Karakteristik, formasi, jenis dan contoh biofilm



itu biofilm o biofilm mereka adalah komunitas mikroorganisme yang menempel pada permukaan, hidup dalam matriks yang dihasilkan sendiri dari zat polimer ekstraseluler. Mereka awalnya dijelaskan oleh Antoine von Leeuwenhoek, ketika dia memeriksa "animas" (dengan demikian dibaptis olehnya), di atas plakat bahan giginya sendiri pada abad ketujuh belas..

Teori yang mengkonseptualisasikan biofilm dan menjelaskan proses pembentukannya belum dikembangkan sampai 1978. Ditemukan bahwa kemampuan mikroorganisme untuk membentuk biofilm tampaknya bersifat universal.

Biofilm dapat ada di lingkungan yang beragam seperti sistem alami, saluran air, tangki penyimpanan air, sistem industri, serta dalam berbagai media seperti perangkat medis dan perangkat untuk keabadian pada pasien rumah sakit (seperti kateter, misalnya)..

Melalui penggunaan scanning electron microscopy dan confocal scanning laser microscopy, ditemukan bahwa biofilm bukanlah homogen, endapan sel yang tidak terstruktur dan endapan lumpur yang terakumulasi, tetapi struktur heterogen yang kompleks.

Biofilm adalah komunitas kompleks sel terkait pada permukaan, termasuk dalam matriks polimer sangat terhidrasi yang airnya bersirkulasi melalui saluran terbuka struktur.

Banyak organisme yang telah berhasil bertahan hidup jutaan tahun di lingkungan, misalnya spesies genus Pseudomonas dan Legionella, mereka menggunakan strategi biofilm di lingkungan yang berbeda dari lingkungan asli mereka.

Indeks

  • 1 Karakteristik biofilm
    • 1.1 Karakteristik kimia dan fisik dari matriks biofilm
    • 1.2 Karakteristik ekofisiologis biofilm
  • 2 Pembentukan biofilm
    • 2.1 Adhesi awal ke permukaan
    • 2.2 Pembentukan monolayer dan microcolony di multilayers
    • 2.3. Produksi matriks ekstraseluler polimer dan pematangan biofilm tiga dimensi
  • 3 Jenis biofilm
    • 3.1 Jumlah spesies
    • 3.2 Lingkungan pelatihan
    • 3.3 Jenis antarmuka tempat mereka dihasilkan
  • 4 Contoh biofilm
    • 4.1 - Plak gigi
    • 4.2 -Bio film dalam air hitam
    • 4.3 - Biofilm sub-udara
    • 4.4 - Biofilm agen penyebab penyakit manusia
    • 4.5 - Wabah pes
    • 4.6 - Kateter vena rumah sakit
    • 4.7 - Di industri
  • 5 Ketahanan biofilm terhadap desinfektan, kuman dan antibiotik
  • 6 Referensi

Karakteristik biofilm

Karakteristik kimia dan fisik dari matriks biofilm

-Zat polimer ekstraseluler disekresikan oleh mikroorganisme biofilm, makromolekul polisakarida, protein, asam nukleat, lipid dan biopolimer lainnya, yang sebagian besar sangat hidrofilik, ikatan silang membentuk struktur tiga dimensi yang disebut matriks biofilm..

-Struktur matriks sangat viskoelastik, memiliki sifat karet, tahan terhadap traksi dan kerusakan mekanis.

-Matriks ini memiliki kemampuan untuk melekat pada permukaan interphase, termasuk ruang internal media berpori, melalui polisakarida ekstraseluler yang bertindak sebagai permen karet yang melekat.

-Matriks polimer didominasi anionik dan juga termasuk zat anorganik seperti kation logam.

-Ini memiliki saluran air di mana oksigen, nutrisi dan zat limbah bersirkulasi yang dapat didaur ulang.

-Matriks biofilm ini, berfungsi sebagai alat perlindungan dan kelangsungan hidup di lingkungan yang merugikan, penghalang terhadap penyerbu fagositik dan terhadap masuknya dan difusi desinfektan dan antibiotik..

Karakteristik ekofisiologis biofilm

-Pembentukan matriks dalam gradien tidak homogen menghasilkan berbagai habitat mikro, yang memungkinkan keanekaragaman hayati ada dalam biofilm.

-Dalam matriks, cara hidup seluler secara radikal berbeda dari kehidupan bebas, tidak terkait. Mikroorganisme biofilm diimobilisasi, sangat dekat satu sama lain, terkait dalam koloni; fakta ini memungkinkan interaksi yang intens terjadi.

-Interaksi antara mikroorganisme biofilm termasuk komunikasi melalui sinyal kimia dalam kode yang disebut "quorum sensing".

-Ada interaksi penting lainnya seperti transfer gen dan pembentukan mikrokontributor sinergis.

-Fenotip biofilm dapat dijelaskan dalam hal gen yang diekspresikan oleh sel terkait. Fenotip ini diubah sehubungan dengan laju pertumbuhan dan transkripsi genetik.

-Organisme dalam biofilm dapat menyalin gen yang tidak menuliskan bentuk planktonik atau kehidupan bebasnya.

-Proses pembentukan biofilm diatur oleh gen spesifik, ditranskripsi selama adhesi sel awal.

-Dalam ruang terbatas dari matriks, ada mekanisme kerja sama dan kompetisi. Persaingan menghasilkan adaptasi yang konstan dalam populasi biologis.

-Sistem pencernaan eksternal kolektif dihasilkan, yang mempertahankan enzim ekstraseluler di dekat sel.

-Sistem enzimatik ini memungkinkan untuk menyerap, menumpuk, dan memetabolisme, melarutkan, koloid, dan / atau nutrisi tersuspensi.

-Matriks berfungsi sebagai zona eksternal umum daur ulang, penyimpanan komponen sel lis, juga berfungsi sebagai arsip genetik kolektif.

-Biofilm berfungsi sebagai penghalang struktural pelindung terhadap perubahan lingkungan seperti pengeringan, aksi biocides, antibiotik, respon imun host, agen pengoksidasi, kation logam, radiasi ultraviolet dan juga pertahanan terhadap banyak predator seperti protozoa fagositik dan serangga..

-Matriks biofilm merupakan lingkungan ekologis yang unik untuk mikroorganisme, yang memungkinkan cara hidup yang dinamis bagi komunitas biologis. Biofilm adalah ekosistem mikro sejati.

Pembentukan biofilm

Pembentukan biofilm adalah suatu proses di mana mikroorganisme bergerak dari keadaan nomis uniseluler, hidup bebas ke keadaan diam multiseluler, di mana pertumbuhan selanjutnya menghasilkan komunitas terstruktur dengan diferensiasi sel..

Pengembangan biofilm terjadi sebagai respons terhadap sinyal lingkungan ekstraseluler dan sinyal yang dihasilkan sendiri.

Para peneliti yang telah mempelajari biofilm setuju bahwa adalah mungkin untuk membangun model hipotetis umum untuk menjelaskan pembentukan mereka.

Model pembentukan biofilm ini terdiri dari 5 tahap:

  1. Adhesi awal ke permukaan.
  2. Pembentukan monolayer.
  3. Migrasi untuk membentuk mikrokoloni di multilayers.
  4. Produksi matriks ekstraseluler polimer.
  5. Pematangan biofilm tiga dimensi.

Adhesi awal ke permukaan

Pembentukan biofilm dimulai dengan adhesi awal mikroorganisme ke permukaan padat, di mana mereka diimobilisasi. Telah ditemukan bahwa mikroorganisme memiliki sensor permukaan dan protein permukaan terlibat dalam pembentukan matriks.

Pada organisme yang tidak bergerak, ketika kondisi lingkungan mendukung, produksi adhesin pada permukaan luarnya meningkat. Dengan cara ini, kapasitas adhesi sel-sel dan permukaan selnya meningkat.

Dalam kasus spesies bergerak, masing-masing mikroorganisme berada di permukaan dan ini adalah titik awal menuju perubahan radikal dalam gaya hidup bergerak nomaden mereka, menetap, hampir sesil..

Kapasitas pergerakan hilang karena dalam pembentukan matriks, struktur yang berbeda berpartisipasi seperti flagela, silia, pilus dan fimbrias, selain zat perekat.

Kemudian, dalam kedua kasus (mikroorganisme mobile dan non-mobile), agregat kecil atau mikro-koloni terbentuk dan kontak sel-sel yang lebih kuat dihasilkan; Perubahan fenotipik adaptif terjadi pada lingkungan baru, dalam sel yang dikelompokkan.

Pembentukan monolayer dan microcolony di multilayers

Produksi zat polimer ekstraseluler dimulai, pembentukan monolayer awal terjadi dan pengembangan selanjutnya dalam multilayers.

Produksi matriks ekstraseluler polimer dan pematangan biofilm tiga dimensi

Akhirnya, biofilm mencapai tahap kematangannya, dengan arsitektur tiga dimensi dan keberadaan saluran-saluran di mana air, nutrisi, komunikasi senyawa kimia dan asam nukleat bersirkulasi..

Matriks biofilm mempertahankan sel dan menyatukannya, mempromosikan interaksi tingkat tinggi dengan komunikasi antar sel dan pembentukan konsorsium sinergis. Sel-sel biofilm tidak sepenuhnya dapat bergerak, mereka dapat bergerak di dalamnya dan juga melepaskan diri.

Jenis-jenis biofilm

Jumlah spesies

Menurut jumlah spesies yang berpartisipasi dalam biofilm, yang terakhir dapat diklasifikasikan menjadi:

  • Biofilm suatu spesies. Misalnya, biofilm yang dibentuk oleh Streptococcus mutans o Vellionela parvula.
  • Biofilm dari dua spesies. Sebagai contoh, asosiasi dari Streptococcus mutans dan Vellionela parvula dalam biofilm.
  • Biofilm polimikroba, terdiri dari banyak spesies. Misalnya, plak gigi.

Lingkungan pelatihan

Juga sesuai dengan lingkungan di mana mereka terbentuk, biofilm dapat:

  • Alami
  • Industri
  • Domestik
  • Rumah sakit

Jenis antarmuka tempat mereka dihasilkan

Di sisi lain, tergantung pada jenis antarmuka tempat mereka dibentuk, dimungkinkan untuk mengklasifikasikannya dalam:

  • Biofilm interfase padat-cair, seperti yang terbentuk di saluran air dan tangki, pipa dan tangki air pada umumnya.
  • Biofilm interfase gas padat (SAB untuk singkatannya dalam Bahasa Inggris Sub Aereal Biofilm); yang merupakan komunitas mikroba yang berkembang di permukaan mineral padat, terpapar langsung ke atmosfer dan radiasi matahari. Mereka ditemukan di gedung-gedung, bebatuan gurun telanjang, gunung, antara lain.

Contoh biofilm

-Plak gigi

Plak gigi telah dipelajari, sebagai contoh menarik dari komunitas kompleks yang hidup dalam biofilm. Biofilm pelat gigi keras dan tidak elastis, karena adanya garam anorganik, yang memberikan kekakuan pada matriks polimer.

Mikroorganisme dari plak gigi sangat bervariasi dan ada antara 200 hingga 300 spesies yang terkait dalam biofilm.

Di antara mikroorganisme ini, adalah:

  • Jenis kelamin Streptococcus; didasari oleh bakteri akidurik yang mendemineralisasi email dan dentin, dan memulai karies gigi. Misalnya, spesiesnya: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis dan S. milleri.
  • Jenis kelamin Lactobacillus, dibentuk oleh bakteri denaturasi asidofilik protein dentin. Misalnya, spesiesnya: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
  • Jenis kelamin Actinomyces, yang merupakan mikroorganisme akidurik dan proteolitik. Di antara ini, spesiesnya: viscosus, A. odontoliticus dan A. naeslundii.
  • Dan genre lainnya, seperti: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis dan Actinomycetecomitans Actinobacillus.

-Biofilm dalam air hitam

Contoh menarik lainnya adalah air limbah domestik, tempat mereka hidup dalam biofilm yang menempel pada pipa, mikroorganisme nitrifikasi yang mengoksidasi amonium, nitrit, dan bakteri nitrifikasi autotrofik..

Di antara bakteri pengoksidasi amonium dari biofilm ini, mereka ditemukan sebagai spesies yang dominan secara numerik, yaitu dari genus Nitrosomonas, didistribusikan ke seluruh matriks biofilm.

Komponen utama dalam kelompok oksidan nitrit adalah komponen genus Nitrospira, yang hanya terletak di bagian dalam biofilm.

-Biofilm sub-udara

Biofilm subaerial dicirikan oleh pertumbuhan tambalan pada permukaan mineral padat seperti batuan dan konstruksi perkotaan. Biofilm ini memiliki asosiasi dominan jamur, alga, cyanobacteria, bakteri heterotrof, protozoa, serta hewan mikroskopis.

Khususnya, biofilm SAB memiliki mikroorganisme chemolithotrophic, yang mampu menggunakan bahan kimia mineral anorganik sebagai sumber energi.

Mikroorganisme chemolithotrophic memiliki kemampuan untuk mengoksidasi senyawa anorganik seperti H2, NH3, TIDAK2, S, HS, Iman2+ dan manfaatkan produk energi potensial listrik dari oksidasi dalam metabolisme mereka.

Di antara spesies mikroba yang ada dalam biofilm subaerial, adalah:

  • Bakteri dari genus Geodermatophilus; cyanobacteria dari genera Chrococcoccidiopsis, seperti coccoid dan spesies berserabut Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
  • Alga hijau dari genera Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia dan Stichococcus.
  • Bakteri heterotrofik (dominan dalam biofilm subaerial): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. dan Rhodococcus sp.
  • Bakteri dan jamur chemogorganotrophic sebagai Actynomycetales (streptomycetes dan Geodermatophilaceae), Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria dan bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Biofilm agen penyebab penyakit manusia

Banyak bakteri yang dikenal sebagai agen penyebab penyakit manusia hidup dalam biofilm. Di antaranya, adalah: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans dan Legionella pneumophyla.

-Wabah pes

Sangat menarik penularan penyakit pes oleh gigitan kutu, adaptasi yang relatif baru dari agen bakteri penyebab penyakit ini, Yersinia pestis.

Bakteri ini tumbuh sebagai biofilm yang menempel pada sistem pencernaan bagian atas vektor (kutu). Selama gigitan, kutu memuntahkan biofilm yang mengandung Yersinia pestis di dermis dan infeksi dimulai.

-Kateter vena rumah sakit

Di antara organisme yang diisolasi dari biofilm dalam kateter vena sentral yang dieksplorasi, terdapat variasi bakteri Gram-positif dan Gram-negatif yang mencengangkan, serta mikroorganisme lainnya..

Beberapa penelitian ilmiah melaporkan sebagai bakteri Gram-positif dari biofilm pada kateter vena: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus spp. dan Streptococcus pneumoniae.

Di antara bakteri Gram-negatif yang diisolasi dari biofilm ini dilaporkan: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Proteus spp., Providence spp. dan Serratia marcescens.

Organisme lain yang ditemukan dalam biofilm ini adalah: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis dan Mycobacterium chelonei.

-Dalam industri

Mengenai operabilitas industri, biofilm menghasilkan penghalang pipa, kerusakan peralatan, gangguan dalam proses seperti perpindahan panas saat menutupi permukaan penukar, atau korosi bagian logam.

Industri makanan

Pembentukan film dalam industri cabang pencernaan dapat menghasilkan masalah penting yang operatif dan kesehatan masyarakat.

Patogen terkait dalam biofilm dapat mencemari produk makanan dengan bakteri patogen dan menyebabkan masalah kesehatan masyarakat yang serius pada konsumen.

Di antara biofilm patogen yang terkait dengan industri makanan, ada:

Listeria monocytogenes

Patogen ini bekerja pada tahap awal pembentukan biofilm, flagela, dan protein membran. Bentuk biofilm pada permukaan baja dari mesin pengiris.

Dalam industri susu, biofilm dapat diproduksi Listeria monocytogenes dalam susu cair dan produk susu. Residu produk susu dalam pipa, tangki, wadah dan perangkat lain, mendukung pengembangan biofilm patogen ini yang menggunakannya sebagai nutrisi yang tersedia.

Pseudomonas spp.

Biofilm bakteri ini dapat ditemukan di fasilitas industri makanan, seperti lantai, saluran air dan permukaan makanan seperti daging, sayuran dan buah-buahan, serta turunan dari keasaman susu rendah..

Pseudomonas aeruginosa rahasia beberapa zat ekstraseluler yang digunakan dalam pembentukan matriks polimer biofilm, melekat pada sejumlah besar bahan anorganik seperti stainless steel.

Pseudomonas dapat hidup berdampingan dalam biofilm bersama dengan bakteri patogen lainnya seperti Salmonella dan Listeria.

Salmonella spp.

Spesies dari Salmonella adalah agen penyebab pertama zoonosis dari etiologi bakteri dan wabah toksoinfeksi makanan.

Studi ilmiah menunjukkan hal itu Salmonella dapat menempel dalam bentuk biofilm, ke permukaan semen, baja dan plastik, dari fasilitas pabrik pengolahan makanan.

Spesies dari Salmonella Mereka memiliki struktur permukaan dengan sifat yang melekat. Selain itu, menghasilkan selulosa sebagai zat ekstraseluler, yang merupakan komponen utama dari matriks polimer.

Escherichia coli

Ia menggunakan flagela dan protein membran pada langkah awal pembentukan biofilm. Ini juga menghasilkan selulosa ekstraseluler untuk menghasilkan kisi tiga dimensi dari matriks dalam biofilm.

Resistensi biofilm terhadap desinfektan, kuman dan antibiotik

Biofilm menawarkan perlindungan bagi mikroorganisme yang membentuknya, terhadap aksi desinfektan, kuman dan antibiotik. Mekanisme yang memungkinkan fitur ini adalah sebagai berikut:

  • Penetrasi agen antimikroba yang tertunda melalui matriks tiga dimensi biofilm, dengan difusi yang sangat lambat dan kesulitan dalam mencapai konsentrasi efektif.
  • Perubahan laju pertumbuhan dan metabolisme mikroorganisme yang rendah dalam biofilm.
  • Perubahan respons fisiologis mikroorganisme selama pertumbuhan biofilm, dengan ekspresi gen resistensi yang berubah.

Referensi

  1. Biofilm Bakteri. (2008). Topik Saat Ini di Mikrobiologi dan Imunologi. Editor Tony Romeo. Vol. 322. Berlin, Hannover: Springer Verlag. pp301.
  2. Donlan, R.M. dan Costerton, J.W. (2002). Biofilm: mekanisme bertahan hidup mikroorganisme yang relevan secara klinis. Ulasan Mikrobiologi Klinik.15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
  3. Fleming, H.C. dan Wingender, F. (2010). Matriks biofilm. Ulasan Alam Mikrobiologi. 8: 623-633.
  4. Gorbushina, A. (2007). Kehidupan di bebatuan. Mikrobiologi Lingkungan. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
  5. O'Toole, G., Kaplan, H.B. dan Kolter, R. (2000). Pembentukan biofilm sebagai pengembangan mikroba. Tinjauan Tahunan Mikrobiologi.54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
  6. Hall-Stoodley, L., Costerton, J.W. dan Stoodley, P. (2004). Bakteri biofilm: dari lingkungan alami hingga penyakit menular. Ulasan Alam Mikrobiologi. 2: 95-108.
  7. Whitchurch, C.B., Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. dan Mattick, J. (2002). DNA ekstraseluler diperlukan untuk pembentukan biofilm bakteri. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / science.295.5559.1487