Biofilme sind ein Kollektiv einer oder mehrerer Arten von Mikroorganismen, die auf vielen verschiedenen Oberflächen wachsen können. Zu den Mikroorganismen, die Biofilme bilden, gehören Bakterien, Pilze und Protisten.
Ein häufiges Beispiel für einen Biofilm-Zahnbelag, eine schleimige Ansammlung von Bakterien, die sich auf den Zahnoberflächen bilden. Teichschaum ist ein weiteres Beispiel. Es wurde festgestellt, dass Biofilme auf Mineralien und Metallen wachsen. Sie wurden unter Wasser, unter der Erde und über der Erde gefunden. Sie können auf pflanzlichen und tierischen Geweben sowie auf implantierten medizinischen Geräten wie Kathetern und Herzschrittmachern wachsen.
Jede dieser unterschiedlichen Oberflächen hat ein gemeinsames Merkmal: Sie sind nass. Diese Umgebungen werden laut einem 2007 im Microbe Magazine veröffentlichten Artikel "regelmäßig oder kontinuierlich mit Wasser durchsetzt". Biofilme gedeihen auf feuchten oder nassen Oberflächen.
Biofilme haben sich in solchen Umgebungen schon sehr lange etabliert. Laut einem Artikel aus dem Jahr 2004, der in der Zeitschrift Nature Reviews Microbiology veröffentlicht wurde, stammen fossile Beweise für Biofilme vor etwa 3,25 Milliarden Jahren. Beispielsweise wurden Biofilme in den 3,2 Milliarden Jahre alten hydrothermalen Tiefsee-Gesteinen des Pilbara-Kratons in Australien gefunden. Ähnliche Biofilme finden sich in hydrothermalen Umgebungen wie heißen Quellen und Tiefseequellen.
Biofilmbildung
Die Biofilmbildung beginnt, wenn frei schwebende Mikroorganismen wie Bakterien mit einer geeigneten Oberfläche in Kontakt kommen und sozusagen Wurzeln schlagen. Dieser erste Schritt der Bindung erfolgt, wenn die Mikroorganismen eine klebrige Substanz produzieren, die als extrazelluläre polymere Substanz (EPS) bekannt ist, so das Center for Biofilm Engineering der Montana State University. Ein EPS ist ein Netzwerk aus Zuckern, Proteinen und Nukleinsäuren (wie DNA). Dadurch können die Mikroorganismen in einem Biofilm zusammenkleben.
Auf die Bindung folgt eine Wachstumsphase. Weitere Schichten von Mikroorganismen und EPS bauen auf den ersten Schichten auf. Letztendlich erzeugen sie laut dem Center for Biofilm Engineering eine bauchige und komplexe 3D-Struktur. Wasserkanäle kreuzen Biofilme und ermöglichen den Austausch von Nährstoffen und Abfallprodukten, so der Artikel in Microbe.
Mehrere Umgebungsbedingungen bestimmen, inwieweit ein Biofilm wächst. Diese Faktoren bestimmen auch, ob es nur aus wenigen Schichten von Zellen oder signifikant mehr besteht. "Es kommt wirklich auf den Biofilm an", sagte Robin Gerlach, Professor in der Abteilung für chemische und biologische Technik an der Montana State University-Bozeman. Zum Beispiel können Mikroorganismen, die eine große Menge EPS produzieren, zu ziemlich dicken Biofilmen heranwachsen, selbst wenn sie keinen Zugang zu vielen Nährstoffen haben, sagte er. Andererseits kann bei Mikroorganismen, die von Sauerstoff abhängig sind, die verfügbare Menge das Wachstum begrenzen. Ein weiterer Umweltfaktor ist das Konzept der "Scherbeanspruchung". "Wenn Sie einen sehr hohen Fluss über einen Biofilm haben, wie in einem Bach, ist der Biofilm normalerweise ziemlich dünn. Wenn Sie einen Biofilm in langsam fließendem Wasser haben, wie in einem Teich, kann er sehr dick werden", erklärte Gerlach.
Schließlich können die Zellen in einem Biofilm die Falte verlassen und sich auf einer neuen Oberfläche ansiedeln. Entweder bricht ein Zellklumpen ab oder einzelne Zellen platzen aus dem Biofilm und suchen ein neues Zuhause. Dieser letztere Prozess ist laut dem Center for Biofilm Engineering als "Seeding Dispersion" bekannt.
Warum einen Biofilm bilden?
Für Mikroorganismen bringt das Leben als Teil eines Biofilms bestimmte Vorteile mit sich. "Gemeinschaften von Mikroben sind normalerweise widerstandsfähiger gegen Stress", sagte Gerlach gegenüber Live Science. Mögliche Stressfaktoren sind Wassermangel, hoher oder niedriger pH-Wert oder das Vorhandensein von Substanzen, die für Mikroorganismen toxisch sind, wie Antibiotika, antimikrobielle Mittel oder Schwermetalle.
Es gibt viele mögliche Erklärungen für die Winterhärte von Biofilmen. Beispielsweise kann die schleimige EPS-Abdeckung als Schutzbarriere wirken. Es kann helfen, Austrocknung zu verhindern oder als Schutz gegen ultraviolettes (UV) Licht zu wirken. Auch schädliche Substanzen wie antimikrobielle Mittel, Bleichmittel oder Metalle werden entweder gebunden oder neutralisiert, wenn sie mit dem EPS in Kontakt kommen. Daher werden sie auf Konzentrationen verdünnt, die nicht gut tödlich sind, bevor sie verschiedene Zellen tief im Biofilm erreichen können, wie aus einem Artikel von 2004 in Nature Reviews Microbiology hervorgeht.
Dennoch ist es möglich, dass bestimmte Antibiotika in das EPS eindringen und durch die Schichten eines Biofilms gelangen. Hier kann ein weiterer Schutzmechanismus ins Spiel kommen: das Vorhandensein von Bakterien, die physiologisch ruhend sind. Um gut zu wirken, erfordern alle Antibiotika ein gewisses Maß an Zellaktivität. Wenn Bakterien zunächst physiologisch ruhend sind, kann ein Antibiotikum nicht viel stören.
Eine andere Art des Schutzes gegen Antibiotika ist das Vorhandensein spezieller Bakterienzellen, die als "Persistenten" bekannt sind. Solche Bakterien teilen sich nicht und sind gegen viele Antibiotika resistent. Laut einem Artikel aus dem Jahr 2010, der in der Zeitschrift Cold Spring Harbor Perspectives in Biology veröffentlicht wurde, funktioniert "persisters", indem Substanzen produziert werden, die die Ziele der Antibiotika blockieren.
Im Allgemeinen profitieren Mikroorganismen, die als Biofilm zusammenleben, von der Anwesenheit ihrer verschiedenen Community-Mitglieder. Gerlach führte das Beispiel autotropher und heterotropher Mikroorganismen an, die in Biofilmen zusammenleben. Autotrophe wie photosynthetische Bakterien oder Algen können ihre eigenen Lebensmittel in Form von organischem (kohlenstoffhaltigem) Material produzieren, während Heterotrophe keine eigenen Lebensmittel produzieren können und externe Kohlenstoffquellen benötigen. "In diesen multiorganismalen Gemeinschaften kreuzen sie sich häufig gegenseitig", sagte er.
Biofilme und wir
Angesichts der Vielzahl von Umgebungen, in denen wir auf Biofilme stoßen, ist es nicht verwunderlich, dass sie viele Aspekte des menschlichen Lebens betreffen. Nachfolgend einige Beispiele.
Gesundheit und Krankheit
Im Laufe der Jahre wurden Biofilme - Bakterien und Pilze - in eine Vielzahl von Gesundheitszuständen verwickelt. In einer Aufforderung zur Einreichung von Zuschüssen aus dem Jahr 2002 stellten die National Institutes of Health (NIH) fest, dass Biofilme "über 80 Prozent der mikrobiellen Infektionen im Körper ausmachen".
Biofilme können auf implantierten medizinischen Geräten wie Herzklappenprothesen, Gelenkprothesen, Kathetern und Herzschrittmachern wachsen. Dies führt wiederum zu Infektionen. Das Phänomen wurde erstmals in den 1980er Jahren festgestellt, als auf intravenösen Kathetern und Herzschrittmachern bakterielle Biofilme gefunden wurden. Es ist auch bekannt, dass bakterielle Biofilme unter anderem bei Patienten mit Mukoviszidose infektiöse Endokarditis und Lungenentzündung verursachen. Dies geht aus dem Artikel von 2004 in Nature Reviews Microbiology hervor.
"Der Grund, warum die Bildung von Biofilmen Anlass zur Sorge gibt, ist, dass Bakterien innerhalb eines Biofilms resistenter gegen Antibiotika und andere wichtige Desinfektionsmittel sind, mit denen Sie sie kontrollieren können", sagte AC Matin, Professor für Mikrobiologie und Immunologie an der Stanford University Universität. Im Vergleich zu frei schwebenden Bakterien können solche, die als Biofilm wachsen, laut dem Artikel in Microbe bis zu 1.500-mal resistenter gegen Antibiotika und andere biologische und chemische Wirkstoffe sein. Matin beschrieb die Biofilmresistenz in Kombination mit der allgemeinen Zunahme der Antibiotikaresistenz bei Bakterien als "Doppelschlag" und als große Herausforderung bei der Behandlung von Infektionen.
Pilzbiofilme können auch Infektionen verursachen, indem sie auf implantierten Geräten wachsen. Hefearten wie die Mitglieder der Gattung Candida Laut einem Artikel aus dem Jahr 2014, der in der Zeitschrift Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine veröffentlicht wurde, wachsen Brustimplantate, Herzschrittmacher und Herzklappenprothesen. Candida Arten wachsen auch auf menschlichen Körpergeweben und führen zu Krankheiten wie Vaginitis (Entzündung der Vagina) und oropharyngealer Candidiasis (eine Hefeinfektion, die sich im Mund oder Rachen entwickelt). Die Autoren stellen jedoch fest, dass in diesen Fällen keine Arzneimittelresistenz gezeigt wurde.
Bioremediation
Manchmal sind Biofilme nützlich. "Bioremediation ist im Allgemeinen die Verwendung lebender Organismen oder ihrer Produkte - beispielsweise Enzyme - zur Behandlung oder zum Abbau schädlicher Verbindungen", sagte Gerlach. Er stellte fest, dass Biofilme zur Behandlung von Abwasser, Schwermetallkontaminanten wie Chromat, Sprengstoffen wie TNT und radioaktiven Substanzen wie Uran verwendet werden. "Mikroben können sie entweder abbauen oder ihre Mobilität oder ihren toxischen Zustand ändern und sie daher weniger schädlich für die Umwelt und den Menschen machen", sagte er.
Die Nitrifikation mit Biofilmen ist eine Form der Abwasserbehandlung. Während der Nitrifikation wird Ammoniak durch Oxidation in Nitrite und Nitrate umgewandelt. Dies kann durch autotrophe Bakterien geschehen, die als Biofilme auf Kunststoffoberflächen wachsen. Dies geht aus einem Artikel aus dem Jahr 2013 hervor, der in der Zeitschrift Water Research veröffentlicht wurde. Diese Kunststoffoberflächen sind nur wenige Zentimeter groß und im ganzen Wasser verteilt.
Das explosive TNT (2,4,6-Trinitrotoluol) gilt als Boden-, Oberflächenwasser- und Grundwasserschadstoff. Die chemische Struktur von TNT besteht aus Benzol (einem hexagonalen aromatischen Ring aus sechs Kohlenstoffatomen), der an drei Nitrogruppen (NO) gebunden ist2) und eine Methylgruppe (CH3). Mikroorganismen bauen TNT durch Reduktion ab, wie aus einem Artikel aus dem Jahr 2007 hervorgeht, der in der Zeitschrift Applied and Environmental Microbiology veröffentlicht wurde. Die meisten Mikroorganismen reduzieren die drei Nitrogruppen, während einige den aromatischen Ring angreifen. Die Forscher - Ayrat Ziganshin, Robin Gerlach und Kollegen - fanden heraus, dass der Hefestamm Yarrowia lipolytica konnte TNT mit beiden Methoden abbauen, allerdings hauptsächlich durch Angriff auf den aromatischen Ring.
Mikrobielle Brennstoffzellen
Mikrobielle Brennstoffzellen verwenden Bakterien, um organische Abfälle in Elektrizität umzuwandeln. Die Mikroben leben auf der Oberfläche einer Elektrode und übertragen Elektronen darauf, wodurch letztendlich ein Strom erzeugt wird, sagte Gerlach. In einem 2011 in Illumin, einem Online-Magazin der University of Southern California, veröffentlichten Artikel wird festgestellt, dass Bakterien, die mikrobielle Brennstoffzellen antreiben, Lebensmittel und Körperabfälle abbauen. Dies bietet eine kostengünstige Energiequelle und saubere, nachhaltige Energie.
Laufende Forschung
Unsere Welt ist voller Biofilme. Tatsächlich wurden Mitte des 20. Jahrhunderts auf den Innenflächen von Behältern mit Bakterienkulturen mehr Bakterien gefunden, als frei in der Flüssigkultur selbst schwebten, wie aus dem Artikel von 2004 in Nature Reviews Microbiology hervorgeht. Das Verständnis dieser komplexen mikrobiellen Strukturen ist ein aktives Forschungsgebiet.
"Biofilme sind erstaunliche Gemeinschaften. Einige Leute haben sie mit mehrzelligen Organismen verglichen, weil es eine große Wechselwirkung zwischen einzelnen Zellen gibt", sagte Gerlach. "Wir lernen weiter über sie und wir lernen weiter, wie wir sie besser kontrollieren können - sowohl für geringere Nachteile wie auf dem Gebiet der Medizin als auch für mehr Nutzen wie bei der Bioremediation. Wir werden nicht davon ausgehen." interessante Fragen in diesem Bereich. "
