Biofilm
Filamentous “Epsilonproteobacteria” Dominate Microbial Mats from Sulfidic Cave
Springs
Annette Summers Engel, Natuschka Lee, Megan L. Porter, Libby A. Stern, Philip C.
Bennett, and Michael Wagner
Appl Environ Microbiol. 2003 September; 69(9): 5503–5511.
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
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.
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 śluzów otoczkowych przez
siebie wydzielanych.
Biofilm utworzony przez mieszaną hodowlę Pseudomonas aeruginosa, P.
fluorescens Klebsiella pneumoniae. (mikroskop laserowy- 6 um grubości) -
odcinek = 10 um
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.
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.
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.
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.
Korzystne działanie biofilmów:
*
uzdatnianie środowiska
**
punkty uzdatniania wody
** oczyszczalnie ścieków, wód zrzutowych
poprzez eliminację patogenów i materii
organicznej
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
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,
•Powstawanie biofilmów na powierzchniach
metalowych jest powodem korozji
mikrobiologicznej
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
Mikrofotografia:
duża liczba komórek
Staphylococcus
epidermidis pokrytych
glikokaliksem,
przytwierdzonych
na powierzchni catetera
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
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
Communities in Lakes
• Plankton
• Benthos
• Detritus
• Nekton
• Periphyton
• Neuston
The Microbial Loop
Detritus: DOM
Detritus: POM
• Typically taken to be greater than 0.45 or
0.5 mm in size
• CPOM
> 1 mm
• FPOM
< 1 mm
Periphyton Community
• Entire community of
sessile
organisms,
both flora and fauna
• Epilithic
– on stones
• Epipelic
– on sediment surface
• Epiphytic
– on plant leaves & stems
• Epizoic
– on animals
Jak powstaje biofilm
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
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 się
warstwy związków
organicznych (aminokwasy
i inne substraty
pokarmowe).
Zdjęcie z pod mikroskopu
elektronowego (x 2 600).
białe ślady = zdrapana
warstwa osadów
organicznych osadzonych
na szkiełku ( osad o
określonej grubości)
Drugi krok
selektywne przytwierdzanie się
bakterii cylindrycznych do
pierwotnej powłoki organicznej.
* Rodzaj (skład) powłoki organicznej
* warunki w jakich powstaje
decydują o:
* rodzaju bakterii je zasiedlających,
* szybkości z jaką tworzony jest
biofilm
Pierwsze - zasiedlające bakterie
mają ( zwykle)
-rzęski
-długie fimbrie
In deep ocean water,
initial biofilm colonisation
can be observed after
three days of exposure. In
coastal waters the time
interval for colonisation is
shorter.
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.
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
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.
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.
The attached and embedded organisms have to
adapt to variations in light and nutrient
penetration.
Other factors relating to the specific environment
where the biofilm is forming can also have
effects (for example, for biofilms within organs,
such as the digestive tract). As mentioned
before, the environmental conditions (pH, light,
nutrient availability, …),
in a way,
select for the types of bacteria that can exist
there.
Thus, each layer of colonisation influences the
next.
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
Biofilms - mixed microbial communities. Glass coverslip immersed
for 16 hours in a nutrient solution containing bacteria:
Enterobacter agglomerans and Klebsiella pneumoniae.
A plasmid containing the gene for green fluorescent protein had
previously been inserted into the strain of Enterobacter (yellow-
green fluorescence in UV light). The strain of Klebsiella cells were
killed and then stained with propidium iodide which gives the
orange colour.
Two bacteria grew intimately together as a mixed microcolony. They
showed greater adhesion to the glass than when they were
inoculated alone, and also greater resistance to a range of
antimicrobial agents in the mixed biofilm compared with single-
species biofilms.
Biofilm produced by some of the highly specialised methane-
oxidising bacteria (methanotrophs). These bacteria can be cultured
in flasks containing a simple mineral nutrient medium, with a
mixture of methane gas (CH
4
) as the sole carbon source and oxygen
in the headspace (left-hand image above). The bacteria produce a
pink-coloured, tough film resembling a sheet of polyethylene at the
surface of the liquid (it has been disturbed and has become folded in
the flasks shown here). The bacterial cells grow as a monolayer
within this film (right-hand image), with block-like patterns of cells
representing their planes of division.
Vast amounts of methane are produced in nature (in the rumen of
cows, landfill sites, etc.) by anaerobic archaea (the methanogens)
which gain energy by oxidation of hydrogen coupled with the
reduction of carbon dioxide, to produce methane. The accumulation
of methane trapped in geological deposits has produced the vast
natural gas fields that are exploited as a fuel source today. In the
absence of entrapment, methane diffuses into aerated sites in soil,
where it is metabolised by the methylotrophs (mostly Gram negative
cocci or plump rods of genera such as Methylococcus and
Methylomonas). By forming a surface film at the interface between
anaerobic and aerobic zones, these bacteria have a supply of
methane gas (poorly soluble in water) and also a supply of oxygen
essential for utilising methane. Most of these bacteria cannot use
more complex organic compounds containing C-C bonds.
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.
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!
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.
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
)