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
1
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.
3
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:
5
6
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.
7
(a)
(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 c-di-GMP kích thích tạo Biofilm. Tuy nhiên, bộ máy Biofilm được thay đổi do c-di-
9
GMP là rất khác nhau ở cả hai sinh vật. Ở P.fluorescens, thay đổi 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.
11
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:
13
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 CO
2
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.
15
Sử dụng lợi khuẩn probiotic kết hợp các enzyme phá vỡ màng sinh học, thâm nhập vào
bên trong, tiêu diệt, cô lập các tác nhân gây bệnh do đó đảm bảo mang lại hiệu quả cao,
ổn định và giải quyết vấn đề làm sạch môi trường.
3. Ứng dụng: Biofilm còn được ứng dụng trong quá trình xử lí khí thải công nghệ biofiter.
Hệ thống lọc sinh học cung cấp môi trường cho vi sinh vật phát triển và phân hủy các
chất khí có mùi hôi và các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong khí thải. Trong hệ thống này,
các vi sinh vật sẽ tạo thành một màng sinh học (biofilm), đây là một màng mỏng và ẩm
bao quanh các vỏ dừa. Trong quá trình lọc, khí thải được bơm chậm xuyên qua hệ thống
lọc, các chất ô nhiễm trong khí thải sẽ bị các nguyên liệu lọc hấp thụ cơ chế của quá trình
lọc sinh học bao gồm quá trình hấp phụ, hấp thụ và phân hủy bởi các vi sinh vật. Các vi
sinh vật trong màng sinh học liên tục hấp thụ và biến dưỡng các chất ô nhiễm. Các chất
khí gây ô nhiễm sẽ bị hấp phụ bởi màng sinh học, tại đây, các vi sinh vật sẽ phân hủy
chúng để tạo nên năng lượng và các sản phẩm phụ là CO
2
và H
2

O các loại muối theo
phương trình sau:
Không khí ô nhiễm + O
2
> CO
2
+ H
2
O + nhiệt + sinh khối.
Việc sử dụng hệ thống xử lý khí thải bằng công nghệ biofiter các chất hữu cơ bay hơi đã
được áp dụng trong các ngành sau: công nghệ hóa dầu và hóa chất, sản xuất
sơn, nhựa tổng hợp, xử lí chất và nước thải, xử lí chất và nước thải lò mổ, sản xuất
gelatin, chế biến thịt và nông sản, ca cao, đường, gia vị, mùi nhân tạo,…
16
Hình 12: màng MBBR
VI. Tài liệu tham khảo:
1. Maichael T.Madigan etal.,2009. Biology of microorganisms. Pearson Education.
2. Xianming Shi, Xinna Zhua, 2009. Biofilm formation and food safery in food
industries. Trends in Food Scinece & Technology.
3. (Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn – viện chăn nuôi)
4.
5. Allison, D. G. (2000). Community structure and co-operation in biofilms. Cambridge,
UK: Cambridge University Press. ISBN 0-521-79302-5.
6. Lynch, James F.; Lappin-Scott, Hilary M.; Costerton, J. W. (2003). Microbial biofilms.
Cambridge, UK: Cambridge University Press. ISBN 0-521-54212-X.
7. "Biofilm Basics" . Center for Biofilm Engineering, Montana State University.

8. Fratamico, M. (2009). Biofilms in the food and beverage industries. Woodhead
Publishing Limited
/>quan/riboswitches-mrna-truc-tiep-tham-gia-dieu-khien-qua-trinh-dich-ma n231/

17