Probiotika, prebiotika a synbiotika

3.3.Vliv podmínek okolního prostředí na biofilm

Biofilm je velmi ovlivňován způsobem, jakým jednotlivé mikroorganismy v něm obsažené reagují na vnější i samoindukovaný stres. Buňky mohou zpomalit růst nebo se chovat podobně jako sporulující druhy mikroorganismů. Další možností je také opuštění biofilmu (Spormann 2008). Reakce různých druhů a dokonce i kmenů bakterií na podmínky okolního prostředí se liší. Mezi ty, které biofilm ovlivňují, můžeme zařadit teplotu, pH, množství kyslíku, hydrodynamiku, osmolaritu a přítomnost živin, iontů a faktorů z biotického prostředí (Goller a Romeo 2008).

3.3.1.Povrch substrátu

Teoreticky jakýkoliv materiál, který se dostane do kontaktu s tekutinou obsahující bakterie, může sloužit jako podklad pro vznik biofilmu. Adheze buněk k povrchu je však ovlivněna jeho hrubostí, chemickým složením a povrchovou úpravou. Bakterie kolonizují raději hrubé substráty, protože zde působí menší smykové síly a také samotný povrch substrátu přepočítaný na jednotku plochy je větší (Donlan 2002). Divoké kmeny některých druhů jsou však schopny osídlit i hladké povrchy (Donlan a Costerton 2002). Na adhezi buněk má také vliv hydrofobita/hydrofilita povrchu a jeho elektrostatický náboj (Pelletier a kol. 1997).

3.3.2.Hydrodynamické vlivy

Proudění tekutiny ovlivňuje strukturu biofilmu a má velký vliv na typ biofilmu, který vznikne. Biofilmy vznikající v pomalu proudící tekutině (laminárním proudění) mohou tvořit izotropní struktury, zatímco v rychleji a jednosměrně proudící tekutině (turbulentním proudění) se mohou tvořit vláknité zřetelně nasměrované útvary buněk a mohou se objevit i tvary podobné vlnám (Stoodley a kol. 1999). Slabé smykové síly dovolují buňkám či mikrokoloniím valení po povrchu a další kolonizaci, naopak při silném smyku buňky zůstávají v těsných mikrokoloniích (Isberg a Barnes 2002), vzniká kompaktnější biofilm a může dojít až k tvorbě ostrůvkovitého biofilmu, který roste pouze ve štěrbinách substrátu (van Loosdrecht a kol. 2002). Bakterie by k tvorbě biofilmu pravděpodobně mohly upřednostňovat místa s takovým prouděním kapaliny, které bude podporovat stabilní vazbu mezi bakteriemi a povrchem (Isberg a Barnes 2002).

3.3.3.Dostupnost živin

Biofilmy se tvoří na rozhraní kapaliny a pevného substrátu nebo plynu (vzduchu). Substráty nutné pro metabolickou aktivitu buněk mohou být obsaženy pouze ve vodné fázi, jako je tomu na příklad ve vodovodních trubkách či katetrech, nebo mohou být rozděleny mezi vodnou a pevnou fázi jako třeba v minerálech nebo nerozpustné organické hmotě, např. celulóze, chitinu nebo proteinech. Důležité je také absolutní množství a poměr jednotlivých živin v kapalině, protože ty mají zásadní vliv na růst buněk v biofilmu a jejich limitaci některými substráty (Spormann 2008).

Transport substrátů do biofilmu a naopak vylučování metabolitů ven je podmíněno prouděním kapaliny a molekulární difuzí (van Loosdrecht a kol. 2002). Rychlost proudění kapaliny může být nulová (např. houbový biofilm v nedopitém šálku kávy na rozhraní kapaliny a vzduchu), ale i stoupat až k relativně dost vysokým hodnotám (jako např. ve vodovodních trubkách), kdy se biofilm konstantním přísunem živin a odvodem metabolitů podobá chemostatu. Při nulové rychlosti proudění jsou substráty na počátku přítomné ve vysoké koncentraci, postupně jsou však zpracovávány buňkami a dochází k hromadění produkovaných metabolitů, které mohou dále ovlivňovat i fyziologický stav buněk. U těchto statických systémů (biofilmů) dochází k transportu živin převážně difuzí (Spormann 2008).

V prostředí, kde je rychlost proudění tekutiny nenulová, jsou živiny laminárním prouděním transportovány do hraniční vrstvy tekutiny a poté z této vrstvy molekulární difuzí do biofilmu. Rychlost difuze z hraniční vrstvy tekutiny limituje následný transport živin sítí biofilmu do jeho vnitřních vrstev. Množství tekutiny proudící biofilmem je zanedbatelné. Při spotřebě substrátů buňkami v biofilmu klesá koncentrace živin ve vrstvách tekutiny, které jsou blíže biofilmu, mnohem rychleji než v těch vzdálenějších. Také produkované metabolity difundují z biofilmu nejprve do hraniční vrstvy kapaliny a z ní teprve do vzdálenějšách laminárních vrstev. Tyto procesy vedou ke vzniku gradientů, jejichž rozložení napříč biofilmem se liší mezi statickými a hydrodynamickými systémy (Spormann 2008).

Biomasa biofilmu postupem času narůstá a tím stoupá i spotřeba živin. Pokud je jejich koncentrace v tekutině konstantní, koncentrační spády mezi tekutinou a biofilmem se zvětšují, což následně způsobuje rychlejší transport živin dovnitř biofilmu. Pokud však spotřeba určitého substrátu přesáhne kapacitu jeho transportu, stane se tento substrát pro buňky limitujícím faktorem a růst biofilmu se zpomalí (viz obr. 1). Navíc při nárůstu buněk v biofilmu dochází také k nerovnoměrné difuzi substrátů a tím ke vzniku metabolicky a fyziologicky odlišných subpopulací buněk s různou rychlostí růstu. Buňky v povrchové části biofilmu jsou v přímém kontaktu s kapalinou, mají přímý přístup k živinám a rostou rychleji než buňky v hlubších částech biofilmu (Spormann 2008). Tyto buňky se nacházejí v logaritmické fázi růstu, zatímco buňky ve spodních vrstvách biofilmu mohou být i ve fázi stacionární (Waite a kol. 2005). Nevyvážený růst různých vrstev vede ke vzniku heterogenního porézního biofilmu. Při rychlejším proudění tekutiny a tedy větších smykových silách se však biofilm adaptuje snížením počtu pórů a erozní síly vyhladí jeho povrch (van Loosdrecht a kol. 2002).

3.4.VLIV interakcí mezi buňkami a matrix NA stabilitu biofilmu

Molekulární mechanismy vazby buněk k matrix biofilmu nebo k buňkám, které jsou již součástí biofilmu, a vliv těchto mechanismů na stabilitu biofilmu jsou ještě nejasné. S největší pravděpodobností jsou ale komplexní a mohou se na nich podílet EPS, DNA, bílkoviny, fimbrie, bičíky, fágy a další zatím ještě nepopsané složky. Vazba buněk k matrix biofilmu či buňkám, a naopak jejich odlučování jsou antagonistické procesy, kdy při oddělování buněk musí být mechanismy nutné k vazbě inaktivovány. Některé vazby, jako třeba vzájemné spojení buněk zprostředkované pilusy, mohou být snadno vratné, v jiných, např. u enzymatické hydrolýzy extracelulárních polymerů, je k rozbití vazby zapotřebí složitější mechanismus. Naopak třeba spojení pomocí EPS může být trvalé. Do interakce buněk i matrix může být zapojeno více na sobě nezávislých mechanismů najednou a lze předpokládat, že čím více se jich vazby účastní, tím je tato vazba pevnější (Spormann 2008).

U biofilmů dochází za určitých podmínek k částečnému i celkovému rozpadu (Thormann a kol. 2005). K uvolňování jednotlivých buněk nebo jejich shluků z biofilmu může docházet konstantním opadáváním i náhlým a synchronním opuštěním větší části populace v biofilmu (Goller a Romeo 2008). Disperzi biofilmu mohou ovlivňovat podmínky v okolním prostředí jako je dostupnost živin, množství kyslíku, pH a přítomnost chemických sloučenin (Thormann a kol. 2005). Nezanedbatelné je také proudění tekutiny. Při slabých smykových silách dochází k pravidelnému oddělování buněk, zatímco silný smyk způsobuje povrchovou erozi, která vede ke vzniku hladkého biofilmu (van Loosdrecht a kol. 2002).