TEMA 4. ADHERÈNCIA A SUPERFÍCIES
Introducció
– El 99% els microorganismes presents a la natura, es troben adherits a
superfícies, per tant, veiem que les característiques que presenten a la natura i al laboratori, són totalment diferents.
– Estan adherits perquè és on es dipositen els nutrients i per tant, poden
captar-los millor.
BIOFILMS O BIOPEL·LÍCULES
– Són microorganismes que es troben irreversiblement adherits a una
superfície i que estan envoltats per una matriu orgànica produïda per ells mateixos.
– Característiques
• Altament hidratat (95% d’aigua).
• Heterogeneïtat espacial /temporal Æ diferencies en la pressió parcial d’oxigen. Són estructures dinàmiques.
• Es troba en qualsevol tipus de superfície.
– Control
• Tenen una gran resistència a biocides (fins a 1000 vegades més que
en la forma lliure d’un microorganisme en un medi líquid sense protecció).
– Biofilms naturals Æ Tapets microbians, estromatolits, superfícies minerals.
– Biofilms mèdics Æ Placa dental, infeccions (més del 80% són biofilms), pròtesis (són molt difícils d’eliminar).
– Biofilms industrials Æ intercanviadors de calor, sistemes de refrigeració, xarxa de distribució d’aigua, sistemes de tractament d’aigües residuals, vaixells (pèrdues econòmiques...).
– Utilitats Æ Hi ha un sistema de depuració d’aigua basa en els biofilms. També són útils per la biolixiviació.
– Estructura
• Ha de tenir un substrat per sota i per dalt un compartiment líquid.
• Substrat: pot ser qualsevol. Segons les seves característiques, podem determinar quin tipus de microorganisme s’hi unirà. Ex.: Els SR creixen sobre metalls, donant lloc a la corrosió d’aquests.
• Biofilm: conté:
– Característiques físiques
I. Gruix Æ pot ser molt variable, depenent del número de microorganismes que formen el biofilm.
II. Densitat Æ són estructures molt més denses que l’aigua. III. Són dolents conductors de calor.
IV. Difusió Æ depenent de la substància i del biofilm, pot haver més o menys difusió.
– Composició • MATRIU:
Polímers extracel·lulars: del 50-90% del carboni orgànic.
o Trobem hidrats de carboni, proteïnes, lípids, àcids
nuclèics...
o No es coneix la seva composició exacta.
o Els components majoritaris són els polisacàrids, els quals
poden ser de 2 tipus (específics o inespecífics).
o Específics: Són petites cadenes de sucres lineals o
ramificades, específiques de cada microorganisme, per això són importants en la indústria mèdica ja que actuen com a antigen.
o No específics:homopolisacàrids (cel·luloses/dextrà...). o Estructura dels polisacàrids:poden ser laxes, compactes,
fibril·lars...
o Característiques que confereixen els polisacàrids als biofilms: Proporcionen rigidesa, permeabilitat o impermeabilitat, etc. Els polímers permeten una unir irreversible al substrat, a més, confeccionen l’arquitectura del biofilm, proporcionen supervivència contra la dessecació, predació (predadors externs com protozous, etc, que no poden trencar la matriu), barrera contra biocides, afavoreixen la captació de nutrients...
• MICROORGANISMES
Poden contenir algues, protozous (predadors), fongs
(sobretot en fustes o pedres), però majoritàriament són bacteris (són els primers colonitzadors de qualsevol substrat). Característiques dels bacteris: elevada taxa de creixement,
adaptables a medis canviants, producció de exopolisacàrids útils pels mecanismes d’adherència mitjançant la paret cel·lular (àcids micòlics, lípids...), fímbries i flagels, prosteques
(extensions citoplasmàtiques de Caulobacter) i càpsules
mucoses.
– Desenvolupament d’un biofilm
1) FASE INICIAL
a) Condicionament del substrat
• Els nutrients que hi ha en el medi líquid, tendeixen a
dipositar-se a les superfícies (procés molt ràpid).
• Les cèl·lules també poden dirigir-se al substrat (tactisme
Æ moviment cel·lular o transport passiu).
b) Unió reversible
• Contacte d’estructures del bacteri amb el substrat. És
una unió molt laxa que serveix per “catar” el substrat.
• Aquesta unió depèn de les característiques de:
i. Cèl·lula Æ estructures d’unió específiques.
ii. Substrat Æ quan és més rugòs, és més fàcil formar-se, així com en superfícies hidrofòbiques. També afavoreix la formació que hi hagi un fil condicionador (atraure nutrients).
iii. Component líquid Æ el flux de líquid ha de ser l’adequat.
• Només si les condicions són favorables s’unirà
irreversiblement.
c) Unió irreversible
• Tenen una unió molt estreta (distància d’un nanòmetre).
• Aquesta unió provoca un canvi en el patró d’expressió
gènica.
• Aquesta fase sol trigar uns minuts.
2) FASE DE CREIXEMENT
• Quan es dóna la unió irreversible, hi ha una sèrie de canvis, com
poden ser la síntesi constitutiva abundant de exopolisacàrids
que donen lloc a la formació de microcolònies (unitats funcionals dels biofilms).
• Triga unes quantes hores.
2) FASE DE MADURACIÓ / ESTACINONÀRIA
• Uns microorganismes són substituïts per altres.
• A mesura que el biofilm va creixent, hi ha algunes cèl·lules que
es dediquen a la dispersió.
– Estructura del biofilm
• L’arquitectura característica d’un biofilm, permet que el medi líquid
contacti amb una abundant superfície, cosa que permet que els nutrients es reparteixin millor.
• La microscopia confocal ens ha permès estudiar més a fons
l’arquitectura dels biofilms.
– Comunicació quorum-sensing
• És un sistema de comunicació bacterià descobert en microorganismes
patògens, en aquest sistema, no es començaven a produir les toxines dins que no s’arribava a una concentració de mediador / densitat cel·lular determinada.
• Els microorganismes emeten autoinductors que quan passen d’un
llindar determinat, permeten regular conjuntament un mecanismes cel·lular concret.
• L’estudi de mutants, ens permet veure quins gens estan implicats en
la comunicació per quorum sensing.
• Aleshores, la formació d’aquests biofilms no es dóna a l’atzar, això és útil per evitar la seva formació ja que si coneixem la via del mediador (inductor) podem bloquejar-la i així evitar la seva formació.
– Avantatges pels microorganismes
1) Nutrients Æ tindran més nutrients disponibles.
2) Protecció Æ estaran protegits front els predadors externs i la dessecació.
3) Resistència Æ tindran una resistència d’entre 500-1000 vegades més a biocides i antibiòtics que si estiguessin lliurement (planctòniques). Això és degut a un canvi en el patró d’expressió gènica (un 30% dels gens s’expressen de manera diferencial en cèl·lules planctòniques i les que formen el biofilm).
4) Intercanvi genètic Æ s’afavoreix aquest intercanvi per tal de què la distribució de les resistències sigui molt més ràpida.
– Aspectes aplicats dels biofilms
1) PROBLEMÀTICA
a) Bioembrutiment / Biofouling
• No es va descobrir fins que va aparèixer l’embrutiment, ja
• Conseqüències del bioembrutiment: 1) Dany físic Æ corrosió, podriment...
2) Reducció de l’eficiència funcional (obstrucció de canalitzacions).
3) Reservori de patògens
Els empresaris inverteixen molt en recerca per
tractar aquest bioembrutiment, ja que aquests biofilms provoquen:
a) Pèrdua d’energia: dificulten la transmissió de calor / energia.
b) Deteriorament: han de comprar aparells/maquinària més freqüentment.
c) Disminució de la producció.
d)
Disminució de la qualitat dels
productes.
e)
Seguretat:
aparició de patògens i pertant, s’ha d’invertir més en neteja.
En canalitzacions d’aigua per exemple, mai es
poden eliminar al 100% els microorganismes.
• Control
1) Eliminar (netejar) 2) Prevenir l’adherència.
3) Retardar al màxim la formació del biofilm.
Mètodes de control
a) Tractament d’aigües Æ l’aigua conté microorganismes encara que estigui clorada, per això, l’empresa hauria d’invertir en un tractament de l’aigua.
b) Modificació del medi líquid circulant Æ per exemple, eliminar els sulfats per evitar el creixement de SR ja que provoquen corrosió. c) Modificar el substrat Æ Ex.: Legionella no
aguanta el Cu, per això es poden fer canalitzacions de Cu. Tractar amb substàncies biocides per retardar l’aparició del biofilm. d) Mecànics Æ netejar.
e) Desinfecció Æ usar desinfectants per eliminar
els microorganismes. Pot ser de tipus física
(temperatura) o química.
estiguin en contacte, a més, el clor (més utilitzat) és un oxidant que causa corrosió sobre superfícies metàl·liques i oxida compostos que poden ser desinfectants.
• Exemples
Biofilms marins en vaixells Æ major despesa en combustible, corrosió i d’altres problemes. Provoca degradació de metalls.
Uns investigadors australians treballaven amb l’alga
Delissea Pulcia que no tenia microbiota a la seva superfície degut a què contenia furanones, les quals inhibien el quorum sensing. Això podria aplicar-se a indústries i a altres indrets. Altre exemple és Zostera marina que produeix àcid zostèric amb la mateixa funció que les furanones.
2) ASPECTES MÈDICS
- Placa dental
• Les característiques particular de cada individu influeix
en la formació del biofilm.
• Va ser el primer biofilm en descobrir-se i ho va fer Van
Lievenhoek.
• Quan ens rentem les dents, sempre queda placa dental
formada per microorganismes, els quals produeixen àcids que provoquen corrosió o càries.
• Els microorganismes procedeixen de la saliva i de la placa
dental.
• Hi ha productes que tenyeixen la placa amb colorants
vitals (fluoresceïna, eritrocina...).
• Formació de la placa:
1) Condicionament del substrat (saliva/aliments). 2) Colonització Æ sempre apareixen els mateixos
microorganismes (primer cocs grampositius
aeròbics, segons anaeròbics facultatius, tercers anaeròbics estrictes).
3) Consolidació.
Es dóna un fenomen de coagregació ja que els
- Material biomèdic
• Parlem de sutures, pròtesis, DIU, etc. En tots aquests
instruments es troben biofilms, el quals estan formats per molts tipus de microorganismes.
• Procedència dels microorganismes Æ malalts, treballadors sanitaris, ambient o propi material.
• Exemple.: Catèters intravenosos: el suro ens condicionarà el substrat (superfície interna del catèter) i es podrà formar un biofilm, el qual podrà causar infeccions si es destrueixen cèl·lules d’aquests, o bé si produeixen endotoxines. Hi ha resistència al sistema immune per part dels biofilms. A més, molt microorganismes són resistents als tractaments.
• Exemple.
:
Catèter urinari:
en el seu interior, s’acondiciona el substrat, el qual pot ser colonitzat per Candida albicans per exemple, el qual és un dels principals agents infecciosos nosocomials (intrahospitalaris). Es poden desprendre microorganismes del biofilm que poden generar infeccions.• Exemple.
:
Lents de contacte:
Ràpidament s’acondiciona el substrat, per això, si no es prenen mesures, poden aparèixer infeccions.• Exemple.
:
Pròtesis:
veiem que els biofilms es formen més ràpidament si les superfícies són hidrofòbiques.– Resistències als antimicrobians
• S’han d’augmentar molt les dosis respecte si el microorganisme és de
vida lliure.
• Actualment, hi ha una recerca de tècniques per evitar el creixement
microbià, aquestes podrien ser:
1. Ultrasons i antibiòtics que recobreixen la superfície. 2. Bacteriòfags específics.
3. Enzims de degradació d’exopolisacàrids que formen la matriu.
4. Inhibidors del quorum sensing Æ podria ser la millor solució.
– Altre problema en medicina
• Els biofilms, poden ser causants d’infeccions persistents o cròniques
(otitis, cistitis, infeccions en ossos o músculs, etc).
• En biòpsies, s’han vist que hi ha biofilms en pacients amb problemes
en pulmons, cor, ronyons, ossos, pròstata, etc.
• Ferides cròniques Æ En úlceres venoses, per pressió, en diabètics o ferides quirúrgiques, els microorganismes, poden colonitzar els teixits de les ferides obertes i formar un biofilm immune a les substàncies desinfectants, per això s’ha de fregar bé la ferida per tractar-la.
3) BIODETERIORACIÓ
- Que un material es deteriori o no, depèn de les
característiques del material i de les condicions ambientals.
- Els biofilms, poden causar molt efectes sobre els materials,
com per exemple: degradació, coloració/decoloració,
precipitats, olors...
- Aquesta problemàtica, afecta sobretot a museus o biblioteques.
- Un fet comú, és el creixement de fongs en superfícies de
fusta.
- Pintures rupestres Æ sempre havien estat tancades i quan va
entrar llum, nutrients, etc van provocar la degradació de les pintures amb la conseqüent pèrdua de color.
- Deterioració de roques
• Pedra Æ té molta relació amb la formació del sòl, ja que quan les condicions són adequades, creixen fototròfics, els quals produeixen matèria orgànica que és usada per microorganismes que poden produir àcids corrosius els quals fan malbé les roques.
Els fongs són els microorganismes més importants en aquesta degradació pètrea, ja que exerceixen un efecte mecànic amb les seves hifes per tal de generar fissures, a més, generen àcids, sals orgàniques i pigments que deterioren la fusta. A més dels fongs, podem trobar molts altres tipus de microorganismes, sobretot bacteris, però també algues o líquens.
- Alteracions cromàtiques
• negres (melanines, productes de degradació de melanines). • verds (pigments fotosintètics d’algues i cianobacteris) • grogues-ataronjades (carotens i carotenoides derivats de
la degradació de la clorofil·la)
- Tractaments de conservació
1. Prevenció Æ control de la humitat, de la temperatura, etc. Això no és possible en molts casos.
2. Mètodes curatius Æ n’hi ha de diversos tipus: a. Mecànics: rascar la superfície.
b. Físics: aigua a pressió o radiacions.
c. Químics: Aplicar substàncies sobre superfícies que impedeixin el creixement de microorganismes. Aquestes substàncies han de ser:
I. Ampli espectre de microorganismes.
II. Acció ràpida i duradora. III. Fixació sobre el substrat.
IV. Compatible amb altres tractaments.
V. No produir canvis sobre el substrat (color,
lluminositat, modificació permeabilitat....).
VI. No tòxic per éssers humans i medi ambient.
d. Biològics: estan poc desenvolupats:
Exemple.: Reparació de façanes de roca calcària amb Bacillus cereus.
Consisteix en aplicar a la superfície de l’església una solució amb B. Cereus més un medi de cultiu,
cosa que provoca acidificació fent que el CaCO3
precipiti. A cap d’uns dies, la façana queda mineralitzada. El problema va ser que la formació de biofilms primer apareixen bacteris, però més tard, creixen fongs, cosa que es pot solucionar amb antifúngics, provocant una correcta mineralització.
Hi ha projectes europeus (biobrush) que estudien
com solucionar problemes de biodeterioració del patrimoni històric, així com d’altres materials com el paper (papylum).
– Utilitats dels biofilms
1. Extracció i oxidació de contaminants orgànics i inorgànics. 2. Extracció de minerals de les mines.
3. Immobilització dels microorganismes en biotecnologia (biorreactors):
Fem una immobilització artificial del microorganisme sobre un
substrat per tal que produeixin una determinada substància. Això no ha resultat massa bé.
Altra alternativa és utilitzar els biofilms naturals i aplicar-los a la nostra indústria.
Són sistemes amb vides mitges molt curtes, a més, poden
Podem imitar els biofilms naturals, cosa que ens permet abaratir costos, ja que els substrats utilitzats són més econòmics.
Exemple.: Producció d’àcid (Acetobacter, Gluconobacter)
9 És un sistema de producció molt antic.
9 Tenim un compartiment amb virutes de fusta recobertes
amb un biofilm de Acetobacter i Gluconobacter que es
troben en agitació constant amb oxigen. Aleshores, els hi posem etanol i en aquest moment, donaran lloc a àcid acètic, el qual es filtrarà i estarà llest per ser utilitzat.
4. Produeixen una sèrie de polisacàrids útils industrialment. Aleshores, es desreprimeix la síntesi de polisacàrids i permet obtenir molta quantitat d’aquests.
5. Biofiltres Æ A l’aire existeixen també contaminants químics que poden ser eliminats mitjançant els biofiltres, que consisteixen en un recipient omplert amb un material porós, sobre el qual creixen microorganismes en forma de biofilm. Aleshores, primer s’humidifica l’aire i més tard es passa pel reactor, en ell, els contaminants són eliminats per la biomassa bacteriana. És un sistema molt durador que s’autorregula.
