BIOFILEM: CIRI, PEMBENTUKAN, JENIS DAN CONTOH - BIOLOGI - 2026

The biofilms atau biofilms adalah masyarakat mikroorganisma melekat pada permukaan, yang tinggal di matriks extracellular bahan polimer sendiri - dihasilkan. Mereka awalnya digambarkan oleh Antoine von Leeuwenhoek, ketika dia memeriksa "animalcules" (dengan demikian dinamakan untuknya), di atas piring bahan dari giginya sendiri pada abad ke-17.

Teori yang mengkonseptualisasikan biofilm dan menggambarkan proses pembentukannya belum dikembangkan hingga tahun 1978. Didapati bahawa kemampuan mikroorganisma untuk membentuk biofilm nampaknya universal.

Rajah 1. Biofilm dihasilkan oleh Staphylococcus aureus dalam kateter. Sumber: CDC / Rodney M. Donlan, Ph.D.; Janice Carr (PHIL # 7488), 2005. melalui https://commons.wikimedia.org

Biofilm dapat wujud di lingkungan yang bervariasi seperti sistem semula jadi, saluran air, tangki simpanan air, sistem perindustrian, dan juga dalam berbagai media seperti alat perubatan dan alat untuk pesakit di rumah sakit (misalnya kateter, misalnya).

Melalui penggunaan mikroskopi elektron imbasan dan mikroskopi laser pemindaian confocal, didapati bahawa biofilm tidak homogen, deposit sel tidak tersusun dan kelodak terkumpul, tetapi struktur heterogen yang kompleks.

Biofilm adalah komuniti kompleks sel yang berkaitan di permukaan, tertanam dalam matriks polimer yang sangat terhidrat yang airnya beredar melalui saluran terbuka dalam struktur.

Banyak organisma yang berjaya bertahan hidup berjuta-juta tahun di persekitaran, misalnya spesies genera Pseudomonas dan Legionella, menggunakan strategi biofilm di lingkungan selain dari lingkungan asli mereka.

Ciri-ciri biofilm

Ciri kimia dan fizikal matriks biofilm

-Bahan polimer ekstraselular yang dirembeskan oleh mikroorganisma biofilm, makromolekul polisakarida, protein, asid nukleik, lipid dan biopolimer lain, kebanyakan molekul hidrofilik, menyeberang untuk membentuk struktur tiga dimensi yang disebut matriks biofilm.

-Struktur matriks sangat viskelastik, mempunyai sifat getah, tahan terhadap daya tarikan dan kerosakan mekanikal.

-Matriks mempunyai kemampuan untuk melekat pada permukaan antara muka, termasuk ruang dalaman media berpori, melalui polisakarida ekstraselular yang bertindak sebagai pelekat gusi.

Matriks polimerik terutamanya anionik dan juga merangkumi bahan bukan organik seperti kation logam.

-Mempunyai saluran air di mana oksigen, nutrien dan bahan buangan beredar yang dapat dikitar semula.

Matriks biofilm ini berfungsi sebagai alat perlindungan dan kelangsungan hidup terhadap persekitaran yang merugikan, penghalang terhadap penyerang fagosit dan terhadap kemasukan dan penyebaran disinfektan dan antibiotik.

Ciri ekofisiologi biofilm

-Pembentukan matriks dalam kecerunan tidak homogen, menghasilkan pelbagai habitat mikro, yang memungkinkan kepelbagaian biologi wujud di dalam biofilm.

-Dalam matriks, bentuk kehidupan selular secara radikal berbeza dengan kehidupan bebas, tidak berkaitan. Mikroorganisma biofilm tidak bergerak, sangat dekat antara satu sama lain, yang berkaitan dengan koloni; fakta ini membolehkan interaksi yang kuat berlaku.

- Interaksi antara mikroorganisma dalam biofilm merangkumi komunikasi melalui isyarat kimia dalam kod yang disebut "penginderaan kuorum".

-Ada interaksi penting lain seperti pemindahan gen dan pembentukan mikro-konsortia sinergistik.

-Fenotip biofilm dapat dijelaskan dari segi gen yang dinyatakan oleh sel-sel yang berkaitan. Fenotip ini diubah sehubungan dengan kadar pertumbuhan dan transkripsi gen.

-Organisma dalam biofilm dapat mentranskripsikan gen yang tidak menyalin bentuk kehidupan planktonik atau bebas mereka.

-Proses pembentukan biofilm diatur oleh gen tertentu, ditranskripsikan semasa lekatan sel awal.

-Dalam ruang matriks yang terbatas, terdapat mekanisme kerjasama dan persaingan. Persaingan menghasilkan penyesuaian berterusan dalam populasi biologi.

-Sistem pencernaan luaran kolektif dihasilkan, yang mengekalkan enzim ekstraselular berhampiran sel.

-Sistem enzimatik ini memungkinkan untuk mengasingkan, mengumpul dan memetabolisme, melarutkan, koloid dan / atau nutrien terampai.

-Matriks berfungsi sebagai kawasan kitar semula luaran yang biasa, penyimpanan komponen sel yang dilenyapkan, juga berfungsi sebagai arkib genetik kolektif.

-Filmil berfungsi sebagai penghalang struktur pelindung terhadap perubahan persekitaran seperti pengeringan, tindakan biocides, antibiotik, tindak balas imun tuan rumah, agen pengoksidaan, kation logam, sinaran ultraviolet dan juga merupakan pertahanan terhadap banyak pemangsa seperti fagositik protozoa dan serangga.

Matriks biofilm membentuk persekitaran ekologi yang unik untuk mikroorganisma, yang memungkinkan cara hidup yang dinamis bagi komuniti biologi. Biofilem adalah mikroekosistem sebenar.

Pembentukan biofilm

Pembentukan biofilm adalah proses di mana mikroorganisma beralih dari keadaan uniselular nomad hidup bebas ke keadaan tidak aktif multiselular, di mana pertumbuhan seterusnya menghasilkan komuniti berstruktur dengan pembezaan sel.

Pengembangan biofilm berlaku sebagai tindak balas terhadap isyarat persekitaran ekstraselular dan isyarat yang dihasilkan sendiri.

Penyelidik yang telah mengkaji biofilm bersetuju bahawa mungkin untuk membuat model hipotetikal umum untuk menjelaskan pembentukannya.

Model pembentukan biofilm ini terdiri daripada 5 peringkat:

1. Lekatan awal ke permukaan.
2. Pembentukan monolayer.
3. Penghijrahan untuk membentuk mikrokoli pelbagai lapisan.
4. Penghasilan matriks ekstraselular polimer.
5. Pematangan biofilm tiga dimensi.

Rajah 2. Proses pembentukan biofilm. Sumber: D. Davis, melalui Wikimedia Commons

Lekatan awal ke permukaan

Pembentukan biofilm bermula dengan lekatan awal mikroorganisma ke permukaan pepejal, di mana mereka tidak bergerak. Telah dijumpai bahawa mikroorganisma mempunyai sensor permukaan dan protein permukaan terlibat dalam pembentukan matriks.

Dalam organisma yang tidak bergerak, apabila keadaan persekitaran yang baik, pengeluaran adhin pada permukaan luarannya meningkat. Dengan cara ini, ia meningkatkan kapasiti lekapan sel-sel dan permukaan sel.

Dalam kes spesies bergerak, mikroorganisma individu terletak di permukaan dan ini adalah titik permulaan perubahan radikal dalam cara hidup mereka dari telefon bimbit bebas nomaden, hingga tidak bergerak, hampir tidak dapat digunakan.

Keupayaan untuk bergerak hilang kerana dalam pembentukan matriks, struktur yang berbeza seperti flagella, silia, pilus dan fimbria turut serta, selain bahan pelekat.

Kemudian, dalam kedua-dua kes (mikroorganisma mudah alih dan tidak bergerak), agregat kecil atau mikrokoloni terbentuk dan hubungan sel-sel yang lebih kuat dihasilkan; perubahan fenotipik adaptif terhadap persekitaran baru berlaku pada sel berkelompok.

Pembentukan monolayer dan mikrokoloni dalam pelbagai lapisan

Penghasilan bahan polimer ekstraselular bermula, pembentukan awal dalam lapisan tunggal dan perkembangan seterusnya dalam lapisan pelbagai.

Penghasilan matriks ekstraselular polimer dan pematangan biofilm tiga dimensi

Akhirnya, biofilm mencapai tahap kematangannya, dengan seni bina tiga dimensi dan adanya saluran melalui mana air, nutrien, bahan kimia komunikasi dan asid nukleik beredar.

Matriks biofilm mengekalkan sel dan menahannya bersama, mempromosikan tahap interaksi yang tinggi dengan komunikasi antara sel dan pembentukan konsortia sinergis. Sel-sel biofilm tidak bergerak sepenuhnya, mereka boleh bergerak ke dalamnya dan juga terlepas.

Jenis biofilm

Bilangan spesies

Mengikut bilangan spesies yang mengambil bahagian dalam biofilm, spesies ini dapat dikelaskan kepada:

• Biofilm spesies. Contohnya, biofilm yang dibentuk oleh Streptococcus mutans atau Vellionela parvula.
• Biofilem dua spesies. Sebagai contoh, hubungan Streptococcus mutans dan Vellionella parvula dalam biofilm juga telah dijumpai.
• Biofilm polimikrob, terdiri daripada banyak spesies . Contohnya, plak gigi.

Persekitaran latihan

Juga bergantung pada persekitaran di mana ia terbentuk, biofilm boleh:

• Semula jadi
• Perindustrian
• Dalam Negeri
• Bersahabat

Rajah 3. Biofilm bakteria termofilik di Mickey Hot Springs, Oregon, Amerika Syarikat. Sumber: Amateria1121, dari Wikimedia Commons

Jenis antara muka di mana ia dihasilkan

Sebaliknya, mengikut jenis antara muka di mana ia terbentuk, adalah mungkin untuk mengklasifikasikannya menjadi:

• Biofilem antara muka pepejal-cecair , seperti yang terbentuk di saluran air dan tangki, paip dan tangki air secara umum.
• Biofilem antara muka pepejal gas (SAB untuk akronimnya dalam Bahasa Inggeris Sub Aereal Biofilms); yang merupakan komuniti mikroba yang berkembang di permukaan mineral pepejal, secara langsung terdedah kepada atmosfera dan sinaran matahari. Mereka dijumpai di bangunan, batu gurun kosong, gunung, antara lain.

Contoh biofilm

- Plak gigi

Plak gigi telah dikaji sebagai contoh menarik dari komuniti kompleks yang tinggal di biofilm. Biofilm plat gigi keras dan tidak elastik, kerana adanya garam anorganik, yang memberikan ketegaran pada matriks polimer.

Mikroorganisma plak gigi sangat bervariasi dan terdapat antara 200 hingga 300 spesies yang berkaitan dalam biofilm.

Antara mikroorganisma ini adalah:

• Genus Streptococcus ; terdiri daripada bakteria aciduric yang mendineralisasi enamel dan dentin, dan memulakan karies gigi. Contohnya, spesies: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis dan S. milleri.
• Genus Lactobacillus , terdiri daripada bakteria acidophilic yang menafikan protein dentin. Contohnya, spesies: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Genus Actinomyces , yang merupakan mikroorganisma acidurik dan proteolitik. Antaranya, spesies: viscosus, A. odontoliticus dan A. naeslundii.
• Dan genera lain , seperti: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis dan Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilm dalam air hitam

Contoh lain yang menarik adalah air buangan domestik, di mana mikroorganisma nitrifikasi yang mengoksidakan bakteria amonium, nitrit dan nitrifikasi autotrofik hidup di biofilm yang melekat pada paip.

Di antara bakteria pengoksidaan ammonium dari biofilm ini, spesies yang dominan secara numerik adalah spesies genus Nitrosomonas, yang diedarkan ke seluruh matriks biofilm.

Sebilangan besar komponen dalam kumpulan oksidan nitrit adalah komponen genus Nitrospira, yang hanya terdapat di bahagian dalaman biofilm.

- Biofilm subaerie

Biofilm subaerie dicirikan oleh pertumbuhan halus di permukaan mineral pepejal seperti batu dan bangunan bandar. Biofilm ini menunjukkan persatuan dominan kulat, alga, cyanobacteria, bakteria heterotrofik, protozoa, dan juga haiwan mikroskopik.

Khususnya, biofilm SAB memiliki mikroorganisma chemolytotrophic, yang mampu menggunakan bahan kimia mineral bukan organik sebagai sumber tenaga.

Mikroorganisma chemolithotrophic mempunyai keupayaan untuk mengoksidakan sebatian anorganik seperti H ₂ , NH ₃ , NO ₂ , S, HS, Fe ²⁺ dan memanfaatkan tenaga elektrik berpotensi yang dihasilkan oleh pengoksidaan dalam metabolisme mereka.

Antara spesies mikroba yang terdapat dalam biofilm bawah laut adalah:

• Bakteria genus Geodermatophilus; cyanobacteria genera C hrococcoccidiopsis, coccoid dan filamen spesis seperti Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Alga hijau dari genera Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia dan Stichococcus.
• Bakteria heterotrofik (dominan dalam biofilm subaerial): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. dan Rhodococcus sp.
• Bakteria dan kulat chemorganotrophic seperti Actynomycetales (streptomycetes and Geodermatophilaceae), Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria and Bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Bio filem agen penyebab penyakit manusia

Banyak bakteria yang dikenali sebagai agen penyebab penyakit manusia hidup di biofilm. Antaranya ialah: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans dan Legionella pneumophyla.

-Penyakit Bubonic

Yang menarik ialah penularan wabak bubonic oleh gigitan kutu, penyesuaian agen bakteria yang bertanggungjawab untuk penyakit ini, Yersinia pestis.

Bakteria ini tumbuh sebagai biofilm yang melekat pada sistem pencernaan bahagian atas vektor (kutu). Semasa gigitan, kutu menghidupkan kembali biofilm yang mengandung Yersinia pestis di dermis, sehingga memulai jangkitan.

- Kateter vena hospital

Organisma yang diasingkan dari biofilm pada kateter vena pusat yang ditanam termasuk pelbagai bakteria Gram-positif dan Gram-negatif, serta mikroorganisma lain.

Beberapa kajian ilmiah melaporkan sebagai bakteria Gram-positif dari biofilm pada kateter vena: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Stpylcoccus epidermidis, Stpylcocpus dan Streptococcus pneumoniae.

Di antara bakteria Gram-negatif yang diasingkan dari biofilm ini, yang berikut dilaporkan: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, pseudompppppppppppppppppppppppppppppppppppppppppppppp, pseudom . dan Serratia marcescens.

Organisma lain yang terdapat dalam biofilm ini adalah: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis dan Mycobacterium chelonei.

-Dalam industri

Mengenai operasi industri, biofilm menghasilkan halangan paip, kerosakan pada peralatan, gangguan dalam proses seperti pemindahan haba ketika menutup permukaan penukar, atau kakisan bahagian logam.

Industri Makanan

Pembentukan filem dalam industri makanan boleh menimbulkan masalah kesihatan awam dan operasi.

Patogen yang berkaitan dalam biofilem dapat mencemarkan produk makanan dengan bakteria patogen dan menyebabkan masalah kesihatan awam yang serius bagi pengguna.

Antara biofilem patogen yang berkaitan dengan industri makanan adalah:

Listeria monocytogenes

Patogen ini menggunakan pada tahap awal pembentukan biofilm, flagela dan protein membran. Membentuk biofilm pada permukaan keluli mesin pengiris.

Dalam industri tenusu, biofilm Listeria monocytogenes dapat dihasilkan dalam susu cair dan produk susu. Sisa sisa susu di dalam paip, tangki, bekas dan alat lain menyokong pengembangan biofilm patogen ini yang menggunakannya sebagai nutrien yang ada.

Pseudomonas

Biofilem bakteria ini terdapat di kemudahan industri makanan, seperti lantai, longkang, dan di permukaan makanan seperti daging, sayur-sayuran, dan buah-buahan, serta turunan susu rendah asam.

Pseudomonas aeruginosa mengeluarkan beberapa zat ekstraselular yang digunakan dalam pembentukan matriks polimer biofilm, mematuhi sejumlah besar bahan bukan organik seperti keluli tahan karat.

Pseudomonas dapat hidup berdampingan dalam biofilm dalam hubungannya dengan bakteria patogen lain seperti Salmonella dan Listeria.

Salmonella

Spesies Salmonella adalah agen penyebab pertama zoonosis etiologi bakteria dan wabak keracunan makanan.

Kajian ilmiah menunjukkan bahawa Salmonella dapat menempel sebagai biofilm pada permukaan konkrit, baja, dan plastik di kemudahan kilang pemprosesan makanan.

Spesies Salmonella mempunyai struktur permukaan dengan sifat melekat. Selain itu, ia menghasilkan selulosa sebagai bahan ekstraselular, yang merupakan komponen utama matriks polimer.

Escherichia coli

Ia menggunakan protein flagella dan membran dalam langkah awal pembentukan biofilm. Ia juga menghasilkan selulosa ekstraselular untuk menghasilkan kerangka tiga dimensi matriks dalam biofilm.

Ketahanan biofilm terhadap disinfektan, kuman dan antibiotik

Biofilm memberikan perlindungan kepada mikroorganisma yang membentuknya, terhadap tindakan desinfektan, kuman dan antibiotik. Mekanisme yang membenarkan ciri ini adalah seperti berikut:

• Penembusan agen antimikrob melalui matriks tiga dimensi biofilm, kerana penyebaran yang sangat perlahan dan kesukaran mencapai kepekatan yang berkesan.
• Perubahan kadar pertumbuhan dan metabolisme mikroorganisma yang rendah dalam biofilm.
• Perubahan tindak balas fisiologi mikroorganisma semasa pertumbuhan biofilm, dengan perubahan ekspresi gen ketahanan.

Rujukan

1. Biofilm bakteria. (2008). Topik Semasa dalam Mikrobiologi dan Imunologi. Penyunting Tony Romeo. Jilid 322. Berlin, Hannover: Springer Verlag. hlm301.
2. Donlan, RM dan Costerton, JW (2002). Biofilm: mekanisme survival mikroorganisma yang berkaitan secara klinikal. Ulasan Mikrobiologi Klinikal. 15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
3. Fleming, HC dan Wingender, F. (2010). Matriks biofilm. Kajian semula jadi Mikrobiologi. 8: 623-633.
4. Gorbushina, A. (2007). Kehidupan di atas batu. Mikrobiologi Alam Sekitar. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
5. O'Toole, G., Kaplan, HB dan Kolter, R. (2000). Pembentukan biofilm sebagai pengembangan mikrob. Kajian Tahunan Mikrobiologi 54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
6. Hall-Stoodley, L., Costerton, JW dan Stoodley, P. (2004). Biofilem bakteria: dari persekitaran semula jadi hingga penyakit berjangkit. Kajian semula jadi Mikrobiologi. 2: 95-108.
7. Whitchurch, CB, Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. dan Mattick, J. (2002). DNA ekstraselular diperlukan untuk pembentukan biofilm bakteria. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / sains.295.5559.1487