Proizvodi
Biofilmovi - Način formiranja, rast i razvoj
Način formiranja, rast i razvoj, pogodni uslovi za rast i razvoj biofilma
Formiranje biofilma je dinamičan, višefazni proces koji uključuje složenu interakciju između bakterijskih ćelija, površine supstrata i faktora životne sredine. Proces se može podeliti na pet glavnih faza: inicijalnu adheziju, reverzibilna kolonizacija, ireverzibilnu adheziju kroz proizvodnju EPS , maturaciju i disperziju – slika 1.
Slika 1 – Prikaz formiranja biofilma
Formiranje biofilma je regulisano složenim mrežama genetske regulacije i signalnih sistema. „Quorum sensing“ (QS) predstavlja ključni mehanizam međućelijske komunikacije koji omogućava bakterijama da koordiniraju ponašanje u zavisnosti od gustine populacije. QS sistemi regulišu ekspresiju gena uključenih u produkciju EPS, formiranje mikrokolonija i disperziju.
Kada govorimo o prihvatljivim uslovima za rast biofilmova u industrijskim okruženjima, prevashodno se misli na:
Većina bakterija relevantnih za industrijske biofilmove pokazuje optimalan rast na temperaturama između 20°C i 37°C. Iako suboptimalne, niske temperature (4-15°C) ne sprečavaju formiranje biofilma. Listeria monocytogenes može formirati biofilmove na temperaturama hlađenja (4-10°C), iako je proces sporiji nego na optimalnim temperaturama. Ova sposobnost je posebno problematična u industriji hrane gde se proizvodi često skladište na niskim temperaturama – Slika 2 i 3.
U industrijskim okruženjima, temperaturne fluktuacije mogu uticati na stabilnost biofilma. Temperaturni šokovi mogu izazvati disperziju ćelija iz biofilma, što može dovesti do širenja kontaminacije. Međutim, biofilmovi generalno pokazuju značajnu otpornost na temperaturne promene u poređenju sa planktonskim ćelijama
Optimalni uslovi uključuju prisustvo izvora ugljenika (glukoze, drugih šećera, organskih kiselina), azota (amino kiselina, amonijaka, nitrata), fosfora i mikroelemenata. U industriji hrane, rezidue proizvoda na površinama opreme obezbeđuju bogate izvore nutrijenata koji promovišu formiranje biofilma. Biofilmovi mogu perzistirati u oligotrofnim uslovima sa veoma niskim koncentracijama nutrijenata. U distributivnim vodovodnim sistemima, gde su koncentracije organskog ugljenika tipično ispod 1 mg/L, biofilmovi mogu rasti, iako sporije nego u uslovima sa bogatim nutrijentima
Većina bakterija preferira neutralan do blago alkalan pH (6.5-8.0) za optimalan rast biofilma. Mnoge bakterije mogu formirati biofilmove u opsegu pH od 4.0 do 10.0, iako je rast sporiji na ekstremnim vrednostima. Acidofilne bakterije mogu formirati biofilmove na pH vrednostima ispod 4.0 (Lactobacillus spp.), što je relevantno za industriju pića i preradu voća.
Biofilmovi mogu opstati u prisustvu subletalnih koncentracija dezinfekcionih sredstava. EPS matrica i heterogena struktura biofilma obezbeđuju zaštitu od antimikrobnih agenasa. Ćelije u dubljem sloju biofilma mogu preživeti tretmane koji bi bili letalni za planktonske ćelije. Kontinuirana izloženost niskim koncentracijama određenih dezinfekcionih sredstava može čak promovišati formiranje biofilma kroz indukciju stres odgovora
Visoka relativna vlažnost (>80%) promovište formiranje biofilma na površinama izloženim vazduhu. U potpuno potopljenim sistemima, kao što su vodovodni i rashladni sistemi, konstantno prisustvo vode obezbeđuje idealne uslove za razvoj biofilma
Umereni protok fluida može promovišati formiranje biofilma kroz kontinuirano snabdevanje nutrijentima i kiseonikom, kao i uklanjanje metaboličkih produkata. Laminarni protok sa brzinama između 0.1 i 1.0 m/s često promovište formiranje stabilnih biofilmova. Iako visoke brzine protoka (>2 m/s) mogu sprečiti inicijalnu adheziju, jednom formirani biofilmovi mogu izdržati značajne smicajne sile. Biofilmovi u rashladnim sistemima i vodovodnim cevima često perzistiraju uprkos turbulentnom protoku.
Aerobne bakterije zahtevaju prisustvo kiseonika za optimalan rast, dok fakultativno anaerobne i anaerobne bakterije mogu formirati biofilmove u uslovima sa niskom ili bez koncentracije kiseonika. Heterogena struktura zrelih biofilmova stvara gradijente kiseonika koji omogućavaju koegzistenciju aerobnih i anaerobnih bakterija
Slika 2 – SEM slika biofilma, formiranim Listeria m. na staklu na temperaturama (a) – 4OC, (b) – 12OC, (c)-22OC i (d)-37OC.
Slika 3 – SEM slika biofilma, formiranim Listeria m. na podlozi od nerđajučeg čelika na temperaturama (a) – 4OC, (b) – 12OC, (c)-22OC i (d)-37OC.
Fizičko-hemijska svojstva površine materijala značajno utiču na inicijalnu adheziju bakterija i formiranje biofilma. Ključne karakteristike materijala koje utiču na formiranje biofilma uključuju hrapavost površine, hidrofobnost, površinski naboj i hemijski sastav.
Biofilmovi se mogu formirati na nerđajućem čeliku, posebno na površinama sa oštećenjima, zavarenim spojevima ili nedovoljno poliranim površinama. Kvalitet završne obrade površine je kritičan – visoko polirane površine nerđajućeg čelika (Ra < 0.8 μm) pokazuju smanjenu adheziju bakterija u poređenju sa hrapavim površinama.
Plastični materijali generalno promovišu formiranje biofilma više nego nerđajući čelik zbog veće hrapavosti i hidrofobnosti. PVC, koji se široko koristi u vodovodnim sistemima, podržava formiranje biofilma, posebno u prisustvu kondicionog filma. Polipropilen, korišćen u opremi za preradu hrane i medicinskim uređajima, takođe podržava adheziju i rast biofilma.
Guma i elastomeri: Gumeni materijali, kao što su zaptivači, creva i O-ringovi, su posebno podložni formiranju biofilma zbog njihove porozne strukture i hidrofobnosti. Ovi materijali se često koriste u opremi za preradu hrane, vodovodnim sistemima i medicinskim uređajima.
Staklo: Staklo je relativno otporno na formiranje biofilma zbog svoje glatke površine i hidrofilnosti. Međutim, biofilmovi se mogu formirati na staklu u prisustvu kondicionog filma ili u uslovima sa visokim koncentracijama nutrijenata (Slika 2).
Beton i cement: Beton i cement se koriste u vodovodnim rezervoarima, rashladnim tornjevima i industrijskim objektima. Ovi materijali imaju hrapavu, poroznu površinu koja promovište formiranje biofilma. Alkalna priroda svežeg betona može inicijalno inhibirati rast bakterija, ali sa vremenom pH se neutrališe i površina postaje pogodna za kolonizaciju.
Drvo i celulozni materijali: U industriji prerade papira, drvo i celulozni materijali obezbeđuju bogate izvore nutrijenata za bakterijski rast. Porozna struktura drveta omogućava duboku penetraciju bakterija i formiranje stabilnih biofilmova.
