Pourquoi faut-il faire attention aux biofilms

Q: Que sont les biofilms?

ASTM International1 définit le biofilm comme : "des micro-organismes vivant dans une communauté auto-organisée attachés à des surfaces, des interfaces ou les uns aux autres, intégrés dans une matrice de substances polymères extracellulaires d'origine microbienne, tout en présentant des phénotypes modifiés en ce qui concerne le taux de croissance et la transcription des gènes. ” La définition de l'ASTM ajoute : « Les biofilms peuvent être composés de bactéries, de champignons, d'algues, de protozoaires, de virus ou de combinaisons infinies de ces micro-organismes. Les caractéristiques qualitatives d'un biofilm, y compris, mais sans s'y limiter, la densité de population, la diversité taxonomique, l'épaisseur, les gradients chimiques, la composition chimique, la consistance et d'autres matériaux dans la matrice qui ne sont pas produits par les micro-organismes du biofilm, sont contrôlées par la physiochimie milieu dans lequel il existe. » Plusieurs termes complexes sont utilisés dans cette définition. Dans cet article, je déballerai la définition et expliquerai pourquoi les personnes impliquées dans la gestion des fluides industriels ou des systèmes devraient prêter attention aux biofilms.

Comprendre la complexité des biofilms et leur impact sur les systèmes

Ce poste d'invité est fourni par Dr Fred Passman, président de Associés de contrôle de la biodétérioration, Inc. (BCA). Le Dr Passman est un boursier ASTM, un boursier STLE et un spécialiste certifié des fluides pour le travail des métaux avec plus de 45 ans d'expérience en microbiologie environnementale et industrielle.

Que sont les biofilms?

ASTM International¹ définit biofilm comme: "des micro-organismes vivant dans une communauté auto-organisée attachés à des surfaces, des interfaces ou les uns aux autres, intégrés dans une matrice de substances polymères extracellulaires d'origine microbienne, tout en présentant des phénotypes modifiés en ce qui concerne le taux de croissance et la transcription des gènes".

La définition de l'ASTM ajoute : « Les biofilms peuvent être composés de bactéries, de champignons, d'algues, de protozoaires, de virus ou de combinaisons infinies de ces micro-organismes. Les caractéristiques qualitatives d'un biofilm, y compris, mais sans s'y limiter, la densité de population, la diversité taxonomique, l'épaisseur, les gradients chimiques, la composition chimique, la consistance et d'autres matériaux dans la matrice qui ne sont pas produits par les micro-organismes du biofilm, sont contrôlées par la physiochimie milieu dans lequel il existe. »

Plusieurs termes complexes sont utilisés dans cette définition. Dans cet article, je déballerai la définition et expliquerai pourquoi les personnes impliquées dans la gestion des fluides industriels ou des systèmes devraient prêter attention aux biofilms.

Les micro-organismes

Les micro-organismes sont des organismes qui sont trop petits pour être vus sans l'utilisation d'un appareil grossissant tel qu'un microscope (Figure 1). Voici un rappel rapide (toutes les définitions sont pour des termes au pluriel et sont des citations des normes de terminologie ASTM) :

Algues

Groupe majeur de plantes inférieures, généralement aquatiques, photosynthétiques de morphologie et de physiologie extrêmement variées, plantes monocellulaires à chlorophylle souvent masquée par un pigment brun ou rouge.

Archaea (domaine Archaea)

Tout organisme d'un groupe d'organismes procaryotes unicellulaires (c'est-à-dire des organismes dont les cellules n'ont pas de noyau défini) qui ont des caractéristiques moléculaires distinctes les séparant des bactéries (l'autre groupe de procaryotes le plus important) ainsi que des eucaryotes (organismes, y compris plantes et animaux, dont les cellules contiennent un noyau défini).

Bactéries

Tout organisme d'une classe d'organismes unicellulaires microscopiques se reproduisant par fission ou par spores. Caractérisé par des corps ronds, en forme de bâtonnets, en spirale ou filamenteux, souvent agrégés en colonies ou mobiles au moyen de flagelles. Largement dispersé dans le sol, l'eau, la matière organique et les corps des plantes et des animaux. Soit autotrophe (auto-suffisant, auto-génératif), saprophyte (dérive la nutrition de la matière organique non vivante déjà présente dans l'environnement), soit parasitaire (dérive la nutrition d'un autre organisme vivant). Souvent symbiotique (avantageux) chez l'homme, mais parfois pathogène.

Champignons

Micro-organismes unicellulaires (levures) ou filamenteux (moisissures) qui partagent la propriété d'avoir les véritables membranes intracellulaires (organelles) qui caractérisent toutes les formes de vie supérieures (Eucaryotes).

Protozoaires

Embranchement ou groupe d'embranchements qui comprend les animaux microscopiques unicellulaires, qui comprennent les amibes, les flagellés, les ciliés, les sporozoaires et de nombreuses autres formes.

virus

Un agent infectieux qui consiste généralement en une molécule d'acide nucléique dans une enveloppe protéique, est trop petit pour être vu au microscope optique et ne peut se multiplier que dans les cellules vivantes d'un hôte.

Communauté auto-organisée

Une communauté auto-organisée est une communauté qui se forme grâce aux activités de ses membres. Comme je l'expliquerai plus en détail ci-dessous, les biofilms sont des créations complexes assez similaires aux organismes multicellulaires tels que les éponges et tous les organismes supérieurs. La forme et la fonction de chaque cellule de la matrice du biofilm sont affectées par les signaux chimiques qu'elle reçoit des autres cellules.

Matrice de substances polymères extracellulaires d'origine microbienne

A matrice est l'ensemble des conditions qui fournit un système dans lequel quelque chose grandit ou se développe. Une matrice de biofilm est un mélange complexe de biomolécules, comprenant du matériel génétique (acide désoxyribonucléique - ADN - et acide ribonucléique - ARN), des peptides, des lipides, des glucides et d'autres molécules de poids moléculaire élevé. Ce mélange s'appelle substance polymère extracellulaire (EPS). À l'origine (lorsque j'étais étudiant de premier cycle enquêtant sur le développement de biofilms sur les surfaces de vapeur des grottes), les biofilms étaient considérés comme des revêtements de surface homogènes - un peu comme une couche uniforme de peinture visqueuse. Nous comprenons maintenant que la matrice EPS est structurellement complexe.

Comme l'illustre la figure 2, dans la matrice EPS du biofilm, il existe des zones cellulaires denses et sans cellules. De plus, les canaux assurent le flux de nutriments et de métabolites dans le biofilm. Les biofilms libèrent des cellules dans le fluide en vrac par deux mécanismes. La libération passive se produit en raison des effets érosifs du fluide s'écoulant sur le biofilm. Cependant, les communautés de biofilms peuvent également libérer activement des cellules. Les microbes planctoniques libérés des biofilms peuvent se déposer sur les surfaces en aval et être les pionniers de la création de nouvelles communautés de biofilms. Certaines zones du biofilm sont étroitement remplies de cellules microbiennes et d'autres sont des déserts cellulaires - sans présence visible de cellules.

**Figue. 2.** Schéma du biofilm. Formes rouges de cellules microbiennes. La zone bleu clair est l'EPS. Les zones bleu foncé sont des canaux et la zone jaune est le fluide en vrac qui coule sur le biofilm.

Le processus de développement du biofilm a été bien étudié. Bactéries avec des structures externes spécialisées appelées pili d'attachement sont attirés par les surfaces du substrat (par exemple, les surfaces métalliques ou en béton) par des forces électrostatiques et autres (Figure 3a). C'est ce qu'on appelle le phase d'attachementou Étape I, du développement du biofilm. Pendant Étape II (les augmentation phase), ces bactéries pionnières se répliquent et commencent à produire des EPS (Figure 3b). Dans de nombreux environnements, un biofilm mature (Phase III; Les figures 2 et 3c) peuvent évoluer en 24 h à 72 h. La population d'un biofilm mature peut être constituée d'un seul type de microbe (unité taxonomique opérationnelle – OTU – ou génotype), lorsque les microbes de la matrice EPS sont génétiquement identiques (c'est-à-dire monoclonal), ou divers OTU.

**3 Fig.** Développement de biofilms - a) les bactéries pionnières avec des pili de fixation sont attirées vers les surfaces par diverses forces électrochimiques ; b) après s'être fixées aux surfaces, les bactéries pionnières se reproduisent et excrètent des polymères adhésifs et du PSE ; c) en quelques jours, le biofilm mature s'est formé.

Les microbes du biofilm forment un consortium. Ils se signalent les uns aux autres en sécrétant et en détectant divers types de biomolécules. Cette communication moléculaire entre les cellules est assez sophistiquée et ressemble au type de communication intercellulaire qui a lieu entre les cellules d'organismes multicellulaires allant des éponges aux humains.

Phénotype

Un phénotype est un ensemble de caractéristiques observables d'un organisme résultant de l'interaction de son génotype avec l'environnement. Tout comme l'apparence et la fonction des cellules humaines dépendent de leur emplacement (par exemple, les cellules de la peau, les cellules du foie, les cellules musculaires, etc. - qui varient toutes en fonction de l'organe dont elles font partie ainsi que leur emplacement dans l'organe - pensez aux nombreux phénotypes cellulaires différents dans un globe oculaire !), l'apparence et la fonction des cellules microbiennes peuvent varier en fonction de leur environnement immédiat. Il y a près de 20 ans, des chercheurs du Centre d'ingénierie du biofilm de l'Université d'État du Montana a placé une seule cellule bactérienne sur une surface de verre et l'a regardée se reproduire et créer un consortium de biofilms. Les chercheurs ont découvert que la forme (morphologie) et les caractéristiques physiologiques (nutriments que la cellule peut consommer et déchets qu'elle excrète) d'un seul génotype dépendaient de l'emplacement des cellules dans la matrice du biofilm.

Réitérant mon commentaire précédent : pensez aux consortiums de biofilms comme étant parmi les premiers organismes multicellulaires. Il est probable que les premiers rapports sur la diversité microbienne du biofilm comprenaient des évaluations incorrectes basées sur la différenciation phénotypique entre les cellules. La littérature sur les biofilms comprend désormais des descriptions de consortiums de biofilms monoclonaux et génétiquement divers.

Transferts génétiques

Confus encore? Les microbes vivant à proximité sont exceptionnellement promiscueux. Ils peuvent échanger de l'ADN chromosomique et extrachromosomique. Chromosomique L'ADN est l'ADN contenu dans la structure filiforme qui contient les gènes de l'organisme qui, à leur tour, définissent son génotype. Les plasmides sont des brins d'ADN qui ne font pas partie du chromosome d'une cellule. Les plasmides peut se répliquer indépendamment du chromosome. Ils peuvent être présents à l'intérieur des cellules ou dans la matrice EPS. Lorsque les plasmides de l'environnement pénètrent dans les cellules, le processus s'appelle transfection.

Les bactéries peuvent transférer à la fois l'ADN chromosomique et les plasmides par pili de conjugaison. Ce processus est appelé conjugaison. La figure 4 illustre le processus de conjugaison. Une fois que le plasmide s'est répliqué à l'intérieur d'une cellule (figures 1a et 1b), il peut être transféré via un conjugaison pilus (forme singulière de pili) à une autre cellule (Figures 1c, à 1e). À la fin du processus, les deux ventes ont le plasmide (Figure 1f). Les plasmides sont un outil essentiel pour le génie génétique. Dans la nature, ils sont le principal moyen par lequel des propriétés telles que la résistance aux microbicides sont transférées entre les cellules.

**4 Fig.** Transfert de gène plasmidique par conjugaison – a) deux cellules bactériennes – une avec et une sans le plasmide ; b) répliques de plasmide ; c) le pilus de conjugaison relie deux cellules ; d) l'ADN plasmidique entre dans le pilus de conjugaison pour être transféré à la cellule réceptrice ; e) le transfert de plasmide est terminé ; f) les deux cellules peuvent maintenant transférer le plasmide à d'autres cellules.

Les virus bactériens et fongiques peuvent également agir comme vecteurs de transferts de gènes. Lorsqu'un virus à ADN infecte une cellule hôte, son ADN est généralement intégré dans le chromosome de la cellule hôte. Au fur et à mesure que de nouveaux virus sont produits dans la cellule hôte, certains des virions peuvent capter un ou plusieurs gènes du chromosome de l'hôte. Après la lyse de la cellule hôte, les virions libérés se fixent sur de nouvelles cellules hôtes. Ceux qui portent des gènes de la cellule hôte précédente peuvent transférer ces gènes à leurs nouveaux hôtes. Ce processus est appelé transduction.

Le transfert de gènes entre les cellules du consortium de biofilms est l'un des nombreux mécanismes de communication. De plus, c'est un processus qui propage des gènes adventices (tels que la résistance aux microbicides) parmi les membres de la communauté des biofilms.

Résumé

Des biofilms peuvent se former sur toute surface en contact avec l'eau. Dans les systèmes aqueux tels que les échangeurs de chaleur, l'eau potable, les conduites d'incendie contenant un fluide de travail des métaux miscible à l'eau, les biofilms peuvent recouvrir > 90 % des surfaces en contact avec le fluide. Dans les systèmes contenant des carburants, des lubrifiants ou d'autres fluides dans lesquels l'eau n'est normalement pas miscible, des biofilms se développent généralement dans les zones où l'eau de condensation s'accumule.

Les biofilms sont des structures complexes composées principalement d'EPS. Les microbes vivant dans des consortiums de biofilms ressemblent aux cellules d'organismes multicellulaires. Physiologiquement, elles peuvent être tout à fait distinctes des cellules planctoniques génétiquement identiques. De plus, des microbes génétiquement identiques peuvent différer physiologiquement en fonction de leur emplacement dans la matrice EPS. En raison des effets combinés de l'activité métabolique microbienne et de la chimie des EPS, l'environnement physico-chimique au sein des biofilms peut être très différent de celui du fluide avec lequel il est en contact. Les gradients chimiques dans les biofilms contribuent à la corrosion microbiologiquement influencée (MIC).

¹ Méthode d'essai standard ASTM E2196 pour la quantification du biofilm de Pseudomonas aeruginosa cultivé avec un cisaillement moyen et un flux continu à l'aide d'un réacteur à disque rotatif, https://www.astm.org/e2196-17.html.