1-5-2- تمایز فنوتیپی و اتصال اولیه 8
1-5-3- اتصال برگشت‌ناپذیر 8
1-6- بلوغ بیوفیلم 9
1- 7-کنده شدن به عنوان یک بخش از تکامل بیوفیلم 9
1- 8- تشکیل بیوفیلم به عنوان یک فرایند تکاملی 11
1-9- ارتباطات سلول-سلول در طول تشکیل بیوفیلم 12
1- 10- خصوصیات بارز بیوفیلم 13
1-10-1- بیوفیلم به عنوان جوامع میکروبی مرتبط از نظر فیزیولوژیکی 13
1-10-2- بیوفیلم به عنوان جوامع میکروبی مرتبط از نظر رفتاری 13
1-10-3- بیوفیلم به عنوان جوامع میکروبی با ساختار پیشرفته 13
1-11- فاکتورهای شرکت کننده در گسترش و بلوغ بیوفیلم 14
1-11-1- جنس سطح مواد 15
1-11-2- مناسب بودن سطح مورد نظر 15
1-11-3- صاف و صیقلی بودن سطح 15
1-11-4- شدت جریان آب 15
1-11-5- محدودیت مواد غذایی 16
1-12- بیوفیلم و انسان 16
1-13- بیوفیلم در سیستم‌های آبی 18
1-14- فرایندهای تمیزسازی 20
1-15- میکروارگانیسم‌های برج‌های خنک کننده 21

1-15-1- جلبک‌ها 22
1-15-2- قارچ‌ها 23
1-15-3- باکتری‌ها 24
1-16- چگونگی تغذیه‌باکتری‌ها در آب 25
1-17- مشکلات ایجاد شده در سیستم‌ برج‌های خنک کننده‌ توسط باکتری‌ها 25
1-18- خوردگی میکروبی 27
1-19- مسائل خوردگی 27
1-20- مسائل ایجاد رسوبات 28
1-21- باکتری‌های تولید کننده‌ی لایه لعابی 29
1-22- مراحل ایجاد تخریب زیستی در سیستم برج‌های خنک کننده 30
1-23- بیوسایدها 30
1-23-1- خصوصیات اصلی یک بیوساید 31
1-23-2- بیوسایدهای اکسید کننده 31
1-23-2-1- کلرین 32
1-23-2-2- بروماین و مشتقات آن 33
1-23-2-3- اوزون 34
1-23-2-4- پراکسید هیدروژن 34
1-23-3- بیوسایدهای غیر اکسید کننده 34
1-23-3-1- گلوتارآلدئید 35
1-23-3-2- ترکیبات آمونیوم چهار ظرفیتی 35
1-23-3-3- ایزوتیازولون‌ها 36
1-24- مکانیسم‌های مقاومت باکتری‌ها در بیوفیلم به عوامل ضد میکروبی 38
1-24-1- جلوگیری از انتشار به درون بیوفیلم 38

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

1-24-2- مقاومت از طریق آنزیم 38
1-24-4- حالت متابولیک ارگانیسم‌ها در بیوفیلم 39
1-24-3- واکنش خنثی‌سازی عوامل ضد میکروبی توسط بیوفیلم 39
1-24-5- سازش ژنتیکی 40
فصل دوم: مواد و روش ها 41
2-1- مواد و وسایل 41
2-1-1- دستگاه‌ها و وسایل مورد استفاده 41
2-1-2- مواد ضد میکروبی یا بیوسایدها 42
2-1-3- مواد مورد استفاده 42
2- 1-4- محیط‌های کشت 43
2-2- سویه‌های باکتری مورد استفاده 44
2-2-1- سویه‌های ایزوله شده‌ی مورد استفاده در این تحقیق 44
2-2-2- مشخصات سویه‌ی استاندارد مورد استفاده در این تحقیق 44
2- 3- مواد و روش‌های به کار رفته برای نمونه‌برداری 45
2-3- 1-روش‌های به کار رفته برای نمونه‌برداری 45
2-3-1-1- روش نمونه‌برداری از آب سیستم و لایه‌های بیوفیلم موجود در دیواره‌ی برج‌های خنک کننده 45
2-3-1- 2- نمونه‌برداری از طریق گذاشتن کوپن‌های فلزی در معرض جریان آب سیستم خنک کننده 47
2-4- روش‌های به کار رفته برای جداسازی و شناسایی باکتری‌های تشکیل دهنده‌ی بیوفیل روی سطح کوپن و یا باکتری‌های موجود در آب نمونه‌برداری شده 48
2-4- 1- روش به کار رفته برای کشت و جداسازی باکتری‌ها 48
2-4-1-1- روش جداسازی و کشت باکتری‌ها از نمونه‌ی کوپن 48
2-4-1-2- روش جداسازی و کشت باکتری‌ها از نمونه‌ی آب سیستم 48
2-4-2- شناسایی باکتری‌های جداسازی شده 49
2-4-2-1- روش به کار رفته برای شناسایی باکتری‌ها 49
2-4-2-2- باکتری‌ استاندارد 49
2-4-2-3- نمودار های شناسایی باکتری‌ها 49
2-4-2-3-1- شناسایی اولیه‌ی باکتری‌های جنس باسیلوس 50
2-4-2-3-2- شناسایی مربوط به باکتری میکروکوکوس لوتئوس 51
2-4-2-3-3- شناسایی اولیه‌ی باکتری‌های جنس آسینتوباکتر و برانهاملا 52
2-4-2-3-4- شناسایی اولیه‌ی باکتری‌ اکتینوباسیلوس 53
2-5- روش‌های به کار رفته برای سنجش هیدروفوبیسیتی سطح سلول‌های پلانکتونیک 54
2-5-1- روش به کار رفته برای تعیین هیدروفوبیسیتی سطح سلول‌های پلانکتونیک 54
2- 5-1-1- روش MATH برای سنجش هیدروفوبیسیتی سطح سلول‌ها 54
2-6- روش‌ به کار رفته برای سنجش هم اتصالی بین سویهء Micrococcus با سایر باکتری‌های جدا شده از بیوفیلم 56
2-6-1- روش آزمایش co-adhesion MATH برای تعیین هم اتصالی 57
2-7- روش‌ به کار رفته برای سنجش هیدروفوبیسیتی سطح سلول‌های موجود در بیوفیلم 58
2-7-1- روش MATH برای سلول‌های موجود در بیوفیلم 58
2-7- 1-1- روش تست لوله‌ای برای سلول‌های موجود در بیوفیلم 58
2-7-1-2- روش انجام آزمایش MATH برای سلول‌های موجود در بیوفیلم 59
2- 8- روش‌های به کار رفته در ارزیابی قدرت اتصال هر یک از باکتری‌ها به سطوح و بررسی ساختار بیوفیلم 59
2-8-1- روش تشکیل بیوفیلم روی اسلایدهای شیشه‌ای به منظور ردیابی تشکیل بیوفیلم 60
2-8-1-1- روش رنگ‌آمیزی اسلایدهای شیشه‌ای 61
2-8-1-2- روش شمارش و شناسایی باکتری‌های متصل به سطح اسلاید 61
2-8-2- تعیین کمی تشکیل بیوفیلم و مقایسه‌ی بین قدرت باکتری‌های ایزوله شده برای تشکیل بیوفیلم 64
2-8-2-1- روش میکروتیتر پلیت برای تعیین کمیت تشکیل بیوفیلم توسط باکتری‌ها 64
2-8-3-بررسی ساختار بیوفیلم ها توسط میکروسکوپ الکترونی اسکنینگ 67
2-8-3-1- تهیه نمونه برای میکروسکوپ الکترونی اسکنینگ 67
2-8-3-2- مکانیسم های تصویر سازی توسط میکروسکوپ الکترونی 67
2-8-3-2-1- مکانیسم SE 67
2-8-3-2-2- مکانیسم BSE 68
2-9- روش‌ به کار رفته در ارزیابی قدرت حذف و یا ازبین بردن سلول‌های مولد بیوفیلم توسط عوامل ضد میکروبی 68
2-9-1- تهیه‌ی بیوسایدها با رقت‌های مورد نظر بر حسب ppm 69
2-9-1-1- تهیه‌ی رقت از بیوسایدهای مایع 69
2-9-1-2- تهیه‌ی رقت از بیوسایدهای جامد 70
2-9-1-3- روش انجام آزمایش میکروتیتر پلیت برای تعیین پتانسیل حذف بیوفیلم توسط بیوسایدها 70
2-9-2- روش میکروتیتر پلیت برای تعیین پتانسیل کشتن سلول‌های مولد بیوفیلم توسط بیوسایدها 71
2-9-2-1- تهیه‌ی رنگ تری فنیل تترازولیوم کلراید 2% 72
2-9-2-2- روش انجام آزمایش میکروتیترپلیت برای تعیین پتانسیل کشتن سلول‌های مولد بیوفیلم و موجود در آن توسط عوامل ضد‌میکروبی 73
فصل سوم: نتایج و مشاهدات 74
3-1- جداول شناسایی و تست های بیوشیمی سویه های ایزوله شده 75
3-1-1- باسیلوس ها 75
3-1-2- میکروکوکوس لوتئوس 75
3-1-3- اسینتوباکتر ها 76
3- 2- نتایج مربوط به تعیین هیدروفوبیسیتی سطح سلول ها 77
3-2-1- نتایج مربوط به تعیین هیدروفوبیسیتی سطح سلول های پلانکتونیک 77
3-2-2- نتایج مربوط به سنجش هم اتصالی بین سویه میکروکوکوس لوتئوس با سایر باکتری ها 78
3-2-3- نتایج مربوط به سنجش هیدروفوبیسیتی سطح سلول های موجود در بیوفیلم 79
3-3- نتایج حاصل از روش میکروتیتر پلیت برای تعیین کمیت تشکیل بیوفیلم و مقایسه بین قدرت باکتری های ایزوله شده برای تشکیل بیوفیلم 80
3-4- نتایج مربوط به ردیابی تشکیل بیوفیلم توسط میکروسکوپ نوری 81
3-5- نسبت رشد سلول ها درون بیوفیلم در مدت زمان 24 ساعت 84
3-6- نتایج مربوط به مقایسه اتصال باکتری ها در بیوفیلم مخلوط به سطح اسلاید شیشه ای 84
3-7- نتایج مربوط به بررسی بیوفیلم باکتری ها توسط میکروسکوپ الکترونی اسکنینگ 86
3-8- نتایج مربوط به تعیین پتانسیل حذف بیوفیلم و کشتن سلول های درون بیوفیلم توسط بیوساید ها 91
3-8-1- اثر حذفی( ستون های CV) و کشندگی(ستون های TTC) هیپوکلریت سدیم در غلظت های مختلف روی بیوفیلم باکتری ها به طور جداگانه و روی بیوفیلم مخلوط باکتری ها(سویه های اسینتوباکتر، باسیلوس و میکروکوکوس با هم) 91
3-8-2- اثر حذفی( ستون های CV) و کشندگی(ستون های TTC)H2O2 در غلظت های مختلف روی بیوفیلم باکتری ها به طور جداگانه و روی بیوفیلم مخلوط باکتری ها(سویه های اسینتوباکتر، باسیلوس و میکروکوکوس با هم) 95
3-8-3- اثر حذفی( ستون های CV) و کشندگی(ستون های TTC) گلوتار آلدهید در غلظت های مختلف روی بیوفیلم باکتری ها به طور جداگانه و روی بیوفیلم مخلوط باکتری ها(سویه های اسینتوباکتر، باسیلوس و میکروکوکوس با هم) 98
3-8-4- اثر حذفی( ستون های CV) و کشندگی(ستون های TTC) سولفاتیازول در غلظت های مختلف روی بیوفیلم باکتری ها به طور جداگانه و روی بیوفیلم مخلوط باکتری ها(سویه های اسینتوباکتر، باسیلوس و میکروکوکوس با هم) 101
3-8-5- اثر حذفی( ستون های CV) و کشندگی(ستون های TTC) آلکیل دی متیل بنزیل آمونیوم کلراید در غلظت های مختلف روی بیوفیلم باکتری ها به طور جداگانه و روی بیوفیلم مخلوط باکتری ها(سویه های اسینتوباکتر، باسیلوس و میکروکوکوس با هم) 104
فصل چهارم: بحث 107
4-1- بررسی هیدروفوبیسیتی سطح سلول های پلانکتونیک 107
4- 2-بررسی هم اتصالی بین سویه میکروکوکوس لوتئوس با سایر باکتری ها 109
4-3- بررسی هیدروفوبیسیتی سطح سلول های موجود در بیوفیلم 110
4-5- بررسی اتصال باکتری ها به سطوح مورد آزمایش 112
4-6- بررسی و ردیابی تشکیل بیوفیلم 113
4-7- بررسی رشد سلول ها درون بیوفیلم 116
4-8- بحث و بررسی در مورد تعیین پتانسیل حذف بیوفیلم و کشتن سلول های درون بیوفیلم توسط بیوساید ها 117
4-9- بررسی مدل نفوذ بیوساید به درون بیوفیلم 121
جمع بندی نهایی 123
پیشنهادات 124
فصل پنجم: منابع و مأخذ 125
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه
شکل 1-1- 11
فصل دوم: مواد و روش ها
شکل 2-1- 46
شکل 2-2- 46
شکل 2-3- 50
شکل 2-4- 51
شکل 2-5- 52
شکل2-6- 53
شکل2-7- 64
فصل سوم: نتایج
شکل 3-1- 77
شکل 3-2- 78
شکل 3-3- 79
شکل 3-4- 80
شکل 3-5- 81
شکل 3-6- 82
شکل 3-7- 82
شکل 3-8- 83
شکل 3-9- 83
شکل 3-10- 84
شکل 3-11- 85
شکل 3-12- 86
شکل 3-13- 87
شکل 3-14- 88
شکل 3-15- 89
شکل 3-16- 89
شکل 3-17- 90
شکل 3-18- 92
شکل 3-19- 93
شکل 3-20- 94
شکل 3-21- 95
شکل 3-22- 96
شکل 3-23- 97
شکل 3-24- 98
شکل 3-25- 99
شکل 3-26- 100
شکل 3-27- 101
شکل 3-28- 102
شکل 3-29- 103
شکل 3-30- 104
شکل 3-31- 105
شکل 3-32- 106
فهرست جدول ها
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه
جدول 1-1- 17
جدول 1-2- 18
جدول 1-3- 23
جدول 1-4- 24
جدول 1-5- 25
جدول 1-6- 37
فصل سوم: نتایج
جدول 3- 1- 75
جدول 3- 2- 76
جدول 3- 3- 76
جدول 3-4-80
جدول 3-5- 85
فصل اول
1- مقدمه
1-1- جوامع میکروبی
از جنبه ها‌ی اکولوژیکی، جمعیت‌های باکتری های حاصل از یک سلول و جمعیت‌های مشابه از نظر متابولیکی یک مجموعه را تشکیل می‌دهند. مجموعه‌ی این تجمع ها (برای مثال باکتری‌های متانوژنیک، احیاء کننده‌های سولفات و سولفور و تخمیر کننده‌ها) فرآیندهای فیزیولوژیکی مرتبط با هم را انجام می‌دهند(24).
در اصل، بیوفیلم1 بیانگر یک جامعه است که در آن ارتباطات درونی بین گروه‌های متفاوت وجود دارد. بیوفیلم می‌تواند از یک گونه2 و یا گونه‌های مختلف میکروبی تشکیل شود. آنها می‌توانند بر روی سطوح متفاوتی از زنده تا غیر زنده تشکیل شوند. میکروارگانیسم‌ها همچنین می‌توانند اجتماعات طبیعی را در فضای مابین آب و هوا تشکیل بدهند. در حقیقت، تعریف اصلی بیوفیلم به صورت زیر می‌باشد:
اجتماعات میکروارگانیسم‌ها و محصولات خارج سلولی در ارتباط با آنها و در فضای مابین آنها که به یک سطح متصل شده اند. در ابتدا Claude Zobell مشاهده کرد که باکتری‌ها زندگی بر روی یک سطح را به حالت آزاد ترجیح می‌دهند و سپس در سال 1987 این فرآیند را در سیستم‌های آب شیرین و اکوسیستم‌های متنوع دیگر مورد بررسی قرار داد(64).
1-2- رفتارهای جمعی
رفتارهای جمعی و تمایزی پیچیده در تعدادی از میکروارگانیسم‌ها نشان داده شده ‌است. به عنوان مثال باکتری Myxococcus در هنگام گرسنگی اجسام میوه‌ای3 تشکیل داده وBacillus subtilis در طول تغییر شکل آن به اسپور تمایز بیوشیمیایی و مورفولوژیکی نشان می دهد. یا Streptomyces coelicolor در پاسخ به شرایط تغذیه‌ای دچار تمایز مورفولوژیک می شود.
این مثال‌ها نشان می‌دهد که میکروارگانیسم‌ها توانایی به کار گرفتن میان کنش‌های بین سلولی برای سازگاری خود با تغییر پارامترهای محیطی را دارند. همچنین گسترش و تکامل بیوفیلم‌های تک گونه‌ای یا چند گونه‌ای، یک فرایند پیچیده است که نیازمند رفتار جمعی باکتری‌ها می‌باشد. تشکیل بیوفیلم نیز نیازمند همکاری میان کنش‌ها و ارتباطات بین گونه‌های باکتری‌های متفاوت می‌باشد. در حقیقت، بیوفیلم‌ها سیستم‌های بیولوژیکی با سطح بالایی از سازماندهی هستند(27).
1-3- ساختار و تمایز در بیوفیلم‌ها
بیوفیلم‌های حاصل از یک گونه و یا چند گونه، یک ساختار مشابه با یکدیگر را نشان می‌دهند. اکثر بیوفیلم‌ها دارای یک ناهمگونی4 از سلول‌ها، چند لایه ی احاطه شده در یک ماتریکس پلی‌ساکاریدی با تراکم متفاوت و دارای کانال‌های آب هستند. میکروکلنی‌هایی که در ساختار بیوفیلم شرکت دارند، می‌توانند از جمعیت‌های یک گونه یا چند گونه از باکتری‌ها تشکیل شده باشند که این وابسته به پارامترهای محیطی می باشدکه در آن بیوفیلم تشکیل می شود. شرایط متفاوتی مثل سطوح و خصوصیات آنها، وجود مواد غذایی، ترکیب جمعیت میکروبی و شرایط هیدرودینامیکی{جریان‌های لامینار5 و یا توربولانت6 } می‌توانند ساختار بیوفیلم را تحت تأثیر قرار دهند.
نشان داده شده که بیوفیلم پلی‌مورفیک می‌باشد و از نظر ساختاری با تغییر در مواد غذایی سازگار می‌شود. از این رو، ساختار بیوفیلم هم تحت تأثیر بیولوژی میکروب‌ها و هم شرایط محیطی می‌باشد(64).
کانال‌های آبی دارای جریان آب می‌باشند، بنابراین، این کانال‌ها خطوط حیاتی این سیستم را تشکیل می‌دهند. به این صورت که چرخش مواد غذایی و اکسیژن و تعویض محصولات متابولیکی را با لایه‌های بیرونی بیوفیلم امکان‌پذیر می‌سازند.
در بیوفیلم‌های تجزیه کننده‌ی تولوئن(چند گونه‌ای)، تولوئن در عمق بیوفیلم یافت می‌شود که این مورد، انتقال آن را توسط کانال‌ها به داخل بیوفیلم نشان می‌دهد. در این صورت، کانال‌ها یک بخش حیاتی از ساختار بیوفیلم می‌باشند. سلول‌های باکتریایی در میکروکلنی‌های بیوفیلم توسط یک ماتریکس پلی ساکاریدی7 احاطه شده اند. شیمی این ماتریکس پیچیده است و شامل پلی‌ساکارید، اسید نوکلئیک و پروتئین می‌باشد(2).
این پلی‌ساکاریدها در باکتری‌های متفاوت، فرق می‌کنند؛ مثلاً در Pseudomonas aeruginosa پلی‌مر آلژینات، در Vibrio cholerae غنی از گلوکز و گالاکتوز و در Escherichia coli از اسید کولانیک 8 می‌باشند. هنوز در مورد پروتئین‌ها مشخص نشده که ایا آنها یک نقش ساختاری دارند یا از تجزیه و لیز قطعات سلول به دست آمده‌اند. پس بررسی خصوصیات مکانیکی پلی ساکارید خارج سلولی و دستکاری آنها از طریق روش‌های آنزیماتیک می‌تواند در حذف و یا پایداری بیوفیلم مؤثر باشد(17).
1-4- فوائد اکولوژیکی؛ چرا یک بیوفیلم تشکیل می‌شود؟
1-4-1- حفاظت در برابر محیط اطراف
یکی از ترکیبات اصلی درون بیوفیلم، مواد پلی‌مری خارج سلولی می باشند که باکتری‌ها را احاطه کرده‌اند. در حقیقت، اکثر باکتری‌ها قادرند پلی‌ساکارید تولید کنند، که این می‌تواند به صورت پلی‌ساکاریدهای دیواره(کپسول) یا به صورت ترشحات خارج سلولی به محیط اطراف باشد. ماتریکس پلی ساکاریدی توانایی جلوگیری از دسترسی مواد ضد میکروبی مشخص را به بیوفیلم، همانند یک سیستم تعویض یون را دارد. از این رو، انتشار ترکیبات را از فضای اطراف به بیوفیلم مهار می‌کند.
در حقیقت، این عمل بستگی به خصوصیت پلی ساکارید و ترکیب مورد نظر دارد. همچنین این پلی ساکارید نقش محافظت سلول‌های باکتریایی را از استرس‌های محیطی متفاوت مثل اشعه‌ی UV، تغییرات pH، شوک اسمزی و خشکی را بر عهده دارد. ماتریکس پلی ساکاریدی، سلول‌ها را در مقابل اثر مخرب اشعه‌ی UV محافظت می‌کند و از تخریب DNA جلوگیری می‌کند(51).
1-4-2- محافظت در برابر مواد ضد عفونی کننده
بیوفیلم باکتری‌ها نسبت به سلول‌های پلانکتونیک9 یا باکتری‌های شناور10 ، در حدود 150 تا 3000 برابر مقاومت بیشتری دارد. به منظور تخریب و حذف سلول‌های بیوفیلم، مواد ضد عفونی کننده11 در ابتدا باید با شبکه‌ی پلی‌ساکاریدی احاطه کننده‌ی سلول‌ها واکنش بدهند. در حقیقت، افزایش مقاومت به این مواد مربوط به این پلی‌ساکاریدها می‌باشد؛ به این صورت که قدرت اکسید کنندگی این ضد عفونی کننده‌ها قبل از رسیدن به سلول‌ها توسط پلی ساکارید خارج سلولی گرفته می‌شود. همچنین بیوفیلم باکتریایی بعد از تیمار با بیوساید برای محافظت از خود، پلی‌مر خارج سلولی بیشتری تولید می‌کند(32).
1-4-3- کسب مواد غذایی و همکاری‌های متابولیکی
1-4-3-1- کسب مواد غذایی
کانال‌های آب با قابلیت نفوذ بالا در تمام ساختمان بیوفیلم پراکنده هستند و میکروکلنی‌ها را احاطه کرده‌اند. این کانال‌ها نقش انتقال مواد غذایی و متابولیت‌ها را از فضای آبی به داخل بیوفیلم بر عهده دارند و در مقابل، متابولیت‌های سمی را از بیوفیلم خارج می‌کنند(19).
مواد آلی که به میزان کمی در بعضی آب‌ها وجود دارند در سطح بیوفیلم توسط پلی ساکارید خارج سلولی به دام می‌افتند و در آن جا تجمع پیدا می‌کنند و سپس توسط کانال‌ها به باکتری‌های درون بیوفیلم انتقال داده می‌شوند(67).
1-4-3-2- همکاری‌های متابولیکی
خصوصیات متابولیکی باکتری‌های درون بیوفیلم بسیار متفاوت از همتاهای پلانکتونیک خود می‌باشند و ساختمان بیوفیلم فرصتی را برای همکاری‌های متابولیک بین باکتری های درون بیوفیلم فراهم می‌کند. کلونی‌های موجود در بیوفیلم هر کدام یک محیط زندگی خاص خود را دارند که از محیط های دیگر کلنی‌ها جدا و مجزا است. این کلنی‌ها می‌توانند محصولات فرعی تولید شده توسط کلنی‌های دیگر(کلنی‌های مجاور) را مورد استفاده قرار دهند. همچنین چندین گونه از باکتری‌ها که دارای آنزیم‌های متفاوتی هستند می‌توانند مواد غذایی را بشکنند و مورد استفاده قرار بدهند که این مورد توسط یک گونه باکتری، به تنهایی، قابل انجام نیست(24).
1-4-4- کسب خصوصیات ژنتیک جدید
انتقال افقی ژن برای تکامل و تنوع ژنتیکی جمعیت‌های میکروبی مهم می‌باشد. اهمیت مطالعه‌ی انتقال ژن در محیط‌های طبیعی با ظهور باکتری‌های مقاوم به چند دارو مشخص شد. وجود پلاسمیدها12 در باکتری‌ها اثبات شده و انتقال ژن توسط کونجوگاسیون13 یکی از بهترین مکانیسم‌های شناخته شده برای انتقال اطلاعات ژنتیکی می‌باشد. از آن جایی که باکتری‌ها در طبیعت بیوفیلم تشکیل می‌دهند، کونجوگاسیون سبب انتقال ژن درون یا بین جمعیت‌های بیوفیلم می‌شود. برای مثال پلاسمید Tol که حامل یک ژن تجزیه کننده‌ی تولوئن14 و بنزیل الکل15 است. بین باکتری‌های یک بیوفیلم در حال رشد روی بنزیل الکل به عنوان تنها منبع کربن و انرژی گزارش شده است(89).
ساختار جمعیتی متراکم در بیوفیلم‌ها پراکندگی پلاسمیدها را توسط کونجوگاسیون افزایش می‌دهد و این مکانیسم خود می‌تواند تکامل بیوفیلم را سبب شود. به همین صورت به نظر می رسد که رهاسازی DNA و ترانسفورماسیون16 بخشی از چرخه‌ی زندگی بیوفیلم باشد و در نتیجه ساختار بیوفیلم را پایدار می‌کند. این فرایندهای ژنتیکی می‌توانند سبب افزایش کارآیی فیزیولوژیکی بیوفیلم، توانایی تجزیه‌ی مواد زنوبیوتیک و یا افزایش پایداری ساختار بیوفیلم شوند(89).
1-4-5- جنبه‌های ژنتیکی تشکیل بیوفیلم
هم اکنون مشخص شده که یک نوع از شیوه‌ی زندگی اکثر باکتری‌ها، به صورت متصل به سطوح یا همان بیوفیلم می‌باشد؛ جایی که جمعیت‌های باکتریایی در یک ساختار پیچیده و با تقسیم کردن مواد غذایی زندگی می‌کنند. به این دلایل، درک بیشتر از کیفیت سازشی باکتری‌ها در شرایط تغییرات محیطی با بررسی نحوه‌ی زندگی باکتری‌ها به صورت بیوفیلم بهتر صورت می‌گیرد. در حقیقت، امکان دارد که تنظیم ژن‌های اصلی به طور مستقیم توسط سیگنال‌های محیطی صورت بگیرد که این می‌تواند همانند حالت کنترل احساس آستانه17 ژن‌های متفاوت در بیوفیلم باشد؛ جایی که غلظت و میزان این سیگنال‌های خارجی ممکن است نسبت به سوسپانسیون طبیعی سلول‌های پلانکتونیک بسیار بالاتر باشد. به طور مشابه، انتقال ژن توسط کونجوگاسیون پلاسمید و ترانسفورماسیون DNA با فرکانس و کارآیی بالا در بسیاری از بیوفیلم‌های باکتریایی دیده شده است. بنابراین، پدیده‌های مربوط به فیزیولوژی باکتری‌ها، تنظیم آن و تنظیم ژن‌ها با اثر آنها بر روی پتانسیل یک جمعیت برای تجمع و به دست آوردن خصوصیات جدید با کیفیت بالا در بیوفیلم به انجام می‌رسند و این سازش سبب پایداری و تثبیت شرایطی اپتیمم برای زنده ماندن باکتری‌ها می‌شود. القاء تنظیم شده‌ی بیان ژن‌های خاص در بیوفیلم(شامل القاء سیگنال‌هایی که سبب گسترش بیشتر بیوفیلم می‌شوند) باعث به راه انداختن یک سری از وقایع مؤثر در تشکیل بیوفیلم می‌شوند. این نوع از القاء ممکن است به طور زیادی در ارتباط با تغییر حالت و شیوه‌ی زندگی باشد. در مقابل، پاسخ‌های سازشی شامل انتقال ژن، ممکن است در ارتباط با تغییرات ژنتیکی مورد نیاز برای مقابله با فاژها، توکسین‌ها و آنتی‌بیوتیک های مفید باشند. ترانسفورماسیون DNA و نوترکیبی بر پایه‌ی ادغام ژنومی، در ارتباط با ارگانیسم‌های بسیار نزدیک به هم می‌باشد؛ از آن جایی که انتقال پلاسمید می‌تواند بین ارگانیسم‌هایی که رابطه‌ی خویشاوندی دوری از هم دارند صورت بگیرد. یافته‌های اخیر نشان داده است که فرایندهای انتقال DNA یک اثر مثبت بر روی پایداری و گسترش بیوفیلم دارد. این مورد پیشنهاد می‌کند که انتقال ژن نتیجه‌ی گسترش بیوفیلم می‌باشد و تحت شرایط محیطی خاص انجام می‌پذیرد(89).
5-1- فرایندهای اولیه در تشکیل بیوفیلم و تمایز ساختاری حاصل از آنها
1-5-1- تمایز ساختاری
تشکیل بیوفیلم می‌تواند حداقل توسط سه مکانیسم صورت بگیرد؛ یکی از این موارد پراکندگی مجدد سلول‌های متصل به سطح توسط جابجایی در سطح مورد نظر می‌باشد. نتایج حاصل از کار O’Toole و Kolter بر روی جهش یافته‌های Pseudomonas aeruginosa پیشنهاد می‌کند که حرکت غلطیدن وابسته به پیلی نوع IV یک نقش را در تجمع روی سطوح برای این میکروارگانیسم بازی می‌کند. مکانیسم دوم، تقسیم دوتایی سلول‌های متصل به سطح می‌باشد(36). در هنگام تقسیم سلول‌ها، سلول‌های دختری در جهت بیرون و بالای سطح مورد نظر قرار می‌گیرند. در حقیقت، این روش همانند تشکیل کلونی بر روی پلیت آگار می‌باشد. نقش هر کدام از این مکانیسم‌ها بستگی به ارگانیسم مورد نظر، نوع سطح مورد نظر برای تشکیل کلنی و شرایط فیزیکی و شیمیایی محیط دارد. در Pseudomonas putida و Escherichia coli نشان داده شده است که فعالیت سلول‌ها در مرکز اجتماعات سلولی در هنگام رشد زیاد آنها، کم شده است اما فعالیت آنها می‌تواند به وسیله‌ی اضافه کردن منبع کربن مورد استفاده دوباره بازگردانده شود که این خود نشان می‌دهد که فعالیت سلول‌ها در داخل این ساختار به وسیله‌ی وجود مواد غذایی کنترل می‌شود. نشان داده شده است که کانال‌های احاطه کننده‌ی اجتماعات سلولی می‌توانند مقدار اکسیژن و دیگر مواد غذایی را به باکتری‌های درون بیوفیلم افزایش بدهند. بنابراین، ارتباط بین ساختار و عمل در این اجتماعات سلولی وجود دارد. به نظر می‌رسد که ساختار بیوفیلم به طور زیادی توسط تولید ماتریکس پلی‌مری خارج سلولی تعیین می‌شود(23).
این ماتریکس از پلی‌ساکارید، پروتئین و اسید نوکلئیک تشکیل شده است. Nivens و همکاران یافتند که سویه‌ی موکوئیدی Ps. aeruginosa یک بیوفیلم متفاوت از نظر ساختاری نسبت به سویه‌ی غیر موکوئیدی تولید می‌کند و خصوصاً آلژینات(یک ترکیب اصلی از پلی ساکارید این سویه) در این ساختار دیده می‌شود. همچنین مشخص شده است که القاء بیان ژن آلژینات در سویه‌ی غیر موکوئیدی می‌تواند سبب ایجاد یک ساختار پیچیده شود(26، 30).
1-5-2- تمایز فنوتیپی و اتصال اولیه
همانند فرایندهای تمایزی در بسیاری از سیستم‌های دیگر، فرایند تمایزی که گروه کوچکی از باکتری‌های متصل را به یک جمعیت بیوفیلمی احاطه شده در یک ماتریکس بر روی یک سطح تبدیل می‌کند، در ابتدا به صورت یک سری از تغییرات مورفولوژیکی دیده می‌شود. سلول‌های اتصال یافته‌ی تنها و تک که تشکیل بیوفیلم را بر روی یک سطح به راه می‌اندازند در ابتدا فقط توسط میزان کمی از مواد پلی‌مری احاطه شده‌اند و بسیاری از آنها قادر به تحرک و جابجایی هستند. در این سلول‌های متصل، هنوز فرایندهای تمایزی که منجر به تشکیل بیوفیلم ‌شود وجود ندارد و ممکن است بسیاری از آنها از سطح جدا شده و به حالت پلانکتونیک درآیند. در طول این مرحله از اتصال برگشت‌پذیر باکتری‌ها رفتارهای خاص گونه‌ای را نشان می‌دهند که شامل غلطیدن18 ،خزیدن19و تشکیل توده20 می‌باشد. این رفتارها قبل از تولید زیاد پلی‌ساکارید خارج سلولی و اتصال غیر قابل برگشت صورت می‌گیرند(64).
همزمان با بلوغ بیوفیلم، تکامل و گسترش میکروکلنی‌ها و کانال‌های آبی صورت می‌گیرد. همچنین در بسیاری از سلول‌ها تغییرات فیزیولوژیکی در پاسخ به شرایط خاص محل زندگی جدید صورت می‌گیرد. همچنین میکروکلنی‌های مجزا ممکن است از سطح، کنده شوند و به حالت پلانکتونیک و شناور درآیند.
1-5-3- اتصال برگشت‌ناپذیر
از آن جایی که اتصالات برگشت‌پذیر روی چسبیدن باکتری به سطوح اثر می‌گذارند، باکتری باید در هنگام رشد به منظور تشکیل یک بیوفیلم بالغ در تماس با سطح باشد. این تغییر از حالت اتصال برگشت‌پذیر به حالت برگشت‌ناپذیر در سال 1943 توسط Zobell به عنوان انتقال از حالت واکنش ضعیف سلول با ماده به یک اتصال دائم به واسطه‌ی تولید پلی‌مرهای خارج سلولی مورد توجه قرار گرفت. البته تحقیقات اخیر، تغییرات فیزیولوژیکی را مسبب این اتصال می‌دانند. یکی از مکانیسم‌های این انتقال پیلی نوع IV می‌باشد. همچنین تولید پلی‌ساکاریدهای چسبنده‌ی بین سلولی نیز از موارد دیگر در Staphylococcus epidermis می‌باشد که تشکیل میکروکلنی‌ها را آسان می‌کند(64).
1-6- بلوغ بیوفیلم
مرحله‌ی بعدی از تکامل بیوفیلم، بلوغ آن می‌باشد که حاصل گسترش ساختمان پیچیده، کانال‌ها، منافذ و پراکندگی مجدد باکتری‌ها می‌باشد. در یک بررسی، بیوفیلم‌های بالغ Ps. aeruginosa نشان داده است که بیوفیلم این باکتری الگویProfile پروتئینی متفاوتی از سلول‌های پلانکتونیک دارد. نزدیک به 50% از پروتئین های قابل شناسایی(بیشتر از 800 پروتئین) نشان داده شده است که در بیان آنها شش برابر یا بیشتر تفاوت وجود دارد. علاوه بر این، بیش از 300 پروتئین قابل شناسایی در بیوفیلم وجود دارد که در سلول‌های پلانکتونیک قابل شناسایی نیستند، پروتئین‌های قابل شناسایی در 5 گروه اصلی قرار می‌گیرند: متابولیسم، بیوسنتز LPS و فسفولیپید، ناقلین غشایی و ترشحی.
در مطالعه‌ی دیگری با استفاده از تکنولوژی DNA microaaray برای سنجش بیوفیلم بالغ و مقایسه‌ی آن با کشت کموستات Ps. aeruginosa نشان داده شد که فقط 70 ژن در بیوفیلم تغییر بیان داشتند. از میان این ژن‌ها که بیان بالایی در بیوفیلم بالغ دارند می‌توان به ژن‌های کد کننده‌ی پروتئین‌های شرکت کننده در ترجمه، متابولیسم، انتقال غشایی یا ترشح و تنظیم ژن اشاره کرد. این تحقیقات همچنین بیان بالای فاکتور سیگمای rpoH و بیان پایین فاکتور سیگمای rpoS در بیوفیلم بالغ را نشان می‌دادند(65).
1- 7-کنده شدن به عنوان یک بخش از تکامل بیوفیلم
همان طور که گفته شد تکامل بیوفیلم می‌تواند حداقل به چهار مرحله تقسیم‌بندی شود؛ این مراحل عبارتند از:
1) اتصال برگشت‌پذیر21
2) اتصال غیر برگشت‌پذیر22
3) بلوغ23
4) کنده شدن24
سلول‌های کنده شده به حالت پلانکتونیک در می‌آیند. بنابراین، سیکل زندگی بیوفیلم در این جا بسته می‌شود. کنده شدن یک لغت عمومی برای توصیف رها شدن سلول‌ها به صورت تک و یا یک گروه از بیوفیلم یا سطح می‌باشد. کنده شدن فعال، یک رخداد فیزیولوژیکی تنظیم شده می‌باشد که در این موارد بسیار کم مطالعه شده است(76).
نشان داده شده است که به دنبال انکوباسیون طولانی بیوفیلم‌های Ps. fluresence، کنده شدن صورت می‌گیرد که این همراه با کاهش در پلی ساکارید خارج سلولی بیوفیلم می‌باشد. مرحله‌ی سکون زندگی باکتری Clostridium thermocellum همراه با افزایش کنده شدن از سطح مواد می‌باشد.
مشخص شده که گرسنگی ممکن است منجر به فرایند کنده شدن باکتری‌ها از طریق مکانیسمی نامعلوم شود که سبب رها شدن باکتری‌ها برای جستجوی محیطی با مواد غذایی بیشتر می‌شود. حدس زده می‌شود افزایش در غلظت یک مولکول القاء کننده مسئول تولید و رهاسازی آنزیم‌های تجزیه کننده‌ی ماتریکس پلی‌مری می‌باشد که سبب کنده شدن سلول‌ها از بیوفیلم می‌شود. مثلاً باکتری گرم مثبت Streptococcus mutans یک آنزیم آزاد کننده‌ی پروتئین سطحی25 تولید می‌کند که سبب رهاسازی سلول‌ها از بیوفیلم می‌شود.
نشان داده شده است که بیان بالای ژن آلژینات لیاز26 سبب تجزیه‌ی آلژینات می‌شود و سبب ایجاد بیوفیلم‌هایی می‌شود که می‌توانند با یک تکان شدید از سطح کنده شوند.
همچنین هنگامی که تراکم سلول‌ها در بیوفیلم به یک حد بسیار بالا می‌رسد، رهاسازی آنزیم‌های تجزیه کننده‌ی ماتریکس صورت می‌گیرد که این خود منجر به کنده شدن سلول‌ها از بیوفیلم می‌شود. شکل 1 مراحل تشکیل بیوفیلم را بصورت کلی نشان می دهد(64).
1- 8- تشکیل بیوفیلم به عنوان یک فرایند تکاملی
همان طور که گفته شد تشکیل بیوفیلم حداقل به 4 مرحله تقسیم می‌شود؛ 1- اتصال برگشت‌پذیر، 2- اتصال برگشت‌ناپذیر، 3- بلوغ و 4- کنده شدن. سلول‌های کنده شده به صورت پلانکتونیک در می‌آیند و بنابراین سیکل زندگی بیوفیلم در این جا کامل می‌شود. این چهار مرحله نسبت به یکدیگر تفاوت‌های اساسی دارند. سلول‌های باکتری درون هر کدام از این مراحل از نظر فیزیولوژیکی با مراحل دیگر کاملاً متفاوت هستند. در یک مطالعه، بیوفیلم Ps. aeruginosa در هر مرحله توسط الکتروفورز ژل پلی آکریل‌‌آمید دو بعدی مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار گرفت و مشخص شد که میانگین تولید پروتئین‌های قابل تشخیص توسط این روش برابر 35% می‌باشد. انتقال از حالت پلانکتونیک به مرحله‌ی غیر برگشت‌پذیر نتیجه‌ی تغییر در 29% از پروتئین‌های سلولی می‌باشد. به همین ترتیب، انتقال از این مرحله به مرحله‌ی بعد سبب تغییر 40% از پروتئین‌ها می‌باشد ولی در مرحله‌ی آخر، یک کاهش در حدود 35% در پروتئین‌های قابل تشخیص دیده می‌شود. سلول‌ها در طول این مرحله از تکامل، یک الگوی پروتئینی دارند که بسیار شبیه به سلول‌های پلانکتونیک می‌باشد. بیشترین تفاوت نیز هنگامی مشاهده شد که سلول‌های پلانکتونیک با سلول‌های بیوفیلم بالغ مقایسه شدند.
به طور کلی می‌توان ذکر کرد که سلول‌ها در هر مرحله از تشکیل بیوفیلم از نظر فیزیولوژیکی تفاوت‌های زیادی با سلول‌ها در مراحل دیگر دارند که این تفاوت‌ها بیانگر همان فرایند تکاملی می‌باشد.
1-9- ارتباطات سلول-سلول در طول تشکیل بیوفیلم

دسته بندی : پایان نامه ها

پاسخ دهید