Biofilms zijn een collectief van een of meer soorten micro-organismen die op veel verschillende oppervlakken kunnen groeien. Micro-organismen die biofilms vormen, zijn onder meer bacteriën, schimmels en protisten.
Een veelvoorkomend voorbeeld van een tandplak van biofilm, een slijmerige opeenhoping van bacteriën die zich vormt op het tandoppervlak. Vijverschuim is een ander voorbeeld. Er zijn biofilms gevonden die groeien op mineralen en metalen. Ze zijn onder water, onder de grond en boven de grond gevonden. Ze kunnen groeien op plantenweefsels en dierlijke weefsels en op geïmplanteerde medische apparaten zoals katheters en pacemakers.
Elk van deze verschillende oppervlakken heeft een gemeenschappelijk kenmerk: ze zijn nat. Deze omgevingen zijn "periodiek of continu overgoten met water", volgens een artikel uit 2007 gepubliceerd in Microbe Magazine. Biofilms gedijen op vochtige of natte oppervlakken.
Biofilms hebben zich al heel lang in dergelijke omgevingen gevestigd. Fossiel bewijs van biofilms dateert van ongeveer 3,25 miljard jaar geleden, volgens een artikel uit 2004, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Reviews Microbiology. Zo zijn biofilms gevonden in de 3,2 miljard jaar oude diepzee hydrothermale rotsen van de Pilbara Craton in Australië. Vergelijkbare biofilms worden aangetroffen in hydrothermische omgevingen zoals warmwaterbronnen en diepzeekanalen.
Biofilmvorming
Biofilmvorming begint wanneer vrij zwevende micro-organismen zoals bacteriën in contact komen met een geschikt oppervlak en als het ware wortels beginnen neer te leggen. Deze eerste stap van hechting vindt plaats wanneer de micro-organismen een kleverige stof produceren die bekend staat als een extracellulaire polymere stof (EPS), volgens het Center for Biofilm Engineering van de Montana State University. Een EPS is een netwerk van suikers, eiwitten en nucleïnezuren (zoals DNA). Het zorgt ervoor dat de micro-organismen in een biofilm aan elkaar blijven plakken.
Aanhechting wordt gevolgd door een periode van groei. Verdere lagen micro-organismen en EPS bouwen voort op de eerste lagen. Uiteindelijk creëren ze een bolvormige en complexe 3D-structuur, volgens het Center for Biofilm Engineering. Waterkanalen doorkruisen biofilms en zorgen voor de uitwisseling van voedingsstoffen en afvalproducten, volgens het artikel in Microbe.
Meerdere omgevingscondities helpen bepalen in hoeverre een biofilm groeit. Deze factoren bepalen ook of het is gemaakt van slechts een paar lagen cellen of aanzienlijk meer. "Het hangt echt af van de biofilm", zegt Robin Gerlach, professor aan de afdeling chemische en biologische engineering aan de Montana State University-Bozeman. Zo kunnen micro-organismen die een grote hoeveelheid EPS produceren, uitgroeien tot vrij dikke biofilms, zelfs als ze niet over veel voedingsstoffen beschikken, zei hij. Aan de andere kant, voor micro-organismen die afhankelijk zijn van zuurstof, kan de beschikbare hoeveelheid de groei beperken. Een andere omgevingsfactor is het concept van "schuifspanning". "Als je een zeer hoge stroom over een biofilm hebt, zoals in een kreek, is de biofilm meestal vrij dun. Als je een biofilm hebt in langzaam stromend water, zoals in een vijver, kan het erg dik worden", legde Gerlach uit.
Ten slotte kunnen de cellen in een biofilm de vouw verlaten en zich op een nieuw oppervlak vestigen. Ofwel breekt er een klomp cellen los, ofwel barsten individuele cellen uit de biofilm en zoeken een nieuw thuis. Dit laatste proces staat bekend als "zaaiende verspreiding", volgens het Center for Biofilm Engineering.
Waarom een biofilm vormen?
Voor micro-organismen heeft het leven als onderdeel van een biofilm bepaalde voordelen. "Gemeenschappen van microben zijn meestal beter bestand tegen stress", vertelde Gerlach aan WordsSideKick.com. Mogelijke stressfactoren zijn onder meer het gebrek aan water, een hoge of lage pH of de aanwezigheid van stoffen die giftig zijn voor micro-organismen zoals antibiotica, antimicrobiële stoffen of zware metalen.
Er zijn veel mogelijke verklaringen voor de hardheid van biofilms. Zo kan de slijmerige EPS-bekleding als beschermende barrière fungeren. Het kan uitdroging helpen voorkomen of fungeren als afscherming tegen ultraviolet (UV) licht. Ook worden schadelijke stoffen zoals antimicrobiële stoffen, bleekmiddel of metalen ofwel gebonden of geneutraliseerd wanneer ze in contact komen met de EPS. Zo worden ze verdund tot concentraties die niet dodelijk zijn, lang voordat ze verschillende cellen diep in de biofilm kunnen bereiken, volgens een artikel uit 2004 in Nature Reviews Microbiology.
Toch is het mogelijk dat bepaalde antibiotica de EPS binnendringen en zich een weg banen door de lagen van een biofilm. Hier kan een ander beschermend mechanisme een rol spelen: de aanwezigheid van fysiologisch slapende bacteriën. Om goed te kunnen werken, hebben alle antibiotica een zekere mate van cellulaire activiteit nodig. Dus als bacteriën om te beginnen fysiologisch inactief zijn, is er niet veel dat een antibioticum verstoort.
Een andere vorm van bescherming tegen antibiotica is de aanwezigheid van speciale bacteriële cellen die bekend staan als 'persisters'. Dergelijke bacteriën delen zich niet en zijn resistent tegen veel antibiotica. Volgens een artikel uit 2010, gepubliceerd in het tijdschrift Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, "houdt" functie in stand door stoffen te produceren die de doelen van de antibiotica blokkeren.
Over het algemeen profiteren micro-organismen die als biofilm samenleven van de aanwezigheid van hun verschillende leden van de gemeenschap. Gerlach haalde het voorbeeld aan van autotrofe en heterotrofe micro-organismen die samen leven in biofilms. Autotrofen, zoals fotosynthetische bacteriën of algen, kunnen hun eigen voedsel produceren in de vorm van organisch (koolstofhoudend) materiaal, terwijl heterotrofen hun eigen voedsel niet kunnen produceren en externe koolstofbronnen nodig hebben. 'In deze multi-organismale gemeenschappen kruisen ze elkaar vaak', zei hij.
Biofilms en wij
Gezien het enorme scala aan omgevingen waarin we biofilms tegenkomen, is het geen verrassing dat ze veel aspecten van het menselijk leven beïnvloeden. Hieronder volgen enkele voorbeelden.
Gezondheid en ziekte
Naarmate het onderzoek in de loop van de jaren vorderde, zijn biofilms - bacterieel en schimmel - betrokken bij verschillende gezondheidsproblemen. In een oproep tot het indienen van subsidies voor 2002 merkten de National Institutes of Health (NIH) op dat biofilms "verantwoordelijk waren voor meer dan 80 procent van de microbiële infecties in het lichaam".
Biofilms kunnen groeien op geïmplanteerde medische apparaten zoals prothetische hartkleppen, gewrichtsprothesen, katheters en pacemakers. Dit leidt weer tot infecties. Het fenomeen werd voor het eerst opgemerkt in de jaren 80 toen bacteriële biofilms werden gevonden op intraveneuze katheters en pacemakers. Van bacteriële biofilms is ook bekend dat ze infectieuze endocarditis en longontsteking veroorzaken bij mensen met cystische fibrose, volgens het artikel uit 2004 in Nature Reviews Microbiology, naast andere infecties.
"De reden dat biofilmvorming een grote reden tot bezorgdheid is, is dat bacteriën binnen een biofilm beter bestand zijn tegen antibiotica en andere belangrijke desinfectiemiddelen die je zou kunnen gebruiken om ze te bestrijden", zegt AC Matin, een professor in de microbiologie en immunologie aan Stanford Universiteit. In feite, vergeleken met vrij zwevende bacteriën, kunnen degenen die als biofilm groeien tot wel 1500 keer beter resistent zijn tegen antibiotica en andere biologische en chemische middelen, volgens het artikel in Microbe. Matin beschreef biofilmresistentie in combinatie met de algemene toename van antibioticaresistentie onder bacteriën als een "dubbele klap" en een grote uitdaging bij het behandelen van infecties.
Schimmelbiofilms kunnen ook infecties veroorzaken door te groeien op geïmplanteerde apparaten. Gistsoorten zoals de leden van het geslacht Candida groeien op borstimplantaten, pacemakers en hartprothesen volgens een artikel uit 2014, gepubliceerd in het tijdschrift Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. Candida soorten groeien ook op menselijke lichaamsweefsels, wat leidt tot ziekten zoals vaginitis (ontsteking van de vagina) en orofaryngeale candidiasis (een schimmelinfectie die zich ontwikkelt in de mond of keel). De auteurs merken echter op dat in deze gevallen geen geneesmiddelresistentie werd aangetoond.
Bioremediatie
Soms zijn biofilms nuttig. "Bioremediatie is in het algemeen het gebruik van levende organismen of hun producten - bijvoorbeeld enzymen - om schadelijke verbindingen te behandelen of af te breken", zei Gerlach. Hij merkte op dat biofilms worden gebruikt bij de behandeling van afvalwater, verontreinigingen met zware metalen zoals chromaat, explosieven zoals TNT en radioactieve stoffen zoals uranium. "Microben kunnen ze afbreken, of hun mobiliteit of hun giftige toestand veranderen en ze daardoor minder schadelijk maken voor het milieu en de mens", zei hij.
Nitrificatie met biofilms is een vorm van afvalwaterbehandeling. Tijdens nitrificatie wordt ammoniak door oxidatie omgezet in nitrieten en nitraten. Dit kan worden gedaan door autotrofe bacteriën, die groeien als biofilms op plastic oppervlakken, volgens een artikel uit 2013 dat is gepubliceerd in het tijdschrift Water Research. Deze plastic oppervlakken zijn slechts enkele centimeters groot en worden door het water verdeeld.
Het explosieve TNT (2,4,6-trinitrotolueen) wordt beschouwd als een bodem-, oppervlaktewater- en grondwaterverontreinigende stof. De chemische structuur van TNT bestaat uit benzeen (een hexagonale aromatische ring gemaakt van zes koolstofatomen), vastgemaakt aan drie nitrogroepen (NO2) en één methylgroep (CH3). Micro-organismen breken TNT af door reductie, volgens een artikel uit 2007, gepubliceerd in het tijdschrift Applied and Environmental Microbiology. De meeste micro-organismen verminderen de drie nitrogroepen, terwijl sommige de aromatische ring aantasten. De onderzoekers - Ayrat Ziganshin, Robin Gerlach en collega's - ontdekten dat de giststam Yarrowia lipolytica was in staat om TNT op beide manieren te degraderen, maar voornamelijk door de aromatische ring aan te vallen.
Microbiële brandstofcellen
Microbiële brandstofcellen zetten bacteriën in om organisch afval om te zetten in elektriciteit. De microben leven op het oppervlak van een elektrode en brengen er elektronen op over, waardoor uiteindelijk een stroom ontstaat, zei Gerlach. Een artikel uit 2011, gepubliceerd in Illumin, een online tijdschrift van de University of Southern California, merkt op dat bacteriën die microbiële brandstofcellen aandrijven, voedsel en lichaamsafval afbreken. Dit zorgt voor een goedkope energiebron en schone duurzame energie.
Lopend onderzoek
Onze wereld wemelt van biofilms. Tegen het midden van de 20e eeuw werden er zelfs meer bacteriën gevonden op de binnenoppervlakken van containers met bacterieculturen dan vrij ronddrijvend in de vloeibare cultuur zelf, volgens het artikel uit 2004 in Nature Reviews Microbiology. Het begrijpen van deze complexe microbiële structuren is een actief onderzoeksgebied.
"Biofilms zijn geweldige gemeenschappen. Sommige mensen hebben ze vergeleken met meercellige organismen omdat er veel interactie is tussen afzonderlijke cellen", zei Gerlach. "We blijven ze leren kennen, en we blijven leren hoe we ze beter kunnen beheersen; zowel voor minder schade, als op het gebied van geneeskunde, of voor meer voordeel als bij bioremediatie. We zullen niet zonder raken interessante vragen op dat gebied. "
