BIOFILM TRONG GHÉP VẬT LIỆU SINH HỌC, CƠ CHẾ HÌNH THÀNH, ĐẶC ĐIỂM VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

CHUYÊN ĐỀ THẢO LUẬN

BIOFILM TRONG GHÉP VẬT LIỆU SINH
HỌC, CƠ CHẾ HÌNH THÀNH, ĐẶC ĐIỂM VÀ
BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC
Giảng viên: TS. Nguyễn Văn Duy
NHÓM 1:
1. Nguyễn Văn Chiển
2. Vũ Hải Sơn
3. Làn Văn Đông
4. Lại Thành Vinh
5. Dương Văn Hường
6. Đào Thị Hương


I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Nhiều nhận định về vi khuẩn được dựa trên những
nghiên cứu trong phòng thí nghiệm nơi vi khuẩn tồn tại,
lơ lửng trong môi trường giàu dinh dưỡng. Thế nhưng,
vi khuẩn trong thế giới tự nhiên thì ứng xử khác với tụi
vi khuẩn trong phòng thí nghiệm. Là vì, thiên nhiên, nơi
kẻ thù thì nhiều mà thức ăn lại không bao nhiêu, là môi
trường khắc nghiệt hơn nhiều so với phòng thí nghiệm.
Để tồn tại, vi khuẩn phải học cách bám lên bề mặt, liên
kết chặt chẽ với các loài khác để cộng sinh và tự bảo
vệ mình.

II. TRÌNH BÀY VỀ BIOFILM
1. Khái niệm Biofilm
Biofilm (màng sinh học): 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 phẩmdo các màng này chứa các vi khuẩn gây hư
hổng và gây bệnh, làm tăng nguy cơ sức khỏe cộng đồng. Trong điều
kiện khắc nghiệt, vi khuẩn bám lên bề mặt ,liên kết chặt chẽ với các loài
khác để cộng sinh và tự bảo vệ mình. Chúng gắn kết với nhau bằng
polysaccharide do vi khuẩn sinh ra, gọi là màng sinh học.
Màng sinh học là cấu trúc thường gặp trong thế giới tự nhiên.
Người yêu thủy sinh vốn không lạ gì với cặn máy lọc hoặc váng trên
mặt nước; đó (cặn hoặc váng trên mặt nước) là những ví dụ điển hình
của màng sinh học. Những trường hợp màng sinh học được nghiên
cứu nhiều nhất (dĩ nhiên những thứ mang lại rắc rối cho ta thì phải
được ưu tiên nghiên cứu kỹ nhất), là: 1. Cao răng; 2. Bệnh nhân bị xơ
nang vì viêm phổi mãn tính ; 3. Ống nước và thân tàu bị ăn mòn 4. Và
sự nhiễm bẩn ở các thứ như kính áp tròng, tim nhân tạo và các thiết bị
cấy ghép y khoa.


a, Mặt cắt ngang của một biofiml thực nghiệm
b, Một biofiml tự nhiên được ghi bởi kính hiển vi laser
C, biofiml của vi khuẩn õi hóa sắt.


2. Nguyên nhân hình thành màng sinh học
Lý do khiến vi khuẩn gắn vào và tạo nên Màng Sinh học lên bề mặt là
vì bề mặt là nơi chất dinh dưỡng tích tụ lại. Chính do mọi bề mặt đều có điện
tích âm, điện tích âm thì sẽ hút ion dương và các bon hữu cơ hoà tan.
Rồi các hợp chất mang điện tích dương tích tụ lại bên nhau lại sẽ thu

hút các hợp chất mang điện tích âm. Vì thế, ngay cả trong môi trường nước
nghèo chất dinh dưỡng, thường cũng có vừa đủ chất hữu cơ bám vào bề mặt
để giúp vi khuẩn phát triển. Khi các hợp chất hữu cơ tụ lại trên mặt nước,
chúng sẽ thu hút các vi khuẩn, tảo và động vật nguyên sinh thích ăn chúng
đến, theo thời gian sẽ phát triển thành một màng sinh học, được gọi là neuston
(sinh vật sống trong màng mặt nước/váng bề mặt).
Vi khuẩn bám vào bề mặt theo nhiều cách khác nhau. Vài lọai vi
khuẩn tự bản thân đã có tính kết dính ; cơ bản chúng là “cục keo” bao phủ bởi
các màng dính lipopolysaccharide hoặc bởi các phần phụ gốc prô-tê-in. Các vi
khuẩn khác chỉ tổng hợp chất kết dính cần thiết khi xuất hiện bề mặt cho
chúng bám vào. Chẳng hạn như, trong vòng 15 phút khi vi khuẩn gây viêm
đường hô hấp - Psuedomonas aeruginosa’s gặp một mặt kính, nó sẽ kích hoạt
ngay một gen cần để tổng hợp polysaccharide. Khi vi khuẩn đã gắn vào bề
mặt, chúng chia ra và liên tục sản xuất thật nhiều polysaccharides để tạo nên
Màng Sinh học “hoàn chỉnh.”


Tại sao vi khuẩn tạo bioflm?
1.Đây là cách tự đề kháng để gia tăng khả năng sống sót.
2.Biofilm cho phép tế bào duy trì ở một nơi thích hợp.
3.Biofilm cho phép tế bào vi khuẩn sống gần nhau hơn, thông tin
giữa tế bào – tế bào tốt hơn, tăng cơ hội sống sót.
4.Biofilm dường như là tế bào vi khuẩn phất triển trong tự nhiên.


Sự hình thành biofilm
Biofilm được hình thành như thế nào ? Sự va chạm ngẫu nhiên các
tế bào với các bề mặt tạo sự gắn dính tế bào lúc đầu, có sự kết dính được
khuyến khích bởi sự tương tác giữa một hay nhiều cấu trúc tế bào và bề
mặt. Các cấ trúc tế bào gồm phần phụ chứa protein (pili, tiên mao), các

protein bề mặt (như proteinkeets dính lớn của Pseudomonas fluorescens),
và các polysaccharide. Sự gắn dính của một tế bào vào bề mặt là một tín
hiệu để biểu hiện các gene đặc hiệu protein. Gồm các gene mã hóa cho
protein tổng hợp các phân tử tín hiệu giữa các tế bào và bắt đầu hình thành
mạng lưới. Một khi chuyển sang hình thành biofilm, tế bào tự do mất tiên
mao và trở thành không di động.
Sự gắn dính
(dính vài tế bào vào bề
mặt rắn thích hợp

Tạo quần thể
(thông tin giữa các tế
bào, phát triển và hình
thành polysaccharide)

Phát triển
(sự phát triển và hình
thành polysaccharide
nhiều hơn)


a, Biofilm bắt đầu với việc gắn dính của vài tế bào rồi phát triển và thông
tin với các tế bào khác .
b. Ảnh vi thể của biofilm nhuộm DAPI mà phát triển trên ống thép không
gỉ.


3. Đặc điểm của biofilm – màng sinh học
Một Màng Sinh học hoàn chỉnh có thể dầy từ 600-900 um, tức là dầy gấp
mấy trăm lần một con vi khuẩn đơn lẻ.(một con vi khuẩn dài khoảng 1um) Màng

sinh học không phải là một chất vô định hình, hay một khối đặc sệt các
polysaccharides và vi khuẩn như có người đã nghĩ; nó có tổ chức và cấu trúc.
Thậm chí là khu vực dầy nhất của màng sinh học cũng cho luồng nước chảy qua.
Nước chảy qua các cấu trúc hình nấm của những khối cầu vi khuẩn, qua đó, cung
cấp dinh dưỡng cho chúng và đem chất thải đi.
Rõ ràng, cấu trúc bên trong của màng sinh học không được cấu thành
theo cách ngẫu nhiên. Các nhà nghiên cứu cho biết có sự trao đổi thông tin liên tục
diễn ra giữa các vi khuẩn để đảm bảo màng sinh học được hình thành một cách
chính xác. (Các vi khuẩn đột biến không thể truyền thông với nhau để tạo nên các
màng sinh học bất thường.) Các màng sinh học không luôn luôn giống y chang
nhau, theo kiểu gồm nhiều lớp vi khuẩn hiếu khí bên trên và nhiều lớp vi khuẩn kỵ
khí bên dưới. Do các luồng nước chảy qua khuấy động nên các vi khuẩn kỵ khí và
hiếu khí song song tồn tại trong các hốc nhỏ ở khắp trong màng sinh học. Vì thế,
các nhà nghiên cứu thiệt ngạc nhiên khi thấy quá trình khử ni-tơ xảy ra trong một
bộ lọc xục khí vốn dùng để xử lý nước thải.(Cái lọc này cũng giống như “lọc” thẩm
thấu/chảy nhỏ giọt.) họ thấy lượng vi khuẩn hiếu khí, vi khuẩn tạo ni-tơ (nitrat hóa),
vi khuẩn khử ni-tơ, và vi khuẩn kỵ khí, cả ở đáy và trên cùng, bằng y như nhau. Và
làm thêm những thí nghiệm khác, họ thấy có các hoạt động trao đổi chất qua lại
giữa các vi khuẩn tạo ni-tơ (hiếu khí) và vi khuẩn khử ni-tơ (ky khí) y như nhau ở
cả tầng đáy cũng như tầng trên cùng.


Có thể vi khuẩn tạo nitơ và các vi khuẩn khác đã lập được một mối quan
hệ tương hỗ hai bên cùng có lợi và chặt chẽ trong các màng sinh học của các
bộ lọc sinh học. Vì các vi sinh hiếu khí bình thường phóng thích/nhả amôniắc
trong quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ, các vi khuẩn tạo nitơ có thể
dùng amôniắc (cố định đạm) làm nguồn năng lượng cho mình. Rồi đến lượt các
vi khuẩn khử nitơ chuyên tiêu thụ axít, nên, có thể đã bảo vệ cho các vi khuẩn
tạo nitơ vốn đặc biệt nhạy cảm với tính axít.
Vi khuẩn trong màng sinh học có nhiều thuận lợi hơn là những vi khuẩn lơ

lửng tự do trong nước. Trước hết, chúng chia sẻ thông tin di truyền và trao đổi
chất cho nhau. Ví dụ như, trong màng sinh học ở cao răng, vi khuẩn Veillonella
sử dụng lắc tát do vi khuẩn Streptococcus sinh ra. Thứ nhì, vi khuẩn trong
màng sinh học được bảo vệ khỏi kẻ thù và các hoá chất độc hại.


Trong thế giới dưới nước, màng sinh học bảo vệ vi khuẩn khỏi bị các động
vật nguyên sinh, các loại tảo độc hại (dinoflagellates – tảo roi) và khuẩn độc
(Myxobacteria – niêm khuẩn) làm hại.
Về bệnh của người, màng sinh học giúp vi khuẩn không bị thuốc kháng
sinh, hoá chất, kháng thể, tế bào miễn dịch v.v… làm hại.
Vì thế, các tế bào lơ lửng của trực khuẩn mủ xanh - Pseudomonas
aeruginosa sẽ bị tiêu diệt bởi 0,050 mg/ml tobramycin - kháng sinh dùng trong
thuốc nhỏ mắt trong khi nhiều hơn thế 20 lần thuốc này (0.1 mg/ml) mà vẫn
không diệt được trực khuẩn mủ xanh khi nó là hoá chất ức chế nitơ - nitrapyrin,
sự tăng trưởng của vi khuẩn trong trường hợp cấy màng sinh học không bị ảnh
hưởng gì cả, còn sự tăng trưởng của vi khuẩn sống trong môi trường cấy lơ
lửng bị giảm 82 %.
Các nhà nghiên cứu đã dùng kết quả thí nghiệm của họ để giải thích tại
sao chất ức chế nitơ (nitrapyrin) không ngăn chặn được quá trình sinh ra nitơ
ngoài thực tế cho nông dân, như đã tiên liệu theo nghiên cứu trong phòng thí
nghiệm. Vì thế, tuy chất ức chế nitơ (nitrapyrin) là chất ức chế hiệu quả đối với
N.europaea sống lơ lửng trong môi trường giàu dinh dưỡng trong phòng thí
nghiệm, nhưng lại không có hiệu lực trong những điều kiện khi vi khuẩn có thể
bám vào các hạt đất và trú ngụ bên trong màng bảo vệ sinh học.


4. Một số vi khuẩn có tính kết dính
+ Mycoplasma pneumoniae (MP) bám dính lên tế bào, đồng thời sản xuất
được hydro peroxid và nhiều chất ammonia gây tổn thương tế bào vật chủ;

kích hoạt những tự kháng thể IgM làm ngưng kết hồng cầu ở 4oC, gây thiếu
máu và một số biến chứng khác. MP gây bệnh ở đường hô hấp đối với mọi
lứa tuổi, đặc biệt từ 5 - 20 tuổi. Thời gian ủ bệnh từ 2 - 3 tuần, lâu hơn so với
đa số các bệnh nhiễm khuẩn đường hô hấp khác. Bệnh lây lan do tiếp xúc,
không những phát thành dịch ở trường học và các tập thể đông người mà còn
xuất hiện rải rác ở các gia đình. Tuy viêm phổi là biểu hiện đặc trưng, nhưng
nhiễm MP ngoài phổi lại phổ biến hơn. Ở trẻ rất nhỏ, đa số chỉ có triệu chứng
hô hấp trên, trong khi ở trẻ trên 5 tuổi và người lớn hay gặp viêm phế quản và
viêm phổi.
+ Pseudomonas aeruginosa tiết ra các enzyme ngoại bào có khả năng phá
hủy lớp fibronectin làm cho vi khuẩn dễ dàng bám dính lên các thụ thể có trên
tế bào biểu mô. P. aeruginosa tiết ra chất nhầy có cấu tạo là polysaccharide
gồm nhiều tiểu phần mannuronic acid và glucuronic acid hay còn được gọi là
alginate. Các dạng alginate này kết hợp với nhau tạo thành dạng cấu trúc nền
cho P. aeruginosa thành dạng biofilm giúp bảo vệ che chở vi khuẩn tồn tại
được trong môi trường tự nhiên cũng như tránh được hệ miễn dịch của cơ thể
ký chủ.


Biofilms của vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa phát triển trên các
phiến kính thủy tinh


6. Biện pháp khắc phục
Biofilm có tác động mạnh đến cuộc sống con người (sức khỏe,
thương mại). Trong cơ thể, các tế bào vi khuẩn trong biofilm được bảo vệ
khỏi sự tấn công của hệ thống miễn dịch, kháng sinh và các tác nhân
kháng khuẩn khác thường khó xâm nhập vào biofilm. Bên cạnh bệnh “xơ
hóa nang”,biofilm đã có tác động đến tình trạng sức khỏe và răng bệnh nha
chu, sỏi thận, lao, bệnh viêm phổi do nhiễm khuẩn, nhiễm trùng do

Staphylococcus. Các bộ phận cấy ghép là các bề mặt lý tưởng để phát triển
biofilm. Gồm các dụng cụ tạm thời, như xông tiểu, cũng như lâu dài khư
khớp nhân tạo. Ước tính khoảng 10 triệu người một năm trong các nhiễm
trùng biofilm thực nghiệm ở Mỹ từ bộ phận cấy ghép hay thủ thuật y học
can thiệp. Các biofilm giải thích tại sao vệ sinh đường miệng là quan trọng
trong việc duy trì sức khỏe răng. Mảng bám răng là biofilm đặc thù và chứa
vi khuẩn acid gây sâu răng.


Trong công nghiệp, biofilm khởi đầu phân hủy các vật
ngâm trong nước. Sự an toàn nước uống có thể bị ảnh hưởng
bởi biofilm hình thành trong các đường ống, nhiều nơi lâu đời
đén gần 100 năm. Biofilm ống nước hầu như chứa các vi sinh
vật vô hại, nhưng nếu tác nhân gây bệnh tạo quần thể trong
biofilm, khử trúng bằng chlor bình thường không giết được
chúng. Giải phóng tác nhận gây bệnh từng đợt có thể dẫn đến
các vụ dịch. Vibrio cholerae, tác nhận gây bệnh tả, có thể tăng
sinh theo kiểu này. Cần quan tâm xử lý cá đường ống và các bề
mặt để giữ chúng không có biofilm. Hiện nay người ta đang
quan tâm đến các tác nhân kháng khuẩn mới ngăn ngừa hình
thành biofilm tác động đến các thông tin giữa các tế bào. Nhóm
các chất furanones đang được chú ý. Furanones bền và một số
không độc, có thể sử dụng làm chất chống biofilm.


III. KẾT LUẬN
Như vậy biofilm có tác động đến nhiều lĩnh vực
trong đời sống của con người. Tuy nhiên con người cũng
sử dụng biofilm để xử lý các chất ,xử lý môi trường,sử
dụng trong lĩnh vực y học …góp phần vào việc bảo vệ

cuộc sống con người, nâng cao chất lượng đời sống xã
hội.