XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Статья посвящена рассмотрению влияния параметров окружающей среды на развитие биопленок. Описаны взаимодействия между отдельными видами бактерий и другими микроорганизмами. Представлены выводы из исследований, рассматривающих роль отдельно взятых факторов на процесс биопленкообразования. Установлено, какие факторы и организмы могут способствовать ускорению или замедлению формирования биопленок. Выяснено, какие факторы способны послужить причиной их разрушения.

The review is devoted to the consideration of the influence of some factors on the development of biofilms. Interactions between certain types of bacteria and other microorganisms are described. Conclusions are presented from studies that consider the role of individual factors on the process of biofilm formation. It has been established which factors and organisms can contribute to the acceleration or deceleration of biofilm formation. It was found out what factors can cause their destruction.

Key words: biofilms, bacteria, biofilm formation, environment, factor, research.

Бактериям, из-за постоянно меняющихся условий местообитания, приходится искать защиту от влияния факторов окружающей среды, поэтому они вступают в ассоциации с другими микроорганизмами, образуя биопленки. В последнее время, с использованием микроскопических и молекулярно-генетических методов исследования выяснено, что популяции микроорганизмов в природе в большинстве случаев существуют в виде биопленок, закрепленных на субстратах. Бактериальные биопленки являются естественной формой существования бактерий, как в окружающей среде, так и в организме хозяина. В подобном виде бактерии в наименьшей степени подвергаются неблагоприятным воздействиям факторам внешней среды. Образуясь на различных поверхностях, биопленки могут жить даже в морской среде, образуя обрастания камней и корпусов судов [1].

Из абиотических экологических факторов, влияющих на развитии биопленки, – температура и соленость наиболее хорошо изучены.

Например, для образования биопленок S. entericaS24581 более благоприятна концентрация глюкозы 1 %, соленость 3,4 % и температура 8 °C. Если же концентрация глюкозы снижалась до 0,1 %, то биопленки формировались активнее при температуре 37 °C и солености 17 %. Данные исследования позволили определить, что при оптимальном уровне питания выравнивается интенсивность биопленкообразования вне зависимости от температуры и солености. В некоторых же случаях при максимальном уровне питания возможно повышение активности формирования биопленок в крайних значениях определенных факторов (низкой температуре или высокой солености).

Биотическими факторами, которые способствуют поддержанию популяции патогенных бактерий в морской среде, являются взаимодействия с простейшими, водорослями, членистоногими, червями. Выяснено, что инфузории и амебы могут вступать в сложные симбиотические отношения с различными патогенными микроорганизмами, тем самым способствуя поддержанию численности популяции бактерий [2].

Между бактериями, находящимися в смешанном микробном сообществе и живущими в биопленке, возможно взаимодействие, включающее конкуренцию или сотрудничество.

В некоторых литературных источниках содержится информация о более активном образовании биопленок L. monocytogenes, если присутствовали штаммы этого же вида или бактерий других видов, например, Flavobacterium spp., Pseudomonas spp. В других источниках сообщается, что совместное культивирование L. monocytogenes с Enterococcus durans, Lactococcus lactis ssp. lactis и Staphylococcus sciuri ингибировало скорость адсорбции и образования биопленок [3].

Микроводоросли морей оказывают значительное влияние на жизнеспособность популяций Listeria monocytogenes.

С помощью экспериментов удалось доказать, например, что экзометаболиты зеленых и криптомонадовых водорослей, могут увеличить способность листерий к размножению, а диатомовые водоросли, напротив, оказывают ингибирующий эффект на размножение и рост Listeria monocytogenes. Исследования влияния различных растительных экстрактов дало следующие результаты: экстракты подбела подавляли образование биопленок Pectobacterium carotovorum и Escherichia coli, а все экстракты манжетки способствовали стимулированию роста и биопленкообразования бактерий.

Также нематоды способны выступать в качестве естественных хозяев Legionella pneumophila, сохранять и распространять данный вид в окружающей среде. Известно, что листерии могут находиться в составе биопленок с бактериями рода Bacillus [4].

Характер образования слизистых биопленок в большей степени зависит от доступности источника углерода и присутствия растворенных ионов железа. Так, использование азотсодержащих органических веществ стимулировало образование слизистых биопленок, а внесение в среду культивирования ионов кальция снижало количество сорбирующихся бактерий и интенсивность формирования биопленок. Также обнаружено, что ингибирующим эффектом как на адгезию, так и образование биопленок для всех исследованных штаммов обладали и ионы цинка. Наиболее значительно влияние этих катионов проявлялось на первых этапах образования биопленок, приводя к уменьшению числа сорбированных клеток на 85-97 %, при этом образование биопленок снижалось в 1,5-2 раза [5].

Аккумуляция в зрелой биопленке ионов кальция, железа и марганца способствовала ее уплотнению, служила предпосылкой к образованию кристаллических структур вторичных минералов, заполняющих поровое пространство. Присутствие в биопленке органотрофных и железомарганцевых бактерий позволяло утилизировать различные источники углерода и акцепторы электронов [6].

Оценка влияния осмотического давления среды на способность бактерий сорбироваться на гидрофобных полистироловых и гидрофильных стеклянных поверхностях показала, что в контрольных экспериментах численность бактерий, адгезированных на разных типах поверхностей, отличается практически в два раза. Это согласуется с данными о том, что адгезия бактерий на поверхностях гидрофобных материалов выше, чем на гидрофильной поверхности стекла.

Кислород, являясь повсеместным окислителем в природе, влияет на кислотность среды, окислительно-восстановительное состояние и потенциал восстановления во многих абиотических и биотических системах. Биопленки, образованные в аэробных условиях, имеют полую дисперсионную структуру с посевом, а круглые плотно упакованные структуры наблюдаются в анаэробных условиях. Предполагается, что истощение кислорода является причиной отслоения, что предполагает быстрое обнаружение и реакцию биопленки на колебания кислорода.

Бактериофаги, представляющие собой особую группу вирусов, способны избирательно вызывать лизис бактерий. Данные агенты обладают полисахарид-деполимеразой, которая может разрушать биопленки путем деградации экзополисахарида, что было продемонстрировано при исследовании фаговой активности в биопленках Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Enterobacter agglomerans и Staphylococcus aureus[7].

Сегодня изучаются вещества, способные препятствовать образованию биопленок и их ответные реакции на подобные воздействия. Такое средство, как n-ацетилцистеин, например, способно препятствовать образование биопленки патогенами, напрямую воздействуя на полисахаридную матрицу. А регенерация скважин агрессивными дезинфицирующими средствами, такими как соляная кислота, гипохлорит натрия и пероксид водорода, активизирует защитные функции биопленки. Например, у них обнаруживается каталазная активность и устойчивость к ультрафиолетовому облучению [8].

Терапевтическое воздействие на биопленки может направляться на механизмы первоначальной адгезии бактерий к поверхности, блокирование синтеза или разрушение полимерного матрикса, нарушение обмена информацией между клетками.

Большинство современных исследований направлено на то, чтобы преодолеть устойчивость биопленки к антимикробным препаратам путем разработки новых методов лечения, направленных на дезорганизацию биопленки и уничтожение клеток-персистеров [9].

Список литературы:

Марданова А.М., Кабанов Д.А., Рудакова Н.Л., Шарипова М.Р. Биопленки: основные принципы организации и методы исследования. // Учебное пособие. 2016. [Электронный ресурс]. URL: https://kpfu.ru/portal/docs/F1250326711/posobie._.Bioplenki._.Mardanova.AM.Kabanov.D.A..Sharipova.M.R.pdf (дата обращения: 21.11.2020).

Есикова А.И., Бузолева Л.С., Кривошеева А.М. Роль гидробионтов и бактериальных биопленок в выживаемости возбудителей сапрозоонозов в морских экосистемах (обзор литературы) // Экология человека. 2017. №10.; URL: https://cyberleninka.ru/article/n/rol-gidrobiontov-i-bakterialnyh-bioplenok-v-vyzhivaemosti-vozbuditeley-saprozoonozov-v-morskih-ekosistemah-obzor-literatury/viewer (дата обращения: 21.11.2020).

Еськова А.И., Бузолева Л.С., Ким А.В., Богатыренко Е.А., Голозубова Ю.С. Биотические факторы среды, влияющие на выживаемость листерий в морских экосистемах // Современные проблемы науки и образования. 2016. № 5.; URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=25102 (дата обращения: 21.11.2020).

Живетьев М.А., Кириченко К.А., Быбин В.А., Граскова И.А., Маркова Ю.А. Биопленкообразование как стратегия выживания, бактерицидное и противобиопленочное действие иридоидов и фенольных соединений экстрактов манжетки и подбела // Механизмы адаптации микроорганизмов к различным условиям среды обитания: тезисы Всероссийской научной конференции с международным участием (Иркутск, 4-7 июня 2019 г.). Иркутск: Издательство ИГУ, 2019. С. 146-149.

Влияние ионов двухвалентных металлов на адгезию и образование биопленок бактериями Staphylococcus epidermidis // Научный журнал «Фундаментальные исследования». URL: https://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=36418 (дата обращения: 21.11.2020).

Ерощенко Д.В. Влияние факторов внешней среды на первый этапы образования биопленок бактериями Staphylococcus epidermidis: автореф. дис. 03.02.03. докт. биол. наук. Пермь, 2015. 137 с.

Дрюккер В.В., Горшкова А.С. Бактериофаги и их функционирование в биоплёнках // [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/bakteriofagi-i-ih-funktsionirovanie-v-bioplenkah/viewer (дата обращения: 21.11.2020).

Литвиненко З.Н., Кондратьева Л.М. Адаптационный потенциал биопленок железосодержащих подземных вод// Механизмы адаптации микроорганизмов к различным условиям среды обитания: тезисы Всероссийской научной конференции с международным участием (Иркутск, 4-7 июня 2019 г.). Иркутск: Издательство ИГУ, 2019. С. 152-154.

Мальцев С.В., Мансурова Г.Ш. Что такое биопленка? // Научно-практический медицинский журнал «Практическая медицина». 2011. URL: http://pmarchive.ru/chto-takoe-bioplenka (дата обращения: 21.11.2020).

Код для цитирования: Скопировать