czy kiedykolwiek słyszałeś o, powiedzmy, płyn do płukania ust, który jest reklamowany, aby ” zabić miliony zarazków podczas kontaktu?”Jest to prawdopodobnie prawdziwe oświadczenie firmy do płukania ust (hej, nie staramy się nikogo wypędzić z biznesu; jednak chcielibyśmy pomóc im lepiej prowadzić swój biznes). Ale teraz rozważ to. Te miliony zarazków są osadzone w biofilmie płytki nazębnej w ustach., W jaki sposób płyn do płukania jamy ustnej przenika przez biofilm, aby zetknąć się z każdym z tych milionów pojedynczych zarazków? Dobre pytanie. Pamiętajcie, że powiedzieliśmy, że biofilmy mogą stać się dość grube i że wydają się mieć zdolność do tworzenia mechanizmów obronnych przed atakami z zewnątrz.,
faktem jest, że dzisiejsze płyny do płukania jamy ustnej, antybiotyki, środki czyszczące do użytku domowego, środki dezynfekujące i większość innych formuł leczenia zostały opracowane przez testowanie ich wpływu na szkodliwe mikroorganizmy w stanie planktonicznym (stan, w którym mikroorganizmy unoszą się w roztworze jako osoby, a nie jako część kolonii biofilmu przymocowanej do powierzchni). Tak więc, chociaż takie zabiegi mogą rzeczywiście zabić miliony zarazków w kontakcie, efekt tych zabiegów jest poważnie ograniczony, gdy są one stosowane do rzeczywistych środowisk, w których mikroorganizmy do zabicia są rzeczywiście członkami biofilmu.,
wniosek, który jest obecnie agresywnie kontynuowany przez badaczy biofilmu na całym świecie, jest taki, że całe badanie leczenia szkodliwych mikroorganizmów musi zostać ponownie zbadane w świetle tego nowego zrozumienia, w jaki sposób mikroorganizmy te rzeczywiście prezentują się w naszym środowisku: jako biofilmy. Należy zrozumieć strukturę, wzrost, mechanizmy obronne, reprodukcję i wszystkie inne aspekty biofilmów, a także opracować nowe metody i metody oceny skuteczności tych zabiegów.,
to wielkie wyzwania stojące przed tymi, którzy wchodzą w dziedzinę biofilmów. Poczyniono już wiele postępów, ale jest o wiele więcej do zrozumienia i zrobienia, zarówno w zakresie opracowywania skutecznych metod leczenia, jak i edukacji społeczeństwa na temat biofilmów i ich implikacji. Dlatego mówimy, że jest to dobra dziedzina dla młodych ludzi do rozważenia jako kierunek kariery w biologii, mikrobiologii,Inżynierii Środowiska i naukach ścisłych, biochemii i innych dyscyplinach.
no i dokończmy opowieść o płukaniu ust., Biorąc pod uwagę to, co wiadomo o płytce nazębnej teraz, trzeba będzie płukać gardło z dobrym płukaniem jamy ustnej przez około pięć minut prosto zabić te miliony zarazków obecnych na zębach pokrytych „średnią” ilość płytki nazębnej.
jakie są skutki finansowe biofilmów?
biofilmy kosztują USA dosłownie miliardy dolarów rocznie w stratach energii, uszkodzeniach sprzętu, skażeniu produktów i infekcjach medycznych., Ale biofilmy oferują również ogromny potencjał do bioremediacji odpadów niebezpiecznych, biofiltracji wody i ścieków komunalnych i przemysłowych oraz tworzenia biobarriers w celu ochrony gleby i wód gruntowych przed zanieczyszczeniem. Złożoność aktywności i zachowania biofilmu wymaga wkładu badawczego z wielu dyscyplin, takich jak biochemia, Inżynieria, Matematyka i Mikrobiologia. Nowe spojrzenie na tajemnice biofilmu jest regularnie publikowane w wielu czasopismach naukowych i inżynierskich.