Биофилмите са съвкупност от един или повече видове микроорганизми, които могат да растат на много различни повърхности. Микроорганизмите, които образуват биофилми, включват бактерии, гъбички и протеисти.
Един често срещан пример за зъбна плака от биофилм, тънко натрупване на бактерии, което се образува по повърхностите на зъбите. Езерницата от езерце е друг пример. Установено е, че биофилмите растат върху минерали и метали. Те са открити под вода, под земята и над земята. Те могат да растат върху растителни тъкани и животински тъкани и върху имплантирани медицински изделия, като катетри и пейсмейкъри.
Всяка от тези отличителни повърхности има обща определяща характеристика: те са мокри. Тези среди "периодично или непрекъснато се надуват с вода", според статия от 2007 г., публикувана в списание Microbe. Биофилмите виреят върху влажни или мокри повърхности.
Биофилмите са се утвърдили в такава среда от много дълго време. Фосилните доказателства за биофилмите датират преди около 3,25 милиарда години, според статия от 2004 г., публикувана в списанието Nature Reviews Microbiology. Например, биофилмите са открити в 3,2 милиарда годишни дълбоководни хидротермални скали на кратона Пилбара в Австралия. Подобни биофилми се намират в хидротермална среда като горещи извори и дълбочинни отвори.
Образуване на биофилм
Образуването на биофилми започва, когато свободно плаващи микроорганизми като бактерии влизат в контакт с подходяща повърхност и започват да слагат корени, така да се каже. Тази първа стъпка на свързване се случва, когато микроорганизмите произвеждат гнойно вещество, известно като извънклетъчно полимерно вещество (EPS), според Центъра за биофилм инженеринг в държавния университет в Монтана. EPS е мрежа от захари, протеини и нуклеинови киселини (като ДНК). Тя дава възможност на микроорганизмите в биофилма да се слепят.
Привързаността е последвана от период на растеж. Допълнителни слоеве микроорганизми и EPS надграждат първите слоеве. В крайна сметка те създават луковична и сложна 3D структура, според Центъра за биофилм инженеринг. Водните канали пресичат биофилмите и позволяват обмен на хранителни вещества и отпадни продукти, според статията в Microbe.
Множество условия на околната среда помагат да се определи степента, в която расте биофилм. Тези фактори също определят дали тя е направена от само няколко слоя клетки или значително повече. „Това наистина зависи от биофилма“, казва Робин Герлах, професор в катедрата по химическо и биологично инженерство в Държавния университет в Монтана-Боземан. Например микроорганизмите, които произвеждат голямо количество EPS, могат да прераснат в доста дебели биофилми, дори и да нямат достъп до много хранителни вещества, каза той. От друга страна, за микроорганизмите, които зависят от кислорода, наличното количество може да ограничи колко могат да растат. Друг фактор на околната среда е концепцията за "напрежение на срязване". "Ако имате много голям поток през биофилм, например в рекичка, биофилмът обикновено е доста тънък. Ако имате биофилм в бавно течаща вода, например в езерце, той може да стане много гъст", обясни Герлах.
И накрая, клетките в биофилма могат да напуснат гънката и да се установят на нова повърхност. Или бучка клетки се откъсва, или отделни клетки избухват от биофилма и търсят нов дом. Този последен процес е известен като "разпръскване на засяването", според Центъра за биофилм инженеринг.
Защо да образуваме биофилм?
За микроорганизмите животът като част от биофилм има определени предимства. "Общностите на микробите обикновено са по-издръжливи на стрес", каза Герлах пред Live Science. Потенциалните стресори включват липсата на вода, високо или ниско pH или наличието на токсични за микроорганизми вещества като антибиотици, антимикробни вещества или тежки метали.
Има много възможни обяснения за издръжливостта на биофилмите. Например, тънкото покритие от EPS може да действа като защитна бариера. Може да помогне за предотвратяване на дехидратация или да действа като щит срещу ултравиолетова (UV) светлина. Също така вредните вещества като антимикробни средства, белина или метали се свързват или неутрализират, когато влязат в контакт с EPS. По този начин те се разреждат до концентрации, които не са смъртоносни, преди да успеят да достигнат различни клетки дълбоко в биофилма, според статия от 2004 г. в Nature Reviews Microbiology.
Все пак е възможно някои антибиотици да проникнат в EPS и да проправят път през слоевете на биофилма. Тук може да влезе в сила друг защитен механизъм: наличието на бактерии, които са физически в състояние на сън. За да работят добре, всички антибиотици изискват известно ниво на клетъчна активност. Така че, ако бактериите са физически неразположени за начало, няма много антибиотик да се наруши.
Друг начин на защита срещу антибиотици е наличието на специални бактериални клетки, известни като "персистира". Такива бактерии не се делят и са устойчиви на много антибиотици. Според статия от 2010 г., публикувана в списанието Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, функцията „персистира“, като произвежда вещества, които блокират целите на антибиотиците.
По принцип микроорганизмите, живеещи заедно като биофилм, се възползват от присъствието на различни членове на общността. Герлах цитира примера с автотрофни и хетеротрофни микроорганизми, които живеят заедно в биофилми. Автотрофите, като фотосинтетичните бактерии или водорасли, са в състояние да произвеждат собствена храна под формата на органичен (съдържащ въглерод) материал, докато хетеротрофите не могат да произвеждат собствена храна и изискват външни източници на въглерод. „В тези мултиорганизмни общности те често кръстосват храната“, каза той.
Биофилми и нас
Предвид огромната гама от среди, в които се сблъскваме с биофилми, не е изненада, че те засягат много аспекти от човешкия живот. По-долу са дадени няколко примера.
Здраве и болести
С напредването на научните изследвания през годините биофилмите - бактериални и гъбични - са замесени в различни здравни състояния. В покана за кандидатстване за безвъзмездни средства от 2002 г. Националните здравни институти (NIH) отбелязват, че биофилмите представляват „над 80 процента от микробни инфекции в организма“.
Биофилмите могат да растат върху имплантирани медицински изделия като протезни сърдечни клапи, ставни протези, катетри и пейсмейкъри. Това от своя страна води до инфекции. Феноменът е забелязан за първи път през 80-те години на миналия век, когато бактериални биофилми са открити на интравенозни катетри и пейсмейкъри. Известно е също, че бактериалните биофилми причиняват инфекциозен ендокардит и пневмония при тези с муковисцидоза, според статията от 2004 г. в Nature Reviews Microbiology, сред другите инфекции.
"Причината, че образуването на биофилм е голяма причина за безпокойство, е, че в рамките на биофилм бактериите са по-устойчиви на антибиотици и други основни дезинфектанти, които бихте могли да използвате, за да ги контролирате", казва AC Matin, професор по микробиология и имунология в Stanford Университет. В действителност, в сравнение със свободно плаващи бактерии, тези, които растат като биофилм, могат да бъдат до 1500 пъти по-устойчиви на антибиотици и други биологични и химични агенти, според статията в Microbe. Матин описа резистентността на биофилмите в комбинация с общото повишаване на антибиотичната резистентност сред бактериите като "двойна китка" и основно предизвикателство за лечение на инфекции.
Гъбичните биофилми също могат да причинят инфекции чрез отглеждане на имплантирани устройства. Видове дрожди като членовете на рода Candida растат върху гръдните импланти, пейсмейкъри и протезни сърдечни клапани според статия от 2014 г., публикувана в списанието Cold Spring Harbour Perspectives in Medicine. Candida видове също растат върху тъканите на човешкото тяло, което води до заболявания като вагинит (възпаление на влагалището) и орофарингеална кандидоза (инфекция с дрожди, която се развива в устата или гърлото). Авторите обаче отбелязват, че резистентността към лекарства не е показана в тези случаи.
Биолечение
Понякога биофилмите са полезни. „Биоремедиацията като цяло е използването на живи организми или техните продукти - например ензими - за лечение или разграждане на вредни съединения“, каза Герлах. Той отбеляза, че биофилмите се използват за пречистване на отпадни води, замърсители на тежки метали като хромат, експлозиви като TNT и радиоактивни вещества като уран. "Микробите могат или да ги влошат, или да променят тяхната мобилност или токсичното им състояние и следователно да ги направят по-малко вредни за околната среда и хората", каза той.
Нитрификацията с помощта на биофилми е една от формите за пречистване на отпадъчните води. По време на нитрификацията амонякът се превръща в нитрити и нитрати чрез окисляване. Това може да стане чрез автотрофни бактерии, които растат като биофилми върху пластмасови повърхности, според статия от 2013 г., публикувана в списанието Water Research. Тези пластмасови повърхности са с размер само няколко сантиметра и се разпределят по цялата вода.
Взривоопасният TNT (2,4,6-тринитротолуен) се счита за замърсител на почвата, повърхностните и подземните води. Химическата структура на TNT се състои от бензен (шестоъгълен ароматен пръстен, изработен от шест въглеродни атома), прикрепен към три нитро групи (НЕ2) и една метилова група (СН3). Микроорганизмите разграждат TNT чрез редукция, според статия от 2007 г., публикувана в списанието Applied and Environmental Microbiology. Повечето микроорганизми намаляват трите нитро групи, докато някои атакуват ароматния пръстен. Изследователите - Айрат Зиганшин, Робин Герлах и колегите му - откриха, че дрождите щам Yarrowia lipolytica беше в състояние да разгради TNT чрез двата метода, макар и предимно чрез атака на ароматния пръстен.
Микробни горивни клетки
Микробните горивни клетки използват бактерии за преобразуване на органични отпадъци в електричество. Микробите живеят на повърхността на електрод и прехвърлят електрони върху него, в крайна сметка създавайки ток, каза Герлах. Статия от 2011 г., публикувана в онлайн списание на Университета на Южна Калифорния Illumin, отбелязва, че бактериите, захранващи микробните горивни клетки, разграждат хранителни и телесни отпадъци. Това осигурява евтин източник на енергия и чиста устойчива енергия.
Текущи изследвания
Нашият свят залива с биофилми. Всъщност до средата на 20 век по вътрешните повърхности на контейнери, съдържащи бактериални култури, са открити повече бактерии, отколкото свободно плаващи в самата течна култура, според статията от 2004 г. в Nature Reviews Microbiology. Разбирането на тези сложни микробни структури е активна област на изследване.
"Биофилмите са невероятни общности. Някои хора ги сравняват с многоклетъчни организми, защото има много взаимодействие между единични клетки", каза Герлах. "Ние продължаваме да научаваме за тях и ние продължаваме да се учим как да ги контролираме по-добре; както за намалена вреда, така и в областта на медицината, или за по-голяма полза, както при биоремедиацията. Няма да ни свърши интересни въпроси в тази област. "
