Bioplēves ir viena vai vairāku veidu mikroorganismu kopums, kas var augt uz daudzām dažādām virsmām. Mikroorganismi, kas veido bioplēves, ietver baktērijas, sēnītes un protistus.
Viens izplatīts piemērs bioplēves zobu aplikumam, resnajam baktēriju uzkrājumam, kas veidojas uz zobu virsmām. Dīķa putas ir vēl viens piemērs. Ir konstatēts, ka bioplēves aug uz minerāliem un metāliem. Tie ir atrasti zemūdens, pazemes un virs zemes. Tie var augt uz augu audiem un dzīvnieku audiem, kā arī uz implantētām medicīnas ierīcēm, piemēram, katetriem un elektrokardiostimulatoriem.
Katrai no šīm atšķirīgajām virsmām ir kopīga īpašība: tās ir mitras. Saskaņā ar 2007. gada rakstu, kas publicēts žurnālā Microbe Magazine, šī vide tiek periodiski vai nepārtraukti pakļauta ūdenim. Bioplēves plaukst uz mitrām vai mitrām virsmām.
Bioplēves ir izveidojušās šādā vidē ļoti ilgu laiku. Saskaņā ar 2004. gada rakstu, kas publicēts žurnālā Nature Reviews Microbiology, fosilās liecības par bioplēvēm iegūtas apmēram pirms 3,25 miljardiem gadu. Piemēram, bioplēves ir atrastas 3,2 miljardus gadu vecos dziļūdens hidrotermiskajos iežos, kas atrodas Pilbara Craton Austrālijā. Līdzīgas bioplēves ir atrodamas hidrotermiskā vidē, piemēram, karstajos avotos un dziļūdens ventilācijas atverēs.
Bioplēves veidošana
Bioplēves veidošanās sākas, kad brīvi peldošie mikroorganismi, piemēram, baktērijas, nonāk saskarē ar atbilstošu virsmu un, tā sakot, sāk nolikt saknes. Saskaņā ar Montānas Valsts universitātes Biofilmu inženierijas centru šis pirmais piestiprināšanas solis notiek, kad mikroorganismi ražo gooey vielu, kas pazīstama kā ārpusšūnu polimēru viela (EPS). EPS ir cukuru, olbaltumvielu un nukleīnskābju (piemēram, DNS) tīkls. Tas ļauj bioplēvē esošajiem mikroorganismiem salīmēties.
Piestiprināšanai seko izaugsmes periods. Nākamie mikroorganismu un EPS slāņi balstās uz pirmajiem slāņiem. Galu galā viņi izveido sīpolu un sarežģītu 3D struktūru, saskaņā ar Biofilmu inženierijas centru. Ūdens kanāli šķērso bioplēves un ļauj apmainīties ar barības vielām un atkritumu produktiem, teikts rakstā Microbe.
Vairāki vides apstākļi palīdz noteikt bioplēves augšanas pakāpi. Šie faktori arī nosaka, vai tas ir izgatavots tikai no dažiem šūnu slāņiem vai ievērojami vairāk. "Tas tiešām ir atkarīgs no bioplēves," sacīja Robins Gerlahs, Montānas Valsts universitātes Bozemanas ķīmiskās un bioloģiskās inženierijas katedras profesors. Piemēram, viņš sacīja, ka mikroorganismi, kas ražo lielu daudzumu EPS, var kļūt par diezgan biezām bioplēvēm, pat ja viņiem nav pieejams daudz barības vielu. No otras puses, mikroorganismiem, kas ir atkarīgi no skābekļa, pieejamais daudzums var ierobežot to augšanas daudzumu. Vēl viens vides faktors ir jēdziens "bīdes spriegums". "Ja jums ir ļoti liela plūsma pāri bioplēvei, piemēram, līcī, bioplēve parasti ir diezgan plāna. Ja jums ir bioplēve lēni plūstošā ūdenī, piemēram, dīķī, tā var kļūt ļoti bieza," skaidroja Gerlahs.
Visbeidzot, šūnas bioplēvē var atstāt kroku un nostiprināties uz jaunas virsmas. Vai nu šūnu sabrūk, vai arī atsevišķas šūnas izplīst no bioplēves un meklē jaunas mājas. Saskaņā ar Biofilmu inženierijas centra datiem šis pēdējais process ir pazīstams kā “sēšanas izkliedēšana”.
Kāpēc veidot bioplēvi?
Mikroorganismiem dzīvei kā bioplēves daļai ir noteiktas priekšrocības. "Mikrobu kopienas parasti ir izturīgākas pret stresu," Gerlach stāstīja Live Science. Potenciālie stresori ir ūdens trūkums, augsts vai zems pH līmenis vai mikroorganismiem toksisku vielu klātbūtne, piemēram, antibiotikas, antibakteriālie līdzekļi vai smagie metāli.
Bioplēvju cietībai ir daudz dažādu iespējamo skaidrojumu. Piemēram, gļotains EPS apvalks var darboties kā aizsargbarjera. Tas var palīdzēt novērst dehidratāciju vai darboties kā vairogs pret ultravioleto (UV) gaismu. Arī tādas kaitīgas vielas kā antimikrobiālie līdzekļi, balinātāji vai metāli ir sasaistīti vai neitralizēti, nonākot saskarē ar EPS. Tādējādi tie tiek atšķaidīti līdz koncentrācijām, kas nav nāvējošas, pirms tās var sasniegt dažādas šūnas dziļi bioplēvē, liecina 2004. gada raksts Nature Reviews Microbiology.
Tomēr dažām antibiotikām ir iespējams iekļūt EPS un iziet cauri bioplēves slāņiem. Šeit var darboties vēl viens aizsargmehānisms: baktēriju klātbūtne, kuras ir fizioloģiski pasīvās. Lai labi darbotos, visām antibiotikām nepieciešams noteikts šūnu aktivitātes līmenis. Tātad, ja baktērijas fizioloģiski sāk pasliktināties, antibiotiku daudz nav, lai tās sagrautu.
Vēl viens aizsardzības veids pret antibiotikām ir īpašu baktēriju šūnu klātbūtne, kas pazīstamas kā "saglabājas". Šādas baktērijas nesadalās un ir izturīgas pret daudzām antibiotikām. Saskaņā ar 2010. gada rakstu, kas publicēts žurnālā Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, "saglabājas" funkcija, ražojot vielas, kas bloķē antibiotiku mērķus.
Kopumā mikroorganismi, kas dzīvo kopā kā bioplēve, gūst labumu no to dažādo sabiedrības locekļu klātbūtnes. Gerlahs minēja autotrofisko un heterotrofisko mikroorganismu piemēru, kas bioplēvēs dzīvo kopā. Autotrofi, piemēram, fotosintētiskās baktērijas vai aļģes, paši var ražot pārtiku organiska (oglekli saturoša) materiāla veidā, savukārt heterotrofi nespēj ražot paši savu pārtiku un prasa ārējus oglekļa avotus. "Šajās daudzorganizētajās kopienās viņi bieži šķērso barību," viņš teica.
Bioplēves un mēs
Ņemot vērā plašo vides klāstu, kurā mēs sastopamies ar bioplēvēm, nav pārsteigums, ka tās ietekmē daudzus cilvēka dzīves aspektus. Zemāk ir daži piemēri.
Veselība un slimības
Tā kā pētījumi gadu gaitā ir progresējuši, bioplēves - baktēriju un sēnīšu - ir saistītas ar dažādiem veselības stāvokļiem. 2002. gada uzaicinājumā uz dotāciju pieteikumiem Nacionālie veselības institūti (NIH) atzīmēja, ka bioplēves veido "vairāk nekā 80 procentus no mikrobu infekcijām organismā".
Bioplēves var augt uz implantētām medicīnas ierīcēm, piemēram, sirds vārstuļiem, protezēšanas locītavām, katetriem un elektrokardiostimulatoriem. Tas, savukārt, noved pie infekcijām. Pirmo reizi šī parādība tika atzīmēta 80. gados, kad baktēriju bioplēves tika atrastas intravenozos katetros un elektrokardiostimulatoros. Saskaņā ar 2004. gada rakstu Nature Reviews Microbiology 2004. gada rakstā, cita starpā, ir zināms, ka baktēriju bioplēves arī izraisa infekciozu endokardītu un pneimoniju tiem, kam ir cistiskā fibroze.
"Iemesls, ka bioplēves veidošanās rada lielas bažas, ir tas, ka bioplēvē baktērijas ir izturīgākas pret antibiotikām un citiem galvenajiem dezinfekcijas līdzekļiem, kurus jūs varētu izmantot, lai tos kontrolētu," sacīja Stenfordas mikrobioloģijas un imunoloģijas profesors AC Matins. Universitāte. Faktiski, salīdzinot ar brīvi peldošām baktērijām, baktērijas, kas aug kā bioplēve, var būt līdz pat 1500 reižu izturīgākas pret antibiotikām un citiem bioloģiskiem un ķīmiskiem līdzekļiem, teikts rakstā Microbe. Matīns aprakstīja bioplēves rezistenci apvienojumā ar vispārējo baktēriju rezistences palielināšanos baktēriju starpā kā “dubultuzbrukumu” un galveno izaicinājumu infekciju ārstēšanā.
Sēnīšu bioplēves var izraisīt infekcijas arī augot uz implantētām ierīcēm. Rauga sugas, piemēram, ģints pārstāvji Candida aug uz krūšu implantiem, elektrokardiostimulatoriem un protezējošiem sirds vārstiem saskaņā ar 2014. gada rakstu, kas publicēts žurnālā Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. Candida sugas aug arī uz cilvēka ķermeņa audiem, izraisot tādas slimības kā vaginīts (maksts iekaisums) un mutes dobuma vai rīkles kandidoze (rauga infekcija, kas attīstās mutē vai kaklā). Tomēr autori atzīmē, ka šajos gadījumos nav pierādīta zāļu rezistence.
Biorehabilitācija
Dažreiz bioplēves ir noderīgas. "Biorehabilitācija parasti ir dzīvo organismu vai to produktu - piemēram, fermentu - izmantošana kaitīgu savienojumu apstrādei vai sadalīšanai," sacīja Gerlahs. Viņš atzīmēja, ka bioplēves tiek izmantotas notekūdeņu, smago metālu piesārņotāju, piemēram, hromāta, sprāgstvielu, piemēram, TNT, un radioaktīvo vielu, piemēram, urāna, attīrīšanā. "Mikrobi var vai nu tos noārdīt, vai mainīt to mobilitāti vai toksisko stāvokli, un tāpēc tie var būt mazāk kaitīgi videi un cilvēkiem," viņš sacīja.
Nitrifikācija, izmantojot bioplēves, ir viens no notekūdeņu attīrīšanas veidiem. Nitrifikācijas laikā amonjaks oksidēšanās laikā tiek pārveidots par nitrītiem un nitrātiem. To var izdarīt autotrofiskas baktērijas, kas aug kā bioplēves uz plastmasas virsmām, teikts 2013. gada rakstā, kas publicēts žurnālā Water Research. Šīs plastmasas virsmas ir tikai dažu centimetru izmērā un tiek izdalītas pa visu ūdeni.
Sprādzienbīstamais TNT (2,4,6-Trinitrotoluene) tiek uzskatīts par augsnes, virszemes un gruntsūdeņu piesārņotāju. TNT ķīmiskā struktūra sastāv no benzola (sešstūra aromātiska gredzena, kas izgatavots no sešiem oglekļa atomiem), kas piestiprināts trim nitro grupām (NO2) un viena metilgrupa (CH3). Saskaņā ar 2007. gada rakstu, kas publicēts žurnālā Applied and Environmental Microbiology, mikroorganismi samazina TNT, samazinot to daudzumu. Lielākā daļa mikroorganismu samazina trīs nitro grupas, bet daži uzbrūk aromātiskajam gredzenam. Pētnieki - Ayrat Ziganshin, Robin Gerlach un kolēģi - atklāja, ka rauga celms Yarrowia lipolytica spēja noārdīt TNT ar abām metodēm, lai arī galvenokārt, uzbrūkot aromātiskajam gredzenam.
Mikrobu kurināmā elementi
Mikrobu kurināmā elementi izmanto baktērijas, lai organiskos atkritumus pārvērstu elektrībā. Mikrobi dzīvo uz elektrodu virsmas un pārnes elektronus uz tā, galu galā radot strāvu, sacīja Gerlahs. 2011. gada raksts, kas publicēts Dienvidkalifornijas universitātes tiešsaistes žurnālā Illumin, norāda, ka baktērijas, kas baro mikrobu kurināmā elementus, sadala pārtiku un ķermeņa atkritumus. Tas nodrošina lētu enerģijas avotu un tīru, ilgtspējīgu enerģiju.
Notiekošie pētījumi
Mūsu pasaule ir pilna ar bioplēvēm. Faktiski līdz 20. gadsimta vidum konteineru, kas satur baktēriju kultūras, iekšējās virsmās tika atrasts vairāk baktēriju, nekā brīvi peldot pašā šķidruma kultūrā, liecina 2004. gada raksts žurnālā Nature Reviews Microbiology. Izpratne par šīm sarežģītajām mikrobu struktūrām ir aktīva pētniecības joma.
"Bioplēves ir pārsteidzošas kopienas. Daži cilvēki ir salīdzinājuši tos ar daudzšūnu organismiem, jo starp atsevišķām šūnām ir daudz mijiedarbības," sacīja Gerlahs. "Mēs turpinām uzzināt par viņiem, un mēs turpinām uzzināt par to, kā labāk tos kontrolēt; gan tāpēc, lai samazinātu kaitējumu, piemēram, medicīnas jomā, vai palielinātu labumu, piemēram, bioremediācijā. Mums nebūs beigušies interesanti jautājumi šajā jomā. "
