الأغشية الحيوية: الخصائص ، التدريب ، الأنواع والأمثلة

الأغشية الحيوية أو الأغشية الحيوية هي مجتمعات الكائنات الحية الدقيقة المرتبطة بالسطح ، والتي تعيش في مصفوفة ذاتية المنشأ للمواد البوليمرية خارج الخلية. تم وصفهم في البداية من قِبل أنطوان فون ليوينهوك ، عندما قام بفحص "الرسوم المتحركة" (التي تعمدها بواسطته) ، على لوحة من مواد أسنانه في القرن السابع عشر.

لم يتم تطوير النظرية التي تصور الأغشية الحيوية وتصف عملية تشكيلها حتى عام 1978. اكتشف أن قدرة الكائنات الحية الدقيقة على تكوين الأغشية الحيوية تبدو عالمية.

يمكن أن توجد الأغشية الحيوية في بيئات متنوعة مثل الأنظمة الطبيعية وقنوات المياه وخزانات تخزين المياه والأنظمة الصناعية ، وكذلك في مجموعة متنوعة من الوسائط مثل الأجهزة الطبية والأجهزة اللازمة لمرضى المستشفيات (مثل القثطارات ، على سبيل المثال).

من خلال استخدام الفحص المجهري للإلكترون والمجهري الليزري المسح متحد البؤر ، تم اكتشاف أن الأغشية الحيوية ليست متجانسة ، رواسب غير منظمة للخلايا والطمي المتراكم ، ولكنها هياكل غير متجانسة معقدة.

الأغشية الحيوية عبارة عن مجتمعات معقدة من الخلايا المرتبطة على سطح ، مدرجة في مصفوفة بوليمر عالية الرطوبة والتي يدور ماءها عبر قنوات مفتوحة للهيكل.

تستخدم العديد من الكائنات التي نجحت في بقائها لملايين السنين في البيئة ، على سبيل المثال الأنواع من جنس Pseudomonas و Legionella ، استراتيجية الأغشية الحيوية في بيئات مختلفة عن بيئاتها الأصلية.

خصائص الأغشية الحيوية

الخصائص الكيميائية والفيزيائية لمصفوفة الأغشية الحيوية

- المواد البوليمرية خارج الخلوية التي تفرزها الكائنات الحية الدقيقة في الأغشية الحيوية والجزيئات الكبيرة من السكريات والبروتينات والأحماض النووية والدهون وغيرها من البوليمرات الحيوية ، ومعظمها جزيئات ماء للغاية ، تتقاطع لتشكل بنية ثلاثية الأبعاد تسمى مصفوفة الأغشية الحيوية.

- هيكل المصفوفة شديد اللزوجة ، له خواص مطاطية ، مقاوم للجر والكسر الميكانيكي.

- تتمتع المصفوفة بالقدرة على الالتصاق بأسطح الطور البيني ، بما في ذلك المساحات الداخلية للوسائط المسامية ، من خلال السكريات خارج الخلية التي تعمل بمثابة صموغ ملتصقة.

- مصفوفة البوليمر غالبًا ما تكون أنيونية وتشمل أيضًا مواد غير عضوية مثل الكاتيونات المعدنية.

- يحتوي على قنوات مياه يتم من خلالها تدوير الأكسجين والمواد المغذية والنفايات التي يمكن إعادة تدويرها.

- هذه المصفوفة من الأغشية الحيوية ، تعمل كوسيلة للحماية والبقاء في البيئات المعاكسة ، حاجز ضد الغزاة البلعمية وضد دخول ونشر المطهرات والمضادات الحيوية.

الخصائص الفسيولوجية البيئية للأغشية الحيوية

-تكوين المصفوفة في التدرجات اللا متجانسة تنتج مجموعة متنوعة من الأحياء الدقيقة ، والتي تسمح للتنوع البيولوجي في الوجود في فيلم بيوفيلم.

- داخل المصفوفة ، تختلف طريقة الحياة الخلوية جذريًا عن الحياة الحرة ، وليست مرتبطة بها. تم تجميد الكائنات الحية الدقيقة في الأغشية الحيوية ، وهي قريبة جدًا من بعضها البعض ، وترتبط في المستعمرات ؛ هذه الحقيقة تسمح تفاعلات مكثفة تحدث.

- التفاعلات بين الكائنات الحية الدقيقة في الأغشية الحيوية تشمل التواصل من خلال الإشارات الكيميائية في رمز يسمى "استشعار النصاب".

- هناك تفاعلات مهمة أخرى مثل نقل الجينات وتكوين ميكروكنترول.

- النمط الظاهري للبيوفيلم يمكن وصفه من حيث الجينات التي تعبر عنها الخلايا المرتبطة. يتم تغيير هذا النمط الظاهري فيما يتعلق بمعدل النمو والنسخ الجيني.

- يمكن للكائنات الحية الموجودة داخل الغشاء الحيوي نسخ الجينات التي لا تنسخ أشكالها من العوالق أو الحياة الحرة.

- يتم تنظيم عملية تشكيل بيوفيلم بواسطة جينات محددة ، يتم نسخها خلال التصاق الخلية الأولي.

- في المساحة الضيقة للمصفوفة ، هناك آليات للتعاون والمنافسة. تولد المنافسة تكيفًا ثابتًا في المجموعات البيولوجية.

- يتم إنشاء نظام هضمي خارجي جماعي ، والذي يحتفظ بالأنزيمات خارج الخلية بالقرب من الخلايا.

- يسمح هذا النظام الأنزيمي بحبس وتراكم والتمثيل الغذائي ، الذائب ، المواد الغروية و / أو المعلقة.

- تعمل المصفوفة كمنطقة إعادة تدوير خارجية مشتركة ، وتخزين مكونات الخلايا المسحوقة ، التي تعمل كملف وراثي جماعي.

- يعمل الغشاء الحيوي كحاجز هيكلي وقائي ضد التغيرات البيئية مثل التجفيف ، وعمل المبيدات الحيوية ، والمضادات الحيوية ، والاستجابات المناعية للمضيف ، وعوامل الأكسدة ، والكاتيونات المعدنية ، والإشعاع فوق البنفسجي ، وهو أيضًا دفاع ضد العديد من الحيوانات المفترسة مثل البروتوزوا والحشرات.

- تشكل مصفوفة الأغشية الحيوية بيئة بيئية فريدة من نوعها للكائنات الحية الدقيقة ، والتي تتيح طريقة ديناميكية للحياة للمجتمع البيولوجي. الأغشية الحيوية هي نظم إيكولوجية دقيقة حقيقية.

تشكيل بيوفيلم

تشكيل الأغشية الحيوية هي عملية تنتقل فيها الكائنات الحية الدقيقة من حالة بدوية أحادية الخلية تعيش بحرية إلى حالة مستقرة متعددة الخلايا ، حيث ينتج النمو اللاحق مجتمعات منظمة ذات تمايز خلوي.

يحدث تطور الغشاء الحيوي استجابة للإشارات البيئية خارج الخلية والإشارات المولدة ذاتياً.

اتفق الباحثون الذين درسوا الأغشية الحيوية على أنه من الممكن بناء نموذج افتراضي معمم لشرح تكوينهم.

يتكون هذا النموذج من تشكيل بيوفيلم من 5 مراحل:

1. التصاق الأولي على السطح.
2. تشكيل أحادي الطبقة.
3. الهجرة لتشكيل microcolonies في متعدد الطبقات.
4. إنتاج المصفوفة خارج الخلية البوليمرية.
5. نضوج بيوفيلم ثلاثي الأبعاد.

التصاق الأولي على السطح

يبدأ تكوين الغشاء الحيوي بالالتصاق الأولي للكائنات الدقيقة على السطح الصلب ، حيث يتم تجميدها. لقد تم اكتشاف أن الكائنات الحية الدقيقة لها مجسات سطحية وأن البروتينات السطحية تشارك في تكوين المصفوفة.

في الكائنات غير المتحركة ، عندما تكون الظروف البيئية مواتية ، يزداد إنتاج المواد اللاصقة على سطحها الخارجي. وبهذه الطريقة ، تزيد قدرة التصاق الخلايا الخلوية وسطح الخلية.

في حالة الأنواع المتنقلة ، توجد الكائنات الحية الدقيقة الفردية على سطح ، وهذه هي نقطة الانطلاق نحو تغيير جذري في نمط حياتهم المحمول الرحل ، المستقرة ، وقليلا تقريبا.

تُفقد القدرة على الحركة لأنه في تكوين المصفوفة ، تشارك الهياكل المختلفة مثل فلاجيليا ، وأهداب ، بيلوس و fimbrias ، بالإضافة إلى المواد اللاصقة.

بعد ذلك ، في كلتا الحالتين (الكائنات الحية الدقيقة المتنقلة وغير المتنقلة) ، يتم تشكيل المجاميع الصغيرة أو المستعمرات الدقيقة ويتم إنشاء اتصال خلايا خلايا أكثر كثافة ؛ تحدث التغييرات المظهرية التكيفية في البيئة الجديدة ، في الخلايا المجمعة.

تشكيل أحادي الطبقة و microcolonies في متعدد الطبقات

يبدأ إنتاج المواد البوليمرية خارج الخلوية ، ويحدث التكوين الأحادي الطبقة الأولي والتطور اللاحق في الطبقات المتعددة.

إنتاج المصفوفة خارج الخلية البوليمرية ونضج الأغشية الحيوية ثلاثية الأبعاد

أخيرًا ، يصل فيلم الرشف الحيوي إلى مرحلة النضج ، بهيكل ثلاثي الأبعاد ووجود قنوات تنتقل من خلالها المياه والمواد الغذائية ومركبات الاتصالات الكيميائية والأحماض النووية.

تحتفظ مصفوفة الأغشية الحيوية بالخلايا وتحافظ عليها معًا ، مما يعزز درجة عالية من التفاعل مع التواصل بين الخلايا وتشكيل اتحادات تآزرية. لا يتم تجميد خلايا الغشاء الحيوي تمامًا ، بل يمكنها التحرك داخلها وفصل نفسها أيضًا.

أنواع الأغشية الحيوية

عدد الأنواع

وفقًا لعدد الأنواع المشاركة في الأغشية الحيوية ، يمكن تصنيف الأخير في:

• الأغشية الحيوية من الأنواع. على سبيل المثال ، الأغشية الحيوية التي شكلتها العقدية mutans أو Vellionela parvula.
• الأغشية الحيوية لنوعين. على سبيل المثال ، تم اكتشاف ارتباط المكورات العقدية الطافرة و Vellionela parvula في الأغشية الحيوية.
• الأغشية الحيوية متعددة الميكروبات ، مكونة من العديد من الأنواع . على سبيل المثال ، لوحة الأسنان.

بيئة التدريب

وفقًا للبيئة التي يتم تكوينها فيها ، يمكن أن تكون الأغشية الحيوية:

• طبيعي
• صناعي
• منزلي
• Hospitalarias

نوع الواجهة حيث يتم إنشاؤها

من ناحية أخرى ، بناءً على نوع الواجهة التي يتم تكوينها فيها ، يمكن تصنيفها في:

• الأغشية الحيوية ذات السطح السائل الصلب ، كتلك التي تتكون في القنوات والخزانات والأنابيب وخزانات المياه بشكل عام.
• الأغشية الحيوية بين الطور الصلب للغاز (SAB في اختصارها باللغة الإنجليزية Sub Aereal Biofilms) ؛ وهي مجتمعات ميكروبية تنمو على الأسطح المعدنية الصلبة ، تتعرض مباشرة إلى الغلاف الجوي والإشعاع الشمسي. تم العثور عليها في المباني ، والصخور العارية من الصحارى والجبال وغيرها.

أمثلة من الأغشية الحيوية

- لوحة الأسنان

تمت دراسة لوحة الأسنان ، كمثال مثير للاهتمام لمجتمع معقد يعيش في الأغشية الحيوية. الأغشية الحيوية للوحات الأسنان صلبة وليست مرنة ، بسبب وجود أملاح غير عضوية ، والتي تعطي صلابة للمصفوفة البوليمرية.

الكائنات الحية الدقيقة للوحة الأسنان متنوعة للغاية وهناك ما بين 200 إلى 300 نوع مرتبط بالفيلوف الحيوي.

من بين هذه الكائنات الحية الدقيقة ، هي:

• جنس العقدية . يتكون من البكتيريا الحامضية التي تعمل على نزع المعادن من المينا و العاج ، و تسوس الأسنان. على سبيل المثال ، الأنواع: mutans و S. sobrinus و S. sanguis و S. salivalis و S. mitis و S. oralis و S. milleri .
• جنس Lactobacillus ، يتكون من بكتيريا تغيير طبيعة الحمضية لبروتينات العاج. على سبيل المثال ، الأنواع: casei ، L. fermentum ، L. acidophillus .
• جنس الشعيات ، والتي هي الكائنات الحية الدقيقة الحمضية والبروتينية. من بين هذه الأنواع: اللزوجة ، A. odontoliticus و A. naeslundii.
• وغيرها من الأجناس ، مثل: المبيضات البيضاء ، باكتيرويديز فورسيثوس ، بورفيوموناس اللثة وأكتينوباسيلوس أكتينوميسيتيكوميتانز.

الأفلام الحيوية في الماء الأسود

مثال آخر مثير للاهتمام هو مياه الصرف الصحي المنزلية ، حيث يعيشون في الأغشية الحيوية المرتبطة بالأنابيب ، والكائنات الحية الدقيقة النترجة المؤكسدة للأمونيوم ، والنتريت والبكتيريا النتروفية ذاتية التغذية.

من بين البكتيريا المؤكسدة للأمونيوم في هذه الأغشية الحيوية ، تم العثور على جراثيم نيتروسوموناس المهيمنة عدديًا ، موزعة في جميع أنحاء مصفوفة الأغشية الحيوية.

المكونات الرئيسية داخل مجموعة مؤكسدات النتريت هي تلك الموجودة في جنس Nitrospira ، والتي توجد فقط في الجزء الداخلي من الأغشية الحيوية .

الأغشية الحيوية -Superiori

تتميز الأغشية الحيوية دون الإقليمية بنمو في البقع على الأسطح المعدنية الصلبة مثل الصخور والمنشآت الحضرية. هذه الأغشية الحيوية لها جمعيات مهيمنة من الفطريات ، الطحالب ، البكتيريا الزرقاء ، البكتيريا غير المتجانسة ، البروتوزوا ، وكذلك الحيوانات المجهرية.

على وجه الخصوص ، تمتلك الأغشية الحيوية من SAB كائنات دقيقة كيميائية عضوية قادرة على استخدام المواد الكيميائية غير العضوية المعدنية كمصادر للطاقة.

الكائنات الحية الدقيقة كيميائيًا لديها القدرة على أكسدة المركبات غير العضوية مثل H2 و NH ₃ و NO ₂ و S و HS و Fe 2+ والاستفادة من منتج الطاقة الكهربائية المحتملة للأكسدة في الأيضات الخاصة بها.

بين الأنواع الميكروبية الموجودة في الأغشية الحيوية دون الإقليمية ، هي:

• بكتيريا جنس Geodermatophilus ؛ البكتيريا الزرقاء للجنس c hrococcoccidiopsis والأنواع غير المنتظمة من الخيطيات مثل Calothrix و Gloeocapsa و Nostoc و Stigonema و Phormidium ،
• الطحالب الخضراء للأجناس Chlorella و Desmococcus و Phycopeltis و Printzina و Trebouxia و Trentepohlia و Stichococcus.
• البكتيريا المتغايرة المغايرة (الغالبة في الأغشية الحيوية دون الإقليمية): Arthrobacter sp.، Bacillus sp.، Micrococcus sp .، Paenibacillus sp .، Pseudomonas sp . و Rhodococcus sp .
• بكتيريا و فطريات كيميائية المنشأ مثل الأكتينوميسيتاليس (ستربتومايسيتيس وجيوديرماتوفيلاسيا) ، بروتيوباكتريا ، أكتينوباكتيريا ، أكيدوباكتريا و بكتيرويديز-سيتوفاجا-فلافوباكتريوم

- أفلام بيولوجية للعوامل المسببة للأمراض البشرية

يعيش الكثير من البكتيريا المعروفة باسم العوامل المسببة للأمراض البشرية في الأغشية الحيوية. من بين هذه: ضمة الكوليرا ، ضمة الموضعية ، ضمة فيشيري ، Vellionela parvula ، المكورات العقدية mutans و Legionella pneumophyla.

- الطاعون الدبلي

ومن المثير للاهتمام انتقال الطاعون الدبلي بواسطة لدغة البراغيث ، وهو تكيف حديث العهد للعامل البكتيري المسبب لهذا المرض ، يرسينيا بيستيس.

تنمو هذه البكتيريا كفيلم حيوي مرتبط بالجهاز الهضمي العلوي للمتجه (البراغيث). أثناء اللدغة ، تقذف البراغيث الأغشية الحيوية التي تحتوي على يرسينيا بيستيس في الأدمة وبالتالي تبدأ العدوى.

مستشفى القسطرة الوريدية

من بين الكائنات الحية المعزولة من الأغشية الحيوية في القسطرة الوريدية المركزية المزروعة ، هناك مجموعة مذهلة من البكتيريا إيجابية الجرام وسالبة الجرام ، وكذلك الكائنات الحية الدقيقة الأخرى.

تشير العديد من الدراسات العلمية إلى أن البكتيريا إيجابية الجرام في الأغشية الحيوية في القثاطير الوريدية: المكورات العنقودية الحلقية ، المعوية المعوية ، المعوية البرازية ، المعوية البرازية ، المكورات العنقودية الذهبية ، المكورات العنقودية الذهبية ، المكورات العنقودية الذهبية . والعقدية الرئوية.

من بين البكتيريا سالبة الجرام المعزولة من هذه الأغشية الحيوية: Acinetobacter spp. . و Serratia marcescens.

الكائنات الحية الأخرى الموجودة في هذه الأغشية الحيوية هي: المبيضات المبيضات ، المبيضات البيض ، المبيضات المدارية و الميكوباكتيريوم تشيلوني.

في الصناعة

فيما يتعلق بقابلية التشغيل للصناعة ، تعمل الأغشية الحيوية على توليد عوائق في الأنابيب أو تلف المعدات أو التداخل في عمليات مثل نقل الحرارة عند تغطية أسطح المبادلات أو تآكل الأجزاء المعدنية.

صناعة المواد الغذائية

إن تكوين الأفلام في الصناعات الغذائية يمكن أن يولد مشاكل تشغيلية وصحية مهمة.

مسببات الأمراض المرتبطة في الأغشية الحيوية يمكن أن تلوث المنتجات الغذائية مع البكتيريا المسببة للأمراض وتسبب مشاكل صحية عامة خطيرة في المستهلكين.

من بين الأغشية الحيوية لمسببات الأمراض المرتبطة بصناعة الأغذية ، هناك:

الليستيريا

هذا العامل الممرض يوظف في المرحلة الأولية من تكوين بيوفيلم ، سوط الغشاء والبروتينات. شكل الأغشية الحيوية على الأسطح الفولاذية لآلات التقطيع.

في صناعة الألبان ، يمكن إنتاج الأغشية الحيوية Listeria monocytogenes في الحليب السائل ومنتجات الألبان. تفضل بقايا الألبان في الأنابيب والخزانات والحاويات وغيرها من الأجهزة تطوير الأغشية الحيوية لهذا المُمْرِض التي تستخدمها كمواد مغذية متاحة.

Pseudomonas spp .

يمكن العثور على الأغشية الحيوية لهذه البكتيريا في منشآت صناعة الأغذية ، مثل الأرضيات والمصارف وعلى أسطح الطعام مثل اللحوم والخضروات والفواكه ، وكذلك مشتقات حموضة الحليب المنخفضة.

تفرز Pseudomonas aeruginosa العديد من المواد خارج الخلوية التي تستخدم في تكوين مصفوفة البوليمر للبيوفيلم ، والتمسك بكمية كبيرة من المواد غير العضوية مثل الفولاذ المقاوم للصدأ.

يمكن أن تتعايش Pseudomonas داخل الأغشية الحيوية بالتعاون مع البكتيريا المسببة للأمراض الأخرى مثل السالمونيلا والليستريا .

السالمونيلا النيابة

أنواع السالمونيلا هي العامل المسبب الأول لداء الحيوان المنشأ من المسببات البكتيرية وتفشي التسمم الغذائي.

وقد أظهرت الدراسات العلمية أن السالمونيلا يمكن أن تلتصق في شكل الأغشية الحيوية ، على أسطح الأسمنت والصلب والبلاستيك ، ومرافق منشآت تجهيز الأغذية.

أنواع السالمونيلا لها هياكل السطح مع خصائص لاصقة. بالإضافة إلى ذلك ، فإنه ينتج السليلوز كمادة خارج الخلية ، وهو المكون الرئيسي لمصفوفة البوليمر.

الإشريكية القولونية

يستخدم البروتينات الغشائية والسوطية في الخطوة الأولى لتشكيل الأغشية الحيوية. كما أنه ينتج السليلوز خارج الخلية لتوليد شبكة ثلاثية الأبعاد للمصفوفة في الأغشية الحيوية.

مقاومة الأغشية الحيوية للمطهرات ومبيدات الجراثيم والمضادات الحيوية

توفر الأغشية الحيوية الحماية للكائنات الدقيقة التي تتكون منها ، وذلك لعمل المطهرات ومبيدات الجراثيم والمضادات الحيوية. الآليات التي تسمح بهذه الميزة هي التالية:

• تأخر تغلغل العامل المضاد للميكروبات من خلال المصفوفة ثلاثية الأبعاد للبيوفيلم ، عن طريق الانتشار البطيء للغاية وصعوبة الوصول إلى التركيز الفعال.
• معدل النمو المتغير وانخفاض التمثيل الغذائي للكائنات الحية الدقيقة في الأغشية الحيوية.
• التغييرات في الاستجابات الفسيولوجية للكائنات الحية الدقيقة خلال نمو الغشاء الحيوي ، مع التعبير عن جينات المقاومة المتغيرة.