Màng sinh học BIOFILM

Màng sinh học BIOFILM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

BÀI BÁO CÁO

ĐỀ TÀI:

MÀNG SINH HỌC BIOFILM

Giáo viên: Ts Vũ Thị Lâm An

SVTH: Nguyễn Thị Duyên 10156009

Lê Thị Bích Hiền 10156020

Hồ Thị Kim Ngân 19156047

Phạm Thị Thúy Vân 091156111

Tp Hồ Chí Minh ngày 21-10-2012

MỤC LỤC

Lời mở đầu 2

Sự hình thành và phát triển của màng Biofilm 3

Biofilm 3

Sự hình thành Biofilm 6

P.aeruginosa và Biofilm 9

Ảnh hưởng của màng biofilm 10

Y học 12

Chăn nuôi 13

Công nghiệp 14

Thực phẩm 14

Cách xử lý và ứng dụng của màng biofilm 16

Tài liệu tham khảo 16

2

LỜI MỞ ĐẦU

Màng sinh học biofilm là mô hình phát triển tự bảo vệ của vi khuẩn Biofilm được quan tâm nhiều trong môi trường, công nghiệp, y học và vệ sinh thực phẩm do các màng này chứa các vi khuẩn gây hư hỏng và gây bệnh, làm tăng nguy cơ cho sức khỏe cộng đồng ngoài ra, các tế bào vi sinh trong biofilm đề kháng hơn với việc làm vệ sinh và khử trùng Sự hình thành màng biofilm là một quá trình phức tạp, trong đó liên quan đến các

cơ chế di truyền và nhiều yếu tố khác như các đặc tính của bề mặt bám và bề mặt tế bào

vi khuẩn

Các bề mặt tự nhiên hay nhân tạo khi tiếp xúc với vi sinh vật, vi sinh vật đều tạo quần thể trên bề mặt đó Sự tạo quần thể trên bề mặt có thể thưa thớt gồm các khuẩn lạc không thể nhìn thấy bằng mắt thường hoặc nhiều đến mức có thể nhìn thấy như những nơi nước đọng trong nhà vệ sinh

I Sự hình thành và phát triển của biofilm:

1 Biofilm:

• Khi các tế bào vi khuẩn phát triển trên bề mặt chúng thường tạo Biofilm_tập hợp các tế bào vi khuẩn gắn vào bề mặt, chèn trong các mạng lưới kết dính do tế bào tiết ra Mạng lưới là hỗn hợp của các polysaccharide, ngoài ra còn có protein thậm chí còn có acid nucleic Các Biofilm có thể chỉ chứa một, hai hoặc phổ biến hơn chứa nhiều loài vi khuẩn

• Ví dụ như Biofilm tạo trên bề mặt răng chứa vài trăm giống loài khác nhau gồm các loài của hai loại Bacteria và Archaea Do vậy, Biofilm là cộng đồng vi sinh vật phát triển và

có chức năng, chứ không chỉ là các tế bào bị bẫy lại trong lưới kết dính

• Có sự khác biệt giữa sự phát triển của vi sinh vật trong Biofilm với tề bào lơ lửng trong môi trường :

o Trong môi trường tự nhiên, sự phát triển của Biofilm dường như luôn mạnh mẽ và đa dạng hơn so với sự phát triển của tế bào lơ lửng trong môi trường xung quanh bề mặt Chẳng hạn như, nếu sự tiêu thụ oxi của quần thể gần bề mặt vượt quá sự khuếch tán oxi vào vùng sâu hơn của Biofilm thì vùng này trở nên kị khí, tạo điều kiện để hình thành quần thể vi khuẩn kị khí và kị khí tùy ý

4

Hình 1: Biofilm vi sinh vật

(a) Mặt cắt ngang của một Biofilm thực nghiêm tạo bởi P.aerugiosa

(b) Kính hiển vi quét lase cùng tiêu điểm của một biofilm tự nhiên

(c) Biofilm của vi khuẩn oxi hóa sắt

• Một trong những đặc tính được quan tâm đối với cộng đồng Biofilm là có khả năng dung nạp kháng sinh và các chất kháng khuẩn khác Chẳng hạn như có khả năng kháng lại chất kháng khuẩn gấp 1000 lần so với các tế bào tự do lơ lửng cùng loài khác Lý do về khả năng dung nạp này là do tốc độ phát triển chậm hơn trong Biofilm và sự giảm khuếch tán các chất kháng khuẩn qua mạng lưới ngoại bào, dạng biểu hiện gen khác với bình thường khả năng dung nạp các chất kháng khuẩn có thể giải thích tại sao Biofilm chịu trách nhiệm về các trường hợp nhiễm trùng mãn tính khó điều trị hay không thể điều trị được và cũng khó diệt trừ sự phát triển bề mặt gây nghẽn trong các hệ thống công nghiệp

2 Sự hình thành Biofilm:

Sự gắn dính

Gắn vài tế bào vào bề mặt rắn

thích hợp

Tạo quần thể

Thông tin giữa các tế bào, phất triển và hình thành polysaccharide

Phát triển

Sự phát triển và hình thành polysaccharide nhiều hơn

Hình 2: 1 Gắn bám khởi đầu, 2 Găn bám thuận nghịch, 3 Thành thục I, 4 thành thục II,

5 Lan tỏa

• Sự va chạm ngẫu nhiên các tế bào với các bề mặt tạo sự gắn dính tế bào lúc đầu, sự kết dính được tạo nên bởi sự tương tác giữa một hay nhiều cấu trúc tế bào và bề mặt các cấu trúc tế bào gồm phần phụ của protein (pili, tiên mao), các protein bề mặt(protein kết dính

của Pseudomonas fluorescens) và các polysaccharide Sự gắn dính của một tế bào vào bề

mặt là tín hiệu để biểu hiện các gen đặc hiệu protein Gồm các gen mã hóa cho protein tổng hợp các phân tử tín hiệu giữa các tế bào và bắt đầu hình thành mạng lưới Một khi hình thành Biofilm, tế bào tự do mất tiên mao và trở thành không di động

(b)

Hình 3: Sự hình thành Biofilm

(a) Biofilm bắt đầu với việc gắn dính của vài tế bào rồi phát triển và thông tin với các tế bào khác, mạng lưới hình thành và trở nên dày đặc hơn khi Biofilm phát triển

(b) ảnh vi thể của Biofilm nhuộm DAPI mà phát triển trên ống thép không gỉ, chú ý trên các kênh nước

• Mặc dù cơ chế chưa được phát hiện, nhưng vi khuẩn cảm nhận được một bề mặt thích hợp và sự việc hợp tác này dẫn đến kiểu phát triển Biofilm Việc chuyển từ tế bào tự do sang phát triển Biofilm là do sản xuất cyclic dimeric guanosine monophosphate (c-di-GMP) tạo ra từ hai phân tử nucleotide guanosine triphosphate

8

Hình 4:

hầu hết các vi khuẩn sử dụng c-di-GMP là chất truyền thông tin thứ hai Chất truyền thông tin thứ hai này là phân tử điều hòa nội bào chuyển thông tin từ môi trường bên ngoài (thông tin thứ nhất) đến các bộ máy tế bào tạo đáp ứng thích hợp, gồm di chuyển,độc tính và hình thành biofilm Trong khi chuyển từ tế bào tự do sang trạng thái phát triển không có tiên mao, C-di-GMP gắn vào protein, protein này điều chỉnh hoạt tính của motor của tiên mao và gắn vào enzyme tạo mạng lưới nội bào của biofilm Nghiên cứu về sự hình thành biofilm đã phát hiện thấy quá trình chuyền tín hiệu c-di-GMP được kiểm soát theo cơ chế riboswitches, điều hòa ARN thông tin, tương tác trực tiếp với c-di-GMP và kiểm soát quả trình sao mã hay dịch mã của các gen đặc hiệu

3 P.aeruginosa và Biofilms

• Bên cạnh các hoạt động nội bào được kích hoạt bởi c-di-GMP, thông tin giữa các tế bào cần thiết để phát triển và duy trì Biofilm vi khuẩn

Vi dụ: ở Pseudomonas aeruginosa, một Biofilm nguy hiểm trước đây, các phân tử tín

hiệu giữa các tế bào là acyl homoserine lactone Khi các lactose này tích lũy, chúng

truyền tín hiệu đến các tế bào P.aeruginosa kế cận rằng quần thể tế bào đủ lớn Kế đó các

lactose tín hiệu này kiểm soát biểu hiện gen góp phần vào việc hình thành Biofilm

• Một trong các gen được tổng hợp lúc này mã hóa cho sự tổng hợp chất thông tin thứ hai c-di-GMP ở cả 2 P.aeruginosa và P.fluorescens (một sinh vật tạo Biofilm liên quan), gia tăng GMP kích thích tạo Biofilm Tuy nhiên, bộ máy Biofilm được thay đổi do

c-di-GMP là rất khác nhau ở cả hai sinh vật Ở P.fluorescens, thay đổi c-di-c-di-GMP ảnh hưởng

đến sự bài tiết và khu trú bề mặt tế bào một loại protein gọi là chất kết dính gắn tế bào

vào bề mặt Ngược lại mức c-di-GMP cao trong P.aeruginosa làm gia tăng việc sản xuất

các polysaccharide ngoại bào và làm giảm chức năng của tiên mao

Lâu ngày,các tế bào P.aeruginosa hợp lại với số lượng lớn hình nấm, có thể cao trên

0,1mm chứa hàng tỷ tế bào, chèn trong mạng lưới polysaccharide kết dính Cấu trúc cuối cùng của Biofilm được xác định bởi các phân tử tín hiệu, các yếu tố dinh dưỡng và môi trường khu trú

Hình 5: Biofilm của Pseudomonas aeruginosa phát triển trên các phiến kính

thủy tinh

• Tại sao vi khuẩn tạo biofilm:

o Đây là cách tự đề kháng để gia tăng khả năng sống sót Biofilm kháng lại các tác động vật lý mà có thể loại bỏ các vi khuẩn các vi khuẩn yếu gắn vào bề mặt Biofilm cũng kháng lại thục bào của hệ thống miễn dịch và sự xâm nhập của các phân tử gây độc cho

vi khuẩn như kháng sinh

o Biofilm cho phép tế bào duy trì ở một nơi thích hợp Biofilm gắn vào bề mặt giàu chất dinh dưỡng như mô động vật hay các bề mặt dòng chảy cố định các tế bào vi khuẩn, định

vị ở nơi giàu chất dinh dưỡng hay được bổ sung liên tục

10

o Biofilm cho phép các tế bào vi khuẩn sống gần nhau hơn, thông tin giữa tế bào tốt hơn, tăng cơ hội sống sót Hơn nữa khi các tế bào gần nhau có nhiều cơ hội hơn trong việc trao đổi dinh dưỡng và di truyền

o Cuối cùng, biofilm dường như là cách tế bào vi khuẩn phát triển trong tư nhiên Biofilm

là kiểu phát triển đương nhiên của các tế bào nhân nguyên thủy trong môi trường tự nhiên, môi trường này khác biệt rất nhiều về chất dinh dưỡng so với môi trường nhiều chất dinh dưỡng trong phòng thí nghiệm sự phát triển ở dạng tế bào tự do thường chỉ thấy ở các vi khuẩn thích nghi với môi trường có nồng dộ chất dinh dưỡng cực thấp

II Ảnh hưởng của Biofilm đối với các lĩnh vực trong cuộc sống:

Biofilm có ở khắp nơi, trên bề mặt của các viên đá nằm dưới đáy sông suối, trên bề mặt nước của các ao tù, vỏ tàu thuyền, trong lòng các ông dẫn nước, trong lòng các ống dẫn dầu hay dẫn khí đốt, trên sàn các quầy hàng thực phẩm, Biofilm ứng dụng trong các lĩnh vực như y học,môi trường, chăn nuôi, thực phẩm,…

1 Y học:

Đối với y học, một trong những đặc tính được quan tâm đối với biofilm là khả năng dung nạp kháng sinh và các chất kháng khuẩn khác Chẳng hạn như có thể kháng lại chất kháng khuẩn gấp 1000 lần so với các tế bào tự do lơ lửng cùng loài khác Lý do về khả năng dung nạp này là do tốc độ phát triển chậm hơn trong biofilm và sự giảm khuếch tán các chất kháng khuẩn qua mạng lưới ngoại bào, dạng biểu hiện gen khác với bình thường Điều này giải thích tại sao biofilm chịu trách nhiệm về các trường hợp nhiễm trùng mãn tính khó điều trị hay không thể điều trị được Trong cơ thể động vật, biofilm

có thể hình thành trên bề mặt lớp tế bào biểu mô như biểu mô ống dẫn niệu, xoang mũi, xoang miệng, trên răng, thậm chí trên bề mặt của những dụng cụ y tế đặt trong cơ thể như van tim, niệu quản nhân tạo gây nhiễm khuẩn

Hình 6: Mảng bám răng

Ví dụ: các biofilm P aeruginosa tạo trong phổi người mắc bệnh “xơ hóa nang” di truyền Ở dạng

Biofilm, P.aeruginosa khó diều trị bằng kháng sinh và biofilm làm thuận lợi cho vi khuẩn tồn tại dai dẳng trong cơ thể bệnh nhân Giống như hầu hết các Biofilm, các Biofilm ở bệnh “xơ năng hóa” chứa nhiều hơn một loại vi khuẩn Do vậy, ngoài tín hiệu trong loài còn có tín hiệu với các loài khác

Hình7: Biofilm P aeruginosa

Hình 8:

Staphylococcus aureus Biofilm trong ống thông y tế

12

2 Chăn nuôi :

Trong chuồng nuôi gia súc, gia cầm, biofilm có mặt trên các thiết bị và dụng cụ chuồng nuôi, trong bồn nước và các ống dẫn nước, trên bề mặt các thiết bị làm lạnh, hút bụi Vi

khuẩn truyền bệnh sống trong các lớp biofilm là thủ phạm gây bệnh cho động vật nuôi Chuồng sử dụng càng lâu, cơ hội tồn tại của các lớp biofilm càng lớn, dịch bệnh càng nhiều Do đó, chuồng nuôi và các thiết bị chăn nuôi cũng cẩn định kỳ tẩy rửa các lớp biofilm

3 Công nghiệp:

Hình 9:Màng sinh học trong ống dẫn nước Hình 10: Hệ thống uống nước của gà

• Tuy là một trong những tác nhân có hại, gây ô nhiễm nguồn nước, ngày nay lợi ích của biofilm đã được các nhà khoa học đã nghiên cứu thành công Công nghệ MBBR xử lí nước thải bằng bùn hoạt tính bởi biofilm Đây là quá trình xử lý bằng biofilm với sinh khối phát triển trên giá thể lơ lửng, mà những giá thể lơ lửng này có thể di chuyển tự do trong bể phản ứng và được giữ lại bên trong bể phản ứng Nhân tố quan trọng của quá trình xử lý này là các giá thể động có lớp màng biofilm dính bám trên bề mặt Những giá thể này được thiết kế sao cho diện tích bề mặt đạt hiệu dụng lớn nhất, để lớp màng biofilm dính bám trên bề mặt giá thể và tạo điều kiện tối ưu cho hoạt động vi sinh vật khi những giá thể này lơ lửng trong nước và tiếp xúc với chất dinh dưỡng Quy luật chung trong sự phát triển của màng vi sinh vật bởi quá trình tiêu thụ cơ chất có trong nước thải và làm sạch nước thải như sau: quá trình vi sinh vật phát triển dính bám trên bề mặt giá thể được chia thành 3 giai đoạn:

o Giai đoạn thứ nhất: khi màng vi sinh vật còn mỏng và chưa bao phủ hết bề mặt rắn

Trong điều kiện này, tất cả vi sinh vật phát triển như nhau, cùng điều kiện, sự phát triển giống như quá trình vi sinh vật lơ lửng

o Giai đoạn thứ hai: độ dày màng trở nên lớn hơn bề dày hiệu quả Trong giai đoạn thứ

hai, tốc độ phát triển là hằng số, bởi vì bề dày lớp màng hiệu quả không thay đổi bất chấp

sự thay đổi của toàn bộ lớp màng, và tổng lượng vi sinh đang phát triển cũng không thay đổi trong suốt quá trình này Lượng cơ chất tiêu thụ chỉ dùng để duy trì sự trao đổi chất của vi sinh vật và không có sự gia tăng sinh khối Lượng cơ chất đưa vào phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu không sẽ có sự suy giảm sinh khối và lớp màng sẽ bị mỏng dần đi nhằm đạt tới cân bằng mới giữa cơ chất và sinh khối

Giai đoạn thứ ba: bề dày lớp màng không thay đổi nhiều và trở nên ổn định Sự trao đổi

chất diễn ra để phân hủy chất hữu cơ thành CO2 và nước Lượng vi sinh vật không thay đổi do chiều dày lớp màng hiệu quả không thay đổi và không có sự gia tăng sinh khối trong giai đoạn này Lượng cơ chất phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu không vi sinh

sẽ thiếu dinh dưỡng và bắt đầu phân hủy nội bào để cân bằng với cơ chất và sinh khối Trên thực tế, quá trình phân hủy nội bào và quá trình trao đổi chất sẽ diễn ra đồng thời với nhau Khi đó tốc độ phát triển màng cân bằng với tốc độ suy giảm bởi sự phân huỷ

14

nội bào, phân huỷ theo dây chuyền thực phẩm, hoặc bị rửa trôi bởi lực cắt của dòng chảy Trong quá trình phát triển của màng vi sinh vật, vi sinh vật thay đổi cả về chủng loại và

số lượng Lúc đầu, hầu hết sinh khối là vi khuẩn, sau đó protozoas và tiếp đến là

metazoas phát triển hình thành nên một hệ sinh thái Protozoas và metazoa ăn màng vi sinh vật làm giảm lượng bùn dư Màng sinh học có thể bao gồm bất kỳ loại vi sinh vật, bao gồm tảo, nấm, vi khuẩn, Achaea và động vật nguyên sinh metazoa và trong hầu hết các màng sinh học tự nhiên, bao gồm các các cộng đồng vi khuẩn phức tạp với nhiều loài Hầu hết các loại vi sinh vật trên màng biofilm thuộc loại dị dưỡng (chúng sử dụng carbon hữu cơ để tạo ra sinh khối mới) với vi sinh vật tùy tiện chiếm ưu thế

4 Thực phẩm:

Trong sản xuất thực phẩm, khi thiết bị chế biến thực phẩm không được thiết kế để được làm sạch một cách dễ dàng, hoặc quá trình khử trùng được thực hiện không triệt để, các hạt thực phẩm còn bám lại trên bề mặt thiết bị tạo cơ hội cho biofilm hình thành và phát triển, làm ô nhiễm thực phẩm Một số loài vi khuẩn thường được tìm thấy trong biofilm

thực phẩm có khả năng gây ngộ độc cao như : Listeria, Pseudomonas spp, Salmonella,

Chúng tự bảo vệ bản thân khỏi nhiệt, ánh sáng, sấy, hóa chất và làm sạch Các yếu tố môi trường có ảnh hưởng đến việc tạo ra biofilm trong chế biến thực phẩm là: chất dinh

dưỡng, axit, nhiệt độ, độ ẩm, oxy, thời gian

III Cách xử lý và ứng dụng của màng biofilm:

1. Chăn nuôi : Ngày nay ở một số nước chăn nuôi tiên tiến người ta đã sử dụng "công nghệ Nanocoating" để giữ vệ sinh chuồng nuôi Các thiết bị như sàn chuồng, khung

chuồng, bồn chứa nước, ống dẫn nước, máy hút bụi, máy thông gió đã được phủ một

lớp nano bạc Lớp nano bạc bề mặt có tác dụng diệt khuẩn, không cho hình thành biofilm

2. Thực phẩm: Vệ sinh các thiết bị là chìa khóa để hạn chế khu vực biofilm có thể tích lũy Việc loại bỏ biofilm được thực hiện bởi sự kết hợp của bốn yếu tố : công thức và nồng độ các chất làm sạch và khử trùng, thời gian tiếp xúc, nhiệt độ, hoạt động cơ học