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

)