Màng sinh học (biofilm) là một tập hợp các vi sinh vật gắn trên bề mặt của một vật thể cứng hoặc bề mặt chất lỏng, tạo thành lớp màng bao phủ bề mặt đó. Biofilm là dạng tồn tại phổ biến của vi khuẩn trong môi trƣờng. Tuy có vai trò quan trọng trong đời sống của vi khuẩn cũng nhƣ ảnh hƣởng của nó lên hoạt động của con ngƣời, nhƣng hiện tƣợng này chỉ nhận đƣợc nhiều sự chú ý của các nhà khoa học trong thời gian gần đây.
Phần lớn các vi sinh vật sinh trƣởng trên môi trƣờng lỏng và bán lỏng đều có khả năng tạo màng sinh học. Khu hệ vi sinh vật trong biofilm có khả năng chống chịu các điều kiện khắc nghiệt của môi trƣờng tốt hơn, hỗ trợ trao đổi chất tốt hơn và hạn chế sự canh tranh của các vi sinh vật khác. Hiện nay trên thế giới, biofilm đã đƣợc ứng dụng thành công trong công nghiệp dầu khí nhằm giảm thiểu quá trình ăn mòn kim loại trong các đƣờng ống dẫn dầu. Bên cạnh đó, do có khả năng phân hủy các thành phần dầu mỏ nên các biofilm này còn đƣợc sử dụng trong xử lý nƣớc thải ô nhiễm dầu. Việc ứng dụng thành công biofilm trong công nghiệp dầu mỏ và xử lý ô nhiễm hứa hẹn trở thành một công nghệ mới đem lại hiệu quả kinh tế cao và thân thiện với môi trƣờng [26]. Biofilm gồm 2 thành phần chính nhƣ sau:
- Thành phần tế bào: gồm tập hợp các tế bào của một hay nhiều loài vi sinh vật khác nhau, bám dính trên bề mặt nhất định (có thể hữu sinh hoặc vô sinh).
- Mạng lƣới các hợp chất ngoại bào bao quanh các tế bào, tạo nên cấu trúc đặc trƣng cho biofilm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Biofilm không phải là một dạng sống quá đặc biệt mà trong tự nhiên, đây là một hình thức tồn tại khá phổ biến. Có bốn nguyên nhân chính khiến vi khuẩn tạo biofilm, đó là:
(1) Đây là cách tự đề kháng để gia tăng khả năng sống sót với các tác động môi trƣờng xung quanh.
(2) Biofilm cho phép tập đoàn vi sinh vật duy trì ở 1 nơi thích hợp, cố định các tế bào, định vị ở nơi giàu chất dinh dƣỡng hay nơi đƣợc bổ sung chất dinh dƣỡng liên tục.
(3) Biofilm cho phép các tế bào vi khuẩn sống gần nhau hơn, thông tin di truyền giữa các tế bào đƣợc trao đổi tốt hơn, do đó làm tăng cơ hội sống sót và làm tăng quá trình trao đổi chất dinh dƣỡng và di truyền.
(4) Biofilm là cách tế bào vi khuẩn phát triển trong tự nhiên. Đây là kiểu phát triển “đƣơng nhiên” của các tế bào. Sự phát triển ở dạng tế bào tự do thƣờng chỉ thấy ở các vi khuẩn thích nghi với môi trƣờng có nồng độ chất dinh dƣỡng cực thấp.
Cấu trúc của biofilm
Về cơ bản biofilm đƣợc cấu tạo từ rất nhiều tế bào của cùng một loài hay từ các loài vi sinh vật khác, khối lƣợng tế bào vi sinh vật chiếm 2-5% tổng khối lƣợng biofilm, 97% là nƣớc, 3-6% còn lại lại là các hợp chất polymer ngoại bào (EPS) và ion [7]. Một tế bào riêng lẻ có thể tạo nên vài thành phần ngoại bào khác nhau, tùy thuộc vào điều kiện môi trƣờng, đặc tính của từng loại vi khuẩn cũng nhƣ cách thức khác nhau hình thành biofilm.
Cấu trúc biofilm bao gồm thành phần tế bào liên kết với nhau một cách có trật tự đảm bảo sự trao đổi thông tin liên tục diễn ra giữa các tế bào.Mạng lƣới các hợp chất ngoại bào có vai trò quy định sự sắp xếp tế bào, đồng thời tạo nên những kênh dẫn truyền nƣớc bên trong biofilm. Nhờ đó một dòng nƣớc chảy có thể đi qua biofilm tạo điều kiện cho việc khuếch tán, phân phối chất dinh dƣỡng đến khắp các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
tế bào trong biofilm cũng nhƣ mang đi những chất thải không cần thiết. Cấu trúc của biofilm đƣợc minh họa ở hình 1.4.
Hình 1.4. Cấu trúc của biofilm qua ảnh hiển vi quét
(A) vi sinh vật; (B) các kênh dẫn nƣớc cho phép dòng nƣớc chảy qua
Về cơ bản, một mạng lƣới polysaccharide ngoại bào (EPS) có độ dày từ 0,2 đến 1 µm. Các biofilm đƣợc hình thành từ các loài khác nhau cũng không luôn luôn giống nhƣ nhau theo kiểu hiếu khí bên trên và kỵ khí bên dƣới mà đều có cấu trúc đặc trƣng do các luồng nƣớc chảy qua khuấy động nên các vi khuẩn kỵ khí và hiếu khí có thể song song tồn tại khắp các hốc nhỏ trong biofilm.