Біоплівки - це сукупність одного або декількох типів мікроорганізмів, які можуть рости на багатьох різних поверхнях. Мікроорганізми, які утворюють біоплівки, включають бактерії, гриби та протісти.
Один поширений приклад зубного нальоту біоплівки, слизового накопичення бактерій, що утворюється на поверхнях зубів. Шум ставка - ще один приклад. Виявлено, що біоплівки ростуть на мінералах та металах. Їх знайшли під водою, під землею та над землею. Вони можуть рости на рослинних тканинах і тканинах тварин, а також на імплантованих медичних пристроях, таких як катетери та кардіостимулятори.
Кожна з цих відмінних поверхонь має загальну визначальну особливість: вони вологі. Ці середовища "періодично або постійно переповнюються водою", відповідно до статті 2007 року, опублікованої в журналі Microbe. Біоплівки процвітають на вологих або вологих поверхнях.
Біоплівки дуже довго зарекомендували себе в таких середовищах. Копальні дані про біоплівки сягають приблизно 3,25 мільярда років тому, згідно зі статтею 2004 року, опублікованою в журналі Nature Reviews Microbiology. Наприклад, біоплівки були знайдені в глибоководних гідротермальних породах 3,2 мільярда років Кратона Пільбара в Австралії. Подібні біоплівки є в гідротермальних середовищах, таких як гарячі джерела та глибоководні отвори.
Формування біоплівки
Формування біоплівки починається тоді, коли вільно плаваючі мікроорганізми, такі як бактерії, контактують з відповідною поверхнею і починають відкладати коріння, так би мовити. Цей перший етап приєднання відбувається, коли мікроорганізми продукують глієву речовину, відому як позаклітинна полімерна речовина (EPS), повідомляє Центр інженерії біоплівки в Державному університеті штату Монтана. EPS - це мережа цукрів, білків та нуклеїнових кислот (наприклад, ДНК). Це дозволяє мікроорганізмам у біоплівці склеюватися.
Вкладення супроводжується періодом зростання. Подальші шари мікроорганізмів і EPS будуються на перших шарах. Зрештою, вони створюють цибулину і складну 3D-структуру, повідомляє Центр інженерії біоплівки. Водні канали перекреслюють біоплівки та дозволяють обмінятись поживними речовинами та відходами, йдеться у статті Microbe.
Множинні умови навколишнього середовища допомагають визначити, наскільки зростає біоплівка. Ці фактори також визначають, чи складається він лише з декількох шарів клітин або значно більше. "Це дійсно залежить від біоплівки", - сказав Робін Герлах, професор кафедри хімічної та біологічної інженерії Державного університету штату Монтана-Боземан. Наприклад, мікроорганізми, які виробляють велику кількість EPS, можуть перерости у досить густі біоплівки, навіть якщо вони не мають доступу до багатьох поживних речовин, сказав він. З іншого боку, для мікроорганізмів, які залежать від кисню, наявна кількість може обмежувати, наскільки вони можуть рости. Ще одним фактором навколишнього середовища є концепція "напруги зсуву". "Якщо у вас є дуже великий потік по біоплівці, як у затоці, біоплівка зазвичай досить тонка. Якщо у вас є біоплівка у повільній течії води, як у ставку, вона може стати дуже густою", - пояснив Герлах.
Нарешті, клітини біоплівки можуть залишити складку і закріпитися на новій поверхні. Або грудка клітин відривається, або окремі клітини вириваються з біоплівки і шукають новий дім. Цей останній процес відомий як "розсіювання насіння", за даними Центру інженерії біоплівки.
Навіщо формувати біоплівку?
Для мікроорганізмів життя в складі біоплівки має певні переваги. "Спільноти мікробів, як правило, більш стійкі до стресу", - сказав Герлач Live Science. До потенційних стресорів належать відсутність води, високий або низький рівень pH або наявність речовин, токсичних для мікроорганізмів, таких як антибіотики, антимікробні речовини або важкі метали.
Існує багато можливих пояснень стійкості біоплівки. Наприклад, слизове покриття EPS може виступати в якості захисного бар'єру. Це може допомогти запобігти зневодненню або діяти як захист від ультрафіолетового (УФ) світла. Також шкідливі речовини, такі як антимікробні засоби, відбілювачі або метали, або зв'язуються, або нейтралізуються, коли вони контактують з EPS. Таким чином, вони розводяться до концентрацій, які не є смертельними, перш ніж вони зможуть потрапити до різних клітин глибоко в біоплівці, згідно зі статтею Nature Nature Microbiology 2004 року.
Тим не менше, певні антибіотики можуть проникнути в EPS і пробитися через шари біоплівки. Тут може грати ще один захисний механізм: наявність бактерій, які фізіологічно сплять. Щоб добре працювати, всі антибіотики потребують певного рівня клітинної активності. Отже, якщо бактерії фізіологічно дрімають для початку, антибіотик не може порушити.
Інший спосіб захисту від антибіотиків - наявність спеціальних бактеріальних клітин, відомих як "персистує". Такі бактерії не діляться і стійкі до багатьох антибіотиків. Відповідно до статті 2010 року, опублікованої в журналі Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, «зберігається» функція, виробляючи речовини, що блокують цілі антибіотиків.
Взагалі мікроорганізми, що живуть разом як біоплівка, отримують користь від присутності різних членів спільноти. Герлах наводив приклад автотрофних та гетеротрофних мікроорганізмів, які живуть разом у біоплівках. Автотрофи, такі як фотосинтетичні бактерії або водорості, здатні виробляти власну їжу у вигляді органічного (вуглецевого) матеріалу, тоді як гетеротрофи не можуть виробляти власну їжу і не потребують зовнішніх джерел вуглецю. "У цих мультиорганізмових спільнотах вони часто перетинають корм", - сказав він.
Біофільми і ми
Враховуючи широке коло середовищ, в яких ми стикаємося з біофільмами, не дивно, що вони впливають на багато аспектів людського життя. Нижче наведено кілька прикладів.
Здоров’я та хвороби
По мірі того, як дослідження прогресували протягом багатьох років, біоплівки - бактеріальні та грибкові - були залучені до різноманітних станів здоров'я. У заклику до заявок на отримання грантів у 2002 році Національний інститут охорони здоров'я (NIH) зазначив, що на біоплівки припадає "понад 80 відсотків мікробних інфекцій в організмі".
Біоплівки можуть рости на імплантованих медичних пристроях, таких як протези серця, суглобові протези, катетери та кардіостимулятори. Це в свою чергу призводить до інфекцій. Це явище було вперше відзначено у 1980-х роках, коли бактеріальні біоплівки були знайдені на внутрішньовенних катетерах та кардіостимуляторах. Також відомо, що бактеріальні біоплівки викликають інфекційний ендокардит та пневмонію у хворих на муковісцидоз, згідно зі статтею 2004 року в Nature Reviews Microbiology, серед інших інфекцій.
"Причина того, що утворення біоплівки є великою причиною занепокоєння, полягає в тому, що всередині біоплівки бактерії є більш стійкими до антибіотиків та інших основних дезінфікуючих засобів, які ви могли б використовувати для їх контролю", - сказав А.С. Матін, професор мікробіології та імунології в Стенфорді Університет. Насправді, порівняно з вільно плаваючими бактеріями, ті, що ростуть як біоплівка, можуть бути в 1500 разів стійкішими до антибіотиків та інших біологічних та хімічних агентів, йдеться у статті Microbe. Матін описав резистентність біоплівки в поєднанні із загальним підвищенням стійкості до антибіотиків серед бактерій як "подвійну неприємність" і головний виклик для лікування інфекцій.
Грибкові біоплівки також можуть спричиняти інфекції, росте на імплантованих пристроях. Дріжджові види, такі як члени роду Кандида зростають на грудних імплантатах, кардіостимуляторах і протезних серцевих клапанах, згідно зі статтею 2014 року, опублікованою в журналі Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. Кандида види також ростуть на тканинах людського тіла, що призводить до таких захворювань, як вагініт (запалення піхви) та орофарингеальний кандидоз (дріжджова інфекція, що розвивається в роті або горлі). Однак автори відзначають, що резистентність до наркотиків не виявлялася в цих випадках.
Біоремедіація
Іноді біоплівки корисні. "Біоремедіація, загалом, - це використання живих організмів або їх продуктів - наприклад, ферментів - для лікування або деградації шкідливих сполук", - сказав Герлах. Він зазначив, що біоплівки використовуються для очищення стічних вод, забруднень важких металів, таких як хромат, вибухових речовин, таких як ТНТ, та радіоактивних речовин, таких як уран. "Мікроби можуть або погіршити їх, або змінити їхню рухливість або їх токсичний стан і, таким чином, зробити їх менш шкідливими для навколишнього середовища та для людини", - сказав він.
Нітрифікація за допомогою біоплівки є однією з форм очищення стічних вод. Під час нітрифікації аміак перетворюється на нітрити та нітрати шляхом окислення. Це можна зробити автотрофними бактеріями, які ростуть як біоплівки на пластикових поверхнях, йдеться у статті 2013 року, опублікованій у журналі Water Research. Ці пластикові поверхні мають розміри всього кілька сантиметрів і розподіляються по всій воді.
Вибухонебезпечний ТНТ (2,4,6-тринітротолуол) вважається забруднювачем ґрунту, поверхневих вод та ґрунтових вод. Хімічна структура TNT складається з бензолу (шестикутного ароматичного кільця, виготовленого з шести атомів вуглецю), приєднаного до трьох нітрогруп (NO2) і одна метильна група (СН3). Мікроорганізми деградують ТНТ шляхом відновлення, згідно статті 2007 року, опублікованої в журналі Applied and Environmental Microbiology. Більшість мікроорганізмів знижують три нітрогрупи, а деякі атакують ароматичне кільце. Дослідники - Айрат Зіганшин, Робін Герлах та його колеги - встановили, що дріжджовий штам Yarrowia lipolytica вдалося погіршити ТНТ обома методами, хоча насамперед шляхом атаки на ароматичне кільце.
Мікробні паливні елементи
Мікробні паливні елементи використовують бактерії для перетворення органічних відходів в електрику. Мікроби живуть на поверхні електрода і передають на нього електрони, врешті-решт, створюючи струм, сказав Герлах. Стаття 2011 року, опублікована в інтернет-журналі Університету Південної Каліфорнії Illumin, зазначає, що бактерії, що живлять мікробні паливні клітини, розщеплюють харчові та тілесні відходи. Це забезпечує недороге джерело енергії та чисту стійку енергію.
Постійні дослідження
Наш світ кишить біофільмами. Насправді, до середини 20 століття на внутрішніх поверхнях ємностей, що містять бактеріальні культури, було виявлено більше бактерій, ніж вільно плавало в самій рідкій культурі, згідно статті 2004 року в Nature Reviews Microbiology. Розуміння цих складних мікробних структур - активна область досліджень.
"Біофільми - це дивовижні спільноти. Деякі люди порівнюють їх з багатоклітинними організмами, оскільки між окремими клітинами існує велика взаємодія", - сказав Герлах. "Ми продовжуємо дізнаватися про них, і ми продовжуємо вчитися про те, як краще контролювати їх; як для зменшення шкоди, як у галузі медицини, так і для збільшення користі, як у біоремедіації. Ми не збираємося закінчуватися" цікавих питань у цій галузі ".
