BIOFILME: EIGENSCHAFTEN, BILDUNG, TYPEN UND BEISPIELE - BIOLOGIE - 2025

Die Biofilme oder Biofilme sind Gemeinschaften von Mikroorganismen, die an einer Oberfläche haften und in einer Matrix von selbst erzeugten extrazellulären polymeren Substanzen leben. Sie wurden ursprünglich von Antoine von Leeuwenhoek beschrieben, als er im 17. Jahrhundert die "nach ihm benannten" Animalcules "auf einer Materialplatte aus eigenen Zähnen untersuchte.

Die Theorie, die Biofilme konzeptualisiert und ihren Entstehungsprozess beschreibt, wurde erst 1978 entwickelt. Es wurde entdeckt, dass die Fähigkeit von Mikroorganismen, Biofilme zu bilden, universell zu sein scheint.

Abbildung 1. Von Staphylococcus aureus in einem Katheter erzeugter Biofilm. Quelle: CDC / Rodney M. Donlan, Ph.D. Janice Carr (PHIL # 7488), 2005. über https://commons.wikimedia.org

Biofilme können in so unterschiedlichen Umgebungen wie natürlichen Systemen, Aquädukten, Wasserspeichertanks, industriellen Systemen sowie in einer Vielzahl von Medien wie medizinischen Geräten und Geräten für Krankenhauspatienten (wie z. B. Kathetern) vorhanden sein.

Durch die Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie und konfokaler Rasterlasermikroskopie wurde entdeckt, dass Biofilme keine homogenen, unstrukturierten Ablagerungen von Zellen und angesammeltem Schlick sind, sondern komplexe heterogene Strukturen.

Biofilme sind komplexe Gemeinschaften assoziierter Zellen auf einer Oberfläche, eingebettet in eine hoch hydratisierte Polymermatrix, deren Wasser durch offene Kanäle in der Struktur zirkuliert.

Viele Organismen, deren Überleben in der Umwelt über Millionen von Jahren erfolgreich war, beispielsweise Arten der Gattungen Pseudomonas und Legionellen, verwenden die Biofilmstrategie in anderen Umgebungen als ihrer natürlichen Umgebung.

Eigenschaften von Biofilmen

Chemische und physikalische Eigenschaften der Biofilmmatrix

- Die polymeren extrazellulären Substanzen, die von Biofilm-Mikroorganismen, Polysaccharid-Makromolekülen, Proteinen, Nukleinsäuren, Lipiden und anderen Biopolymeren, meist stark hydrophilen Molekülen, sekretiert werden, kreuzen sich und bilden eine dreidimensionale Struktur, die als Biofilm-Matrix bezeichnet wird.

-Die Struktur der Matrix ist hochviskoelastisch, hat Kautschukeigenschaften, ist widerstandsfähig gegen Traktion und mechanischen Durchschlag.

-Die Matrix kann durch extrazelluläre Polysaccharide, die als anhaftendes Zahnfleisch wirken, an Grenzflächenoberflächen, einschließlich Innenräumen poröser Medien, haften.

-Die Polymermatrix ist überwiegend anionisch und enthält auch anorganische Substanzen wie Metallkationen.

-Es hat Wasserkanäle, durch die Sauerstoff, Nährstoffe und Abfallstoffe zirkulieren, die recycelt werden können.

-Diese Matrix des Biofilms dient als Schutz- und Überlebensmittel gegen widrige Umgebungen, als Barriere gegen phagozytische Eindringlinge sowie gegen den Eintritt und die Verbreitung von Desinfektionsmitteln und Antibiotika.

Ökophysiologische Eigenschaften von Biofilmen

-Die Bildung der Matrix in inhomogenen Gradienten erzeugt eine Vielzahl von Mikrohabitaten, wodurch die biologische Vielfalt im Biofilm vorhanden sein kann.

- Innerhalb der Matrix unterscheidet sich die zelluläre Lebensform radikal vom freien Leben, das nicht assoziiert ist. Die Biofilm-Mikroorganismen sind sehr nahe beieinander immobilisiert und in Kolonien assoziiert; Diese Tatsache ermöglicht intensive Wechselwirkungen.

-Die Wechselwirkungen zwischen den Mikroorganismen im Biofilm umfassen die Kommunikation über chemische Signale in einem Code namens "Quorum Sensing".

-Es gibt andere wichtige Wechselwirkungen wie den Gentransfer und die Bildung synergistischer Mikrokonsortien.

-Der Phänotyp des Biofilms kann anhand der von den assoziierten Zellen exprimierten Gene beschrieben werden. Dieser Phänotyp ist in Bezug auf Wachstumsrate und Gentranskription verändert.

-Die Organismen im Biofilm können Gene transkribieren, die ihre planktonischen oder freien Lebensformen nicht transkribieren.

-Der Biofilmbildungsprozess wird durch spezifische Gene reguliert, die während der anfänglichen Zelladhäsion transkribiert werden.

- Auf engstem Raum der Matrix gibt es Mechanismen der Zusammenarbeit und des Wettbewerbs. Wettbewerb erzeugt eine ständige Anpassung in biologischen Populationen.

Es wird ein kollektives externes Verdauungssystem erzeugt, das die extrazellulären Enzyme in der Nähe der Zellen zurückhält.

-Dieses enzymatische System ermöglicht die Sequestrierung, Akkumulation und Metabolisierung von gelösten, kolloidalen und / oder suspendierten Nährstoffen.

-Die Matrix fungiert als gemeinsamer externer Recyclingbereich, in dem die Bestandteile lysierter Zellen gespeichert werden und der auch als kollektives genetisches Archiv dient.

-Der Biofilm fungiert als strukturelle Schutzbarriere gegen Umweltveränderungen wie Austrocknung, Wirkung von Bioziden, Antibiotika, Immunantworten des Wirts, Oxidationsmittel, Metallkationen, ultraviolette Strahlung und ist auch eine Abwehr gegen viele Raubtiere wie phagozytische Protozoen und Insekten.

-Die Matrix des Biofilms bildet eine einzigartige ökologische Umgebung für Mikroorganismen, die der biologischen Gemeinschaft eine dynamische Lebensweise ermöglicht. Biofilme sind echte Mikroökosysteme.

Biofilmbildung

Die Biofilmbildung ist ein Prozess, bei dem Mikroorganismen von einem frei lebenden, einzelligen, nomadischen Zustand in einen mehrzelligen sitzenden Zustand übergehen, in dem das nachfolgende Wachstum strukturierte Gemeinschaften mit Zelldifferenzierung erzeugt.

Die Entwicklung von Biofilmen erfolgt als Reaktion auf extrazelluläre Umweltsignale und selbst erzeugte Signale.

Forscher, die Biofilme untersucht haben, sind sich einig, dass es möglich ist, ein verallgemeinertes hypothetisches Modell zu konstruieren, um ihre Entstehung zu erklären.

Dieses Modell der Biofilmbildung besteht aus 5 Stufen:

1. Anfängliche Haftung an der Oberfläche.
2. Bildung einer Monoschicht.
3. Migration zu mehrschichtigen Mikrokolonien.
4. Herstellung der polymeren extrazellulären Matrix.
5. Reifung des dreidimensionalen Biofilms.

Figure 2. Prozess der Bildung eines Biofilms. Quelle: D. Davis, über Wikimedia Commons

Anfängliche Haftung an der Oberfläche

Die Bildung des Biofilms beginnt mit der anfänglichen Adhäsion von Mikroorganismen an die feste Oberfläche, wo sie immobilisiert werden. Es wurde entdeckt, dass Mikroorganismen Oberflächensensoren haben und dass Oberflächenproteine ​​an der Bildung der Matrix beteiligt sind.

Bei nicht mobilen Organismen nimmt bei günstigen Umweltbedingungen die Produktion von Adhäsinen auf ihrer Außenfläche zu. Auf diese Weise erhöht es seine Zell-Zell- und Zelloberflächen-Adhäsionskapazität.

Bei mobilen Arten befinden sich einzelne Mikroorganismen auf einer Oberfläche, und dies ist der Ausgangspunkt für eine radikale Veränderung ihrer Lebensweise von nomadisch frei mobil zu sesshaft, fast sitzend.

Die Bewegungsfähigkeit geht daher bei der Bildung der Matrix verloren, neben Klebstoffen sind auch andere Strukturen wie Flagellen, Zilien, Pilus und Fimbrien beteiligt.

Dann werden in beiden Fällen (mobile und nicht mobile Mikroorganismen) kleine Aggregate oder Mikrokolonien gebildet und ein intensiverer Zell-Zell-Kontakt erzeugt; Adaptive phänotypische Veränderungen der neuen Umgebung treten in Clusterzellen auf.

Bildung einer Monoschicht und von Mikrokolonien in Mehrfachschichten

Die Produktion von extrazellulären polymeren Substanzen beginnt, die anfängliche Bildung in einer Monoschicht erfolgt und die anschließende Entwicklung in einer Mehrfachschicht.

Herstellung der polymeren extrazellulären Matrix und Reifung des dreidimensionalen Biofilms

Schließlich erreicht der Biofilm seinen Reifegrad mit einer dreidimensionalen Architektur und Kanälen, durch die Wasser, Nährstoffe, Kommunikationschemikalien und Nukleinsäuren zirkulieren.

Die Biofilmmatrix hält Zellen zurück und hält sie zusammen, wodurch ein hohes Maß an Interaktion mit der interzellulären Kommunikation und die Bildung synergistischer Konsortien gefördert wird. Die Zellen des Biofilms sind nicht vollständig immobilisiert, sie können sich darin bewegen und sich auch ablösen.

Arten von Biofilmen

Anzahl der Arten

Nach der Anzahl der am Biofilm beteiligten Arten kann letzterer eingeteilt werden in:

• Biofilme einer Art. Zum Beispiel Biofilme, die von Streptococcus mutans oder Vellionela parvula gebildet werden.
• Biofilme zweier Arten. Beispielsweise wurde auch die Assoziation von Streptococcus mutans und Vellionella parvula in Biofilmen entdeckt.
• Polymikrobielle Biofilme, bestehend aus vielen Arten . Zum Beispiel Zahnbelag.

Trainingsumgebung

Abhängig von der Umgebung, in der sie gebildet werden, können Biofilme auch sein:

• Natürlich
• Industriell
• Inländisch
• Gastfreundlich

Abbildung 3. Biofilme thermophiler Bakterien in Mickey Hot Springs, Oregon, USA. Quelle: Amateria1121, aus Wikimedia Commons

Art der Schnittstelle, an der sie generiert werden

Andererseits ist es je nach Art der Schnittstelle, an der sie gebildet werden, möglich, sie zu klassifizieren in:

• Fest-Flüssig-Grenzflächen-Biofilme , wie sie in Aquädukten und Tanks, Rohren und Wassertanks im Allgemeinen gebildet werden.
• Festgas-Grenzflächen-Biofilme (SAB für sein Akronym in English Sub Aereal Biofilms); Dies sind mikrobielle Gemeinschaften, die sich auf festen Mineraloberflächen entwickeln und direkt der Atmosphäre und der Sonnenstrahlung ausgesetzt sind. Sie sind unter anderem in Gebäuden, kahlen Wüstenfelsen und Bergen zu finden.

Beispiele für Biofilme

-Zahnbelag

Zahnbelag wurde als interessantes Beispiel für eine komplexe Gemeinschaft untersucht, die in Biofilmen lebt. Die Biofilme von Zahnplatten sind hart und nicht elastisch, da anorganische Salze vorhanden sind, die der Polymermatrix Steifheit verleihen.

Die Mikroorganismen von Zahnbelag sind sehr unterschiedlich und es gibt zwischen 200 und 300 assoziierte Arten im Biofilm.

Unter diesen Mikroorganismen sind:

• Die Gattung Streptococcus ; Es besteht aus sauren Bakterien, die Zahnschmelz und Dentin demineralisieren und Zahnkaries auslösen. Zum Beispiel die Arten: Mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis und S. milleri.
• Die Gattung Lactobacillus , bestehend aus acidophilen Bakterien, die Dentinproteine ​​denaturieren. Zum Beispiel die Arten: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Die Gattung Actinomyces , die saure und proteolytische Mikroorganismen sind. Unter diesen die Arten: Viskosus, A. odontoliticus und A. naeslundii.
• Und andere Gattungen wie Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis und Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilme in Schwarzwasser

Ein weiteres interessantes Beispiel ist das häusliche Abwasser, in dem nitrifizierende Mikroorganismen, die Ammonium, Nitrit und autotrophe nitrifizierende Bakterien oxidieren, in Biofilmen leben, die an Rohren befestigt sind.

Unter den ammoniumoxidierenden Bakterien dieser Biofilme sind die numerisch dominanten Arten diejenigen der Gattung Nitrosomonas, die in der Matrix des Biofilms verteilt sind.

Die Hauptkomponenten innerhalb der Gruppe der Nitritoxidationsmittel sind diejenigen der Gattung Nitrospira, die sich nur im inneren Teil des Biofilms befinden.

- Subaerie-Biofilme

Subaerie-Biofilme zeichnen sich durch fleckiges Wachstum auf festen Mineraloberflächen wie Felsen und städtischen Gebäuden aus. Diese Biofilme weisen dominante Assoziationen von Pilzen, Algen, Cyanobakterien, heterotrophen Bakterien, Protozoen sowie mikroskopisch kleinen Tieren auf.

Insbesondere besitzen SAB-Biofilme chemolytotrophe Mikroorganismen, die anorganische Mineralchemikalien als Energiequellen nutzen können.

Chemolithotrophe Mikroorganismen haben die Fähigkeit, anorganische Verbindungen wie H ₂ , NH ₃ , NO ₂ , S, HS, Fe ²⁺ zu oxidieren und die durch Oxidationen in ihrem Stoffwechsel erzeugte elektrische potentielle Energie zu nutzen.

Zu den in subaerialen Biofilmen vorhandenen mikrobiellen Spezies gehören:

• Bakterien der Gattung Geodermatophilus; Cyanobakterien der Gattungen C hrococcoccidiopsis, kokkoidale und filamentöse Arten wie Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Grünalgen der Gattungen Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia und Stichococcus.
• Heterotrophe Bakterien (dominant in subaerialen Biofilmen): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. und Rhodococcus sp.
• Chemoorganotrophe Bakterien und Pilze wie Actynomycetales (Streptomyceten und Geodermatophilaceae), Proteobakterien, Actinobakterien, Acidobakterien und Bacteroides-Cytophaga-Flavobacterium.

-Bio Filme von Erregern menschlicher Krankheiten

Viele der Bakterien, die als Erreger menschlicher Krankheiten bekannt sind, leben in Biofilmen. Unter diesen sind: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans und Legionella pneumophyla.

-Beulenpest

Von Interesse ist die Übertragung der Beulenpest durch Flohbiss, eine relativ neue Anpassung des für diese Krankheit verantwortlichen Bakterienmittels Yersinia pestis.

Dieses Bakterium wächst als Biofilm, der an das obere Verdauungssystem des Vektors (den Floh) gebunden ist. Während eines Bisses spuckt der Floh den Biofilm mit Yersinia pestis in der Dermis wieder aus und löst so die Infektion aus.

-Krankenhausvenenkatheter

Aus Biofilm auf explantierten Zentralvenenkathetern isolierte Organismen umfassen eine erstaunliche Anzahl von grampositiven und gramnegativen Bakterien sowie andere Mikroorganismen.

Mehrere wissenschaftliche Studien berichten als grampositive Bakterien von Biofilmen in Venenkathetern: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Stppreptococcus spp. und Streptococcus pneumoniae.

Unter den aus diesen Biofilmen isolierten gramnegativen Bakterien werden die folgenden berichtet: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogene, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas putppida spp. . und Serratia marcescens.

Andere in diesen Biofilmen gefundene Organismen sind: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis und Mycobacterium chelonei.

-In der Industrie

In Bezug auf den Betrieb der Industrie verursachen Biofilme Rohrverstopfungen, Geräteschäden, Störungen in Prozessen wie Wärmeübertragungen beim Abdecken von Wärmetauscheroberflächen oder Korrosion von Metallteilen.

Nahrungsmittelindustrie

Die Filmbildung in der Lebensmittelindustrie kann zu erheblichen Problemen für die öffentliche Gesundheit und den Betrieb führen.

Assoziierte Krankheitserreger in Biofilmen können Lebensmittel mit pathogenen Bakterien kontaminieren und den Verbrauchern ernsthafte Probleme für die öffentliche Gesundheit verursachen.

Zu den Biofilmen von Krankheitserregern in der Lebensmittelindustrie gehören:

Listeria monocytogenes

Dieser Erreger verwendet im Anfangsstadium der Biofilmbildung Flagellen- und Membranproteine. Bildet Biofilme auf den Stahloberflächen von Schneidemaschinen.

In der Milchindustrie können Biofilme von Listeria monocytogenes in flüssiger Milch und Milchprodukten hergestellt werden. Milchrückstände in Rohren, Tanks, Behältern und anderen Geräten begünstigen die Entwicklung von Biofilmen dieses Erregers, die sie als verfügbare Nährstoffe verwenden.

Pseudomonas

Biofilme dieser Bakterien finden sich in Einrichtungen der Lebensmittelindustrie wie Fußböden, Abflüssen und auf Lebensmitteloberflächen wie Fleisch, Gemüse und Obst sowie in säurearmen Derivaten von Milch.

Pseudomonas aeruginosa sezerniert mehrere extrazelluläre Substanzen, die bei der Bildung der Polymermatrix des Biofilms verwendet werden und an einer großen Menge anorganischer Materialien wie Edelstahl haften.

Pseudomonas können im Biofilm in Verbindung mit anderen pathogenen Bakterien wie Salmonellen und Listerien koexistieren.

Salmonellen

Salmonellenarten sind der erste Erreger von Zoonosen mit bakterieller Ätiologie und Ausbrüchen von Lebensmittelvergiftungen.

Wissenschaftliche Studien haben gezeigt, dass Salmonellen in Form von Biofilmen auf Beton-, Stahl- und Kunststoffoberflächen in Anlagen von Lebensmittelverarbeitungsbetrieben haften können.

Salmonellenarten besitzen Oberflächenstrukturen mit anhaftenden Eigenschaften. Zusätzlich produziert es Cellulose als extrazelluläre Substanz, die der Hauptbestandteil der Polymermatrix ist.

Escherichia coli

Es verwendet Flagellen- und Membranproteine ​​im ersten Schritt der Biofilmbildung. Es produziert auch extrazelluläre Cellulose, um das dreidimensionale Gerüst der Matrix im Biofilm zu erzeugen.

Resistenz von Biofilmen gegen Desinfektionsmittel, Germizide und Antibiotika

Biofilme bieten Schutz für die Mikroorganismen, aus denen sie bestehen, sowie für die Wirkung von Desinfektionsmitteln, Germiziden und Antibiotika. Folgende Mechanismen ermöglichen diese Funktion:

• Verzögertes Eindringen des antimikrobiellen Mittels durch die dreidimensionale Matrix des Biofilms aufgrund sehr langsamer Diffusion und Schwierigkeiten beim Erreichen der wirksamen Konzentration.
• Veränderte Wachstumsrate und geringer Metabolismus von Mikroorganismen im Biofilm.
• Veränderungen der physiologischen Reaktionen von Mikroorganismen während des Biofilmwachstums mit veränderter Resistenzgenexpression.

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