Biofilms adalah kolektif satu atau lebih jenis mikroorganisma yang boleh tumbuh di banyak permukaan yang berbeza. Mikroorganisma yang membentuk biofilem termasuk bakteria, kulat dan protikan.
Salah satu contoh umum plak gigi biofilm, pembentukan bakteria berlendir yang membentuk permukaan gigi. Sampah kolam adalah contoh lain. Biofilms telah ditemui tumbuh pada mineral dan logam. Mereka telah dijumpai di bawah air, bawah tanah dan di atas tanah. Mereka boleh tumbuh pada tisu tumbuhan dan tisu haiwan, dan pada peranti perubatan yang diimplan seperti kateter dan alat pacu jantung.
Setiap permukaan yang berbeza mempunyai ciri penentuan yang biasa: mereka basah. Persekitaran ini "secara berkala atau terus-menerus diserap dengan air," menurut artikel 2007 yang diterbitkan dalam majalah Microbe. Biofilms berkembang maju apabila permukaan lembap atau basah.
Biofilms telah menubuhkan sendiri dalam persekitaran sedemikian untuk masa yang sangat lama. Bukti fosil biofilm bermula pada 3.25 bilion tahun yang lalu, menurut artikel 2004 yang diterbitkan dalam jurnal Nature Reviews Microbiology. Contohnya, biofilem telah ditemui di batu hidroteral laut dalam 3.2bb di Pilbara Craton di Australia. Biofilm sama ada terdapat dalam persekitaran hidrotermal seperti mata air panas dan lubang laut dalam.
Pembentukan Biofilm
Pembentukan biofilm bermula apabila mikroorganisme terapung bebas seperti bakteria bersentuhan dengan permukaan yang sesuai dan mula meletakkan akar, jadi untuk bercakap. Langkah pertama lampiran berlaku apabila mikroorganisma menghasilkan bahan gooey yang dikenali sebagai bahan polimer extracellular (EPS), menurut Pusat Kejuruteraan Biofilm di Montana State University. EPS adalah rangkaian gula, protein dan asid nukleat (seperti DNA). Ia membolehkan mikroorganisma dalam biofilm untuk melekat bersama.
Lampiran diikuti dengan tempoh pertumbuhan. Lapisan lain mikroorganisma dan EPS membina lapisan pertama. Akhirnya, mereka membuat struktur 3D yang rumit dan kompleks, menurut Pusat Kejuruteraan Biofilm. Air saluran biofilm dan membenarkan pertukaran nutrien dan produk sisa, mengikut artikel di Mikroba.
Pelbagai keadaan persekitaran membantu menentukan sejauh mana biofilm berkembang. Faktor-faktor ini juga menentukan sama ada ia hanya terdiri daripada beberapa lapisan sel atau lebih banyak lagi. "Ia sangat bergantung kepada biofilm," kata Robin Gerlach, seorang profesor di jabatan kimia dan biologi kejuruteraan di Montana State University-Bozeman. Sebagai contoh, mikroorganisma yang menghasilkan sejumlah besar EPS boleh berkembang menjadi biofilm yang agak tebal walaupun mereka tidak mempunyai akses kepada banyak nutrien, katanya. Sebaliknya, bagi mikroorganisma yang bergantung kepada oksigen, jumlah yang ada dapat membataskan jumlah mereka yang boleh tumbuh. Satu lagi faktor alam sekitar ialah konsep "tekanan ricih." Jika anda mempunyai aliran yang sangat tinggi di biofilm, seperti di dalam sungai, biofilm biasanya agak nipis. Jika anda mempunyai biofilm dalam air yang perlahan, seperti dalam kolam, ia boleh menjadi sangat tebal, "jelas Gerlach.
Akhirnya, sel-sel dalam biofilm boleh meninggalkan lipatan dan membina diri pada permukaan baru. Sama ada rumpun sel membelah, atau sel-sel individu pecah dari biofilm dan mencari rumah baru. Proses terakhir ini dikenali sebagai "penyebaran pembenihan," menurut Pusat Kejuruteraan Biofilm.
Mengapa membentuk biofilm?
Bagi mikroorganisma, hidup sebagai sebahagian daripada biofilm datang dengan kelebihan tertentu. "Komuniti mikrob biasanya lebih berdaya tahan terhadap stres," kata Gerlach kepada Sains Live. Kekuatan tekanan termasuk kekurangan air, pH tinggi atau rendah, atau kehadiran bahan toksik kepada mikroorganisma seperti antibiotik, antimikrobial atau logam berat.
Terdapat banyak penjelasan yang mungkin untuk ketegaran biofilm. Misalnya, penutupan EPS berlendir boleh bertindak sebagai penghalang perlindungan. Ia boleh membantu mencegah dehidrasi atau bertindak sebagai perisai terhadap cahaya ultraviolet (UV). Selain itu, bahan berbahaya seperti antimikrobial, peluntur atau logam sama ada terikat atau dinetralkan apabila mereka bersentuhan dengan EPS. Oleh itu, mereka dicairkan dengan kepekatan yang tidak mematikan dengan baik sebelum mereka dapat menjangkau pelbagai sel dalam biofilm, menurut artikel 2004 di Nature Reviews Microbiology.
Walau bagaimanapun, ada kemungkinan antibiotik tertentu untuk menembusi EPS dan membuat jalan melalui lapisan biofilm. Di sini, satu lagi mekanisme perlindungan dapat dimainkan: kehadiran bakteria yang tidak aktif secara fisiologi. Untuk berfungsi dengan baik, semua antibiotik memerlukan beberapa tahap aktiviti selular. Oleh itu, jika bakteria secara fisiologi tidak aktif, tidak banyak antibiotik yang boleh mengganggu.
Satu lagi cara perlindungan terhadap antibiotik adalah kehadiran sel-sel bakteria khas yang dikenali sebagai "persisters." Bakteria tersebut tidak membahagikan dan tahan banyak antibiotik. Menurut artikel 2010 yang diterbitkan dalam jurnal Cold Spring Harbor Perspectives dalam Biologi, fungsi "persia" dengan menghasilkan bahan yang menyekat sasaran antibiotik.
Secara umum, mikroorganisma hidup bersama sebagai manfaat biofilm dari kehadiran pelbagai ahli komuniti mereka. Gerlach memetik contoh mikroorganisma autotrophik dan heterotropik yang hidup bersama dalam biofilm. Autotrophs, seperti bakteria fotosintesis atau alga, dapat menghasilkan makanan mereka sendiri dalam bentuk bahan organik (karbon yang mengandungi), sementara heterotrof tidak dapat menghasilkan makanan mereka sendiri dan memerlukan sumber karbon di luar. "Dalam komuniti multi-organisma, mereka sering menyeberang makanan," katanya.
Biofilms dan kami
Memandangkan pelbagai persekitaran di mana kita menghadapi biofilm, tidak menghairankan bahawa ia mempengaruhi banyak aspek kehidupan manusia. Berikut adalah beberapa contoh.
Kesihatan dan penyakit
Sebagai penyelidikan telah berkembang selama bertahun-tahun, biofilm - bakteria dan kulat - telah terlibat dalam pelbagai keadaan kesihatan. Dalam panggilan 2002 untuk permohonan geran, National Institutes of Health (NIH) menyatakan bahawa biofilm menyumbang "lebih daripada 80 peratus daripada jangkitan mikrob dalam badan."
Biofilms boleh tumbuh pada peranti perubatan yang diimplan seperti injap jantung prostetik, prostetik bersama, kateter dan alat pacu jantung. Ini seterusnya membawa kepada jangkitan. Fenomena ini mula-mula diperhatikan pada 1980-an apabila biofilm bakteria ditemui pada kateter intravena dan alat pacu jantung. Biofilm bakteria juga diketahui menyebabkan endokarditis infeksi dan radang paru-paru pada mereka yang mempunyai fibrosis sista, menurut artikel 2004 di Nature Reviews Microbiology, di antara jangkitan lain.
"Sebab pembentukan biofilm adalah satu punca yang membimbangkan adalah, dalam biofilm, bakteria lebih tahan terhadap antibiotik dan kuman utama lain yang boleh digunakan untuk mengawalnya," kata AC Matin, profesor mikrobiologi dan imunologi di Stanford Universiti. Sebenarnya, jika dibandingkan dengan bakteria terapung bebas, mereka yang tumbuh sebagai biofilm boleh sehingga 1,500 kali lebih tahan terhadap antibiotik dan agen biologi dan kimia lain, menurut artikel dalam Mikroba. Matin menyifatkan ketahanan biofilm digabungkan dengan peningkatan umum dalam rintangan antibiotik di kalangan bakteria sebagai "whammy berganda" dan satu cabaran utama untuk merawat jangkitan.
Biofilm kulat juga boleh menyebabkan jangkitan dengan tumbuh pada peranti yang diimplan. Spesies ragi seperti anggota genus Candida tumbuh pada implan payudara, alat pacu jantung dan injap jantung prostetik mengikut artikel yang diterbitkan dalam jurnal Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. Candida spesis juga tumbuh pada tisu badan manusia, yang membawa kepada penyakit seperti vaginitis (keradangan vagina) dan candidiasis oropharyngeal (jangkitan yis yang berkembang di dalam mulut atau tekak). Walau bagaimanapun, penulis mendapati bahawa rintangan dadah tidak ditunjukkan dalam keadaan ini.
Bioremediation
Kadangkala, biofilem berguna. "Bioremediation, pada umumnya, adalah penggunaan organisma hidup, atau produk mereka - sebagai contoh, enzim - untuk merawat atau menurunkan sebatian berbahaya," kata Gerlach. Beliau menyatakan bahawa biofilm digunakan dalam merawat air kumbahan, bahan logam berat seperti kromat, bahan letupan seperti TNT dan bahan radioaktif seperti uranium. "Mikroba boleh merosakkan mereka, atau menukar mobiliti mereka atau keadaan toksik mereka dan oleh itu membuat mereka kurang berbahaya kepada alam sekitar dan manusia," katanya.
Nitrifikasi menggunakan biofilm adalah satu bentuk rawatan air sisa. Semasa penguraian, ammonia ditukar kepada nitrit dan nitrat melalui pengoksidaan. Ini boleh dilakukan oleh bakteria autotrophik, yang tumbuh sebagai biofilm pada permukaan plastik, menurut artikel 2013 yang diterbitkan dalam jurnal Water Research. Permukaan plastik ini hanya beberapa sentimeter saiz dan diedarkan semua melalui air.
TNT letupan (2,4,6-Trinitrotoluene) dianggap sebagai tanah, air permukaan dan pencemar air bawah tanah. Struktur kimia TNT terdiri daripada benzena (cincin aromatik heksagon yang terbuat dari enam atom karbon) yang dilampirkan kepada tiga kumpulan nitro (NO2) dan satu kumpulan metil (CH3). Mikroorganisma merosakkan TNT oleh pengurangan, menurut artikel 2007 yang diterbitkan dalam jurnal Mikrobiologi Gunaan dan Alam Sekitar. Kebanyakan mikroorganisma mengurangkan tiga kumpulan nitro, manakala sesetengah menyerang cincin aromatik. Penyelidik - Ayrat Ziganshin, Robin Gerlach dan rakan sekerja - mendapati bahawa ketegangan ragi Yarrowia lipolytica mampu menurunkan TNT dengan kedua-dua kaedah, walaupun terutamanya dengan menyerang cincin aromatik.
Sel bahan bakar mikrob
Sel-sel bahan bakar mikrob menggunakan bakteria untuk menukar sisa organik menjadi elektrik. Mikrob hidup di permukaan elektrod dan memindahkan elektron ke atasnya, akhirnya menghasilkan arus, kata Gerlach. Artikel 2011 yang diterbitkan di Illumin, sebuah majalah dalam talian di University of Southern California, menyatakan bahawa bakteria yang menjana sel bahan bakar mikrob memecah makanan dan limbah tubuh. Ini menyediakan sumber tenaga murah dan tenaga lestari yang bersih.
Penyelidikan berterusan
Dunia kita semakin kaya dengan biofilm. Malah, pada pertengahan abad ke-20, lebih banyak bakteria ditemui di permukaan dalam bekas yang memegang budaya bakterinya, daripada terapung secara bebas dalam budaya cair itu sendiri, menurut artikel 2004 di Nature Reviews Microbiology. Memahami struktur mikrob kompleks ini adalah kawasan penyelidikan yang aktif.
"Biofilm adalah komuniti yang luar biasa. Sesetengah orang telah membandingkannya dengan organisma multiselular kerana terdapat banyak interaksi antara sel tunggal," kata Gerlach. "Kami terus belajar mengenainya, dan kami terus belajar tentang bagaimana untuk mengawalnya dengan lebih baik, baik untuk merosakkan, seperti dalam bidang perubatan, atau manfaat yang lebih baik seperti dalam bioremediasi. Kami tidak akan kehabisan soalan menarik di kawasan itu. "
