Analiza zjawiska biofilmu - warunki jego powstawania i funkcjonowania

Kołwzan, B.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Analiza zjawiska biofilmu - warunki jego powstawania i funkcjonowania

Autorzy

Kołwzan B.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Analysis of biofilms - their formation and functioning

Języki publikacji

Abstrakty

Adhezja komórek bakteryjnych do różnego typu powierzchni możliwa jest dzięki wytwarzanym przez mikroorganizmy polimerom zewnątrzkomórkowym oraz takim strukturom, jak fimbrie i rzęski. Dojrzała postać biofilmu składa się z wielu mikrokolonii, a komórki mikroorganizmów połączone są ze sobą zewnątrzkomórkową substancją polimeryczną (EPS). W skład EPS wchodzą polisacharydy, białka, kwasy nukleinowe, surfaktanty, lipidy oraz woda. Komórki wewnątrz biofilmu charakteryzują się specjalizacją do pełnienia różnych funkcji i wykazują cechy odmienne niż komórki żyjące w postaci wolnej. Konstrukcja i organizacja tych skupisk chroni mikroorganizmy przed niekorzystnym wpływem czynników zewnętrznych. Prawidłowe funkcjonowanie wytworzonego biofilmu zapewnia sygnalizacja międzykomórkowa (quorum sensing), oparta na cząsteczkach sygnałowych, które swobodnie dyfundują z jednej komórki do drugiej. Biofilm występuje powszechnie i bierze aktywny udział w wielu ważnych procesach mikrobiologicznych zachodzących w przyrodzie. Powoduje też poważne straty w gospodarce oraz ułatwia rozprzestrzenianie się trudnych do leczenia zakażeń medycznych. Zasiedlanie sieci wodociągowej przez biofilm stanowi zagrożenie sanitarne konsumentów wody. Poznanie struktury, mechanizmu powstawania oraz funkcjonowania biofilmu jest niezbędne do poprawy skuteczności prowadzonych przy jego udziale procesów technologicznych, a także do opracowania nowych, skutecznych metod jego zwalczania.

Adhesion of bacterial cells to a diversity of surfaces is attributable primarily to the extracellular polymers produced by some microorganisms, and, additionaly, to such structures as fimbria and cilia. A mature biofilm is composed of many different microcolonies, where microbial cells are integrated with each other by an extracellular polymeric substance (EPS). An EPS consists of polysaccharides, proteins, nucleic acids, surfactants, lipids and water. The cells in the biofilm interior are highly specialized forms capable of fulfilling a variety of functions, and their properties differ noticeably from those of the free cells. The structure and organization of these specialized microbial clusters protect them against adverse external influences. Proper functioning of the biofilm is guaranteed by quorum sensing via signaling molecules that freely diffuse from one bacterium to another. Being active participants in various microbiological processes, biofilms have now become commonplace. They are largely to blame for heavy losses in a country's economy, and for the potential to spread infections that are difficult to treat. The colonization of a water-pipe network by a biofilm carries serious risk to public health. In conclusion, good knowledge of the biofilm structure, as well as the proper understanding of the mechanisms underlying the formation and functioning of a biofilm, is a requisite not only for upgrading the efficiency of a technological process conducted in the presence of a biofilm, but also for developing new and effective methods of biofilm degradation.

Słowa kluczowe

błona biologiczna mikroorganizmy zewnątrzkomórkowa substancja polimeryczna sygnalizacja międzykomórkowa

biofilm microorganisms extracellular polymeric substance quorum sensing

Wydawca

Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Oddział Dolnośląski

Czasopismo

Ochrona Środowiska

Rocznik

2011

Tom

Vol. 33, nr 4

Strony

3--14

Opis fizyczny

Bibliogr. 74 poz., il., rys., tab.

Twórcy

autor

Kołwzan B.

Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska, Zakład Biologii i Ekologii, Wybrzeże S. Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław, barbara.kolwzan@pwr.wroc.pl

Bibliografia

1. R.M. DONLAN: Biofilms: Microbial life on surfaces. Emerging Infectious Diseases 2002, Vol. 8, pp. 136–151.
2. J.W. COSTERTON, Z. LEWANDOWSKI, D. DeBEER, D.E. CALDWELL, D.R. KORBER, G. JAMES: Biofilms, the customized microniche. Journal of Bacteriology 1994, Vol. 176, pp. 2137–2142.
3. J.W. COSTERTON, Z. LEWANDOWSKI, D.E. CALD-WELL, D.R. KORBER, H.M. LAPPIN-SCOTT: Microbial biofilms. Annual Review of Microbiology 1995, Vol. 49, pp. 711–745.
4. J. CHANDRA, G. ZHOU, M.A. CHANNOUM: Fungal biofilms and actimycotics. Current Drug Targets 2005, No. 8, pp. 887–894.
5. C.R. CURRIE: A community of ants, fungi, and bacteria: A multilateral approach to studying symbiosis. Annual Review of Microbiology 2001, Vol. 55, pp. 357–380.
6. R.D. MONDS, G.A. O´TOOL: The developmental model of microbial biofilms: Ten years of a paradigm up for review. Trends in Microbiology 2009, Vol. 17, No. 2, pp. 73–87.
7. A. FUROWICZ, A. BOROŃ-KACZMARSKA, M. FERLAS, D. CZERNOMYSY-FUROWICZ, A. POBUCEWICZ: Biofilm bakteryjny oraz inne elementy i mechanizmy pozwalające na przeżycie drobnoustrojom w warunkach ekstremalnych. Medycyna Weterynaryjna 2010, vol. 66, nr 7, ss. 444–448.
8. G. BITTON: Wastewater Microbiology. John Wiley & Sons Inc. 2005.
9. B. KOŁWZAN: Ocena przydatności inokulantów do bioremediacji gleby zanieczyszczonej produktami naftowymi. Ochrona Środowiska 2008, vol. 30, nr 4, ss. 3–14.
10. W. ADAMIAK: Możliwości zastosowania mikroorganizmów adaptowanych in vitro do rozkładu wybranych gazowych zanieczyszczeń powietrza. Rozprawa doktorska. Politechnika Wrocławska, Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska, Wrocław 2005 (praca niepublikowana).
11. Z. LEWANDOWSKI, J.P. BOLTZ: Biofilms in water and wastewater treatment. Treatise on Water Science 2011, Vol. 4, pp. 529–570.
12. B. KOŁWZAN, W. ADAMIAK, K. GRABAS, A. PAWEŁCZYK: Podstawy mikrobiologii w ochronie środowiska. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław2005.
13. R. SINGH, D. PAUL, R.K. JAIN: Biofilms: Implications in bioremediation. Trends in Microbiology 2006, Vol. 14, No. 9, pp. 389–397.
14. J.W. COSTERTON, P.S. STEWART, E.P. GREENBERG: Bacterial biofilms: Common cause of persistent infections. Science 1999, Vol. 284, pp. 1318–1320.
15. A. GRABIŃSKA-ŁONIEWSKA, E. SIŃSKI: Mikroorganizmy chorobotwórcze i potencjalnie chorobotwórcze w ekosystemach wodnych i sieciach wodociągowych. Wyd. Seidel-Przywecki, Warszawa 2010.
16. M.S. APARNA, S. YADAV: Biofilms: Microbes and disease. Brazilian Journal of Infectious Diseases 2008, Vol. 12, No. 6, pp. 526–530.
17. P.S. STEWERT, J.W. COSTERTON: Antibiotic resistance of bacteria in biofilms. Lancet 2001, Vol. 358, pp. 135–138.
18. J.W. COSTERON, L. MONTANARO, C.R. ACIOLA: Biofilm in implant infections: Its production and regulation. International Journal of Artificial Organs 2005, Vol. 28, No. 11, pp. 1062–1068.
19. X. SHI, X. ZHU: Biofilm formation and food safety in food industries. Trends in Food Science & Technology 2009, Vol. 20, No. 9, pp. 407–413
20. K. CZACZYK, K. WOJCIECHOWSKA: Tworzenie biofilmów bakteryjnych – istota zjawiska i mechanizmy oddziaływań. Biotechnologia 2003, nr 3, ss. 180–192.
21. K.C. MARSHALL: Adsorption and adhesion process in microbial growth at interfaces. Advances in Colloid Interface Science 1986, Vol. 25, No. 1, pp. 59–86.
22. K. CZACZYK: Czynniki warunkujące adhezję drobnoustrojów do powierzchni abiotycznych. Postępy Mikrobiologii 2004, vol. 43, nr 3, ss. 267–283.
23. H.M. RIJNAARTS, W. NORDE, E.J. BOUWER, J. LYKLEMA, J.B. ZEHNDER: Bacterial adhesion under static and dynamic conditions. Applied and Environmental Microbiology 1993, Vol. 59, pp. 3255–3265.
24. T.-T. Le THI, C. PRIGENT-COMBARET, C. DOREL, P. LEJEUNE: First stages of biofilm formation: Characterization and quantification of bacterial functions involved in colonization process. Methods in Enzymology 2001, Vol. 336, pp. 152–159.
25. S.L. PERCIVAL, S. MALIC, H. CRUZ, D.W. WILLIAMS: Introduction to biofilms. Biofilms and Veterinary Medicine 2011, Vol. 6, pp. 41–68.
26. H.-C. FLEMMING, J. WINGENDER: The biofilm matrix. Nature Reviews Microbiology 2010, Vol. 8, pp. 623–633.
27. K. CZACZYK, K. MYSZKA: Biosynthesis of extracellular polymeric substances (EPS) and its role in microbial biofilm formation. Polish Journal of Environmental Studies 2007, Vol. 16, No. 6, pp. 799–806.
28. H.P. GANDHI, R.M. RAY, R.M. PATEL: Exopolymer production by Bacillus species. Carbohydrate Polymers 1997, Vol. 34, pp. 323–327.
29. H.-C. FLEMMING, J. WINGENDER: Relevance of microbial extracellular polymeric substances (EPSs) – Part I: Structural and ecological aspects. Water Science and Technology 2001, Vol. 43, pp. 1–8.
30. H.-C. FLEMMING, J. WINGENDER: Relevance of microbial extracellular polymeric substances (EPSs) – Part II: Technical aspects. Water Science and Technology 2001, Vol. 43, pp. 9–16.
31. P. VANDEVIVERE, L. KIRCHMAN: Attachment stimulates exopolysaccharide synthesis by a bacterium. Applied and Environmental Microbiology 1993, Vol. 59, pp. 3280–3286.
32. K. BARANOWSKA, A. RODZIEWICZ: Molekularne interakcje w biofilmach bakteryjnych. Kosmos 2008, vol. 57, nr 1–2, ss. 29–38.
33. D. LÓPEZ, H. VLAMAKIS, R. KOLTER: Biofilms. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 2010, 2, a000398.
34. J.D. BRYERS: Medical biofilms. Biotechnology and Bioengineering 2008, Vol. 100, pp. 1–18.
35. Y. LIU, J.-H. TAY: Detachment forces and their influence on the structure and metabolic behavior of biofilms. Journal of Microbiology and Biotechnology 2001, Vol. 17, pp. 111–117.
36. I. STRUŻYCKA: Biofilm – współczesne spojrzenie na etiologię próchnicy. Dental Forum 2010, Vol. XXXVIII, nr 1, ss. 73–79.
37. Ł. ŁAWNICZAK, K. CZACZYK, M. OWSIANIAK, Ł. CHRZANOWSKI: Rola ramnolipidów w środowisku naturalnym. Postępy Mikrobiologii 2011, vol. 50, nr 1, ss. 17–30.
38. A. JAIN, Y. GUPTA, R. AGRAWAL, D.K. JAIN, P. KHARE: Biofilms – a microbial life perspective: A critical review. Critical Reviews in Therapeutic Drug Carrier Systems 2007, Vol. 24, pp. 393–443.
39. P.E. KOLENBRANDER, R.N. ANDERSEN, D.S. BLEHERT, P.G. EGLAND, J.S. FOSTER, R.J. PALMER Jr.: Communication among oral bacteria. Microbiology and Molecular Biology Reviews 2002, Vol. 66, No. 3, pp. 486–505.
40. A. JAYARAMAN, T.K. WOOD: Bacterial quorum sensing: Signals, circuits, and implications for biofilms and disease. Annual Review of Biomedical Engineering 2008, Vol. 10, pp. 145–167.
41. R. DANIELS, J. VANDERLEYDEN, J. MICHIELS: Quorum sensing and swarming migration in bacteria. FEMS Microbiology Reviews 2004, Vol. 28, pp. 261–289.
42. T.R. de KIEVIT: Quorum sensing in Pseudomonas aeruginosa biofilms. Environmental Microbiology 2009, No. 2, pp. 279–88.
43. K. MYSZKA, K. CZACZYK: Mechanizm quorum sensing jako czynnik regulujący wirulencję bakterii Gram-ujemnych. Postępy Higieny i Medycyny Doświadczalnej (online) 2010, vol. 64, ss. 582–589.
44. T. DANHORN, C. FUQUA: Biofilm formation by plant-associated bacteria. Annual Reviews of Microbiology 2007, Vol. 61, pp. 401–422.
45. M.B. MILLER, B.L. BASSLER: Quorum sensing in bacteria. Annual Reviews of Microbiology 2001, Vol. 55, pp. 165–199.
46. D. STAŃKOWSKA, W. KACA: Systemy komunikacji międzykomórkowej bakterii Gram-ujemnych i ich znaczenie w ekspresji cech fenotypowych. Postępy Mikrobiologii 2005, vol. 44, nr 2, ss. 99–111.
47. I. STRUŻYCKA, I. STĘPIEŃ: Biofilm – nowy sposób rozumienia mikrobiologii. Borgis – Nowa Stomatologia 2009, nr 3, ss. 85–89.
48. M.E. TAGA, B.L. BASSLER: Chemical communication among bacteria. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2003, Vol. 100, suppl. 2, pp. 14549–14554.
49. A. CAMILLI, B.L. BASSLER: Bacterial small-molecule signaling pathways. Science 2006, Vol. 311, pp. 1113–1116.
50. J. KOŁODYŃSKI, S. JANKOWSKI: Systemy międzykomórkowej sygnalizacji u bakterii. Advances in Clinical and Experimental Medicine 2005, vol. 14, nr 2, ss. 343–348.
51. M.J. FEDERLE, B.L. BASSLER: Interspecies communication in bacteria. The Journal of Clinical Investigation 2003, Vol. 112, No. 9, pp. 1291–1299.
52. M. MNICHOWSKA-POLANOWSKA, M. KACZAŁA, S. GIEDRYŚ-KALEMBA: Charakterystyka biofilmu Candida. Mikologia Lekarska 2009, vol. 16, nr 3, ss. 159–164.
53. B. DOROCKA-BOBKOWSKA, K. KONOPKA: Powstawanie biofilmu Candida i jego znaczenie w patogenezie zakażeń przewlekłych – przegląd piśmiennictwa. Dental and Medical Problems 2003, vol. 40, nr 2, ss. 405–410.
54. B. DWORECKA-KASZAK: Czy grzyby plotkują? Signaling i quorum sensing – zjawiska warunkujące komunikację drobnoustrojów. Mikologia Lekarska 2008, vol. 15, nr 3, ss. 164–171.
55. R. CZAJKOWSKI, S. JAFRA: Enzymatyczna degradacja laktonów acylo-L-homoseryny i jej potencjalne wykorzystanie w biokontroli i hamowaniu rozwoju infekcji. Biotechnologia 2006, nr 2, ss. 49–64.
56. S.T. SUMMERFIELD: Ozonation and UV irradiation – an introduction and examples of current applications. Aquacultural Engineering 2003, Vol. 28, pp. 21–36.
57. K. CZACZYK, K. MYSZKA: Mechanizmy warunkujące oporność biofilmów bakteryjnych na czynniki antymikrobiologiczne. Biotechnologia 2007, vol. 76, nr 1, ss. 40–52.
58. M.J. SCHLESINGER, J. MILTON: Heat shock proteins. The Journal of Biological Chemistry 1990, Vol. 265, No. 21, pp. 2111–2114.
59. J.M. GHIGO: Natural conjugative plasmids induce bacterial film development. Nature 2001, Vol. 412, pp. 442–445.
60. A.P. ROBERTS, P. MULLANY, M. WILSON: Gene transfer in bacterial biofilms. Methods in Enzymology 2001, Vol. 336, pp. 60–65.
61. M. SIMOES, L.C. SIMOES, M.J. VIEIRA: A review of current and emergent biofilm control strategies. LWT-Food Science and Technology 2010, Vol. 43, pp. 573–583.
62. E.P. KRYSIŃSKI, L.J. BROWN, T.J. MARCHISELLO: Effect of cleaners and sanitizers on Listeria monocytogenes attached to product contact surfaces. Journal of Food Protection 1992, Vol. 55, pp. 246–251.
63. P. TENKE, B. KOVACS, M. JÄCKEL, E. NAGY: The role of biofilm infection in urology. World Journal of Urology 2006, Vol. 24, No. 1, pp. 13–20.
64. P. DĘBICKA, M. LIPSKI, J. BUCZKOWSKA-RADLIŃSKA, M. TRUSIEWICZ: Biofilm w kanałach korzeniowych w świetle piśmiennictwa. Roczniki Pomorskiej Akademii Medycznej w Szczecinie 2008, vol. 54, nr 1, ss. 152–156.
65. M. KATSIKOGIANNI, Y.F. MISSIRLIS: Concise review of mechanisms of bacterial adhesion to biomaterials and of techniques used in estimating bacteria-material interactions. European Cells and Materials 2004, Vol. 8, pp. 37–57.
66. A.L. CLUTTERBUCK, E.J. WOODS, D.C. KNOTTENBELT, P.D. CLEGG, C.A. CICHRANE, S.L. PERCIVAL: Biofilms and their relevance to veterinary. Veterinary Microbiology 2007, Vol. 12, No. 1–2, pp. 1–17.
67. B. CWALINA: Biodeterioration of concrete. Architecture Civil Engineering Environment 2008, Vol. 1, No. 4, pp. 133–140.
68. L.H.G. MORTON, S.B. SURMAN: Biofilms in biodeterioration – A review. International Biodeterioration & Biodegradation 1994, Vol. 34, No. 3–4, pp. 203–221.
69. A. HUQ, C.A. WHITEHOUSE, C.J. GRIM, M. ALAM, R.R. COLWELL: Biofilms in water, its role and impact in human disease transmission. Current Opinion in Biotechnology 2008, Vol. 19, No. 3, pp. 244–247.
70. S.R. PARK, W.G. MACKAY, D.C. REID: Helicobacter sp. recovered from drinking water biofilm sampled from a water distribution system. Water Research 2001, Vol. 35, No. 6, pp. 1624–1626.
71. M. ŁEBKOWSKA: Występowanie bakterii antybiotykoopornych w wodzie przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Ochrona Środowiska 2009, vol. 31, nr 2, ss. 11–15.
72. P.J. OLLOS, P.M. HUCK, R.M. SLAWSON: Factors affecting biofilm accumulation in model distribution systems. Journal American Water Works Association 2003, Vol. 95, No. 1, pp. 87–97.
73. A. KOTOWSKI: Analiza hydrauliczna zjawisk wywołujących zmniejszenie przepływności rurociągów. Ochrona Środowiska 2010, vol. 32, nr 1, ss. 27–32.
74. M. ŚWIDERSKA-BRÓŻ: Czynniki współdecydujące o potencjale powstawania i rozwoju biofilmu w systemach dystrybucji wody. Ochrona Środowiska 2010, vol. 32, nr 3, ss. 8–13.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-BPOB-0044-0001