Biokiled on ühte või mitut tüüpi mikroorganismide kogumid, mis võivad kasvada paljudel erinevatel pindadel. Biokile moodustavate mikroorganismide hulka kuuluvad bakterid, seened ja protistid.
Üks levinud näide biokile hambakatu kohta, mis on hammaste pinnale moodustuv limane bakterite kogunemine. Tiigi saast on veel üks näide. On leitud, et biokile kasvab mineraalidel ja metallidel. Neid on leitud vee all, maa all ja maapinnast. Nad võivad kasvada taime- ja loomkoes ning siirdatud meditsiiniseadmetes, näiteks kateetrites ja südamestimulaatorites.
Kõigil neil erinevatel pindadel on ühine piirjoon: nad on märjad. Need keskkonnad on perioodiliselt või pidevalt veega tarbitavad, selgub ajakirjas Microbe Magazine avaldatud 2007. aasta artiklist. Biokiled arenevad niisketel või niisketel pindadel.
Biokiled on end sellises keskkonnas juba pikka aega juurutanud. Biokilede fossiilsed tõendid pärinevad umbes 3,25 miljardit aastat tagasi, selgub ajakirjas Nature Reviews Microbiology 2004. aastal avaldatud artiklist. Näiteks Austraalias Pilbara Cratoni 3,2 miljardi aasta vanustest süvamere hüdrotermilistest kivimitest on leitud biokilesid. Sarnaseid biokilesid leidub hüdrotermilistes keskkondades nagu kuumaveeallikad ja süvamere tuulutusavad.
Biokile moodustumine
Biokile moodustumine algab siis, kui vabalt ujuvad mikroorganismid, näiteks bakterid, puutuvad kokku sobiva pinnaga ja hakkavad nii-öelda juuri maha panema. See kinnitumise esimene samm toimub Montana osariigi ülikooli biofilmitehnika keskuse andmetel, kui mikroorganismid toodavad rakuvälist polümeerset ainet (EPS), mida nimetatakse rakuväliseks polümeeriks (EPS). EPS on suhkrute, valkude ja nukleiinhapete (näiteks DNA) võrk. See võimaldab biokiles sisalduvatel mikroorganismidel omavahel kleepuda.
Kinnitusele järgneb kasvuperiood. Esimestele kihtidele toetuvad täiendavad mikroorganismide ja EPS kihid. Lõppkokkuvõttes loovad nad Biofilmi insenerikeskuse andmetel sibulakujulise ja keeruka 3D-struktuuri. Veekanalid ristuvad biokiledega ja võimaldavad toitainete ja jäätmevahetust vastavalt ajakirja Microbe artiklile.
Mitme keskkonnatingimuse korral on võimalik kindlaks teha, mil määral biokile kasvab. Need tegurid määravad ka selle, kas see koosneb ainult paarist kihist rakkudest või oluliselt rohkem. "See sõltub tõesti biokilest," ütles Montana osariigi Bozemani ülikooli keemia- ja biotehnika osakonna professor Robin Gerlach. Näiteks võivad mikroorganismid, mis tekitavad suures koguses EPS-d, üsna paksudeks biokiledeks, isegi kui neil pole juurdepääsu paljudele toitainetele, ütles ta. Teisest küljest võib hapnikust sõltuvate mikroorganismide jaoks saadaolev kogus piirata nende kasvu. Veel üks keskkonnategur on mõiste "nihkepinge". "Kui teil on biofilmi kaudu väga suur vool, nagu oras, on biokile tavaliselt üsna õhuke. Kui teil on biofilm aeglaselt voolavas vees, näiteks tiigis, võib see muutuda väga paksuks," selgitas Gerlach.
Lõpuks võivad biokile rakud lahkuda voldist ja asuda uuele pinnale. Kas lahkuvad rakud või purunevad üksikud rakud biokilest ja otsivad uut kodu. Viimast protsessi nimetatakse Biofilmi insenerikeskuse andmetel külvamiseks.
Miks moodustada biokile?
Mikroorganismide jaoks on biokile osana elamisel teatud eelised. "Mikroobide kogukonnad on tavaliselt vastupidavamad stressile," rääkis Gerlach Live Science'ile. Potentsiaalsete stressitekitajate hulka kuulub veepuudus, kõrge või madal pH või mikroorganismidele toksiliste ainete, näiteks antibiootikumide, antimikroobsete ainete või raskmetallide olemasolu.
Biokilede kõvadusele on palju võimalikke seletusi. Näiteks võib limane EPS-kate toimida kaitsebarjäärina. See võib aidata vältida dehüdratsiooni või toimida ultraviolettkiirguse (UV-kiirguse) eest kaitsena. Samuti seotakse või neutraliseeritakse kahjulikke aineid nagu antimikroobsed ained, pleegitusained või metallid kokkupuutel EPS-ga. Nii lahjendatakse need kontsentratsioonini, mis ei ole surmav, enne kui nad jõuavad mitmesugustesse rakkudesse sügavale biokile, vastavalt ajakirja Nature Reviews Microbiology 2004. aasta artiklile.
Sellegipoolest on teatud antibiootikumidel võimalik tungida läbi EPS ja liikuda läbi biokile kihtide. Siin võib mängu tulla veel üks kaitsemehhanism: füsioloogiliselt uinuvate bakterite olemasolu. Hästi toimimiseks vajavad kõik antibiootikumid teatud tasemel rakulist aktiivsust. Niisiis, kui bakterid on füsioloogiliselt uinunud, pole antibiootikumi hävitamiseks palju vaja.
Teine antibiootikumidevastane kaitseviis on spetsiaalsete bakteriraku olemasolu, mida tuntakse "püsib". Sellised bakterid ei jagune ja on paljude antibiootikumide suhtes resistentsed. Ajakirjas Cold Spring Harbor Perspectives in Biology avaldatud 2010. aasta artikli kohaselt "püsib" funktsioon, tootes aineid, mis blokeerivad antibiootikumide sihtmärgid.
Üldiselt saavad biokilena koos elavad mikroorganismid kasu nende erinevate kogukonnaliikmete olemasolust. Gerlach tõi näite autotroofsetest ja heterotroofsetest mikroorganismidest, mis elavad koos biokiledes. Autotroofid, näiteks fotosünteesivad bakterid või vetikad, on võimelised tootma oma toitu orgaanilise (süsinikku sisaldava) materjali kujul, samal ajal kui heterotroofid ei saa ise toitu toota ja vajavad väliseid süsinikuallikaid. "Nendes mitut organisatsiooni hõlmavates kogukondades ristavad nad sageli toitu," ütles ta.
Biokiled ja meie
Arvestades suurt hulka keskkondi, milles me biokiledega kokku puutume, pole üllatav, et need mõjutavad inimelu paljusid aspekte. Allpool on toodud mõned näited.
Tervis ja haigused
Kuna teadusuuringud on aastate jooksul arenenud, on biokile - bakteriaalne ja seenhaigus - seotud mitmesuguste tervislike tingimustega. 2002. aasta toetustaotluste esitamise üleskutses märkis Riiklik Terviseinstituut (NIH), et biokile moodustas "üle 80 protsendi kehas leiduvatest mikroobsetest nakkustest".
Biokiled võivad kasvada siirdatud meditsiiniseadmetel, nagu näiteks proteesiga südameklappidel, liigeste proteesimisel, kateetritel ja südamestimulaatoritel. See omakorda viib nakkusteni. Nähtust täheldati esmakordselt 1980ndatel, kui intravenoossetes kateetrites ja südamestimulaatorites leiti bakteriaalseid biokilesid. Vastavalt ajakirja Nature Reviews Microbiology 2004. aasta artiklile on teada, et bakteriaalsed biokiled põhjustavad ka tsüstilise fibroosiga nakkuslikku endokardiiti ja kopsupõletikku.
"Biokile moodustumine põhjustab suurt muret selle pärast, et biokile sees on bakterid antibiootikumide ja muude suuremate desinfitseerimisvahendite suhtes vastupidavamad, mida saaksite kasutada nende tõrjeks," ütles Stanfordi mikrobioloogia ja immunoloogia professor AC Matin. Ülikool. Tegelikult võivad biokilena kasvavad bakterid vabalt ujuvate bakteritega võrreldes olla kuni 1500 korda vastupidavamad antibiootikumide ja muude bioloogiliste ja keemiliste ainete suhtes, selgub ajakirja Microbe artiklist. Matin kirjeldas biokilede resistentsust koos antibiootikumiresistentsuse üldise suurenemisega bakterites kui "topeltvahtu" ja peamist väljakutset infektsioonide ravis.
Seente biokiled võivad nakkusi põhjustada ka implanteeritud seadmetel kasvades. Pärmi liigid, näiteks perekonna liikmed Candida kasvavad rinnaimplantaatidel, südamestimulaatoritel ja südame proteesidel, vastavalt ajakirjas Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine avaldatud 2014. aasta artiklile. Candida liigid kasvavad ka inimese keha kudedes, põhjustades selliseid haigusi nagu vaginiit (tupepõletik) ja orofarünksi kandidoos (suus või kurgus arenev pärmseennakkus). Autorid märgivad siiski, et ravimresistentsust nendel juhtudel ei näidatud.
Bioremondimine
Mõnikord on biokiledest kasu. "Bioremond on üldiselt elusorganismide või nende saaduste - näiteks ensüümide - kasutamine kahjulike ühendite töötlemiseks või lagundamiseks," ütles Gerlach. Ta märkis, et biokilesid kasutatakse reovee, raskemetallide saasteainete nagu kromaat, lõhkeainete nagu TNT ja radioaktiivsete ainete, näiteks uraani töötlemisel. "Mikroobid võivad neid lagundada või muuta nende liikuvust või toksilist olekut ning muuta need keskkonnale ja inimestele vähem kahjulikuks," ütles ta.
Biokilede abil nitrifikatsioon on üks reovee puhastamise vorme. Nitrifikatsiooni käigus muundatakse ammoniaak oksüdeerimise teel nitrititeks ja nitraatideks. Seda saavad teha autotroofsed bakterid, mis kasvavad biokiledena plastpindadel, selgub ajakirjas Water Research avaldatud 2013. aasta artiklist. Need plastpinnad on vaid mõne sentimeetri suurused ja jaotatud kogu veega.
Lõhkeainet TNT (2,4,6-Trinitrotolueen) peetakse pinnase, pinnavee ja põhjavee saasteaineks. TNT keemiline struktuur koosneb benseenist (kuuest süsinikuaatomist koosnev kuusnurkne aromaatne ring), mis on kinnitatud kolme nitrorühma külge (NO2) ja üks metüülrühm (CH3). Mikroorganismid lagundavad TNT redutseerimise teel, selgub ajakirjas Applied and Environmental Microbiology avaldatud 2007. aasta artiklist. Enamik mikroorganisme redutseerib kolme nitrorühma, samal ajal kui mõned ründavad aromaatset ringi. Teadlased - Ayrat Ziganshin, Robin Gerlach ja kolleegid - leidsid, et pärmitüvi Yarrowia lipolytica suutis TNT laguneda mõlemal meetodil, ehkki peamiselt aromaatse tsükli ründamise teel.
Mikroobsed kütuseelemendid
Mikroobsed kütuseelemendid kasutavad baktereid orgaaniliste jäätmete muundamiseks elektriks. Mikroobid elavad elektroodi pinnal ja edastavad sellele elektrone, luues lõpuks voolu, ütles Gerlach. Lõuna-California ülikooli veebiajakirjas Illumin avaldatud 2011. aasta artiklis märgitakse, et mikroobseid kütuseelemente toitvad bakterid lagundavad toitu ja kehalisi jäätmeid. See pakub odavat energiaallikat ja puhast säästvat energiat.
Pidev uurimistöö
Meie maailm on täis biokilesid. Tegelikult leiti 20. sajandi keskpaigaks bakterikultuure hoidvate anumate sisepindadelt rohkem baktereid kui ujuvad vabalt vedelas kultuuris, selgub ajakirja Nature Reviews Microbiology 2004. aasta artiklist. Nende keerukate mikroobsete struktuuride mõistmine on aktiivne uurimisvaldkond.
"Biokiled on hämmastavad kooslused. Mõned inimesed on neid võrrelnud mitmerakuliste organismidega, kuna üksikute rakkude vahel on palju interaktsiooni," ütles Gerlach. "Jätkame nende tundmaõppimist ja õpime, kuidas neid paremini kontrollida; nii vähendatud kahju eest, nagu meditsiinivaldkonnas, kui ka suurema kasu saamiseks, nagu bioremondimisel. Me ei saa otsa huvitavad küsimused selles valdkonnas. "
