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.,även om du kanske inte känner till termen biofilm, har du säkert stött på biofilmer regelbundet. Till exempel är plack som bildas på dina tänder och orsakar tandförfall en typ av bakteriell biofilm. Den ”gunk” som träskor ditt hushåll avlopp är också en biofilm. Om du någonsin har gått i en ström eller flod, kan du ha halkat på stenar som var slemmiga med biofilm. En ihållande infektion på en skrapa du fick från en sportskada var sannolikt en biofilm., Och så går det: biofilmer-de är där du vill vara.
så vad är en biofilm?
en biofilm består av levande, reproducerande mikroorganismer, såsom bakterier, som finns som en koloni eller gemenskap. Med andra ord lever biofilmer och har en komplex social struktur som forskare och ingenjörer fortfarande försöker riva upp, en struktur som både skyddar dem och låter dem växa.
hur bildas biofilmer?,
en biofilm bildas när vissa mikroorganismer (till exempel vissa typer av bakterier) klibbar på ytan av något föremål i en fuktig miljö och börjar reproducera. Mikroorganismerna bildar en fastsättning på objektets yta genom att utsöndra en slimig, limliknande substans. Biofilmer kan bildas på nästan vilken som helst tänkbar yta: metaller, plast, naturmaterial (som stenar), medicinska implantat, köksdiskar, kontaktlinser, väggarna i en badtunna eller pool (märkte du någonsin att sidorna av en badtunna eller pool verkade lite slimig?,), mänsklig och djurvävnad, och på och på. I själva verket, där kombinationen av fukt, näringsämnen och en yta finns, biofilmer kommer sannolikt att hittas också.
en biofilm gemenskap kan bildas av en enda typ av mikroorganism, men i naturen biofilmer består nästan alltid av blandningar av många arter av bakterier, liksom svampar, alger, jäst, protozoer och andra mikroorganismer, tillsammans med icke-levande skräp och korrosionsprodukter. Till exempel har över 500 bakteriearter identifierats i typiska dental plaque biofilmer!
hur stor kan en biofilm få?,
biofilmer kan vara så tunna att man undviker upptäckt med blotta ögat—bara några cellskikt tjocka. De biofilmer som nästan säkert finns på din köksbänk, till exempel, är i allmänhet omöjlig att upptäcka för ögat (om inte, som vissa studenter, du inte tvätta dina räknare mycket ofta). De kan också växa till att bli många inches tjock; förmodligen inte på en bänkskiva (åtminstone hoppas vi inte), men säkert som alger på stenar i en bädd.
Vad gör en biofilm hålla ihop?,
ingenjörer och forskare har upptäckt att biofilmer hålls samman av sockermolekylära strängar, kollektivt kallade ”extracellulära polymera ämnen” (en munfull av en term som i huvudsak betyder ”föreningar eller ämnen som bildar utanför cellernas väggar”) eller ”EPS.”Cellerna producerar strängar av EPS och hålls samman av dessa strängar, så att de kan utveckla komplexa, tredimensionella, bifogade samhällen som är resistenta mot attacker som skulle förstöra enskilda celler som inte ingår i en biofilmkoloni.,
P. Dirckx, Centrum för Biofilm Engineering, Montana State University, Bozeman
Figur 1. Biofilmens Livscykel.
1. Fritt flytande, eller planktoniska, bakterier stöter på en nedsänkt yta och inom några minuter kan fästas. De börjar producera slemmiga extracellulära polymera ämnen (EPS) och att kolonisera ytan.
2., EPS-produktion gör det möjligt för den framväxande biofilmgemenskapen att utveckla en komplex, tredimensionell struktur som påverkas av en mängd olika miljöfaktorer. Biofilm samhällen kan utvecklas inom timmar.
3. Biofilmer kan spridas genom avlägsnande av små eller stora klumpar av celler, eller av en typ av ”sådddispersal” som släpper ut enskilda celler. Endera typen av avlossning gör det möjligt för bakterier att fästa på en yta eller till en biofilm nedströms från det ursprungliga samhället.
hur kan skadliga biofilmer behandlas?
Åh!, Nu kommer vi till kärnan i biofilmsfrågan. Läs det här lilla avsnittet noggrant, för när du får poängen här förstår du varför studien av biofilmer är så radikal och viktig, och resten av denna hypertextbok kommer att vara meningsfullt för dig. Du ser, den effektiva behandlingen (dvs förstörelse) av skadliga mikroorganismer, såsom bakterier, har studerats i många långa år ur fel perspektiv! Det stämmer., Skadliga mikroorganismer studerades (och är tyvärr i stor utsträckning) isolerat, inte som medlemmar i en biofilmkoloni, där de faktiskt normalt bor.
låt oss diskutera detta genom ett exempel. Har du någonsin hört talas om, säg, en munvatten som annonseras för att ” döda miljontals bakterier vid kontakt?”Det är förmodligen ett sanningsenligt uttalande från mouthwash company (Hej, vi försöker inte köra någon i affärer; vi vill dock hjälpa dem att göra sin verksamhet bättre). Men nu överväga detta. De miljontals bakterier är inbäddade i en plack biofilm i munnen., Hur tränger munvattnet in i biofilmen för att faktiskt kontakta var och en av de miljontals enskilda bakterierna? Bra fråga. Kom ihåg att vi sa att biofilmer kan bli ganska tjocka och att de verkar ha kapacitet att bilda defensiva mekanismer mot yttre attacker.,
faktum är att dagens munvatten, antibiotika, hushållsrengöringsmedel, desinfektionsmedel och de flesta andra behandlingsformler utvecklades genom att testa deras effekt på skadliga mikroorganismer i ett planktoniskt tillstånd (ett tillstånd där mikroorganismer flyter i en lösning som individer, inte som en del av en biofilmkoloni fäst vid en yta). Så, även om sådana behandlingar verkligen kan döda miljontals bakterier vid kontakt, är effekten av dessa behandlingar allvarligt begränsad när de appliceras på verkliga miljöer där mikroorganismerna som ska dödas faktiskt är medlemmar i en biofilm.,
slutsatsen, och en som för närvarande aggressivt eftersträvas av biofilmforskare runt om i världen, är att hela studien av behandling av skadliga mikroorganismer måste ses över mot bakgrund av denna nya förståelse för hur dessa mikroorganismer faktiskt presenterar sig i vår miljö: som biofilmer. Strukturen, tillväxten, försvarsmekanismerna, reproduktionen och alla andra aspekter av biofilmer måste förstås, och nya behandlingar och metoder för att utvärdera effektiviteten av dessa behandlingar måste utvecklas.,
det här är de stora utmaningarna för dem som går in i biofilmsområdet. Mycket framsteg har redan gjorts, men det finns mycket mer att förstå och göra, både när det gäller att utveckla effektiva behandlingar och att utbilda samhället om biofilmer och deras konsekvenser. Det är därför vi säger att detta är ett bra område för ungdomar att överväga som karriärfokus i biologi, mikrobiologi, miljöteknik och vetenskap, biokemi och andra discipliner.
Åh, och låt oss avsluta historien om munvatten., Med tanke på vad som är känt om dental plaque nu, skulle du behöva gurgla med en bra munvatten i ungefär fem minuter direkt för att döda de miljontals bakterier som finns på tänder belagda med en ”genomsnittlig” mängd plack.
vilka är de ekonomiska effekterna av biofilmer?
biofilmer kostar USA bokstavligen miljarder dollar varje år i energiförluster, skador på utrustning, produktförorening och medicinska infektioner., Men biofilmer erbjuder också stor potential för bioremediering av farliga avfallsplatser, biofiltrering av kommunalt och industriellt vatten och avloppsvatten, och bildande av biobarriärer för att skydda mark och grundvatten från förorening. Komplexiteten i biofilmaktivitet och beteende kräver forskningsbidrag från många discipliner som biokemi, teknik, matematik och mikrobiologi. Nya insikter i biofilms mysterier publiceras regelbundet i en mängd olika vetenskapliga och tekniska tidskrifter.