Biokalvot ovat ryhmä yhdestä tai useammasta mikro-organismista, jotka voivat kasvaa monilla eri pinnoilla. Biofilmejä muodostaviin mikro-organismeihin kuuluvat bakteerit, sienet ja protistit.
Yksi yleinen esimerkki biofilm-hammaslevystä, hampaiden bakteerien muodostumisesta, joka muodostuu hampaiden pinnoille. Lammen saastutus on toinen esimerkki. Biokalvojen on havaittu kasvavan mineraaleissa ja metalleissa. Niitä on löydetty vedenalaisista, maan alla ja maanpinnan yläpuolella. Ne voivat kasvaa kasvakudoksissa ja eläinkudoksissa sekä implantoiduissa lääkinnällisissä laitteissa, kuten katetrit ja sydämentahdistimet.
Jokaisella näistä erillisistä pinnoista on yhteinen rajapinta: ne ovat märät. Nämä ympäristöt nauttivat "ajoittain tai jatkuvasti vedestä", sanotaan Microbe Magazine -julkaisussa vuodelta 2007 julkaistussa artikkelissa. Biokalvot viihtyvät kosteilla tai märillä pinnoilla.
Biofilmit ovat vakiintuneet itsensä sellaisiin ympäristöihin jo kauan. Fossiiliset todisteet biokalvoista ovat peräisin noin 3,25 miljardia vuotta sitten, sanotaan Nature Reviews Microbiology -lehdessä julkaistun vuoden 2004 artikkelin mukaan. Esimerkiksi Australian Pilbara Cratonin 3,2 miljardin vuoden ikäisistä syvänmeren hydrotermisistä kivistä on löydetty biofilmejä. Samanlaisia biokalvoja löytyy hydrotermisistä ympäristöistä, kuten kuumia lähteitä ja syvänmeren tuuletusaukkoja.
Biokalvon muodostuminen
Biokalvon muodostuminen alkaa, kun vapaasti kelluvat mikro-organismit, kuten bakteerit, joutuvat kosketuksiin sopivan pinnan kanssa ja alkavat niin sanottujen juurten laskemiseen. Tämä ensimmäinen kiinnittymisvaihe tapahtuu, kun mikro-organismit tuottavat solunulkoisena polymeerimateriaalina (EPS) kutsutun gooey-aineen, Montana State Universityn biofilmitekniikan keskuksen mukaan. EPS on sokereiden, proteiinien ja nukleiinihappojen (kuten DNA) verkosto. Se antaa biofilmissä olevien mikro-organismien tarttua toisiinsa.
Kiinnitystä seuraa kasvukausi. Muut mikro-organismikerrokset ja EPS perustuvat ensimmäisiin kerroksiin. Viime kädessä ne luovat sipulisen ja monimutkaisen 3D-rakenteen, Biofilm Engineering Centerin mukaan. Vesikanavat ristiin ristivät biokalvot ja mahdollistavat ravinteiden ja jätetuotteiden vaihdon, Microbe-artikkelin mukaan.
Useat ympäristöolosuhteet auttavat määrittämään, missä määrin biokalvo kasvaa. Nämä tekijät määräävät myös, onko se tehty vain muutamasta solukerroksesta vai merkitsevästi enemmän. "Se todella riippuu biofilmistä", sanoi Robin Gerlach, professori kemiallisen ja biologisen tekniikan laitokselta Montana State University-Bozemanista. Esimerkiksi mikro-organismit, jotka tuottavat suuren määrän EPS: tä, voivat kasvaa melko paksuiksi biokalvoiksi, vaikka niillä ei olisi pääsyä paljon ravintoaineita, hän sanoi. Toisaalta hapesta riippuvissa mikro-organismeissa käytettävissä oleva määrä voi rajoittaa niiden kasvua. Toinen ympäristötekijä on "leikkausjännityksen" käsite. "Jos biofilmillä on erittäin suuri virtaus, kuten purossa, biofilmi on yleensä melko ohut. Jos biofilmillä on hitaasti virtaava vesi, kuten lampi, se voi tulla hyvin paksu", Gerlach selitti.
Lopuksi biofilmin solut voivat poistua laskosta ja asettua uudelle pinnalle. Joko solukerros hajoaa tai yksittäiset solut purskahtavat biofilmistä ja etsivät uutta kotia. Jälkimmäistä prosessia kutsutaan "kylvösisällöksi" Biofilm Engineering Centerin mukaan.
Miksi muodostaa biofilmi?
Mikro-organismien elämisessä osana biokalvoa on tiettyjä etuja. "Mikrobiyhteisöt ovat yleensä kestävämpiä stressiin", Gerlach kertoi Live Science: lle. Mahdollisia stressitekijöitä ovat veden puute, korkea tai matala pH tai mikro-organismeille toksisten aineiden esiintyminen, kuten antibiootit, mikrobilääkkeet tai raskasmetallit.
Biokalvojen kovuudelle on monia mahdollisia selityksiä. Esimerkiksi limainen EPS-päällyste voi toimia suojaesteenä. Se voi auttaa estämään kuivumista tai toimimaan suojana ultraviolettivaloa (UV) vastaan. Lisäksi haitalliset aineet, kuten mikrobilääkkeet, valkaisuaineet tai metallit, joko sitoutuvat tai neutraloidaan, kun ne ovat kosketuksessa EPS: n kanssa. Siksi ne laimennetaan konsentraatioihin, jotka eivät ole tappavia, ennen kuin ne pääsevät eri soluihin syvälle biofilmiin, Nature Reviews Microbiology -julkaisun 2004 artikkelin mukaan.
Silti tietyillä antibiooteilla on mahdollisuus tunkeutua EPS: hen ja kulkea läpi biofilmin kerrosten. Tässä saattaa tulla toimintaan toinen suojamekanismi: fysiologisesti lepotilassa olevien bakteerien läsnäolo. Jotta toimisi hyvin, kaikki antibiootit vaativat jonkin verran solun toimintaa. Joten, jos bakteerit ovat fysiologisesti lepotilassa aluksi, antibiootin ei tarvitse häiritä paljon.
Toinen suojaus antibiooteilta on erityisten bakteerisolujen, joita kutsutaan "pysyviksi", läsnäolo. Tällaiset bakteerit eivät jaa ja ovat resistenttejä monille antibiooteille. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology -lehdessä julkaistun vuoden 2010 artikkelin mukaan "jatkaa" toimintaa tuottamalla aineita, jotka estävät antibioottien kohteita.
Yleensä mikroelimet, jotka elävät yhdessä biofilminä, hyötyvät niiden erilaisten yhteisön jäsenten läsnäolosta. Gerlach mainitsi esimerkin autotrofisista ja heterotrofisista mikro-organismeista, jotka elävät yhdessä biokalvoissa. Autotrofit, kuten fotosynteettiset bakteerit tai levät, kykenevät tuottamaan omia ruokia orgaanisen (hiiltä sisältävän) materiaalin muodossa, kun taas heterotrofit eivät pysty tuottamaan omaa ruokaa ja tarvitsevat ulkopuolisia hiililähteitä. "Näissä moniorganismissa yhteisöissä ne usein ylittävät rehun", hän sanoi.
Biofilmit ja me
Kun otetaan huomioon laaja valikoima ympäristöjä, joissa kohtaamme biofilmejä, ei ole yllättävää, että ne vaikuttavat moniin ihmisen elämän osa-alueisiin. Alla on muutama esimerkki.
Terveys ja sairaudet
Tutkimuksen edetessä vuosien varrella biokalvot - bakteerit ja sienet - ovat vaikuttaneet moniin terveystilanteisiin. Kansalliset terveysinstituutit (NIH) totesivat vuoden 2002 apurahahakemuksessa, että biofilmien osuus "yli 80 prosenttia kehon mikrobi-infektioista".
Biokalvot voivat kasvaa implantoiduissa lääkinnällisissä laitteissa, kuten proteesien sydämen venttiileissä, nivelproteesissa, katetereissa ja sydämentahdistimissa. Tämä puolestaan johtaa infektioihin. Ilmiö havaittiin ensimmäisen kerran 1980-luvulla, kun bakteeribiokalvoja löydettiin laskimonsisäisistä katetereista ja sydämentahdistimista. Bakteeribiofilmien on tiedetty aiheuttavan tarttuvaa endokardiittiä ja keuhkokuumetta kystisessä fibroosissa kärsivillä, Nature Review Microbiology -julkaisun 2004 artikkelin mukaan, muiden infektioiden joukossa.
"Syy siihen, että biofilmien muodostuminen on suuri huolenaihe, on se, että biofilmissä bakteerit ovat vastustuskykyisempiä antibiooteille ja muille tärkeille desinfiointiaineille, joita voisit käyttää niiden hallintaan", kertoi Stanfordin mikrobiologian ja immunologian professori AC Matin. Yliopisto. Itse asiassa verrattuna vapaasti kelluviin bakteereihin, biokalvona kasvavat bakteerit voivat olla jopa 1500 kertaa resistenttejä antibiooteille ja muille biologisille ja kemiallisille tekijöille, Microbe-artikkelin mukaan. Matin kuvaili biofilmien vastustuskykyä yhdistettynä bakteerien yleiseen antibioottiresistenssin kasvuun "kaksoisvahana" ja suurimpana haasteena infektioiden hoidossa.
Sienibiofilmit voivat myös aiheuttaa infektioita kasvamalla implantoiduissa laitteissa. Hiivalajit, kuten suvun jäsenet Candida kasvaa rintaimplantteissa, sydämentahdistimissa ja proteesissa olevissa sydämen venttiileissä, mukaan lukien vuoden 2014 artikkeli, joka julkaistiin Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine -lehdessä. Candida lajit kasvavat myös ihmisen kehon kudoksissa, mikä johtaa sellaisiin sairauksiin kuten vaginiitti (emättimen tulehdus) ja suunielun kandidiaasi (suuhun tai kurkkuun kehittyvä hiivainfektio). Kirjailijat kuitenkin huomauttavat, että lääkeresistenssiä ei ole osoitettu näissä tapauksissa.
bioremediation
Joskus biofilmit ovat hyödyllisiä. "Bioremedikaatio on yleensä elävien organismien tai niiden tuotteiden - esimerkiksi entsyymien - käyttöä haitallisten yhdisteiden käsittelemiseksi tai hajottamiseksi", Gerlach sanoi. Hän totesi, että biokalvoja käytetään jätevesien, raskasmetallisten epäpuhtauksien, kuten kromaatin, räjähteiden, kuten TNT, ja radioaktiivisten aineiden, kuten uraanin, käsittelyssä. "Mikrobit voivat joko hajottaa niitä tai muuttaa niiden liikkuvuutta tai myrkyllistä tilaa ja siten tehdä niistä vähemmän haitallisia ympäristölle ja ihmisille", hän sanoi.
Nitrifikaatio biofilmeillä on yksi jätevesien käsittelymuoto. Nitroinnin aikana ammoniakki muuttuu hapettamalla nitriiteiksi ja nitraateiksi. Tämän voivat tehdä autotrofiset bakteerit, jotka kasvavat biokalvoina muovipinnoilla, vuoden 2013 lehden artikkelissa, joka julkaistiin Water Research -lehdessä. Nämä muovipinnat ovat vain muutaman senttimetrin kokoisia ja jakautuvat veden läpi.
Räjähtävää TNT: tä (2,4,6-trinitrotolueeni) pidetään maaperän, pintaveden ja pohjaveden pilaavana aineena. TNT: n kemiallinen rakenne koostuu bentseenistä (kuusikulmainen aromaattinen rengas, joka koostuu kuudesta hiiliatomista), joka on kiinnittynyt kolmeen nitroryhmään (NO2) ja yksi metyyliryhmä (CH3). Mikro-organismit hajoavat TNT: tä pelkistämällä, vuoden 2007 artikkelissa, joka julkaistiin Applied and Environmental Microbiology -lehdessä. Useimmat mikro-organismit pelkistävät kolme nitroryhmää, kun taas jotkut hyökkäävät aromaattista rengasta. Tutkijat - Ayrat Ziganshin, Robin Gerlach ja kollegat - havaitsivat, että hiivakanta Yarrowia lipolytica pystyi hajottamaan TNT: tä molemmilla menetelmillä, tosin ensisijaisesti hyökkäämällä aromaattista rengasta.
Mikrobiset polttokennot
Mikrobiset polttokennot käyttävät bakteereja orgaanisen jätteen muuntamiseksi sähköksi. Mikrobit elävät elektrodin pinnalla ja siirtävät elektroneja siihen, muodostaen lopulta virran, Gerlach sanoi. Etelä-Kalifornian yliopiston verkkolehdessä Illumin julkaistussa vuonna 2011 julkaistussa artikkelissa todetaan, että mikrobien polttokennoja syöttävät bakteerit hajoavat ruokaa ja kehon jätteitä. Tämä tarjoaa edullisia energialähteitä ja puhdasta kestävää energiaa.
Käynnissä oleva tutkimus
Maailmamme on täynnä biofilmejä. Itse asiassa 20. vuosisadan puoliväliin mennessä bakteeriviljelmiä sisältävien astioiden sisäpinnoilta löytyi enemmän bakteereja kuin kelluvat vapaasti itse nestemäisessä viljelmässä, Nature Nature Microbiology -julkaisun 2004 artikkelin mukaan. Näiden monimutkaisten mikrobirakenteiden ymmärtäminen on aktiivinen tutkimusalue.
"Biofilmit ovat uskomattomia yhteisöjä. Jotkut ihmiset ovat verranneet niitä monisoluisiin organismeihin, koska yksittäisten solujen välillä on paljon vuorovaikutusta", Gerlach sanoi. "Jatkamme oppimista heistä ja jatkamme opiskelua hallita niitä paremmin; sekä haittojen vähentämiseksi, kuten lääketieteen alalla, että suuremman hyödyn saavuttamiseksi, kuten bioremediaatiossa. Emme aio loppua. mielenkiintoisia kysymyksiä tällä alueella. "
