แผ่นฟิล์มชีวภาพเป็นกลุ่มของจุลินทรีย์ชนิดหนึ่งหรือหลายชนิดที่สามารถเจริญเติบโตได้บนพื้นผิวที่แตกต่างกัน จุลินทรีย์ที่ก่อให้เกิดแผ่นชีวะ ได้แก่ แบคทีเรียเชื้อราและโปรติสต์
ตัวอย่างหนึ่งที่พบได้ทั่วไปของคราบจุลินทรีย์ทางชีวภาพไบโอฟิล์มที่มีการสะสมของแบคทีเรียที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของฟัน บ่อขยะเป็นอีกตัวอย่างหนึ่ง มีการพบแผ่นชีวะเติบโตบนแร่และโลหะ พวกเขาพบใต้น้ำใต้ดินและเหนือพื้นดิน พวกเขาสามารถเจริญเติบโตได้ในเนื้อเยื่อพืชและเนื้อเยื่อสัตว์และบนอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ปลูกถ่ายเช่นสายสวนและเครื่องกระตุ้นหัวใจ
พื้นผิวที่แตกต่างกันเหล่านี้มีคุณสมบัติการกำหนดทั่วไป: เปียก สภาพแวดล้อมเหล่านี้ "เป็นระยะ ๆ หรือต่อเนื่องกับน้ำ" ตามบทความ 2550 ที่ตีพิมพ์ในนิตยสาร Microbe แผ่นชีวะเจริญเติบโตได้ดีบนพื้นผิวที่ชื้นหรือเปียก
แผ่นชีวะได้สร้างตัวเองในสภาพแวดล้อมดังกล่าวเป็นเวลานานมาก หลักฐานจากซากดึกดำบรรพ์ของแผ่นชีวะมีประมาณ 3.25 พันล้านปีก่อนตามบทความ 2004 ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Reviews จุลชีววิทยา ยกตัวอย่างเช่นพบแผ่นชีวะในหินใต้ทะเลลึก 3.2 พันล้านปีของ Pilbara Craton ในออสเตรเลีย แผ่นชีวะที่คล้ายกันนี้พบได้ในสภาพแวดล้อมที่ร้อนเช่นน้ำพุร้อนและปล่องระบายของทะเลลึก
การก่อตัวของไบโอฟิล์ม
การก่อตัวของไบโอฟิล์มเริ่มต้นเมื่อจุลินทรีย์อิสระที่ลอยอยู่เช่นแบคทีเรียสัมผัสกับพื้นผิวที่เหมาะสมและเริ่มที่จะทำลายรากดังนั้นพูด ขั้นตอนแรกของสิ่งที่แนบมานี้เกิดขึ้นเมื่อจุลินทรีย์ผลิตสารที่หนาที่เรียกว่าสารโพลีเมอร์ extracellular (EPS) ตามที่ศูนย์วิศวกรรมชีวภาพฟิล์มที่มหาวิทยาลัยแห่งรัฐมอนแทนา EPS เป็นเครือข่ายของน้ำตาลโปรตีนและกรดนิวคลีอิก (เช่น DNA) มันช่วยให้จุลินทรีย์ในแผ่นชีวะติดกัน
สิ่งที่แนบมาด้วยตามระยะเวลาของการเจริญเติบโต ชั้นของจุลินทรีย์และ EPS เพิ่มขึ้นตามชั้นแรก ในที่สุดพวกเขาสร้างโครงสร้างสามมิติที่ซับซ้อนและโป่งตามศูนย์วิศวกรรมชีวฟิล์ม น้ำไหลออกมาผ่านแผ่นชีวะและอนุญาตให้มีการแลกเปลี่ยนสารอาหารและของเสียตามบทความใน Microbe
สภาพแวดล้อมที่หลากหลายช่วยกำหนดขอบเขตการเติบโตของแผ่นชีวะ ปัจจัยเหล่านี้ยังกำหนดด้วยว่ามันทำจากเซลล์เพียงไม่กี่ชั้นหรือมากกว่านั้น "มันขึ้นอยู่กับแผ่นชีวะ" Robin Gerlach ศาสตราจารย์ภาควิชาวิศวกรรมเคมีและชีวภาพของมหาวิทยาลัย Montana State University-Bozeman กล่าว ยกตัวอย่างเช่นจุลินทรีย์ที่ผลิต EPS จำนวนมากสามารถเติบโตเป็นแผ่นชีวะที่ค่อนข้างหนาถึงแม้ว่าพวกมันจะไม่สามารถเข้าถึงสารอาหารได้มากมายก็ตาม ในทางตรงกันข้ามสำหรับจุลินทรีย์ที่ขึ้นอยู่กับปริมาณออกซิเจนที่มีอยู่สามารถ จำกัด ปริมาณที่พวกมันสามารถเติบโตได้ ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมอีกประการหนึ่งคือแนวคิดของ "แรงเฉือน" "ถ้าคุณมีแผ่นฟิล์มชีวภาพไหลผ่านสูงเช่นในลำห้วยแผ่นฟิล์มมักจะผอมไปพอสมควรถ้าคุณมีแผ่นชีวะในน้ำที่ไหลช้าเช่นในบ่อมันจะหนามาก" Gerlach อธิบาย
ในที่สุดเซลล์ภายในแผ่นชีวะสามารถทิ้งรอยพับไว้และสร้างตัวเองบนพื้นผิวใหม่ ไม่ว่าจะเป็นกลุ่มของเซลล์ที่แยกตัวออกไปหรือแต่ละเซลล์จะแตกออกมาจากแผ่นฟิล์มชีวภาพและค้นหาบ้านใหม่ กระบวนการหลังนี้เป็นที่รู้จักกันในนาม "การกระจายเมล็ดพันธุ์" ตามศูนย์วิศวกรรมชีวฟิล์ม
ทำไมต้องสร้างแผ่นชีวะ?
สำหรับจุลินทรีย์การใช้ชีวิตเป็นส่วนหนึ่งของฟิล์มชีวภาพมาพร้อมกับข้อได้เปรียบบางอย่าง "ชุมชนของจุลินทรีย์มักจะมีความยืดหยุ่นต่อความเครียด" Gerlach กล่าวกับ Live Science แรงกดดันที่อาจเกิดขึ้น ได้แก่ การขาดน้ำค่า pH สูงหรือต่ำหรือการมีอยู่ของสารที่เป็นพิษต่อจุลินทรีย์เช่นยาปฏิชีวนะยาต้านจุลชีพหรือโลหะหนัก
มีคำอธิบายที่เป็นไปได้มากมายสำหรับความแข็งแรงของแผ่นชีวะ ตัวอย่างเช่นการปิดกั้น EPS ที่ลื่นไหลสามารถทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกัน มันสามารถช่วยป้องกันการขาดน้ำหรือทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันแสงอัลตราไวโอเลต (UV) นอกจากนี้สารที่เป็นอันตรายเช่นยาต้านจุลชีพสารฟอกขาวหรือโลหะมีความผูกพันหรือทำให้เป็นกลางเมื่อสัมผัสกับ EPS ดังนั้นพวกมันจึงถูกเจือจางในระดับความเข้มข้นที่ไม่เป็นอันตรายถึงตายก่อนที่พวกมันจะไปถึงเซลล์ต่าง ๆ ที่อยู่ลึกเข้าไปในแผ่นฟิล์มชีวภาพตามบทความ 2004 ใน Nature Reviews จุลชีววิทยา
ถึงกระนั้นก็ยังมีความเป็นไปได้ที่ยาปฏิชีวนะบางตัวสามารถทะลุผ่าน EPS และทำผ่านชั้นฟิล์มชีวภาพ ที่นี่กลไกการป้องกันอื่นสามารถเข้ามาเล่น: การปรากฏตัวของแบคทีเรียที่อยู่เฉยๆทางสรีรวิทยา เพื่อให้สามารถทำงานได้ดียาปฏิชีวนะทั้งหมดต้องใช้ระดับเซลล์บางอย่าง ดังนั้นถ้าแบคทีเรียอยู่ในช่วงเริ่มต้นทางสรีรวิทยาจะไม่มียาปฏิชีวนะให้รบกวน
อีกวิธีในการป้องกันยาปฏิชีวนะคือการมีเซลล์แบคทีเรียพิเศษที่เรียกว่า "persisters" แบคทีเรียดังกล่าวไม่ได้แบ่งและทนทานต่อยาปฏิชีวนะหลายชนิด อ้างอิงจากบทความปี 2010 ที่ตีพิมพ์ในวารสารมุมมองของ Cold Spring Harbour ในชีววิทยาฟังก์ชัน "คงอยู่" โดยการผลิตสารที่บล็อกเป้าหมายของยาปฏิชีวนะ
โดยทั่วไปแล้วจุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่ด้วยกันในรูปของฟิล์มชีวภาพจะได้ประโยชน์จากการมีสมาชิกในชุมชนต่าง ๆ Gerlach อ้างถึงตัวอย่างของจุลินทรีย์ออโตโทรฟิคและเฮเทอโรโทรฟิกที่อาศัยอยู่ด้วยกันในแผ่นชีวะ ออโตโทรฟเช่นแบคทีเรียสังเคราะห์แสงหรือสาหร่ายสามารถผลิตอาหารของตัวเองในรูปแบบของวัสดุอินทรีย์ (มีคาร์บอน) ในขณะที่ heterotrophs ไม่สามารถผลิตอาหารของตัวเองและต้องการแหล่งคาร์บอนภายนอก “ ในชุมชนที่มีความหลากหลายทางชีวภาพเหล่านี้พวกเขามักจะข้ามอาหารสัตว์” เขากล่าว
ไบโอฟิล์มและพวกเรา
ด้วยสภาพแวดล้อมที่หลากหลายที่เราพบกับแผ่นชีวะมันไม่น่าแปลกใจเลยที่มันจะส่งผลกระทบต่อชีวิตมนุษย์หลายด้าน ด้านล่างเป็นตัวอย่างบางส่วน
สุขภาพและโรคภัยไข้เจ็บ
ในขณะที่การวิจัยมีความก้าวหน้ามาหลายปี biofilms - แบคทีเรียและเชื้อรา - มีส่วนเกี่ยวข้องในสภาวะสุขภาพที่หลากหลาย ในปี 2545 การเรียกร้องเงินช่วยเหลือสถาบันสุขภาพแห่งชาติ (NIH) ตั้งข้อสังเกตว่าแผ่นชีวะคิดเป็น "การติดเชื้อจุลินทรีย์ในร่างกายมากกว่า 80%
ไบโอฟิล์มสามารถเติบโตได้บนอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ได้รับการปลูกฝังเช่นลิ้นหัวใจเทียม, ขาเทียม, ท่อสวนและเครื่องกระตุ้นหัวใจ สิ่งนี้จะนำไปสู่การติดเชื้อ ปรากฏการณ์ดังกล่าวได้รับการกล่าวถึงเป็นครั้งแรกในปี 1980 เมื่อพบแผ่นชีวะแบคทีเรียบนสายสวนและเครื่องกระตุ้นหัวใจ ไบโอฟิล์มยังเป็นที่รู้จักกันว่าเป็นสาเหตุของการติดเชื้อเยื่อบุหัวใจอักเสบและโรคปอดบวมในผู้ที่มีโรคปอดอักเสบเรื้อรังอ้างอิงจากบทความ 2004 ในวารสาร Nature Reviews
“ เหตุผลที่การก่อตัวของไบโอฟิล์มเป็นสาเหตุที่น่ากังวลอย่างมากคือภายในไบโอฟิล์มนั้นแบคทีเรียมีความต้านทานต่อยาปฏิชีวนะและยาฆ่าเชื้อที่สำคัญอื่น ๆ ที่คุณสามารถใช้เพื่อควบคุมมันได้” AC Matin ศาสตราจารย์ด้านจุลชีววิทยาและภูมิคุ้มกันวิทยาของ Stanford กล่าว มหาวิทยาลัย. ในความเป็นจริงเมื่อเปรียบเทียบกับแบคทีเรียที่ลอยได้อิสระผู้ที่เติบโตในรูปแบบฟิล์มชีวภาพสามารถทนต่อยาปฏิชีวนะและตัวแทนทางชีวภาพและเคมีอื่น ๆ ได้ถึง 1,500 เท่าตามบทความใน Microbe Matin อธิบายความต้านทานต่อ biofilm รวมกับการเพิ่มขึ้นทั่วไปในการดื้อยาปฏิชีวนะของแบคทีเรียในฐานะ "whammy สองเท่า" และความท้าทายที่สำคัญในการรักษาโรคติดเชื้อ
แผ่นชีวะของเชื้อรายังสามารถทำให้เกิดการติดเชื้อโดยการปลูกบนอุปกรณ์ฝัง ยีสต์สายพันธุ์ต่าง ๆ เช่นสมาชิกของสกุล Candida เติบโตจากการปลูกถ่ายเต้านมเครื่องกระตุ้นหัวใจและลิ้นหัวใจเทียมตามบทความปี 2014 ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Cold Spring Harbour มุมมองด้านการแพทย์ Candida สปีชีส์ยังเติบโตบนเนื้อเยื่อของร่างกายมนุษย์นำไปสู่โรคต่าง ๆ เช่นช่องคลอดอักเสบ (การอักเสบของช่องคลอด) และ oropharyngeal candidiasis (การติดเชื้อยีสต์ที่พัฒนาในปากหรือลำคอ) อย่างไรก็ตามผู้เขียนทราบว่าการดื้อยาไม่ได้แสดงในกรณีเหล่านี้
การบำบัดทางชีวภาพ
บางครั้งแผ่นชีวะก็มีประโยชน์ “ โดยทั่วไปแล้วการบำบัดทางชีวภาพคือการใช้สิ่งมีชีวิตหรือผลิตภัณฑ์ของพวกเขา - ตัวอย่างเช่นเอนไซม์ - เพื่อรักษาหรือย่อยสลายสารประกอบที่เป็นอันตราย” Gerlach กล่าว เขาตั้งข้อสังเกตว่าฟิล์มชีวภาพที่ใช้ในการบำบัดน้ำเสียสารปนเปื้อนโลหะหนักเช่นโครเมตระเบิดเช่นทีเอ็นทีและสารกัมมันตรังสีเช่นยูเรเนียม “ จุลินทรีย์สามารถย่อยสลายพวกมันหรือเปลี่ยนความสามารถในการเคลื่อนที่หรือสถานะพิษของพวกมันและทำให้พวกมันเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมและมนุษย์น้อยลง” เขากล่าว
การใช้ไนตริฟิเคชั่นโดยใช้ไบโอฟิล์มเป็นรูปแบบหนึ่งของการบำบัดน้ำเสีย ระหว่างไนตริฟิเคชันแอมโมเนียจะถูกเปลี่ยนเป็นไนไตรต์และไนเตรตผ่านการออกซิเดชั่น สิ่งนี้สามารถทำได้โดยแบคทีเรียออโตโทรฟิคซึ่งเติบโตเป็นแผ่นชีวะบนพื้นผิวพลาสติกอ้างอิงจากบทความปี 2013 ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Water Research พื้นผิวพลาสติกเหล่านี้มีขนาดเพียงไม่กี่เซนติเมตรและกระจายไปทั่วน้ำ
ทีเอ็นทีระเบิด (2,4,6-Trinitrotoluene) ถือเป็นดินน้ำผิวดินและมลพิษจากน้ำใต้ดิน โครงสร้างทางเคมีของ TNT ประกอบด้วยน้ำมันเบนซิน (แหวนหกเหลี่ยมอะโรมาติกที่ทำจากอะตอมคาร์บอนหกอะตอม) ติดอยู่กับสามกลุ่มไนโตร (ไม่มี2) และกลุ่มเมธิลหนึ่งกลุ่ม (CH.)3) จุลินทรีย์ย่อยสลายทีเอ็นทีโดยการลดตามรายงานของปี 2550 ที่ตีพิมพ์ในวารสารจุลชีววิทยาประยุกต์และสิ่งแวดล้อม จุลินทรีย์ส่วนใหญ่ลดไนโตรทั้งสามกลุ่มในขณะที่บางคนโจมตีแหวนอะโรมาติก นักวิจัย - Ayrat Ziganshin, Robin Gerlach และเพื่อนร่วมงาน - พบว่าเชื้อยีสต์ ลิโอลิเวีย สามารถลดระดับ TNT ได้ทั้งสองวิธีแม้ว่าโดยการโจมตีวงแหวนอะโรมาติกเป็นหลัก
เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์
เซลล์เชื้อเพลิงแบบจุลินทรีย์ใช้แบคทีเรียในการแปลงขยะอินทรีย์เป็นพลังงานไฟฟ้า จุลินทรีย์อาศัยอยู่บนพื้นผิวของอิเล็กโทรดและถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปสู่มันในที่สุดก็สร้างกระแสไฟฟ้าในที่สุด Gerlach กล่าว บทความในปี 2011 ตีพิมพ์ในอิลลูมินนิตยสารออนไลน์ของมหาวิทยาลัยเซาเทิร์นแคลิฟอร์เนียบันทึกว่าแบคทีเรียที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ทำลายอาหารและของเสียทางร่างกาย นี่เป็นแหล่งพลังงานที่มีต้นทุนต่ำและพลังงานสะอาดที่ยั่งยืน
การวิจัยอย่างต่อเนื่อง
โลกของเราเต็มไปด้วยแผ่นชีวะ ในความเป็นจริงในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 พบแบคทีเรียมากขึ้นบนพื้นผิวด้านในของภาชนะบรรจุที่มีเชื้อแบคทีเรียมากกว่าที่ลอยได้อย่างอิสระในวัฒนธรรมของเหลวเองตามบทความ 2004 ในจุลชีววิทยารีวิวธรรมชาติ การทำความเข้าใจกับโครงสร้างของจุลินทรีย์ที่ซับซ้อนเหล่านี้เป็นพื้นที่ของการวิจัย
“ Biofilms เป็นชุมชนที่น่าอัศจรรย์บางคนเปรียบเทียบกับสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์เพราะมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์เดียวมากมาย” Gerlach กล่าว "เรายังคงเรียนรู้เกี่ยวกับพวกเขาอย่างต่อเนื่องและเรากำลังเรียนรู้อย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับวิธีการควบคุมพวกเขาให้ดีขึ้นทั้งเพื่อลดความเสียหายในด้านการแพทย์หรือเพื่อประโยชน์ที่เพิ่มขึ้นเช่นเดียวกับการบำบัดทางชีวภาพเราจะไม่หมด คำถามที่น่าสนใจในพื้นที่นั้น "
