1.2. Строение биопленок

Основные наиболее исследованные виды биопленок, формирующиеся на границе твердой и жидкой фаз, имеют следующие морфотипы :

• 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, а также для дефектных по ауторегуляции Pseudomonas aeruginosa (Приложение, рис 2)

• Маты фотосинтезирующих, метаногенных и сульфатредуцирующих бактериальных сообществ, а также сообщество микроорганизмов, развивающееся в очистных сооружениях сточных вод. (приложение, рис. 5) Маты представляют собой многовидовое сообщество, с выраженной стратификацией соответственно градиенту фактора, регулирующего структура 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), (приложение, рис. 3 и рис. 4) образованные сложным сообществом многих микроорганизмов. 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.

• Пленка с лентами-выростами, формирующаяся смешанной популяцией бактерий в условиях турбулентного оттока. Эти ленты могут отрываться и способствовать расселению популяции

• «Грибы» - биопленки, сформированными одним или несколькими видами микроорганизмами со специфической трехмерной структурой, особыми функционально-морфологическими образованиями (порами, каналами, пустотами, ножками). 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».

• Бентосные и речные осадки, а также взвешенные в воде хлопья (flocs, «речной и морской снег») и различные типы обрастаний, особенно те, которые формируются в «экстремобиоценозах»

Для границы вода-воздух описано 3 морфотипа:

• Примитивный слой на границе воды и воздуха, когда микробы образуют пленку – описано для вибрионов и бацилл

• Массивные структуры типа чайного гриба (медузомицет, гриб «комбуча»). Сообщество чайного гриба (Приложение, рис 6) представляет собой симбиоз уксуснокислых бактерий и дрожжей многих родов. Дрожжи включены в полисахаридную строму, 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.

Первоначально биопленки воспринимались и описывались как неструктурированные разрастания бактериальных клеток, окруженные экзополисахаридным матриксом.

Применение конфокальной сканирующей лазерной микроскопии для исследования биопленок радикально изменило восприятие их структурных и функциональных особенностей. Этот метод дал возможность исследовать биопленки in situ без ограничений, с которыми сталкивается электронная микроскопия, хотя и при более низких увеличениях. С помощью конфокальной сканирующей лазерной микроскопии показано, что биопленки - не структурно гомогенные монослои микробных клеток на поверхности. Скорее они могут быть описаны как гетерогенные во времени и в пространстве структуры, однако основная структура сообщества универсальна, с некоторыми незначительными вариациями . У большинства биопленок можно наблюдать некоторый уровень структурной разнородности, когда совокупность клеток, вкрапленных в зкзополисахаридный матрикс, изменяется по плотности, создавая открытые области, где сформированы водные каналы.

Этот матрикс состоит из смеси полисахаридов выделяемых в окружающую среду (экзополисахариды), белков, нуклеиновых кислот и других веществ. Бактериальные экзополисахариды - главный компонент матрикса биопленки, который некоторые авторы называют также гликокаликсом или слизистым чехлом. Основным его компонентом является связанная вода. Все биопленки высоко гидратированы, некоторые до 73% состоят из внеклеточного материала, включая водные каналы и экзополисахариды. У большинства видов зкзополисахаридный матрикс состоит из альгината, являясь преобладающе анионным. Матрикс является трехмерной структурой, которая окружает, закрепляет и защищает прикрепленные к различным поверхностям микроколонии бактерий.

Поры и каналы, пронизывающие всю биопленку - очень важная часть ее структуры. Образно их можно сравнить с кровеносной системой ткани биопленки. При использовании гранулометрических методов было доказано движение потока жидкости через эти каналы . Каналы позволяют свободно распространяться по всей толщине биопленки низкомолекулярным веществам, таким, как, например флуоресцеин, из чего следует, что эти вещества примерно одинаково доступны всем клеткам биопленки. Таким образом, каналы - жизненно важный элемент структуры биопленки, непосредственно влияющий на ее функции, однако механизмы их формирования и поддержания еще не вполне ясны. Каналы обеспечивают распространение питательных веществ и обмен продуктами метаболизма с окружающей жидкостью. Например, измерение in situ растворенного кислорода с использованием микроэлектродов показало, что кислород, как и субстраты, доступен в любой точке биопленки, из чего следует, что каналы транспортируют окисленную жидкость по всей толщине биопленки . При этом важно отметить, что биопленки непроницаемы для достаточно крупных молекул большинства антибиотиков, так как пропускают лишь вещества с низким молекулярным весом.

Интересно, что биопленки, сформированные одним видом in vitro, при сравнении с ассоциациями, образованными в естественных экосистемах (так называемый смешанный консорциум видов) демонстрируют общие для всех структурные особенности . На структуру биопленки влияют многочисленные внешние условия, например, свойства поверхности, количество доступных питательных веществ, видовой состав микробного сообщества, а также гидродинамические условия окружающей среды .