Biyofilmler, birçok farklı yüzeyde büyüyebilen bir veya daha fazla mikroorganizmanın kolektifidir. Biyofilmleri oluşturan mikroorganizmalar arasında bakteri, mantar ve protistler bulunur.
Biyofilm diş plağının yaygın bir örneği, dişlerin yüzeyinde oluşan ince bir bakteri birikimi. Gölet pisliği başka bir örnektir. Biyofilmlerin mineraller ve metaller üzerinde büyüdüğü bulunmuştur. Sualtında, yeraltında ve yer üstünde bulundu. Bitki dokuları ve hayvan dokuları ile kateterler ve kalp pilleri gibi implante edilmiş tıbbi cihazlarda büyüyebilirler.
Bu farklı yüzeylerin her biri ortak bir tanımlama özelliğine sahiptir: ıslaktır. Microbe Magazine'de yayınlanan 2007 tarihli bir makaleye göre, bu ortamlar "periyodik olarak veya sürekli olarak su ile doludur". Biyofilmler nemli veya ıslak yüzeylerde gelişir.
Biyofilmler kendilerini bu tür ortamlarda çok uzun süre kurmuşlardır. Nature Reviews Microbiology dergisinde yayınlanan 2004 tarihli bir makaleye göre, biyofilmlerin fosil kanıtı yaklaşık 3.25 milyar yıl öncesine dayanıyor. Örneğin, Avustralya'daki Pilbara Craton'ın 3.2 milyar yıllık derin deniz hidrotermal kayalarında biyofilmler bulundu. Benzer biyofilmler, kaplıcalar ve derin deniz havalandırmaları gibi hidrotermal ortamlarda bulunur.
Biyofilm oluşumu
Biyofilm oluşumu bakteriler gibi serbest yüzen mikroorganizmalar uygun bir yüzeyle temas ettiğinde ve kökleri koymaya başladığında başlar. Bu ilk bağlanma adımı, Montana State Üniversitesi Biyofilm Mühendisliği Merkezi'ne göre, mikroorganizmalar hücre dışı polimerik madde (EPS) olarak bilinen aşırı duygusal bir madde ürettiğinde ortaya çıkar. EPS, şeker, protein ve nükleik asitlerin (DNA gibi) bir ağıdır. Biyofilmdeki mikroorganizmaların birbirine yapışmasını sağlar.
Bağlılığı bir büyüme dönemi takip eder. İlk katmanlar üzerinde başka mikroorganizma katmanları ve EPS katmanları oluşur. Sonuçta, Biyofilm Mühendisliği Merkezine göre, soğanlı ve karmaşık bir 3D yapı oluşturuyorlar. Microbe'deki makaleye göre, su çapraz biyofilmleri kanalize eder ve besinlerin ve atık ürünlerin değişimine izin verir.
Çoklu çevre koşulları, biyofilmin ne ölçüde büyüdüğünü belirlemeye yardımcı olur. Bu faktörler ayrıca sadece birkaç hücre katmanından mı yoksa önemli ölçüde daha fazla mı yapıldığını belirler. Montana State Üniversitesi-Bozeman'da kimya ve biyolojik mühendisliği bölümünde profesör olan Robin Gerlach, "Bu gerçekten biyofilme bağlı" dedi. Örneğin, çok miktarda EPS üreten mikroorganizmalar, çok fazla besine sahip olmasalar bile oldukça kalın biyofilmlere dönüşebilirler. Öte yandan, oksijene bağlı mikroorganizmalar için, mevcut miktar ne kadar büyüyebileceklerini sınırlayabilir. Bir diğer çevresel faktör "kayma gerilimi" kavramıdır. Gerlach, "Bir derede olduğu gibi bir biyofilm boyunca çok yüksek bir akıma sahipseniz, biyofilm genellikle oldukça incedir. Yavaş akan suda biyofilminiz varsa, bir havuzda olduğu gibi, çok kalınlaşabilir."
Son olarak, bir biyofilm içindeki hücreler kıvrımı bırakabilir ve kendilerini yeni bir yüzeye yerleştirebilir. Ya bir hücre kümesi parçalanır ya da bireysel hücreler biyofilmden patlar ve yeni bir ev arar. Biyofilm Mühendisliği Merkezi'ne göre, bu son işlem "tohumlama dispersiyonu" olarak bilinir.
Neden bir biyofilm oluşturmalı?
Mikroorganizmalar için, biyofilmin bir parçası olarak yaşamak belirli avantajlarla birlikte gelir. "Mikrop toplulukları genellikle strese karşı daha dirençlidir," dedi Gerlach Live Science'a. Potansiyel stres faktörleri arasında su eksikliği, yüksek veya düşük pH veya antibiyotikler, antimikrobiyaller veya ağır metaller gibi mikroorganizmalar için toksik maddelerin bulunması yer alır.
Biyofilmlerin dayanıklılığı için birçok olası açıklama vardır. Örneğin, sümüksü EPS kaplaması koruyucu bir bariyer görevi görebilir. Dehidrasyonu önlemeye yardımcı olabilir veya ultraviyole (UV) ışığa karşı bir kalkan görevi görebilir. Ayrıca, antimikrobiyaller, ağartıcı veya metaller gibi zararlı maddeler EPS ile temas ettiğinde bağlanır veya nötralize edilir. Bu nedenle Nature Reviews Microbiology'deki 2004 makalesine göre, biyofilmin derinliklerindeki çeşitli hücrelere ulaşmadan önce ölümcül olmayan konsantrasyonlara seyreltilirler.
Yine de, bazı antibiyotiklerin EPS'ye nüfuz etmesi ve biyofilm katmanlarından geçmesi mümkündür. Burada başka bir koruyucu mekanizma devreye girebilir: fizyolojik olarak uykuda olan bakterilerin varlığı. İyi çalışmak için tüm antibiyotikler bir miktar hücresel aktivite gerektirir. Bu nedenle, eğer bakteriler fizyolojik olarak hareketsizse, bir antibiyotiğin bozulması için fazla bir şey yoktur.
Antibiyotiklere karşı korunmanın bir başka yolu, "sebat" olarak bilinen özel bakteri hücrelerinin varlığıdır. Bu tür bakteriler bölünmez ve birçok antibiyotiğe dirençlidir. Cold Spring Harbor Perspektifler Biyolojisinde dergisinde yayınlanan 2010 tarihli bir makaleye göre, "devam ediyor", antibiyotiklerin hedeflerini engelleyen maddeler üreterek işlev görüyor.
Genel olarak, bir biyofilm olarak birlikte yaşayan mikroorganizmalar çeşitli topluluk üyelerinin varlığından yararlanır. Gerlach, biyofilmlerde birlikte yaşayan ototrofik ve heterotrofik mikroorganizmaların örneğini gösterdi. Fotosentetik bakteriler veya algler gibi ototroflar kendi yiyeceklerini organik (karbon içeren) malzeme formunda üretebilirken, heterotroflar kendi yiyeceklerini üretemezler ve dış karbon kaynakları gerektirmezler. "Bu çok organlı topluluklarda, genellikle çapraz besleniyorlar" dedi.
Biyofilmler ve biz
Biyofilmlerle karşılaştığımız çok çeşitli ortamlar göz önüne alındığında, insan yaşamının birçok yönünü etkilemeleri şaşırtıcı değildir. Aşağıda birkaç örnek verilmiştir.
Sağlık ve hastalık
Araştırmalar yıllar içinde ilerledikçe, biyofilmler - bakteriyel ve fungal - çeşitli sağlık koşullarında rol oynamaktadır. 2002 hibe başvuruları çağrısında, Ulusal Sağlık Enstitüleri (NIH) biyofilmlerin "vücuttaki mikrobiyal enfeksiyonların yüzde 80'inden fazlasını" oluşturduğunu kaydetti.
Biyofilmler, protez kalp kapakçıkları, eklem protezleri, kateterler ve kalp pilleri gibi implante edilmiş tıbbi cihazlarda büyüyebilir. Bu da enfeksiyonlara yol açar. Bu fenomen ilk olarak 1980'lerde intravenöz kateterlerde ve kalp pillerinde bakteriyel biyofilmlerin bulunduğu zaman kaydedildi. Bakteriyel biyofilmlerin, diğer enfeksiyonların yanı sıra Nature Reviews Microbiology'deki 2004 makalesine göre, kistik fibrozlularda enfektif endokardit ve pnömoniye neden olduğu bilinmektedir.
Stanford mikrobiyoloji ve immünoloji profesörü AC Matin, "Biyofilm oluşumunun büyük bir endişe nedeni olmasının nedeni, biyofilm içinde bakterilerin antibiyotiklere ve onları kontrol etmek için kullanabileceğiniz diğer büyük dezenfektanlara karşı daha dirençli olmasıdır." Dedi. Üniversite. Aslında, serbest yüzen bakterilerle karşılaştırıldığında, biyofilm olarak büyüyenler, Microbe'deki makaleye göre antibiyotiklere ve diğer biyolojik ve kimyasal ajanlara karşı 1.500 kat daha dayanıklı olabilir. Matin, biyofilm direncini, bakteriler arasındaki antibiyotik direncindeki genel artışla bir "çifte whammy" ve enfeksiyonların tedavisinde büyük bir zorluk olarak nitelendirdi.
Mantar biyofilmleri ayrıca implante cihazlarda büyüyerek enfeksiyonlara neden olabilir. Cins üyeleri gibi maya türleri Candida Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine dergisinde yayınlanan 2014 tarihli bir makaleye göre meme implantları, kalp pilleri ve protez kalp kapakçıkları üzerinde büyümek. Candida türler ayrıca insan vücudu dokuları üzerinde büyür ve vajinit (vajina iltihabı) ve orofaringeal kandidiyaz (ağızda veya boğazda gelişen bir maya enfeksiyonu) gibi hastalıklara yol açar. Bununla birlikte, yazarlar bu durumlarda ilaç direncinin gösterilmediğini belirtmektedir.
Biyoremidasyon
Bazen biyofilmler faydalıdır. "Genel olarak biyoremediasyon, canlı organizmaların veya ürünlerinin - örneğin enzimlerin - zararlı bileşiklerin işlenmesi veya parçalanması için kullanılmasıdır," dedi Gerlach. Biyofilmlerin atık su, kromat gibi ağır metal kirleticileri, TNT gibi patlayıcılar ve uranyum gibi radyoaktif maddelerin arıtılmasında kullanıldığını kaydetti. "Mikroplar onları parçalayabilir veya hareketliliklerini veya toksik durumlarını değiştirebilir ve bu nedenle onları çevreye ve insanlara daha az zararlı hale getirebilir" dedi.
Biyofilmler kullanılarak nitrifikasyon, atık su arıtımının bir biçimidir. Nitrifikasyon sırasında amonyak, oksidasyon yoluyla nitritlere ve nitratlara dönüştürülür. Water Research dergisinde yayınlanan 2013 tarihli bir makaleye göre, bu, plastik yüzeylerde biyofilm olarak büyüyen ototrofik bakteriler tarafından yapılabilir. Bu plastik yüzeyler sadece birkaç santimetre büyüklüğündedir ve suyun tamamına dağılmıştır.
Patlayıcı TNT (2,4,6-Trinitrotoluen) toprak, yüzey suyu ve yeraltı suyu kirleticisi olarak kabul edilir. TNT'nin kimyasal yapısı, üç nitro grubuna (NO) bağlı benzenden (altı karbon atomundan oluşan altıgen aromatik bir halka) oluşur2) ve bir metil grubu (CH3). Uygulamalı ve Çevresel Mikrobiyoloji dergisinde yayınlanan 2007 tarihli bir makaleye göre, mikroorganizmalar TNT'yi indirgenerek bozmaktadır. Çoğu mikroorganizma üç nitro grubunu azaltırken, bazıları aromatik halkaya saldırır. Araştırmacılar - Ayrat Ziganshin, Robin Gerlach ve meslektaşları - maya suşunun Yarrowia lipolytica öncelikle aromatik halkaya saldırarak TNT'yi her iki yöntemle de parçalayabilir.
Mikrobiyal yakıt hücreleri
Mikrobiyal yakıt hücreleri, organik atıkları elektriğe dönüştürmek için bakteri kullanır. Mikroplar bir elektrotun yüzeyinde yaşarlar ve elektronları üzerine aktarırlar, sonuçta bir akım yaratırlar Gerlach. Güney Kaliforniya Üniversitesi'nin çevrimiçi bir dergi olan Illumin'de yayınlanan 2011 tarihli bir makale, mikrobiyal yakıt hücrelerine güç veren bakterilerin gıda ve vücut atıklarını parçaladığını belirtiyor. Bu, düşük maliyetli bir güç kaynağı ve temiz sürdürülebilir enerji sağlar.
Devam eden araştırma
Dünyamız biyofilmlerle dolu. Aslında, 20. yüzyılın ortalarına kadar, Nature Reviews Microbiology'deki 2004 makalesine göre, bakteri kültürleri içeren konteynerlerin iç yüzeylerinde sıvı kültürün içinde serbestçe yüzmekten daha fazla bakteri bulundu. Bu karmaşık mikrobik yapıları anlamak aktif bir araştırma alanıdır.
Gerlach, "Biyofilmler inanılmaz topluluklar. Bazı insanlar onları çok hücreli organizmalarla karşılaştırdı çünkü tek hücreler arasında çok fazla etkileşim var." Dedi. "Onları öğrenmeye devam ediyoruz ve onları nasıl daha iyi kontrol edeceğimizi öğrenmeye devam ediyoruz; hem tıp alanında olduğu gibi daha az zarar için hem de biyoremediasyonda olduğu gibi daha fazla fayda için. ilginç sorular. "
