МИКРОБИОЛОГИЯ, 2007, том 76, № 2, с. 149-163
= ОБЗОР
УДК 579.8.083182.2(047)
БИОПЛЕНКА - "ГОРОД МИКРОБОВ" ИЛИ АНАЛОГ МНОГОКЛЕТОЧНОГО ОРГАНИЗМА?
© 2007 г. Ю. А. Николаев, В. К. Плакунов
Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, Москва Поступила в редакцию 05.06.2006 г.
В обзоре уточняется определение понятия биопленка и возможность аналогии этих структурированных микробных сообществ с многоклеточными организмами. Подробно рассмотрены механизмы формирования биопленок, типы взаимоотношений компонентов в биопленках, причины устойчивости биопленок к воздействию биоцидов и стрессовых факторов. Обсуждается значение биопленок для микробной экологии и биотехнологии.
Ключевые слова: биопленки, микроорганизмы.
ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на различия в определении понятия "биопленки" (biofilms), формулируемого разными авторами, у этих форм существования микроорганизмов можно отметить специфические особенности, которые позволяют классифицировать их как пространственно и метаболически структурированные сообщества микроорганизмов, заключенные во внеклеточный полимерный мат-рикс и расположенные на границе раздела фаз.
Как правило, биопленки формируются в проточных системах, содержащих необходимые для роста субстраты.
По современным представлениям, 95-99% микроорганизмов в природных местах обитания существуют в виде биопленок. Почему же в лабораторных условиях основной формой культивирования являются планктонные (суспензионные) культуры микроорганизмов? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо рассмотреть условия и основные этапы формирования биопленок, что будет сделано в следующем разделе данного обзора.
Длительное время (со времен Р. Коха, широко применявшего метод культивирования на твердых средах) в микробиологии господствовала парадигма "чистых культур", благодаря которой были достигнуты впечатляющие успехи в изучении микробного разнообразия и в совершенствовании методов классификации. Однако такой подход не всегда способствовал изучению микробной экологии и, в частности, вклада микроорганизмов в биогеохимические процессы in situ.
Смена парадигмы наметилась лишь в середине прошлого века с появлением работ K. Зобелла,
1 Адресат для корреспонденции (e-mail: nikolaevya@mail.ru).
обратившего внимание на важность взаимодействия микроорганизмов с поверхностями раздела фаз [1, 2]. А сама идея, что микроорганизмы существуют в природе, главным образом, в виде структурированных сообществ, а не индивидуальных, свободно плавающих ("планктонных") клеток была сформулирована Дж. Костертоном [3].
Однако наиболее четкую формулировку новой парадигмы дал Г.А. Заварзин, констатировав смену исследовательских подходов к биологическим объектам, а именно, переход от редукционизма к холизму (философии целостности), т.е. к восприятию их как целостных, совместно эволюционирующих систем [4, 5].
В результате узкий взгляд на микроорганизмы как на одноклеточные формы жизни сменяется все большим осознанием их способности функционировать в составе многоклеточных сообществ [6-9].
Биопленки являются одним из видов микробных консорциумов, играющих важнейшую роль в биосферных биогеохимических процессах. Одними из главных факторов, определяющих процессы круговорота биогенных элементов, является молекулярный кислород, подавляющий процессы азотфиксации, денитрификации, восстановления сульфатов и металлов, а также метаногенез. Микроорганизмы, особенно прокариоты, в связи с отсутствием внутриклеточной изоляции аэробных и анаэробных процессов, вынуждены искать выход в формировании ассоциаций с другими микроорганизмами, которые позволяют находить защиту от вредных последствий воздействия кислорода и, особенно, его активных форм. В этом одна из причин того, что в природе микроорганизмы существуют в основном в виде структурированных сообществ. Как мы покажем далее, биопленки защищают населяющие их микроор-
Рис. 1. Основные типы строения бактериальных биопленок: А, Б, В - условные изображения разных микроорганизмов. 1 - слой клеток одного вида, погруженный в матрикс из внеклеточного полимерного материала (ВПМ); 2 - неструктурированная биопленка, составленная из двух или нескольких микроорганизмов, объединенных общим мат-риксом; 3 - мат - слоистая структура из многих видов организмов с четко выраженной стратификацией, т.е. разделением на морфо-функциональные горизонтальные слои (например, верхний слой фототрофных организмов, средний -гетеротрофов-гидролитиков, нижний - анаэробных автотрофных или гетеротрофных организмов); 4 - биопленка с развитой поверхностью в виде лент (тяжей) из слизистого материала; 5 - зубная бляшка - в состав входят много видов бактерий, имеет определенную трехмерную структуру и ограничена в пространстве; 6 - "грибовидное" тело, с более узким основанием, расширяющееся кверху, составленное многими микроорганизмами, в структуре имеются каналы (К), полости (П) и поры (последнее не показано). В состав такой биопленки могут входить как несколько видов организмов, так и один (P. aeruginosa).
ганизмы не только от кислорода, но и от последствий других вредных воздействий окружающей среды [10].
В соответствии с приведенным определением биопленки являются микробными сообществами, формирующимися на поверхности раздела фаз. Всего известно четыре типа разделов фаз, на которых развиваются микробные сообщества: жидкость (водная среда)-твердая поверхность, жидкость-воздух, две несмешивающиеся жидкости и твердая поверхность-воздух. Соответственно, было бы необходимо рассмотреть четыре типа биопленок. Однако в настоящее время детально исследованы только биопленки, развивающиеся на границе жидкой и твердой сред, им, в основном, и посвящен настоящий обзор.
СТРОЕНИЕ БИОПЛЕНОК
Основные наиболее исследованные виды биопленок, формирующиеся на границе твердой и жидкой фаз, имеют следующие морфотипы (рис. 1):
- простой слой клеток, сформированный одним или несколькими видами микроорганизмов, без выраженной морфологической дифференциации (выделяют только внутреннюю и наружную части) - самый примитивный тип биопленок. Такие пленки описаны для бактерий родов Citrobacter [11], а также для дефектных по ауторегуля-ции Pseulomonas aeruginosa [12];
- маты фотосинтезирующих [13], метаноген-ных [14] и сульфатредуцирующих [15] бактери-
альных сообществ, а также сообщество микроорганизмов, развивающееся в очистных сооружениях сточных вод [16]. Маты представляют собой многовидовое сообщество, с выраженной стратификацией соответственно градиенту фактора, регулирующего структуру мата, а именно - света для фототрофов, питательных веществ, окислительного потенциала и др. для хемотрофов. Этот тип биопленок часто может достигать в толщину нескольких десятков сантиметров;
- зубные биопленки (бляшки), образованные сложным сообществом многих микроорганизмов [17, 18]. Этот тип пленок является одним из наиболее изученных. Для него описана строгая последовательность колонизации разными микроорганизмами, типы и механизмы взаимодействия организмов. Из зубных биопленок выделены сотни видов микроорганизмов [19, 20];
- пленка с лентами-выростами, формирующаяся смешанной популяцией бактерий в условиях турбулентного потока [21]. Эти ленты могут отрываться и способствовать расселению популяции;
- "грибы" - биопленки, сформированные одним или несколькими видами микроорганизмов со специфической трехмерной структурой, особыми функционально-морфологическими образованиями (порами, каналами, пустотами, ножками) [22, 23]. В образовании таких дифференцированных биопленок у P. aeruginosa и Serratia marcescens важную роль играют гены, ответственные за синтез альгинатов, рамнолипидов, а также сигнальных компонентов системы "quorum sensing" [24];
Рис. 2. Этапы формирования и распада биопленок на поверхности раздела твердой и жидкой фаз: 1 - формирование слоя молекул органических веществ на поверхности раздела фаз (изображено черными точками); 2 - обратимая адгезия микроорганизмов-первичных колонизаторов (ПК); 3 - переход обратимой адгезии в необратимую, распространение клеток первичных колонизаторов по поверхности, их размножение с формированием микроколоний и образование внеклеточного полимерного материала, матрикса (ВПМ); 4 - формирование трехмерной структуры за счет размножения клеток микроорганизма-первичного колонизатора; 5 - прикрепление на первичную биопленку других микроорганизмов-вторичных колонизаторов (ВК); усложнение трехмерной структуры; 6 - образование зрелой биопленки с выраженной макроструктурой (в данном случае - типа гриба) и микроструктурой (наличие каналов, пор, полостей) и физиологической гетерогенностью микроорганизмов. К - каналы, П - полости; 7 — высвобождение части клеток из биопленки и переход в свободноплавающее состояние.
- бентосные и речные осадки, а также взвешенные в воде хлопья (flocs, "речной и морской снег") и различные типы обрастаний, особенно те, которые формируются в "экстремобиоцено-зах" [25, 26].
Для границы вода-воздух описано 3 морфотипа:
- примитивный слой на границе воды и воздуха, когда микробы образуют пленку - описано для вибрионов [11] и бацилл [27, 28];
- массивные структуры типа чайного гриба (медузомицет, гриб "комбуча") [29, 30]. Сообщество чайного гриба представляет собой симбиоз уксуснокислых бактерий и дрожжей многих родов. Дрожжи включены в полисахаридную стро-му, образованную бактериями, и вся ассоциация располагается на границе вода-воздух, достигая толщины нескольких сантиметров;
- пленка бацилл на границе жидкость-воздух, с рыхлой основной частью из цепочек клеток и плодовыми телами, образующими споры, обращенными в воздух [27, 28].
ЭТАПЫ И МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ БИОПЛЕНОК И ИХ РЕГУЛЯЦИЯ
Погруженная в природную воду твердая поверхность немедленно покрывается так называемой первичной пленкой (conditioning film), изменяющей свойства этой поверхности [31]. Формирова-
ние такого слоя молекул является первой стадией, предшествующей образованию собственно бактериальной пленки (рис. 2). Например, образование зубных бляшек протекает полноценно только на поверхности зубов в присутствии слюны. Белки слюны образуют слой на пов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.