생물막은 다양한 표면에서 자랄 수있는 하나 이상의 미생물 유형의 집합체입니다. 생물막을 형성하는 미생물에는 박테리아, 곰팡이 및 원생 생물이 포함됩니다.
바이오 필름 치과 용 플라크의 한 가지 일반적인 예는 치아 표면에 형성되는 칙칙한 박테리아 축적입니다. 연못 쓰레기가 또 다른 예입니다. 생물막은 미네랄과 금속에서 자라는 것이 발견되었습니다. 그들은 수중, 지하 및 지상에서 발견되었습니다. 그들은 식물 조직과 동물 조직, 그리고 카테터와 맥박 조정기와 같은 이식 된 의료 기기에서 자랄 수 있습니다.
이러한 개별 표면 각각에는 공통 정의 기능이 있습니다. Microbe Magazine에 발표 된 2007 년 기사에 따르면 이러한 환경은 "정기적으로 또는 지속적으로 물을 뿌린다"고합니다. 생물막은 습하거나 젖은 표면에서 번성합니다.
바이오 필름은 이러한 환경에서 매우 오랫동안 확립되어 왔습니다. 네이쳐 리뷰 미생물학 (Nature Reviews Microbiology) 저널에 실린 2004 년 기사에 따르면 바이오 필름의 화석 증거는 약 254 억 년 전으로 거슬러 올라갑니다. 예를 들어, 생물막은 호주 Pilbara Craton의 32 억 년 된 심해 수열 암석에서 발견되었습니다. 온천과 심해 통풍구와 같은 열수 환경에서 유사한 생물막이 발견됩니다.
생물막 형성
박테리아와 같은 자유 부유 미생물이 적절한 표면과 접촉하여 뿌리를 내리기 시작하면 생물막 형성이 시작됩니다. Montana State University의 Biofilm Engineering Center에 따르면이 첫 번째 부착 단계는 미생물이 세포 외 고분자 물질 (EPS)로 알려진 끈적 끈적한 물질을 생성 할 때 발생합니다. EPS는 설탕, 단백질 및 핵산 (예 : DNA)의 네트워크입니다. 그것은 생물막의 미생물들이 서로 달라 붙도록합니다.
부착 후에는 성장 기간이 따른다. 추가 층의 미생물 및 EPS는 제 1 층 위에 형성된다. Biofilm Engineering Center에 따르면 궁극적으로 이들은 복잡하고 복잡한 3D 구조를 만듭니다. 미생물의 기사에 따르면 수로는 수십 개의 바이오 필름을 가로 질러 영양소와 폐기물을 교환 할 수 있습니다.
여러 환경 조건이 생물막이 자라는 정도를 결정하는 데 도움이됩니다. 이 요인들은 또한 몇 층의 세포만으로 만들어 졌는지 또는 훨씬 더 많이 만들어 졌는지 결정합니다. Montana State University-Bozeman의 화학 및 생물 공학과의 교수 인 Robin Gerlach는“이것은 생물막에 달려있다. 예를 들어, 많은 양의 EPS를 생성하는 미생물은 많은 영양소에 접근 할 수 없더라도 상당히 두꺼운 바이오 필름으로 자랄 수 있다고 그는 말했다. 다른 한편으로, 산소에 의존하는 미생물의 경우, 이용 가능한 양은 그들이 성장할 수있는 양을 제한 할 수 있습니다. 또 다른 환경 요인은 "전단 응력"의 개념입니다. Gerlach는“크릭처럼 생물막을 가로 질러 매우 높은 유량을 가지고 있다면 생물막은 상당히 얇다. 연못과 같이 느리게 흐르는 물에 생물막이 있으면 매우 두꺼워 질 수있다”고 Gerlach는 설명했다.
마지막으로, 생물막 내의 세포는 접히지 않고 새로운 표면에 자신을 확립 할 수 있습니다. 세포 덩어리가 부서 지거나 개별 세포가 생물막에서 터져 새로운 집을 찾습니다. Biofilm Engineering Center에 따르면이 후자의 공정은 "파종 분산"이라고합니다.
왜 생물막을 형성합니까?
미생물의 경우, 생물막의 일부로 생활하는 데는 특정한 이점이 있습니다. Gerlach는 Live Science에“미생물 공동체는 보통 스트레스에 대해 더 탄력적이다. 잠재적 스트레스 요인에는 물 부족, 높거나 낮은 pH, 또는 항생제, 항균제 또는 중금속과 같은 미생물에 독성이있는 물질의 존재가 포함됩니다.
생물막의 견고성에 대한 많은 가능한 설명이 있습니다. 예를 들어, 칙칙한 EPS 커버링은 보호 장벽 역할을 할 수 있습니다. 탈수를 예방하거나 자외선 (UV)에 대한 보호막 역할을합니다. 또한 항균제, 표백제 또는 금속과 같은 유해 물질은 EPS와 접촉 할 때 결합되거나 중화됩니다. 따라서 Nature Reviews Microbiology의 2004 기사에 따르면, 그들은 생물막의 다양한 세포에 도달하기 전에 치명적이지 않은 농도로 희석됩니다.
그럼에도 불구하고 특정 항생제가 EPS에 침투하여 바이오 필름 층을 통과 할 수 있습니다. 여기서 또 다른 보호 메커니즘이 작동 할 수 있습니다. 생리적으로 휴면 상태 인 박테리아의 존재. 제대로 작동하려면 모든 항생제에 일정 수준의 세포 활동이 필요합니다. 따라서 박테리아가 생리적으로 휴면 상태이면 항생제가 파괴되는 것은 그리 많지 않습니다.
항생제에 대한 또 다른 보호 방식은 "퍼스 터 (perister)"로 알려진 특수 박테리아 세포의 존재입니다. 이러한 박테리아는 많은 항생제를 분열하지 않으며 내성이 있습니다. 생물학의 Cold Spring Harbor Perspectives 저널에 발표 된 2010 년 기사에 따르면, "peristers"는 항생제의 표적을 차단하는 물질을 생산함으로써 기능합니다.
일반적으로, 생물막으로 함께 사는 미생물은 다양한 공동체 구성원의 존재로부터 혜택을받습니다. Gerlach는 생물막에 함께 사는 autotrophic과 heterotrophic 미생물의 예를 인용했다. 광합성 박테리아 또는 조류와 같은자가 영양은 유기 (탄소 함유) 물질 형태로 자체 식품을 생산할 수있는 반면, 이영 양체는 자체 식품을 생산할 수 없으며 외부 탄소 공급원을 필요로합니다. "이러한 다종 유기체 공동체에서는 종종 먹이를 교차한다"고 그는 말했다.
생물막과 우리
우리가 생물막에 접하는 광범위한 환경을 고려할 때, 그것이 생물의 많은 측면에 영향을 미친다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 다음은 몇 가지 예입니다.
건강과 질병
수년간 연구가 진행되면서 박테리아와 곰팡이 같은 생물막은 다양한 건강 상태에 연루되어 왔습니다. 2002 년 보조금 신청 요청에서 NIH (National Institutes of Health)는 생물막이 "체내 미생물 감염의 80 % 이상을 차지했다"고 지적했다.
바이오 필름은 보철 심장 판막, 관절 보철, 카테터 및 맥박 조정기와 같은 이식 된 의료 기기에서 성장할 수 있습니다. 이것은 차례로 감염으로 이어집니다. 이 현상은 세균성 바이오 필름이 정맥 카테터 및 맥박 조정기에서 발견 된 1980 년대에 처음 발견되었습니다. 네이쳐 리뷰 미생물학 (Nature Reviews Microbiology)의 2004 년 논문에 따르면, 세균성 생물막은 낭성 섬유증 환자에서 감염성 심내막염과 폐렴을 유발하는 것으로 알려져 있습니다.
스탠포드의 미생물학 및 면역학 교수 인 AC 마틴은“바이오 필름 형성이 우려되는 큰 원인은 바이오 필름 내에서 박테리아가 항생제 및 기타 주요 소독제에 내성을 갖기 때문이다. 대학. 실제로, 부유 부유 박테리아와 비교할 때, 미생물의 논문에 따르면, 생물막으로 자라는 박테리아는 항생제와 다른 생물학적 및 화학적 작용제에 대해 최대 1,500 배 더 저항력이 있습니다. Matin은 세균의 항생제 내성 증가가 "더블 whammy"및 감염 치료에 대한 주요 과제와 결합 된 생물막 저항성을 설명했습니다.
곰팡이 생물막은 또한 이식 장치에서 자라서 감염을 일으킬 수 있습니다. 속의 구성원과 같은 효모 종 칸디다 의학의 Cold Spring Harbor Perspectives 저널에 실린 2014 기사에 따르면 유방 임플란트, 맥박 조정기 및 인공 심장 판막에서 자랍니다. 칸디다 종은 또한 인체 조직에서 자라서 질염 (질의 염증) 및 구강 인두 칸디다증 (입이나 목구멍에서 발생하는 효모 감염)과 같은 질병을 유발합니다. 그러나 저자들은 이러한 경우 약물 내성이 보이지 않았다고 지적했다.
생물 치료
때로는 바이오 필름이 유용합니다. Gerlach 박사는“생물 치료는 일반적으로 살아있는 유기체 또는 그들의 제품 (예 : 효소)을 사용하여 유해한 화합물을 치료하거나 분해하는 것이다. 그는 생물막이 폐수, 크로메이트와 같은 중금속 오염물, TNT와 같은 폭발물 및 우라늄과 같은 방사성 물질을 처리하는 데 사용된다고 언급했다. "미생물은 미생물을 분해하거나 이동성 또는 독성 상태를 변화시켜 환경과 인간에 덜 해를 끼칠 수있다"고 그는 말했다.
생물막을 이용한 질화는 폐수 처리의 한 형태입니다. 질화 과정에서 암모니아는 산화를 통해 아질산염과 질산염으로 전환됩니다. Water Research 지에 발표 된 2013 년 기사에 따르면, 이는 플라스틱 표면에 생물막으로 자라는 autotrophic 박테리아에 의해 이루어질 수 있습니다. 이 플라스틱 표면은 크기가 몇 센티미터에 불과하며 물 전체에 분포되어 있습니다.
폭발성 TNT (2,4,6-Trinitrotoluene)는 토양, 지표수 및 지하수 오염 물질로 간주됩니다. TNT의 화학 구조는 3 개의 니트로 그룹에 부착 된 벤젠 (6 개의 탄소 원자로 구성된 6 각형 방향족 고리)으로 구성됩니다 (NO2) 및 하나의 메틸 그룹 (CH3). Applied and Environmental Microbiology 저널에 발표 된 2007 년 기사에 따르면 미생물은 환원에 의해 TNT를 분해합니다. 대부분의 미생물은 3 개의 니트로 그룹을 줄이고 일부는 방향족 고리를 공격합니다. 연구원-Ayrat Ziganshin, Robin Gerlach 및 동료-효모 균주가 야로 위아 리포 리 티카 주로 방향족 고리를 공격하여 두 가지 방법으로 TNT를 분해 할 수있었습니다.
미생물 연료 전지
미생물 연료 전지는 박테리아를 사용하여 유기 폐기물을 전기로 변환합니다. 미생물은 전극의 표면에 살고 전자를 전달하여 전류를 생성한다고 Gerlach 씨는 말했다. Southern California 대학 온라인 잡지 Illumin에 게재 된 2011 년 기사에 따르면 미생물 연료 전지를 작동시키는 박테리아가 음식과 신체 폐기물을 분해한다고합니다. 이는 저비용의 전력 공급원과 깨끗하고 지속 가능한 에너지를 제공합니다.
지속적인 연구
우리 세계는 바이오 필름으로 가득합니다. 실제로, Nature Reviews Microbiology의 2004 년 논문에 따르면 20 세기 중반까지 액체 배양 물 자체에 자유롭게 떠 다니는 것보다 박테리아 배양 물을 담는 용기의 내부 표면에서 더 많은 박테리아가 발견되었습니다. 이러한 복잡한 미생물 구조를 이해하는 것이 활발한 연구 분야입니다.
Gerlach 박사는“바이오 필름은 놀라운 공동체이다. 어떤 사람들은 단일 세포 사이에 많은 상호 작용이 있기 때문에 이들을 다세포 유기체와 비교했다. "우리는 계속해서 그들에 대해 배우고 있으며, 의학 분야에서와 같이 손해를 줄이거 나 생물학적 치료와 같이 이익을 높이기 위해 더 잘 통제하는 방법에 대해 계속 배우고 있습니다. 그 분야에서 흥미로운 질문이 있습니다. "
