2010-01-22

1

Biofilm

prof. dr hab. Waldemar Dąbrowski

Biofilmy

tworzą drobnoustroje

przytwierdzając się do powierzchni

na styku dwóch faz

Biofilmy tworzone być mogą na, praktycznie,

każdej wilgotnej powierzchni

Biofilmy tworzone są najszybciej

w układach, gdzie jest stały dopływ

składników odżywczych

2010-01-22

2

Biofilmy

to:

zróżnicowana zbiorowość drobnoustrojów,

występująca zwykle na powierzchniach

stałych, zazwyczaj wielogatunkowa,

chroniąca formy ją tworzące

i sprzyjająca ich namnażaniu

Mikroorganizmy posiadają, zwykle, osłonkę syntezowanych

przez siebie zewnątrzkomórkowych polisacharydów

Biofilmy mogą tworzyć się:

na stałych nawilżonych powierzchniach

na powierzchni tkanek żywych organizmów

na powierzchni styku: faza wodna - powietrze

Jednymi z bardziej typowych miejsc powstawania

biofilmów są:

skały

(rafy)

i inne twarde powierzchnie

(kamienie, kadłuby

statków)

w środowisku morskim i słodkowodnym.

2010-01-22

3

Biofilmy

towarzyszą żywym organizmom:

roślinom, zwierzętom

Powierzchnie różnych tkanek

( zęby, nabłonek wyścielający jelita, itp.)

omywane ciągle

– bogatą w składniki odżywcze wydzieliną –

szybko tworzą zróżnicowane kompleksy

mikroorganizmów osłonięte warstwą polisacharydowych

ś

luzów otoczkowych przez siebie wydzielanych.

Biofilm utworzony przez mieszaną hodowlę Pseudomonas aeruginosa, P. fluorescens Klebsiella

pneumoniae. (mikroskop laserowy- 6 um grubości) - odcinek = 10 um

2010-01-22

4

2010-01-22

5

Jezioro w Górach Skalistych (Rocky Mountains –Montana).
Biofilm złożony z organizmów: auto- i heterotroficznych
* Glony (algi) czerpią energię z procesu fotosyntezy; źródłem C – CO2.
* Bakterie - głównie heterotrofy- czerpią energię z materii organicznej,
której źródłem są glony lub materiał spłukiwany do jeziora z lądu.

2010-01-22

6

Naturalny biofilm na ziarenkach piasku - in the clog mat of a septic system
infiltration mound.
Biofilm złożony z:
cząsteczek mineralnych,
różnych mikroorganizmów,
siateczki śluzu lub glikokaliksu (strzałki) , która wiąże mikroorganizmy i
cząsteczki

odcinek = 150 um.

2010-01-22

7

Glony - większe, okrągłe formy zielone – brązowe
Bakterie – mniejsze ciemne komórki przytwierdzone do glonów.

Oba typy komórek tworzą zewnątrzkomórkową warstwę śluzu

otaczającą komórki.
komórki + polisacharydowe śluzy = biofilm.

2010-01-22

8

The ability of oral bacteria to store iodophilic polysaccharides or glycogen-like molecules inside
their cells is associated with dental caries since these storage compounds may extend the time
during which lactic acid formation may occur. It is this prolonged exposure to lactic acid which
results in decalcification of tooth enamel.

Do powierzchni, które bakterie mogą
kolonizować zaliczają się również nasze
ciała: zęby, migdałki czy wszelkiego
rodzaju implanty, na przykład sztuczne
zastawki serca.

Korzystne działanie biofilmów:
* uzdatnianie środowiska

** punkty uzdatniania wody
** oczyszczalnie ścieków, wód zrzutowych poprzez eliminację

patogenów i materii organicznej

2010-01-22

9

Drobnoustroje bytujące w biofilmach

•Są bardziej oporne na działanie antybiotyków i
dezynfektantów

•Są bardziej oporne na niekorzystne warunki
środowiskowe

•Są trudno usuwalne mechanicznie z powierzchni na
której występują

http://

www.youtube.com/watch?v=fOodzEAgyKw

2010-01-22

10

Niekorzystne działanie biofilmów - medyczne:

Zagrożenie dla zdrowia pacjentów z implantami, cewnikami, itp.

powód nawracających infekcji – tworzenie się mieszanych biofilmów na

sztucznych powierzchniach tworzonych przez implant, cewnik, itp..,

Glikokaliks, którym osłonięta jest bakteria:

chroni ją przed działaniem antybiotyków

jest powodem uporczywości infekcji nawet przy zmasowanej

chemoterapii

bakterie w osłonce biofilmu może być 50 - 1000 razy bardziej oporna na

stosowane chemoterapeutyki niż ta sama – wolno żyjąca

Mechanizm zwiększonej oporności nie jest znany

Niekorzystne działanie biofilmów – technologiczne

•Powstawanie biofilmów w przetwórniach żywności powoduje
uporczywe zanieczyszczanie produktów bakteriami z biofilmu,

2010-01-22

11

•Powstawanie biofilmów na powierzchniach metalowych jest powodem korozji

mikrobiologicznej

2010-01-22

12

Etapy powstawania biofilmu w środowisku wodnym:

* adsorbcja składników odżywczych
* wyszukanie i zbliżanie się komórki do zasiedlanej powierzchni (wici, pili)
* asocjacja- wstępna faza adhezji (faza odwracalna)
* adhezja (przytwierdzanie) – trwały związek między komórką a powierzchnią
* kolonizacja – tworzenie mikrokolonii
* produkcja egzopolimerycznych związków stanowiących osłonę przed nieko-

rzystnymi czynnikami środowiska – tworzenie trójwymiarowego biofilmu

egzopolisacharydy

alginian – Pseudomonas
kwas cholowy – E.coli

osłabienie cechy hydrofobowej ściany na korzyść wytwarzanych biosurfaktantów

Zdolność tworzenia biofilmu jest cechą kodowaną genetycznie swoistość genów

* przytwierdzanie się innych organizmów – tworzenie mikrośrodowisk

2010-01-22

13

Mikrofotografia:

duża liczba komórek

Staphylococcus epidermidis

pokrytych glikokaliksem,

przytwierdzonych

na powierzchni cewnika

2010-01-22

14

Cechy

Cechy biofilmu

biofilmu

Charakterystycznym dla biofilmów jest to, iż występuje w nich

mieszanina stanów metabolicznych. Bakterie na obrzeżach wykazują

przejawy życia, takie jak np. wzrost.

Komórki położone w głębszych warstwach są żywe, ale „uśpione”

(znajdują się w stanie anabiozy). Główną przyczyną zmiany w

metabolizmie komórki bakteryjnej jest zróżnicowanie środowiska

chemicznego w obrębie biofilmu oraz ograniczony dostęp do

składników odżywczych (np. odmienne stężenie tlenu w miejscach

odległych niż w warstwie zewnętrznej).

Wskutek tego, jedna komórka bakteryjna może wyglądać i

zachowywać się zupełnie inaczej niż druga, nawet jeśli obie są

genetycznie identyczne.

2010-01-22

15

Miejscowe warunki wpływają również na wytwarzanie przez

bakterie wielu toksyn i innych substancji wywołujących

objawy choroby. Czasami bakterie jednego gatunku żywią się

zbędnymi metabolitami bakterii innego gatunku, z korzyścią

dla obu.

Inną charakterystyczną cechą bakterii tworzących biofilm,

która odróżnia je od osobników niezwiązanych, jest ich

ogromna odporność na antybiotyki

2010-01-22

16

Komunikacja interkomórkowa

Pozytywna – np. jakościowe i ilościowe zróżnicowanie substratu
Letalna – bakteriocyny,

wyżeracze

(E.coli i Micrococcus xanthus)

Podtrzymuje warunki fizyko-chemiczne sprzyjające rozwojowi biofilmu
Wytwarzany egzopolisacharyd może być materiałem zapasowym i
ochronnym
Nabywanie przechodnich składników genetycznych (Plazmidy
Transpozony)

Drobnoustroje tworzące najczęściej biofilm

E.coli

Pseudomonas sp

2010-01-22

17

Biofilm epilityczny =

biofilm tworzony na powierzchni wód

Mikroorganizmy tworzące biofilm powierzchniowy

bakterie – algi – sinice -- grzyby

Rozmieszczenie mikroorganizmów w biofilmie zależy od:

* tolerancji na światło
* rodzaju powierzchni
* obecności POM i FPOM

Tworzenie biofilmu

2010-01-22

18

Jak powstaje biofilm

2010-01-22

19

Mikrobiologiczni mieszkańcy biofilmów tworzą wielokomórkowe

zbiorowiska w których w zależności od miejsca występowania

drobnoustroju w biofilmie odgrywają one różne funkcje.

Etapy tworzenia biofilmu przez Candida albicans

2010-01-22

20

Tworzenie biofilmów przez drożdżaki zależy od:

Szczepu (szczepy patogenne tworzą biofilmy łatwiej niż
niepatogenne)

Struktury podłoża

Stabilności fazy płynnej ( gdy faza płynna jest ruchoma
powstaje większy biofilm)

Składu pożywki

Powstawanie biofilmu

Pierwszy krok
spontaniczne tworzenie si

ę

warstwy zwi

ą

zków

organicznych (aminokwasy i
inne substraty pokarmowe).

Zdj

ę

cie z pod mikroskopu

elektronowego (x 2 600).

białe

ś

lady = zdrapana

warstwa osadów organicznych
osadzonych na szkiełku ( osad
o okre

ś

lonej grubo

ś

ci)

2010-01-22

21

Drugi krok

selektywne przytwierdzanie si

ę

bakterii

cylindrycznych do pierwotnej powłoki
organicznej.

* Rodzaj (skład) powłoki organicznej
* warunki w jakich powstaje

decyduj

ą

o:

* rodzaju bakterii je zasiedlaj

ą

cych,

* szybko

ś

ci z jak

ą

tworzony jest biofilm

Pierwsze - zasiedlaj

ą

ce bakterie maj

ą

(

zwykle)

-rz

ę

ski

-długie fimbrie

In the third stage of biofilm
formation, these long-tailed
micro-organisms dominate
the initial biofilm and
produce a "slime" that
covers the surface (grey
areas).

The organisms and

the slime form the initial
biofilm layer.

This layer can

pose many problems in the
treatment of disease.
Researchers would like to
know more about where it
comes from and why it is
so difficult to remove.

2010-01-22

22

The fourth stage in biofilm

formation involves an increase

in the slime layer. Cells in the

layer begin to adsorb material

from the external medium, and

metals may accumulate in the

biofilm at this point. The

"attached" cells continue to

produce slime.

It has been found that some

surface coatings designed to
discourage film development

may, in fact, have the reverse

effect, and actually strengthen

the film, because they

stimulate the settling bacteria

to secrete more slime, to form

more attachments, and to

extend more fimbriae.

In the fifth stage, the

attached cells are observed

extending long

membraneous tails. These

extensions are necessary

because, as they become

more deeply embedded,

they need to be able to

extend beyond the slime

layer to reach the nutrients

in the external medium.

Other bacteria continue to

attach to the biofilm during

this stage

2010-01-22

23

In the sixth stage, the biofilm
begins to be colonised by other
organisms such as algae spores,
diatoms, and larval forms of
various larger, multicellular
organisms, particularly sessile
invertebrates. This stage occurs
about 5-6 days into the biofilm
formation process.
New organisms attach to the
filamentous appendages of the
organisms in the underlying
layers and to the slime. There is
again a kind of selection involved
in which organisms attach based
on the kinds of bacteria present,
which, in turn, depends on the
kind of surface being colonised.

The bacteria in the biofilm

thus form an interface

between the substrate, (they

effectively engineer and

modify its surface) and the

later colonising organisms.

2010-01-22

24

After about one week,

there is a clearly visible

layer of entrapped and

attached organisms.

Mineralisation of the

biofilm begins to occur.

In areas exposed to

sunlight, algae growth

can cover the film. In

areas without sunlight,

the film can become

completely overlaid with

silt and mineral deposits.

Light penetration has a

definite influence on

colonisation in the

marine environment.

Gram-ujemna pałeczka -Pseudomonas sp S61tworzy biofilm na szkiełku zanurzonym w

1% roztworze glukozy.

Tworzenie się biofilmu (czerwień Kongo) komórki - ciemna czerwień

egzopolysaccharydy pomarańczowo-rózowe (DG Allison & IW Sutherland, 1984,

Journal of Microbiological Methods 2, 93-99).

Komórki – mikrokolonie – osłonka polisacharydowa

2010-01-22

25

Bakterie metanowe

Kombucha tea

Some members of the bacterial genus Acetobacter,

especially Acetobacter xylinum, synthesize large amounts of cellulose
when grown on sugar sources. These bacteria occur naturally on the
surfaces of fruits and flowers, and have important roles in the commercial
production of vinegar from wines and other fermented products. They are
strictly aerobic (oxygen-requiring) organisms and they often grow after a
phase of activity by fermentative organisms (e.g. yeasts), converting the
fermentation end products to more oxidised forms. For example, one of
their characteristic activities is to oxidise ethanol to acetic acid, so they are
commonly known as acetic acid bacteria.
One of the more unusual roles of these bacteria is in the production of
fermented teas, such as Kombucha tea. This tradition dates back more
than 2000 years in eastern countries such as China, Japan and Russia.
Recently it has become popular as a "herbal remedy" in western societies.

2010-01-22

26

Herbata + hodowla mikroorganizmów + czarna herbata (schłodzona) +

cukier + ocet .

Inkubacja: 1-2 tygodnie.

Wzrost Acetobacter + różnych drożdży = gumowata, podobna do

nalesniak masa na powierzchni.

This pancake has various popular names such as "tea fungus"

or "Magical mushroom" but in fact is a meshwork of cellulose

fibres with embedded bacterial cells and some yeasts (Figures

B-D below). A portion of it is used as inoculum to produce

the next batch of tea. A wide range of metabolic products of

the acetic acid bacteria accumulate in the liquid medium,

including acetic acid, ketones and gluconic acids. The types

and proportions of these compounds will vary with time and

culture conditions. Perhaps this variation accounts for the

astonishingly wide range of effects that Kombucha is claimed

to have - from relief of athlete's foot or removal of warts to

the elimination of ageing, restoration of hair colour and cure

of cancers!

2010-01-22

27

Warning

: The almost cult status of Kombucha tea has led to networks for

the sharing of "starter cultures" which might contain potentially harmful
contaminants. To some degree, the activities of the mixed population of
organisms in a Kombucha culture serve to regulate the culture
environment (e.g. lowering of the pH) and to reduce the growth of
contaminants. But the typical domestic kitchen is not a microbiologist's
model of a clean and safe environment! It is unlikely that either
microbiologists or qualified medical practitioners would endorse the
drinking of Kombucha tea.

2010-01-22

28

Ryzosfera to strefa w otoczeniu korzeni roslin – obejmująca wzajemne relacje

między korzeniami, mikroflorą gleby i glebą jako taką.

Korzenie roślin i związany z nimi biofilm wpływac mogą na chemizm gleby (pH i

przekształcanie azotu) . nitrogen transformations.

Zdjęcie z mikroskopu fluorescencyjnego ( 100 X) obrazuje:

*fluoryzujące na czerwono nitki grzybni przerastającej rizosferę- spring wheat –

*fluoryzujące głównie na czerwono – bakterie (

część ASM Biofilm Collection

)