 |
Увеличение резистентности бактерий в биопленках
|
|
|
|
Бактериальные маты
Особые прокариотические биоценозы, состоящие, как правило, из некультивируемых микроорганизмов
Ø Самые древние экосистемы на Земле, появились более 3.5 млрд лет назад
Ø Имеют многослойную структуру
Ø Первоначально зависели от гидротермальных источников, с появлением фотосинтеза распространились по всей Земле
Ø Формируют строматолиты
Ø В настоящее время распространены в экстремальных местообитаниях
Строматолиты – ископаемые остатки бактериальных матов, имеющие характерную слоистую структуру
Современные строматолиты возникают в гиперсоленых озерах и морских лагунах, немногие развиваются на рифах
Ø Первые «живые» строматолиты были обнаружены в заливе Шарк-Бэй в 1956 г.
Ø Возраст их около 1000 лет
Ø В 2010 году в строматолитах обнаружили новый тип хлорофилла – хлорофилл F
Warrawoona Group, Западная Австралия. Обнаружены самые древние отложения строматолитов, их возраст оценивается в 3.465 млрд лет
Современные страматолиты в заливе Шарк-Бэй в Западной Австралии.
Биохимия взаимодействий внутри бактериального мата
Внешний слой (1-3 мм) заселен цианобактериями (иногда встречается диатомовые водоросли)
Средний слой представлен факультативными аэробными микроорганизмами (например, фиолетовый или розовый слой пурпурных серных бактерий) – 2-5мм
Внутренний слой представлен анаэробными сульфатредуцирующими бактериями зелеными серными бактериями, метилотрофами
Биопленки
Совокупность микроорганизмов, в которой клетки встроены в собственный внеклеточный полимерный матрикс ( EPS) и благодаря которому прикрепляются к друг другу или к поверхности
«+»
|
|
|
• Биологическая отчистка питьевой и сточных вод
«-»
• Обуславливает патогенез микроорганизмов
• Коррозия и биоповреждение синтетических полимеров, древесины, минеральных материалов
• Порча произведений искусств
95-99% микроорганизмов существуют в форме биопленок
Порча произведений искусств
80-летняя пенсионерка Сесилия Хименес отреставрировала фреску «Ecce Homo»
Блогеры уже успели дать работе Хименес новое название - "Ecce Mono", что они перевели как «Се обезьянка»
«Пушистый Иисус» совместная живописная работа испанского художника Элиаса Гарсиа Мартинеса (1858—1934) и 80-летней прихожанки Сесилии Хименес, находящаяся в храме Милосердия в городе Борха, провинция Сарагоса, Испания
Пределы существования
| Температура | От -12°С (холодная соленая вода) до +125°С (гидротермальные венты) |
| Значение pH | От 0 (окислители серы) до 13 и более (бактерии в содовых озерах) |
| Гидростатическое давление | От < 0,1 бар (вакуумные системы) до 1000 бар (барофильные бактерии на дне океана) |
| Концентрация солей | От 0 (ультрачистые водные системы) до насыщенных солевых растворах (гипергалофильные бактерии в вечной мерзлоте) |
| Радиация | Deinococcus radiodurans выдерживает 10000 Гр (для человека летальная доза 2 Гр) |
| Поверхности материалов | Металлы (включая серебро и медь), органические полимеры, растительные и животные ткани и др |
Экстрацеллюлярный матрикс (EPS)
Состоит из:
Ø Полисахаридов (альгиновая кислота)
Ø Протеинов (гидролитические ферменты)
Ø Липидов
Ø Экстрацеллюлярной ДНК (eDNA) и др.
Состав матрикса меняется в зависимости от видоспецифичности, внешних условий, стадии развития
Создает внешнюю пищеварительную систему биопленки
Компоненты матрикса связаны между собой: водородными, электростатическими, ионными, Ван-дер-Ваальсовыми связями, а также запутываем длинных молекул матрикса
Функции EPS
|
|
|
1. Адгезия
§ начальная стадия колонизации абиотической и биологической поверхности планктонными клетками, а также длительное прилипание всей биопленки к поверхности (участвуют полисахариды, протеины и амфифильные молекулы)
2. Агрегация бактериальных клеток
- распознавание клеток, создание высокой плотности клеток (полисахариды, протеины, ДНК)
3. Когезия биопленок
- соединение микроколоний, формирование многослойности, создание механической стабильности биопленки (полисахариды, протеины, ДНК)
4. Удержание воды
- Создание гидратированной оболочки, формирование устойчивости к высыханию (гидрофильные полисахариды и протеины)
5. Защитный барьер
- Защита от хищников, вирусов, конкурентов и биоцидов, а также защита нитрогеназы цианобактерий от инактивации кислородом (полисахариды, протеины)
6. Поглощение неорганических ионов и органических веществ
- поглощение питательных веществ, детоксикация ксенобиотиков и тяжелых металлов
7. Создание внешней пищеварительной системы ферментов (протеины)
8. Горизонтальный перенос генов и т.д.
Вращающиеся биологические контакторы (RBC)
Способ вторичной обработки сточных вод
q Биопленки формируются на поверхности дисков контактора
q Состав EPS биопленок сильно изменяется от первых контакторов (большое количество экстрацеллюлярных ферментов)к последним (большое количество полисахаридов и гуминовых веществ)
Стадии формирования биопленки
- Подготовка субстрата для прикрепления (абсорбция на поверхности биомолекул)
- Адгезия планктонных бактерий на субстрат (сопровождается потерей жгутиков и секреция клетками EPS)
- Созревание I (развитие микроколонии)
- Созревание II (развитие многослойной и мильтивидовой микроэкосистемы) – устойчивая биопленка
- Отделение (изменение состава матрикса и снижение его механической стабильности, запрограммированная смерть части колонии)
- Реколонизация (заселение новых поверхностей)
Большая часть стадий регулируется сигнальными молекулами
Стабильность матрикса
Ø В стоячей воде биопленки формируют эластичные тела из матрикса
Ø При воздействии внешних сил на биопленку, она превращается сильновязкую жидкость
Ø Уплотнение происходит в результате изменения генной экспрессии и увеличения содержания полисахаридов
|
|
|
Река Каньо-Кристалес, Колумбия «Река пяти цветов», цвет обусловлен цветением растений сем. Podostemaceae
Взаимодействия внутри биопленки
Взаимодействия между бактериями осуществляется посредством изменения концентраций сигнальных молекул, которые изменяют генную экспрессию, этот феномен называется кворум сенсинг
Межклеточная коммуникация в биопленках грам-отрицательных бактерий осуществляется посредством автоиндукторов ацил-гомосерин лактонов (AHL), который является частью коммуникативной сети.
AHLs изменяют продукцию экзоферментов и экзотоксинов, влияет на отделение компонентов биопленки
Циклический дигуанозин монофосфат – вторичный мессенджер, стимулирующий биосинтез адгезинов, компонентов EPS и регулирует переход от планктонных бактерий к сидячим формам.
Увеличение резистентности бактерий в биопленках
Резистентность – способность микроорганизмов расти в присутствии высоких уровней антимикробных агентов или выживать после обработки биоцидами.
Ø Внутренняя (врожденная) резистентность – физиологическая адаптация, которая специфична для определенного вида микроорганизма
Ø Приобретённая резистентность – полученная в результате мутации с последующей селекцией резистентных мутантов или в результате поглощения плазмид или транспозонов, обуславливающих резистентность к биоциду.
Биопленки в системе водоснабжения могут стать убежищем патогенных микроорганизмов
Благодаря горизонтальному переносу генов калиформные бактерии могут приобрести гены патогенности
|
|
|
