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UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA DE LA

SELVA

FACULTAD DE RECURSOS NATURALES RENOVABLES

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE CIENCIAS AMBIENTALES

INGENIERÍA AMBIENTAL

BIOPELÍCULAS (BIOFILMS) E IMPORTANCIA AMBIENTAL

DOCENTE : Dr. Blgo. Miguel C. Bobadilla Alvarez,

CURSO : Bioquímica Ambiental

INTEGRANTES :

Laurencio Ichpas Caleb Enoc.

Palacin Falcón Soledad Aurora.

Rosas Benavides Jhonatan Luigui.

Sandoval Bernales Anthony Alexander.

Salas Alagón Rossinaldo.

Sumaran Salas Isaac Saul.

CICLO : 2015-I

TINGO MARÍA

2015

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PAGINA

INDICE ......................................................................................................................... 2

RESUMEN .................................................................................................................... 3

I. INTRODUCCION ...................................................................................................... 4

1.1. Problema .......................................................................................................

1.2. Hipotesis ........................................................................................................

1.3. Objetivos ........................................................................................................

1.4. Justificación ...................................................................................................

II. REVISION LITERARIA ............................................................................................ 7

III. MATERIALES Y MÉTODOS ................................................................................ 32

IV. RESULTADOS ..................................................................................................... 33

V. DISCUSIÓN .......................................................................................................... 36

VI. CONCLUSIÓN ..................................................................................................... 38

VII. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ................................................................... 39

ANEXO ...........................................................................................................................

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BIOPELÍCULAS (BIOFILMS) E IMPORTANCIA AMBIENTAL

RESUMEN

En las últimas dos décadas, se ha puesto de manifiesto que las

bacterias no se encuentran en el medio ambiente exclusivamente de forma

libre, comportándose como seres unicelulares, como se creía, sino que, en

muchas ocasiones, pueden encontrarse formando parte de comunidades

microbianas con un sistema de organización más típico de los organismos

coloniales, creciendo adheridas a superficies y embebidas en matrices

extracelulares que ellas mismas sintetizan. A estas estructuras biológicas se

las denomina biofilms.

La formación de biofilms es una estrategia adaptativa de los

microorganismos que permite incrementar sus posibilidades de supervivencia

en el medio ambiente y supone la aparición de un nuevo concepto de “bacteria”

como organismo unicelular que puede ser capaz de formar estructuras

complejas con interrelaciones entre sus individuos que están muy próximas al

comportamiento de los organismos pluricelulares. El estudio de estas

poblaciones microbianas organizadas se incluiría como un nuevo campo de

doctrina dentro de la microbiología.

El mecanismo de formación de los biofilms es muy complejo,

dependiendo de numerosos factores tanto intrínsecos al microorganismo como

propios del medio que los rodea. Este hecho hace que sea muy difícil

generalizar en cuanto a las características específicas de estas comunidades

bacterianas y por lo tanto complica su comprensión. Sin embargo, una

consecuencia de la formación de estas estructuras es que los métodos

habituales de control y eliminación (desinfectantes, antibióticos, etc.) de las

formas libres (planctónicas) de las bacterias se muestran a menudo ineficaces

contra las bacterias del biofilm.

Hoy día sabemos que los biofilms no son una rareza, si no que más bien

representan una forma habitual de crecimiento de las bacterias en la naturaleza

y su presencia ejerce un enorme impacto en diversos aspectos de la vida

humana con múltiples implicaciones tanto sanitarias como tecnológicas. Estas

repercusiones son especialmente importantes en el ámbito de la industria

alimentaria, donde su control y eliminación puede representar un problema,

cuyo abordaje difiere del hasta hoy día aplicado para el de las bacterias en

forma libre. En cualquier situación, la eliminación del biofilm es una tarea muy

difícil y exigente que puede resultar sumamente cara y complicada. Para

conseguir controlar este problema, cada industria debería involucrarse en la

investigación y desarrollar su propia tecnología dependiendo de las variables

inherentes a sus procesos.

Palabras clave: Biopelícula, bacterias, microorganismos, unicelulares.

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I. INTRODUCCIÓN

Uno de los mayores avances en microbiología que se ha realizado en los

últimos 50 años ha sido, sin lugar a dudas, el conocimiento del crecimiento y el

desarrollo de microorganismos sobre diferentes superficies formando

biopelículas o biofilms. Vale la pena recordar que las bacterias pueden existir

en la naturaleza bajo dos formas o estados:

a) bacterias planctónicas, de libre flotación y suspendidas en el fluido.

b) bacterias sésiles (formadoras de biofilms), creciendo en colonias de

microorganismos adheridas a superficies sólidas.

Se ha reportado que el 99% de todas las células bacterianas existen en

calidad de biofilms, y tan sólo 1% vive en estado planctónico. Este singular

comportamiento tiene profundas consecuencias en el modo de analizar la

supervivencia de las células procariotas tanto en ambientes naturales o

industriales como en el organismo humano.

En un principio, el estudio de los biofilms estuvo ligado al ensuciamiento

biológico o biofouling que causaba problemas en la industria definiéndose a los

biofilms o biopelículas como una comunidad de bacterias adheridas a una

superficie sólida e inmersa en un medio líquido. Estudios posteriores, con

técnicas más avanzadas permitieron a Donlan en 2002 efectuar una

descripción ampliamente aceptada de un biofilms, estableciendo que es “una

comunidad microbiana sésil, caracterizada por células que están adheridas

irreversiblemente a un sustrato o interface, o unas con otras, encerradas en

una matriz de sustancias poliméricas extracelulares que ellas han producido, y

que exhiben un fenotipo alterado en relación con la tasa de crecimiento y

trascripción génica”.

Resulta interesante que, a pesar de que los biofilms pueden estar

formados por una o más especies de diferentes géneros, los mismos presentan

similitudes en relación a las características estructurales y al comportamiento

resultante. Por ejemplo, el tipo de estructuras observada para las microcolonias

de biofilms maduros es, sorprendentemente, similar para comunidades de una

o más especies que crecen en diferentes tipos de hábitats.

Los gérmenes pueden crear condiciones para formar biofilms casi en

cualquier ambiente líquido. La interface sólido-líquida entre una superficie y un

medio acuoso proporciona un entorno ideal para la fijación y crecimiento de

microorganismos. Por consiguiente, los biofilms son ubicuos en la Naturaleza y

se encuentran prácticamente en todo cuerpo natural de agua en el mundo. Los

biofilms bacterianos representan una antigua estrategia de supervivencia

procariota. Esto debido a que las bacterias logran ventajas significativas al

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proporcionarles los biofilms protección frente a fluctuaciones medioambientales

de humedad, temperatura y pH, al igual que concentrando nutrientes y

facilitando la eliminación de desechos.

La capacidad de formar biofilm no parece restringirse a ningún grupo

específico de microorganismos y, en la actualidad, se considera que bajo

condiciones ambientales adecuadas la inmensa mayoría de las bacterias,

independiente de la especie, puede existir dentro de biofilms adheridos a

superficies en una interfase sólido/líquida.

1.1. Problema

¿Qué son las biopelículas y que función cumplen en el medio ambiente?

1.2. Hipótesis

Las biopelículas son estructuras formadas por un conjunto de

microorganismos, adheridos a un sustrato y que cumplen ciertas funciones en

el medio en el cual se desarrollan.

1.3. Objetivos

Objetivo general

Conocer que son las biopelículas y comprender como es su

comportamiento en el medio en el cual se desarrollan.

Objetivos específicos

Determinar los efectos que producen las biopelículas en el

ambiente ecológico.

Conocer que organismos desarrollan biopelículas.

Comprender el proceso de formación de las biopelículas.

Reconocer las ventajas y desventajas de las biopelículas en

los organismos vivos.

1.4. Justificación

Conociendo la situación de nuestro planeta, que cada día se degrada,

contamina más, la falta de conocimiento y la indiferencia mostrada por la mayor

parte de la población. Habiendo muchos mecanismos de prevención y

protección al entorno e interviniendo en alguno de ellos las biopelículas.

Consideramos que más que la indiferencia es la ignorancia que muchas

personas tienen acerca del tema. Debido al conocimiento escaso que se tiene

sobre as biopeliculas nos hemos propuesto indagar y tratar de entender lo que

son las biopeliculas centrándonos mayormente en los beneficios que estos que

estos tienen, y su repercusión en el medio ambiente.

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El presente trabajo se realizó con la finalidad de ampliar nuestros

conocimientos sobre las biopeliculas en los siguientes aspectos: efectos que

producen en el ambiente ecológico, organismos que la desarrollan, su proceso

de formación y las ventajas y desventajas que estas tienen en los organismos

vivos.

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II. REVISIÓN LITERARIA

2.1 Historia

Van Leeuwenhoek, utilizando sus simples microscopios de luz, fue el primero en describir, en el siglo XVII, la presencia de microorganismos adheridos a superficies dentales, a raíz de lo cual se le reconoce como el descubridor de los biofilms bacterianos. Esta línea de investigación resurgió recién en los 70, cuando Characklis procedió a estudiar légamos microbianos en sistemas de aguas industriales logrando demostrar su tenacidad y resistencia a diferentes desinfectantes, entre ellos, el cloro. Posteriormente, Costerton y Cois describieron la presencia de comunidades bacterianas embebidas en una matriz glucoproteica, unidas a superficies en contacto con el agua, postulando que los biofilms podrían ser la explicación para los mecanismos por los cuales los gérmenes se adhieren a superficies vivientes e inertes.

Sin embargo, se debió esperar el advenimiento del microscopio electrónico para lograr un examen detallado de los biofilms. Esto permitió la fotomi-croscopía de alta resolución a aumentos significativamente mayores respecto al microscopio de luz. En las últimas dos décadas gran parte del trabajo realizado para la descripción de biofilms se ha basado en la microscopía electrónica de barrido. Mediante ésta se procedió a examinar biofilms en filtros en plantas de tratamiento de aguas servidas, encontrándose que estaban compuestos por una multiplicidad de gérmenes. Usando tinción específica, se logró demostrar que el material de la matriz que engloba a las bacterias en estos biofilms era polisacárido

Recientemente, dos grandes avances han incrementado substancialmente la comprensión de los biofilms: (a) la utilización del microscopio láser confocal, que ha permitido caracterizar la ultra-estructura del biofilm, y (b) la investigación de los genes involucrados en la adhesión celular y la formación de biofilm.

2.2. Definición

La formación de biopelículas es reconocida como una estrategia de

supervivencia microbiana en diferentes ambientes que brinda resistencia a la

desinfección, estrés ambiental y condiciones hostiles en microambientes

adversos dentro de los tejidos del hospedero (Pereira, 2010; Almeida., 2011).

Las biopelículas son complejas comunidades tridimensionales de

microorganismos embebidos en una matriz extracelular, en las cuales

despliegan fenotipos únicos o característicos de adaptación especiales,

comparados con la forma de vida libre de estos microorganismos, también

conocida como planctónica (Ganguly y Mitchell, 2011; Trappetti, 2011).

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Las biopeliculas pueden ser definidas como comunidades de microorganismos irreversiblemente adheridas a una superficie inerte o viva, que producen sustancia polimérica extracelular y que exhiben un estado metabólico alterado comparadas al crecimiento planctónico correspondiente, especialmente con respecto a la transcripción y las interacciones entre las células (Lindsay y Holy, 2006).

Los biofilms son comunidades complejas de microrganismos embebidas

en una matriz de polímeros extracelulares, fijas a una superficie, que pueden

presentar una única especie o un abanico de especies diferentes. Se pueden

encontrar biofilms en todos los medios donde existan bacterias: en el medio

natural, clínico o industrial. Necesitan un entorno hidratado y una mínima

presencia de nutrientes, porque pueden desarrollarse sobre superficies

hidrófobas o hidrófilas, bióticas o abióticas (Carpentier y Cerf. 1993: Costerton

y cols. 9995; Chmielewski y Frank. 2003)

2.3. Características y propiedades de las biopeliculas

El termino biopelículas (biofilm) hace referencia a una serie de

microorganismos que se encuentran agregados en un exopolímero compuesto

de glicocálix (75%) y que se organiza en forma de colonias adheridas a

diferentes superficies, ya sean blandas, animadas e inanimadas. El

exopolímero que es producido por los mismos microorganismos, forma una

matriz adherente en donde estos quedan atrapados y comienzan a organizarse

en colonias con diferentes requerimientos metabólicos.

Una de estas características es la heterogeneidad, lo que las hace

organizaciones únicas que pueden estar conformadas por bacterias, hongos y

protozoos. Se ha visto entonces, que los microorganismos al ser variados

dentro de esta organización presenten diferentes microambientes de pH,

tensión de oxígeno, concentración de iones, carbono y nitrógeno.

La hidrodinámica juega un papel importante en el desarrollo de la

biopelículas, pues estas organizaciones liquido-solido donde la velocidad del

flujo que lo atraviesa influye en el desprendimiento físico de los

microorganismos. Además, poseen un sistema de canales que les permiten el

transporte de nutrientes y desechos; esto resulta de vital importancia cuando se

piensa en modificar el ambiente que prive a los microorganismos de las

moléculas necesarias para su desarrollo. Otra característica de las biopelículas

es su resistencia a las defensas del hospedador y agentes antimicrobianos.

Mientras que los microorganismos aislados son susceptibles a estos factores

de control, las colonias organizadas e incluidas en el exopolímero forman una

capa impermeable en donde solo los microorganismos más superficiales se

ven afectados.

Los anticuerpos, las células del sistema inmune y los antimicrobianos no

tienen acceso a los microorganismos más profundos; adicionalmente, se

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encuentran en un estado metabólico reducido en un estado metabólico

reducido lo que los hace menos susceptibles a la acción de estos últimos.

También cuando se liberan células de la biopelícula, estas pueden viajar y

depositarse en nuevos nichos de colonización manteniendo las mismas

características de una biopelícula adheridas a una superficie. Finalmente los

microorganismos se comunican unos con otros .esto es lo que se ha

denominado quorum sensing e involucra la regulación y expresión de genes

específicos a través de moléculas de señalización que median la comunicación

intercelular .Esta característica es dependiente de la densidad celular que

exista, así por ejemplo en biopelículas con una alta densidad celular, se induce

la expresión de genes de resistencia que proveen protección y supervivencia.

Similarmente, los microorganismos pueden producir sustancia para estimular la

propagación de colonias e inhibir el crecimiento de otras dejando a los

microorganismos más patógenos en una posición favorable dentro de la

biopelículas.

El conocimiento de la interacción que existe entre los diferentes

microorganismos que componen y habitan una biopelícula, es un área muy

estudiada por el momento pues in vitro se ha visto que al bloquear las

moléculas involucradas en la adherencia y comunicación celular se puede

inhibir el desarrollo de ellas.

Propiedades que adquieren las bacterias al ser parte de una

biopelículas

Existe una heterogeneidad estructural muy marcada entre las micro colonias de un mismo biofilm (Beer.).

En1994, midieron las concentraciones de oxígeno disuelto en diferentes

localizaciones de un mismo biofilm, y demostraron que las bacterias que se encontraban en el centro de las micro colonias eran capaces de sobrevivir en una total anaerobiosis, mientras que otras bacterias ubicadas a sólo100 micras hacia la superficie necesitaban la presencia de oxígeno para su supervivencia.

La maduración del biofilm provee estabilidad entre especies bacterianas fisiológicamente competitivas, pues facilita la cooperación metabólica de especies bacterianas dentro del biofilm, así como el intercambio de sustratos. Cuando una bacteria se encuentra dentro de un biofilm desarrolla diferentes interacciones metabólicas; dentro de las cuales tenemos:

Modificación del microambiente:

Son capaces de modificar el pH, según sus necesidades metabólicas. Además originan microambientes propicios para el crecimiento de organismos anaeróbicos, a pesar de la presencia de oxígeno en solución dentro del medio líquido.

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Sinergismo: la tendencia de las bacterias a colonizar superficies es

ventajosa, pues induce las relaciones simbióticas, por ejemplo un aumento en

el acceso a los nutrientes.

Cuando un nutriente es requerido por un microorganismo, otro no lo

puede usar, pero sí puede existir intercambio de nutrientes permitiendo la

supervivencia de los microorganismos dentro del biofilm. Esto hace que el

biofilm lo formen comunidades de diferentes especies que son

complementarias, ya que la degradación de un compuesto por un

microorganismo permite que otro lo pueda utilizar como fuente de alimento.

Competencia: por adhesión, nutrientes, factores de crecimiento y espacio. Los mecanismos de acción o competencia entre estos microorganismos son diversos, incluyendo producción de antibióticos, bacteriocitas, sideróforos, lisosomas, proteasas e incluso la alteración de pH a través de la producción de ácidos orgánicos, como el ácido butírico y propiónico16.

Antagonismo: la colonización de una especie microbiana en presencia de otras que produzcan sustancias antagonistas para su supervivencia supone un desafío. Las sustancias antagonistas varían desde las que afectan las uniones hasta aquellas que destruyen la especie. Los factores que matan a otras especies son bacteriocitas, peróxido de hidrógeno y ácidos orgánicos. La forma más sencilla que tienen las bacterias de evitar tales factores es hallar sitios que no estén colonizados por especies antagonistas. Otro método es producir factores que destruyan a las especies antagonistas; por ejemplo, el S. sanguis produce peróxido de hidrógeno que inhibe el crecimiento del A. actinomycetemcomitans (A.a), mientras que el A.a produce una bacteriocina contra el S. sanguis.

2.4. Proceso de formación y estructura de las biopelículas.

Estructura de biopelículas El biofilm estructuralmente está constituido por tres componentes: la masa de células la cual puede estar formada por una sola especie o por múltiples especies microbiológicas, los espacios intercelulares o canales, los cuales se han comparado con el sistema circulatorio de organismos superiores y la matriz extracelular que lo rodea compuesta por una mezcla de exopolisacáridos, proteínas, ácidos nucleicos y otras sustancias. El componente mejor estudiado es el ex polisacárido, muchas bacterias son capaces de producir exopolisacáridos (cápsulas) o excreciones celulares que rodean los ambientes. Es posible que el exopolisacarido juegue varios papeles en la estructura y función del biofilm o que los exopolisacáridos tengan

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un papel diferente en comunidades microbiológicas similares bajo condiciones ambientales diferentes. Entre los beneficios atribuidos a los exopolisacáridos como parte integral de la estructura organizacional se destaca el que actúan como un mecanismo de concentración de nutrientes, pero el mecanismo como tal por el cual desarrollan esta actividad es desconocida; previenen el acceso de ciertos agentes antimicrobianos o restringen la difusión de los componentes al interior del biofilm, contienen metales, aniones, cationes y toxinas que pueden ser la clave para la transferencia de estos al ecosistema y actúan como protectores de una gran variedad de condiciones de stress ambiental como rayos ultravioleta, cambios de pH, shock osmótico y desecación.

La formación del biofilm puede ocurrir por al menos tres mecanismos. Uno de ellos es la división binaria de las células adheridas. El segundo mecanismo es la redistribución de las células adheridas mediante la movilidad superficial. Es decir que a medida que las células se dividen, las células hijas se desplazan sobre la superficie para formar cúmulos celulares, de manera similar a lo que ocurre en la formación de colonias en las placas de agar. Un tercer mecanismo de agregación es la captación de células planctónicas a partir del fluído hacia el biofilm desarrollado. La contribución relativa de estos tres mecanismos depende de los organismos involucrados, la naturaleza de la superficie colonizada y las condiciones físicas y químicas del medio ambiente e impacta sobre la estructura del biofilm.

Desarrollo del biofilm: etapas.

En la mayor parte de la literatura, se describe la formación de biofilms sobre superficies a través de una serie de etapas. Tradicionalmente, se aceptaba que la formación de la biopelícula comienza con el transporte de los microorganismos hacia una superficie pero, en la mayoría de los ecosistemas estudiados, el transporte de masa está precedido por la adsorción de una fina película orgánica sobre dicho sustrato. Esta película puede cambiar drásticamente las características fisicoquímicas del sustrato dependiendo del tipo de moléculas adsorbidas sobre la superficie. La segunda etapa corresponde a la adhesión reversible de microorganismos. La repulsión neta entre la superficie celular y el sustrato puede ser superada por interacciones moleculares específicas mediadas por apéndices extracelulares (por ejemplo, pilis, fimbrias y flagelos). Muchas de estas células son capaces de movilizarse independientemente mediante los apéndices celulares llamados pilis con movimientos del tipo twitching o gliding (del inglés movimiento con contracciones o deslizamiento, respectivamente). Estas células todavía no se encuentran en proceso de diferenciación y pueden abandonar la superficie para volver al estado planctónico. Durante esta etapa reversible, las bacterias

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presentan ciertos comportamientos específicos como, por ejemplo, rodar, reptar, formación de agregados e hileras bacterianas antes de comenzar a exudar material polimérico extracelular (EPS) y adherirse irreversiblemente.

Las células adheridas que inician la formación del biofilm sobre una superficie están rodeadas por pequeñas cantidades de EPS. Este material polimérico está compuesto por polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos. Los autores Davies y Geesey han demostrado que en Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa), los genes responsables de la producción de alginatos comienza a regularse después de los 15 min del primer contacto celular con la superficie. A medida que el biofilm madura, se desarrolla la estructura típica de las microcolonias con los espacios intercelulares o canales y muchas células alteran sus procesos fisiológicos (por ejemplo crecer anaeróbicamente en las zonas profundas del biofilm) en respuesta a las condiciones particulares del ambiente dentro del biofilm. Posteriormente algunas microcolonias pueden desprenderse de la superficie o pueden liberarse células individuales revirtiendo su estado a bacterias planctónicas que se desprenden de la matriz extracelular dejando espacios entre las microcolonias que pueden actuar como canales dentro de la estructura del biofilm. Estos procesos no necesariamente se encuentran sincronizados a través de todo el biofilm sino que generalmente ocurren de manera tal que en cualquier momento, una región de las colonias está ocupada por biofilm en distintos estadios del desarrollo.

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Las 5 fases en el desarrollo de una biopelícula y los procesos involucrados en ellas se describen en detalle a continuación.

ETAPA 1. Acondicionamiento de la superficie. Existen factores externos que afectan la adhesión de las bacterias desde un medio líquido sobre un sólido.

Factores físicos: Los factores físicos más importantes son la tensión de corte, temperatura, rugosidad, topografía y carga superficial. Estos factores influencian el transporte, los fenómenos interfasiales, el desprendimiento y las reacciones en la interfase.

Factores químicos: Los factores químicos son numerosos, algunos de los más importantes son: la composición de la superficie del sustrato, la composición del medio en el que se desarrolla el biofilm, el pH, el oxígeno disuelto. La materia orgánica presente en el agua se adsorbe sobre las superficies y forma lo que se conoce como “película acondicionante” (conditioning film), cambiando las propiedades químicas y físicas de la interfase sustrato/fluido y tornándola más amigable para la adhesión bacteriana.

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ETAPA 2. Adhesión reversible La adhesión primaria (reversible) de bacterias a una superficie o a un sustrato puede ser de dos maneras:

Activa: La motilidad, otorgada por flagelos, fimbrias y pilis tipo IV, ayudaría a la bacteria a alcanzar la superficie en las etapas iniciales de la adhesión, siendo su función principal vencer las fuerzas de repulsión más que actuar como adherente. Sin embargo, la motilidad no parece ser un requisito esencial para el acercamiento al sustrato, puesto que bacterias Gram-positivas inmóviles, como estafilococos, estreptococos y micobacterias, también poseen la capacidad de formar biofilms. En el caso de las bacterias Gram-positivas se ha descrito, en esta primera etapa, la participación de proteínas de superficie. Una vez que llegan a la superficie pueden desplazarse sobre ella mediante movimientos individuales o grupales.

Pasiva: Factores externos tales como la gravedad, difusión, precipitación de partículas y dinámica de fluidos pueden favorecer la adhesión de los microorganismos a cualquier superficie.

Las propiedades físicoquímicas de la superficie también pueden ejercer una fuerte influencia en el grado y extensión de la adhesión. En la adhesión bacteriana primaria pueden también influir, tal como se mencionó previamente, variaciones en la velocidad de flujo, temperatura del agua, y concentración de nutrientes. Así, por ejemplo, se ha encontrado que la variación en la concentración de diversos cationes (sodio, calcio, hierro) afecta la adhesión de Pseudomonas sp a superficies de vidrio. Una vez que las bacterias se encuentran cerca de la interfase, interacciones de largo alcance entre las células y la superficie del sólido determinan si la célula será atraída o repelida desde la interfase. Frecuentemente, se tiende a predecir o interpretar el mecanismo de adhesión microbiana mediante los conceptos desarrollados en la literatura de coloides. Al respecto debe tenerse en cuenta que generalmente, se considera que las fuerzas de largo alcance gobiernan la velocidad de deposición de una partícula coloidal cargada sobre una superficie. Estas fuerzas incluyen las interacciones de van der Waals de largo alcance y las fuerzas electrostáticas de doble capa que constituyen la base de la teoría DLVO (Derjaguin, Landau, Verway y Overbeek). Las fuerzas de van der Waals son generalmente atractivas y resultan de las interacciones entre dipolos inducidos entre moléculas de la partícula coloidal y moléculas de la superficie. Las fuerzas eléctricas de doble capa se generan a partir del solapamiento de las nubes electrónicas de los contraiones de las superficies cargadas y el cambio en la energía libre a medida que las superficies se alejan o se acercan. El resultado es una fuerza neta de atracción entre superficies cargadas opuestamente y una fuerza neta repulsiva entre superficies de cargas de igual signo.

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Las expresiones basadas en la teoría DLVO para aproximar las interacciones y la energía potencial como función de la distancia de separación han sido desarrolladas y validadas para sistemas ideales en donde se asume que las superficies que interactúan son homogéneas, uniformemente cargadas y molecularmente planas. Evidentemente, estas aproximaciones claramente no se verifican para las bacterias reales, por lo que la naturaleza real de las fuerzas de largo alcance puede ser significativamente diferente. De hecho, debido a la estructura heterogénea macromolecular de las superficies celulares, existe un gran número de limitaciones al momento de aplicar la teoría DLVO en las predicciones cuantitativas de la adhesión microbiana. Entre ellas pueden mencionarse:

1. El concepto de distancia de separación requiere un límite definido entre la superficie y el medio; sin embargo, el punto de referencia para determinar la distancia de separación no es evidente en el caso de las bacterias. Por ejemplo, las cargas involucradas en cualquier interacción electrostática pueden estar difusamente dispersas en el glicocálix (material filamentoso que recubre a ciertos microorganismos) de la célula en vez de presentarse en una capa plana.

2. La longitud de la escala a partir de la cual las fuerzas ejercen su influencias (menor que 1 nm para las fuerzas electrostáticas en una solución fisiológica) es generalmente menor que el tamaño característico de las macromoléculas ubicadas en la interfase bacteria/sustrato.

3. Las interacciones estéricas o de enlace entre las macromoléculas de la interfase, particularmente las de los apéndices extracelulares (pilis, fimbrias y flagelos) pueden dominar sobre cualquier interacción tipo DLVO. 4. Las expresiones resultantes de la teoría DLVO que predicen las fuerzas vs. la distancia de separación asumen que las interacciones célula-sustrato se encuentran en un equilibrio termodinámico para cualquier distancia de separación. Sin embargo, a medida que la célula se acerca a la superficie, se requiere una significativa cantidad de tiempo para que las macromoléculas en la interfase se unan a la superficie del sustrato y se reorganicen durante dicho estado transitorio para obtener las configuraciones de menor energía. Por todas las razones mencionadas anteriormente, no resulta sorprendente que la aplicación de la teoría DLVO a los estudios de adhesión microbiana haya dado resultados no coincidentes aún en el caso de la predicción de tendencias cualitativas. Por lo tanto, se necesitan teorías más detalladas y realistas que tengan en cuenta la estructura macromolecular de la superficie celular y las interacciones de enlace discretas o las repulsiones estéricas en la interfase así como otros factores biológicos. El avance hacia este tipo de teorías requiere técnicas sofisticadas de medidas de fuerzas entre las superficies, algunas de estas fuerzas podrían llegar a determinarse con un microscopio de fuerza atómica.

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ETAPA 3. Adhesión irreversible.

El cambio desde la adhesión reversible a irreversible se produce por la transición desde una interacción débil de la célula con el sustrato hasta un enlace permanente, frecuentemente mediado por la presencia de polímeros y apéndices extracelulares. Investigaciones recientes han sugerido que la transición hasta la adhesión permanente a una superficie está acompañada por cambios fisiológicos profundos. En esta segunda fase de adhesión, predominan las reacciones moleculares entre las estructuras superficiales bacterianas y la superficie del sustrato. Estas reacciones implican una adhesión firme entre la bacteria y la superficie mediadas por estructuras poliméricas superficiales como, por ejemplo, cápsulas, fibrilas, fimbrias, pilis y EPS. La adhesión irreversible específica puede ser definida como la unión específica entre las adhesinas bacterianas (un componente específico molecular de la superficie bacteriana) y un receptor del sustrato (un componente específico de la superficie del material o tejido superficial) estando menos afectada por factores ambientales (pH, electrolitos y temperatura). Debe tenerse en cuenta que la pared celular de una bacteria Gram-negativa como las Pseudomonas consta de tres regiones, una membrana exterior, una monocapa de peptidoglicano y una membrana interior plasmática. Estas dos membranas pueden mostrar continuidad en varios puntos de adhesión y pueden también estar unidas por los cuerpos basales del flagelo. Las cápsulas bacterianas son estructuras superficiales compuestas por polisacáridos y proteínas. En varios trabajos se ha sugerido que los polisacáridos y proteínas de la superficie celular pueden actuar como adhesinas bacterianas. El sello distintivo que diferencia a los biofilms de las bacterias simplemente adheridas a una superficie es que los biofilms contienen EPS que rodea a las bacterias residentes. El EPS microbiano consiste en polímeros biosintéticos que pueden variar su composición química y también polisacáridos sustituídos y no sustituídos, proteínas sustituídas y no sustituídas, ácidos nucleicos y fosfolípidos. La composición del exopolisacárido es diferente en cada bacteria y varía desde alginato en P. aeruginosa, celulosa en Salmonella typhimurium, un exopolisacárido rico en glucosa y galactosa en Vibrio cholerae hasta poly-N-acetilglucosamina en Staphylococcus aureus. Además, estudios recientes han puesto de manifiesto que una misma bacteria, dependiendo de las condiciones ambientales en las que se encuentre, puede producir distintos exopolisacáridos como componentes de la matriz de la biopelícula. El material extracelular exudado por las bacterias, es liberado por las células y luego se dispersa parcialmente en medio líquido. Las especies bacterianas que no producen EPS son menos adherentes y menos patogénicas. Se ha sugerido que la producción de EPS es importante durante la conexión intercelular durante la colonización superficial, protección contra fagocitosis e interferencia contra la respuesta inmune celular y la reducción de los efectos de los antibióticos.

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Entre los componentes del EPS mejor caracterizados se encuentra el alginato, que está involucrado en la formación de biofilms por parte de P. aeruginosa en infecciones pulmonares y en sistemas de aguas industriales. La producción de alginatos está regulada en respuesta a una variedad de factores ambientales y puede activarse, por ejemplo, durante la limitación de nitrógeno, por perturbación de la membrana inducida por etanol, y en presencia de soluciones de alta osmolaridad. La producción de alginatos ocurre en la etapa inicial del desarrollo del biofilm de P. aeruginosa, y se supone que forma parte de la estructura necesaria para la maduración del mismo. Las fimbrias (o pilis) son un grupo de apéndices rígidos, rectos y filamentosos sobre la superficie bacteriana. Estos pilis, pueden observarse generalmente mediante microscopía electrónica de barrido. Sobre la superficie celular pueden encontrarse cientos de fimbrias. Se encuentran principalmente en las bacterias Gram-negativas y se cree que son estructuras adhesivas importantes sobre la superficie celular. Las fibrilas son apéndices celulares más amorfos que no presentan la estructura filamentosa regular de las fimbrias. Las estructuras fibrilares se han observado en la superficie de varios Streptococos y se ha reportado que contribuyen para una mejor adhesión en sustratos de hidroxiapatita. Los pilis sexuales son apéndices proteináceos que se presentan en bacterias donoras y cuya presencia está determinada por la presencia de plásmidos conjugados. Los flagelos están compuestos por polipéptidos que forman parte del filamento (20 nm de diámetro) y un cuerpo basal complejo que interactúa tanto con la membrana interior como la exterior. Uno de los mecanismos de transición de adhesión reversible a irreversible está mediado, en algunos microorganismos como las Pseudomonas, por los pilis tipo IV. El pili polar tipo IV puede extenderse y contraerse, impulsando al microorganismo a través de la superficie. La movilidad superficial tipo twitching es una forma de desplazamiento mediado por pilis utilizada por P. aeruginosa. Los autores O’Toole y Kolter sugieren que este tipo de movilidad es uno de los factores responsables de la formación de microcolonias. Proponen, además, que las interacciones entre bacterias sobre la superficie, formando grupos ordenados de células, refuerzan el grado de adhesión a una superficie. En el caso del microorganismo Staphylococcus epidermidis, se ha demostrado que las células adherentes producen un polisacárido intercelular que une a las células entre sí y facilita la formación de microcolonias y la maduración del biofilm. Por lo tanto, durante estas primeras etapas de formación del biofilm es de suma importancia tanto la movilidad superficial como la organización de los microorganismos sobre la superficie del sustrato. Los movimientos individuales y grupales de las bacterias se discutirán específicamente en las secciones siguientes del presente capítulo junto con las formas de comunicación célula-célula que intervienen tanto en los estadíos iniciales de adhesión reversible como en la adhesión irreversible, durante el desarrollo de biofilm maduro y frente a cambios en el medio circundante.

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ETAPA 4. Maduración del biofilm La siguiente etapa del desarrollo del biofilm corresponde a la maduración que da como resultado una arquitectura compleja, con canales, poros y redistribución de bacterias en el sustrato. La densidad global y la complejidad del biofilm aumenta a medida que los organismos adheridos se replican, mueren y los componentes extracelulares de las bacterias interactúan con las moléculas orgánicas e inorgánicas presentes en el medio ambiente circundante. El potencial crecimiento de cualquier biofilm está limitado por la disponibilidad de nutrientes en el ambiente inmediato, la penetración de estos nutrientes dentro del biofilm y la eliminación de residuos. Otros factores que pueden controlar la maduración del biofilm son el pH interno, la penetración de oxígeno y fuentes de carbono y la osmolaridad.

ETAPA 5. Desprendimiento de bacterias

El término desprendimiento es un término que se utiliza para describir la liberación de células (ya sea individualmente o en grupos) de un biofilm o sustrato. El desprendimiento activo es un evento fisiológicamente regulado, pero sólo pocos estudios han demostrado la base biológica para este proceso. Allison y colaboradores han reportado que luego de una extensa incubación, los biofilms de P. fluorescens pueden desprenderse y al mismo tiempo reducir la producción de EPS. Se ha sugerido que la necesidad de nutrientes o la presencia de sustancias agresivas puede conducir al desprendimiento de células en busca de ambientes nutritivamente ricos o menos nocivos mediante un mecanismo aún desconocido. Las células del biofilm dispersadas pueden revertir su estado al crecimiento planctónico, por lo que, el desarrollo de vida del biofilm se transforma en un ciclo completo . Otro punto a tener en cuenta es que una microcolonia en división continua libera residuos y nutrientes que podrán utilizarse para acondicionar las superficies desnudas y para alimentar a otras células. Si las condiciones de flujo hídrico lo permiten, se establece el equilibrio entre el crecimiento de la colonia y el flujo laminar del agua que favorece la liberación de pocas células, pero con un flujo intenso o turbulento se pueden desprender muchas más. Los tres principales mecanismos para generar el desprendimiento serían: (a) erosión: remoción continua de pequeñas partes del biofilm; (b) separación: remoción rápida y masiva; y (c) abrasión: liberación por colisión de partículas suspendidas en el líquido circundante con el biofilm. La separación es menos frecuente que la erosión, y se piensa que derivaría de la disminución de nutrientes u oxígeno en el interior del biofilm. Se observa preferentemente en biofilms voluminosos, que se han desarrollado en medioambientes ricos en nutrientes. La separación y erosión proporcionarían los mecanismos para que las bacterias migren desde zonas densamente colonizadas a áreas desnudas que podrían favorecer mejor su desarrollo, logrando así formar nuevos biofilms en

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sitios distantes. Un ejemplo de este tipo de desprendimiento es la sepsis recurrente en un paciente con un catéter infectado. La forma en que se produce la dispersión afectaría, aparentemente,

las características fenotípicas de los microorganismos. Los conglomerados

desprendidos desde el biofilm conservarían, probablemente, ciertas

características de éste, tales como la resistencia antimicrobiana. En cambio, las

células bacterianas liberadas aisladamente parecen volver rápidamente a su

fenotipo planctónico, tornándose nuevamente susceptibles a las defensas del

huésped y a los antimicrobianos.

2.5. Factores que influyen en el desarrollo de una biopelículas.

La formación de biofilms está determinada por:

2.5.1. Condiciones de superficie

El tipo de sustrato influye en las características de la unión. Las bacterias tienden a unirse a las superficies hidrófilas uniformemente en una capa, mientras que en el caso de las superficies hidrófobas tienden a unirse en grupos En algunos trabajos ha demostrado que las bacterias quedan retenidas en las imperfecciones de las superficies; además, las superficies rugosas son más difíciles de limpiar y acumulan suciedad permitiendo que las bacterias vuelvan a multiplicarse. El acero inoxidable se usa frecuentemente como material para la cocina y en las instalaciones industriales porque es resistente a los golpes, a la corrosión, dura mucho tiempo y es de sencilla fabricación, además de ser estable, inerte y de fácil limpieza. A escala microscópica se observa, sin embargo, que el acero presenta diminutas oquedades que permiten una mayor retención de bacterias por el incremento del número de puntos de adhesión demostraron que los niveles de higiene en las superficies de contacto podían verse disminuidos con el uso y provocar que la superficie se deteriorase. Los defectos de las superficies pueden actuar como puntos de retención de microorganismos y materia orgánica. Las superficies rugosas acumulan suciedad y son de más difícil limpieza que las lisas. En consecuencia, los defectos de las superficies proporcionan protección a la suciedad y los microorganismos, lo que hace que las bacterias supervivientes puedan volver a multiplicarse y formar un biofilm. Estudios realizados en botellas de agua mineral muestran que las superficies lisas de las botellas de PET (tereftalato de polietileno) apenas eran colonizadas por bacilos mientras que las superficies más rugosas e hidrofílicas del HPDE (polietileno de alta densidad) de los tapones eran pobladas por grupos de cocos. Con respecto a las propiedades del líquido que fluye sobre la superficie en la que se va a formar el biofilm, cabe destacar que, sorprendentemente, las bacterias forman biopelículas preferentemente en entornos de alta turbulencia. Las células planctónicas pueden adherirse a superficies e iniciar la formación de biofilms en presencia de fuerzas de

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cizalladura que superan un número de Reynolds1 de 5.000. Existen numerosas especulaciones sobre el porqué de este hecho, pero cualquiera que sea el mecanismo, se ha demostrado que los biofilms se forman preferentemente en localizaciones de alta turbulencia en sistemas naturales e industriales. Los estudios de adherencia bacteriana han demostrado que los biofilms formados en entornos de baja turbulencia, tienen una baja resistencia a la tracción y se rompen con facilidad, mientras que aquellos formados en entornos de flujo turbulento son más fuertes y resistentes a la rotura mecánica.

2.5.2 especies bacterianas

Las bacterias pueden colonizar una amplia variedad de superficies en ambientes bióticos o abióticos habitados por formas superiores de vida y espacios adversos; su habilidad para persistir en la biosfera obedece a su versatilidad metabólica. Además, la superficie hidrófoba de la célula, la presencia de capacidad de las células microbianas para adherirse. La hidrofobicidad de la superficie celular es importante para la adhesión ya que las interacciones hidrófobas tienden a incrementarse cuando aumenta la despolaridad natural entre uno o ambas superficies involucradas (superficie celular y el substrato de la superficie). Las fimbrias y flagelos aparte de estar involucrados en la transferencia de virus o ácidos nucleicos bacterianos, contribuyen dando hidrofobicidad a la superficie celular ya que muchas de ellas contienen aminoácidos hidrófobos. Por otra parte se sabe que las células inmóviles no recolonizan las áreas de un sustrato como lo hacen las células móviles, resultando más lenta la formación de un biofilm por las células inmóviles. Los flagelos aparentemente tienen un papel importante en las primeras etapas de la adhesión bacteriana al vencer las fuerzas de repulsión asociadas con el substrato. La adhesión de los microorganismos a las superficies es un proceso muy complejo, con muchas variables que afectan su éxito. En general, la adhesión puede ocurrir más fácilmente en superficies rugosas, muy hidrófobas, y cubiertas por una película.

2.5.3. Factores medioambientales

Otras características del medio acuoso como son el pH, cantidad de nutrientes, cargas iónicas, temperatura y fluidez pueden jugar un papel importante en la adhesión bacteriana al substrato. Varios estudios muestran el efecto de los medios acuosos sobre la adhesión bacteriana y la formación del biofilm. Fletcher, observó que el incremento de varios cationes (sodio, calcio y hierro) afecta la adhesión de la Pseudomonas fluorescens a las superficies de vidrio, presumiblemente porque reduce las fuerzas repulsivas entre la carga negativa de las células bacterianas y la superficie del vidrio. El incremento de la concentración de nutrientes en el medio está relacionado con el incremento del número de células bacterianas adheridas Ofek y Doyle, observaron que la carga del fluido puede afectar la interacción entre la célula y la superficie. De igual manera la velocidad de las turbulencias fluctuantes en el medio puede afectar la formación del biofilm.

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2.5.4. Tiempo de contacto

Un mayor tiempo en contacto (exposición) entre las células y el sustrato permite que se establezca un mayor número de uniones haciendo la adhesión irreversible, y por tanto, factores, como las condiciones ambientales, tipo de microorganismo, sustrato y presión en el caso de superficies de trabajo o utensilios, pueden también influir de manera importante en la mayor posibilidad de formación de biofilm (Pérez-Rodríguez et al., 2008).

2.5.5. Características de la superficie celular

Las características de la superficie celular como los flagelos, pili,

proteínas de adhesión y cápsulas ejercen también su influencia. Los pili actúan

como un velcro para anclar las bacterias a algunas superficies y también

actúan como quimiorreceptores, dirigiendo a la bacteria hacia a algunos sitios

específicos. La pérdida de estos apéndices cambia las propiedades de

superficie de la bacteria, lo que puede provocar una menor capacidad de

adhesión. También se conoce que los esporos se adhieren mejor a la superficie

que las células vegetativas debido al grado de hidrofobicidad de su superficie.

2.5.6. Disponibilidad de nutrientes

La disponibilidad de nutrientes ejerce una influencia mayor sobre la

estructura y composición de biofilm.

Estudios realizados sobre biofilms de Listeria sp han puesto de

manifiesto que niveles bajos de fosfatos estimulan el desarrollo de biofilms,

aunque el efecto se reducía después de varios días. Asimismo su desarrollo

depende también del tipo de azúcar utilizado, siendo la trehalosa y manosa las

que proporcionan un nivel más pobre de formación de biofilm.

2.5.7. Disponibilidad de agua

La disponibilidad de agua es un factor crucial para la viabilidad del

biofilm. Una humedad relativa en torno al 90-100% posibilita el desarrollo del

biofilm, por ello la mayoría de los biofilms se encuentran en ambientes acuosos

como pueden ser los sistemas de conducción o tuberías de las industrias

lácteas (Pérez Rodríguez et al., 2008). Sin embargo, también se ha encontrado

que valores en torno al 70-80% pueden ser suficientes para permitir el

desarrollo del biofilm indicando que ambientes con humedad relativa alta (por

ejemplo: aerosoles) pueden incrementar significativamente el riesgo de su

aparición. La temperatura es un factor también determinante y a la vez,

relacionado con la humedad relativa, ya que se ha observado que valores en el

rango 20-30 ºC incrementan la probabilidad de formación del biofilm, mientras

que valores por encima de este rango inciden negativamente sobre ese

proceso

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2.6. Principales organismos que desarrollan biopeliculas.

2.6.1. Bacterias que forman biofilms.

A pesar de que la mayoría de las especies bacterianas tienen la capacidad de formar biofilms, algunos géneros lo forman más fácil y rápidamente que otros, como es el caso de Pseudomonas, Listeria, Enterobacter, Flavobacterium, Alcaligenes, Staphylococcus y Bacillus.

2.6.1.1. Listeria monocytogenes

Las bacterias pertenecientes al género Listeria son bacilos Gram positivos cortos, regulares, no esporulados, móviles, anaerobios facultativos, catalasa positivos y oxidasa negativos. Las especies de Listeria están muy extendidas en el medio ambiente; se han aislado del suelo, materia vegetal en putrefacción, aguas residuales, comida animal, pollo fresco y congelado, alimentos frescos y procesados, queso, leche no procesada, desechos de matadero, así como en el tracto digestivo de humanos y animales. L. monocytogenes se ha aislado de numerosas especies de mamíferos, aves, peces, crustáceos e insectos, aunque su principal hábitat es el suelo y la materia vegetal en descomposición, en la cual sobrevive y crece como saprofito. Debido a su amplia distribución, estos microorganismos poseen muchas oportunidades de contaminar alimentos en distintas etapas de la producción alimentaria, siendo ésta la vía más frecuente por la que el ser humano adquiere la infección (Oteo y Alós, 2009). L. monocytogenes es un patógeno con capacidad de proliferación en entornos fríos y húmedos, ideales para la formación de biofilms, tanto mono como multiespecíficos (Chmielewsky y Frank, 2003). Aunque también se ha observado una importante variación en la capacidad de formación de biofilm entre la distintas cepas de L. monocytogenes (Borucki et al., 2003). Esta bacteria está presente en el entorno doméstico y se puede encontrar también fuera de la cocina, particularmente en áreas húmedas. Las cepas de Listeria presentan gran facilidad para adherirse a superficies vivas e inertes y requieren solo un corto espacio de tiempo para la unión. Para iniciar la adhesión, utiliza flagelos, pilis y proteínas de membrana. Se ha observado que Listeria muestra mayor adhesión cuando está en la fase de mayor actividad metabólica (González, 2005). Estudios sobre este patógeno han demostrado que puede llegar a formar biofilm en máquinas loncheadoras y en otros utensilios de acero. Keskinen et al. (2008) encontraron que L. monocytogenes fue capaz de formar biofilm en el acero de cuchillos cuando estos fueron incubados 6-24 h a una humedad relativa aproximada del 78%.

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2.6.1.2. Salmonella sp.

Al igual que el resto de las enterobacterias, este género está formado por bacilos cortos Gram negativos, no esporulados, anaerobios facultativos y móviles en su mayoría. Estas bacterias se encuentran ampliamente distribuidas por la naturaleza, son bastante resistentes a las condiciones ambientales y muy poco exigentes en sus requisitos nutricionales lo que les permite un rápido crecimiento y capacidad de colonización de ambientes muy diversos, entre ellos el agua y los alimentos (Todar, 2008). Entre las zoonosis de etiología bacteriana más importantes, la salmonelosis ocupa un lugar destacado, debido tanto a sus múltiples formas clínicas como a las repercusiones que en materia de Salud Pública tiene la aparición de brotes de esta enfermedad. Según datos de la European Food Safety Authority (EFSA), Salmonella sp es el primer causante de brotes de toxiinfección alimentaria en la Unión Europea (UE) en los últimos años (EFSA, 2009).

2.6.1.3. Escherichia coli

Este género bacteriano está formado por bacilos Gram negativos, catalasa positivos y oxidasa negativos, no formadores de esporos, anaerobios facultativos con un amplio rango de incubación, inmóviles o móviles mediante flagelos peritricos y con necesidades nutricionales sencillas (Todar, 2008). Escherichia coli, agente etiológico de la colibacilosis, es la especie bacteriana predominante de la microbiota normal del aparato digestivo de la mayor parte de los animales y del hombre. Es la especie tipo del género Escherichia y se elimina al exterior a través de las heces (Todar, 2008) (CDC, 2008). Algunos tipos de E. coli son capaces de producir una toxina similar a la producida por el género Shigella, denominándose a este grupo E. coli productores de toxina Shiga o STEC (Shiga toxin-producing E. coli).

2.6.1.4. Pseudomonas sp.

Pseudomonas es un género de bacilos rectos o ligeramente curvados, Gram negativos, oxidasas positivas, aeróbicos estrictos aunque en algunos casos pueden utilizar el nitrato como aceptor de electrones. Las pseudomonas son microorganismos alterantes ubicuos. Se encuentran en ambientes de procesado de alimentos incluidos desagües, suelos, verduras, superficie de las carnes y en ácidos débiles de uso común. Pseudomonas aeruginosa se considera como un patógeno nosocomial primario. Según datos del Center for Disease Control and Prevention (CDC), la incidencia media de P. aeruginosa en los hospitales de Estados Unidos es del 0,4% y este patógeno es el cuarto más comúnmente aislado de infecciones nosocomiales.

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2.6.1.5. Campylobacter jejuni

Campylobacter jejuni es una bacteria Gram negativa con forma de bastón, delgada, curva y móvil. Es un organismo microaerofílico, lo cual significa que necesita de niveles reducidos de oxígeno para sobrevivir. Es relativamente frágil y sensible a los diferentes tipos de estrés del medio. Si observamos la clasificación emitida por la OMS, cita la campilobacteriosis como la toxiinfección alimentaria que causa la mayoría de los problemas en prácticamente todo el mundo, seguida de la salmonelosis y el cólera. Según datos de la EFSA (2009), Campylobacter es el primer causante de casos de toxiinfección alimentaria en la UE en los últimos años.

2.6.1.6. Bacillus sp.

Bacillus cereus es un microorganismo Gram positivo, con forma de bastón alargado, aerobio facultativo y formador de esporos Bacillus sp es capaz de sobrevivir durante aquellos procesos que utilizan calor y acumularse en las tuberías y en las juntas de estos entornos de procesado de alimentos. Incluso si los fluidos calientes fluyen continuamente sobre estas superficies durante más de 16 horas, Bacillus y otras bacterias termorresistentes son capaces de formar biofilms.

2.6.1.7. Staphylococcus aureus

Las bacterias del género Staphylococcus son microorganismos ubicuos difíciles de eliminar que colonizan ambientes muy dispares formando parte de la microbiota habitual de la piel, la garganta y las fosas nasales de sus hospedadores vertebrados. Staphylococcus aureus es un coco Gram positivo aerobio o anaerobio facultativo que produce fermentación láctica y es catalasa y coagulasa positivo. Posee numerosos factores de virulencia, en su mayoría componentes de la pared celular, y una variedad de exoproteínas que facilitan la colonización de nuevos hábitats. Estas propiedades, hacen que los estafilococos sean la causa de numerosas infecciones en mamíferos, que van desde afecciones superficiales de la piel a patologías severas como neumonías, meningitis, intoxicaciones alimentarias, shock séptico y desórdenes autoinmunes

2.6.2. Hongos que forman biofilms

Las biopelículas son sistemas estructuralmente complejos y de características fisiológicas especiales asociadas a una mayor actividad metabólica y resistencia a compuestos tóxicos. Los hongos filamentosos están naturalmente adaptados al crecimiento sobre superficies y, por lo tanto, forman biopelículas. Esta forma de crecimiento, al igual que en bacterias y levaduras,

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supone una expresión diferencial de genes reflejada en una mayor producción de enzimas o metabolitos.

2.6.2.1. Aspergillus niger

Las biopelículas de Aspergillus niger se caracterizan por la presencia de canales internos que permiten el flujo interno y, por otro lado, producen una mayor cantidad de celulasa en comparación al cultivo con micelio libre. Esta primera aproximación busca enfocar la investigación hacia este aspecto de crecimiento y producción en hongos filamentosos. El mejor entendimiento de las biopelículas de hongos filamentosos utilizando técnicas moleculares y visualización microscópica directa contribuirán grandemente al desarrollo de procesos productivos basados en las ventajas fisiológicas de las biopelículas de hongos de interés industrial.

2.7. Ventajas y desventajas de las biopelículas.

2.7.1. Ventajas de la biopelículas

2.7.1.1. La aplicación de películas o recubrimientos comestibles

(biopelículas) para prolongar la conservación de la calidad

en fresco de frutas y hortalizas.

No sólo constituyen barreras que reducen la permeabilidad e intercambio de moléculas con el ambiente, sino que además son un excelente vehículo para la incorporación de agentes antimicrobianos naturales que garantizan la seguridad alimenticia sin contribuir a la contaminación ambiental.

Una biopelícula comestible se define como una capa delgada de material comestible de origen biológico, formada sobre un alimento como recubrimiento. Estas pueden ser de diversos tipos de materiales, aunque se reporta que las primeras películas fueron diseñadas desde hace 50 años utilizando polímeros sintéticos. En China desde el siglo XII se recubrían naranjas con cera y actualmente se realizan investigaciones para utilizar los recursos renovables como fuente de biopelículas comestibles y biodegradables.

2.7.1.2. Uso de las biopelículas en los procesos RBC.

El proceso denominado RBC (Rotating Biological Contactors) o

"Biodisco" aplicable a líquidos residuales urbanos o industriales, es uno de los

sistemas de tratamiento biológico aeróbico de cultivo fijo, donde los

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microorganismos se adhieren a la superficie de disco rotarios de material

plástico, inerte, que actúan como soporte, formando una BIOPELÍCULA,

componente fundamental en dicho proceso.

Rol de la biopelícula en el proceso del tratamiento

El tratamiento biológico de líquidos residuales consiste principalmente en

la estabilización (a veces mal llamada eliminación) de la materia orgánica por

acción de los microorganismos que se alimentan de la misma, transformándola

en productos más oxidados y por lo tanto más estables. Los microorganismos

de la biopelículas adheridos al soporte, toman principalmente el oxígeno de la

atmósfera, para la respiración y se alimentan de materia orgánica contenida en

el líquido residual, la cual difunde a través de la biopelícula por diversos

mecanismos.

2.7.1.3 Uso de las biopelículas en biorremediación:

Recientemente la biorremediación a través del uso de biopelículas ha

despertado un gran interés, puesto que representan una alternativa más segura

y eficiente en comparación con los sistemas planctónicos. Entre los más

usados se encuentran la biorremediacion de aguas residuales y la

biorremediacion de suelos.

2.7.2 Desventajas de la biopelículas

a. Tan solo una pequeña capa de biopelícula en el interior de una conducción

reduce el diámetro de la tubería. Esto significa que se puede bombear menos

agua por el circuito, y es necesario aumentar la energía de bombeo. Esto

conlleva mayor gasto en energía y una eficacia de rendimiento inferior de la

torre de refrigeración.

b. Una biopelícula puede estar constituida por un 85-95% de agua y funcionar

como capa aislante alrededor de las rejillas y las conducciones, reduciendo por

tanto la eficiencia de enfriamiento de la torre.

c. Una biopelícula puede contener gran variedad de bacterias que pueden

producir sustancias químicas corrosivas.

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d. La biopelícula puede ser huésped de bacterias patógenas como Legionella

o E.Coli. Estas bacterias pueden formar aerosoles e infectar a los seres

humanos cuando las inhalan produciendo graves neumonías.

e. En procesos de ósmosis inversa también hay crecimiento de biopelícula.

Cuando crece una capa adherente de biopelícula sobre las membranas, la

eficacia de la filtración disminuye. Es necesario hacer limpiezas químicas

periódicas para evitar que haya que aplicar mayores presiones con los mismos

resultados.

f. En general, todas las instalaciones que utilizan agua están sujetas a

problemas de biopelícula. Los ejemplos son máquinas para el lavado de

coches, rellenado de botellas, rociadores, sistemas de lucha contra incendios,

producción de hielo, etc.

g. Causan infecciones crónicas en el ser humano: periodontitis, neumonía,

Prostatitis bacteriana, etc.

h. Intervienen en la formación de la caries dental.

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Biofilms bacterianos e infección

Lista parcial de infecciones humanas en las que están involucrados biofilms bacterianos

(Costerton et al., 1999)

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2.8. Importancia de las biopelículas en el medio ambiente.

La biotecnología puede ser utilizada para evaluar el estado de los ecosistemas, transformar contaminantes en sustancias no tóxicas, generar materiales biodegradables a partir de recursos renovables, limpiar la polución, las aguas residuales, el aire y gases de desecho, protegiendo y restaurando la calidad del medio ambiente.

Con los avances en biotecnología, la biorremediación del aire, el

suelo y el agua ha sido uno de los campos de restauración medioambiental que más rápidamente se ha desarrollado, utilizando microorganismos para reducir la concentración y contaminación de distintas sustancias como petróleo, hidrocarburos poli cíclicos y aromáticos, solventes industriales, pesticidas y metales.

La degradación biológica de mezclas complejas de sustancias recalcitrantes es todavía un desafío para la biotecnología ambiental actual. Estudios con biofilms en reactores muestran que éstos ofrecen muchas ventajas y pueden ser utilizados para este propósito.

Las biopelículas toman un papel muy importante en la biorremediación, en donde transforman agentes contaminantes a formas menos dañinas. La biorremediación se puede dar en diferentes escenarios los más comunes son:

2.8.1. Biorremediacion de aguas residuales

Las aguas residuales domésticas e industriales son ricas en materiales orgánicos y deben ser tratadas en alguna forma antes de devolverlos al ambiente. Los procesos para el tratamiento de las aguas residuales son prácticamente sistemas de cultivo microbiano a gran escala que utilizan biopelículas en los cuales las sustancias orgánicas de los desechos se degradan a dióxido de carbono, gas metano y otros nutrientes inorgánicos. El agua residual se trata dentro del fondo de un tanque donde se pone en contacto con lodos o agregados de biopelículas unidos a partículas muy pequeñas. La degradación anaeróbica de los sustratos orgánicos ocurre en el lecho del lodo y allí mismo se genera gas metano como uno de los productos finales; este gas tiene una utilidad valiosa porque puede ser recolectado por un sistema de tuberías para generar energía. Además, en muchos países como Colombia el residuo sólido del lodo que consiste en material no digerible y células bacterianas, se elimina periódicamente y se seca para ser utilizado como abono para la tierra.

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2.8.2. Biorremediacion de suelos y aguas subterráneas

Cuando los suelos o las aguas se contaminan con hidrocarburos como el petróleo, las biopelículas cumplen un papel fundamental en su biorremediación. Las bacterias oxidantes de los hidrocarburos son capaces de adherirse a las gotas insolubles de petróleo y de lograr la dispersión de la capa. Estas biopelículas están conformadas básicamente por especies de Pseudomonas, corinebacterias, micobacterias y algunas levaduras. Sin embargo, para el buen desempeño de la biopelícula se requieren condiciones especiales de oxígeno, temperatura, pH, nutrientes, sin las cuáles la biorremediación no se produce. De igual manera se busca resolver con la utilización de biopelículas, la contaminación de las aguas subterráneas con sustancias como alcanos y alquenos clorados usados como disolventes de limpieza. Para esto se han desarrollado las biobarreras que consisten en acúmulos de biopelículas que forman una barrera impermeable para el flujo del agua contaminada a otros sistemas. El desempeño de la biopelícula dependerá de las mismas condiciones que se mencionaron antes.

Otros sistemas que se han utilizado con éxito en el proceso de

biorremediación, son los biofiltros que evitan la contaminación del aire dada por compuestos orgánicos volátiles provenientes de las grandes empresas químicas y de las estaciones depuradoras de aguas residuales. En el biofiltro las comunidades microbianas crecen sobre la superficie de un soporte por lo general de plástico, a través del cual pasa el aire contaminado. Los compuestos solubles en el gas entran en la biopeliculas y quedan disponibles para su biodegradación, generándose productos no tóxicos. La principal ventaja de un sistema de Biofiltro sobre otras alternativas de control de la contaminación del aire, son los bajos costos de inversión y explotación, las bajas necesidades de energía y la ausencia de subproductos y residuos que requieran un tratamiento posterior.

En la piscicultura la utilidad de los biofiltros está en la

descomposición del Amoníaco generado por los peces como producto de su alimentación. Las biopelículas presentan otro campo de interés para los investigadores, los biolixiviados. Estos son líquidos generados a partir de la descomposición de material orgánico por biopelículas que se utilizan para combatir agentes externos dañinos. En Colombia la biolixiviación del raquis del plátano, un residuo de la agroindustria platanera, se utiliza para controlar el moldeo polvoso una enfermedad en las rosas. Esta investigación la llevaron a cabo miembros del Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT) encontrando buenos resultados porque además de ser una alternativa ecológica en el control de la enfermedad, es económica.

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Biofilms asociados a plantas

Los suelos constituyen un entorno heterogéneo con numerosos parámetros de fluctuación que puede afectar el crecimiento microbiano y supervivencia. Al igual que muchos ambientes naturales, el suelo es pobre en nutrientes, por lo que las bacterias del suelo constantemente tienen que lidiar con la falta de nutrientes. La rizosfera (la superficie de la raíz y de la región que rodea la raíz, por lo general 2 mm) constituye un nicho ecológico en el suelo donde los nutrientes son más fácilmente disponibles, y algunas bacterias han desarrollado mecanismos para aprovechar este nicho.

La Rizodeposición (liberación de material orgánico de las raíces a medida que crecen a través del suelo) aumenta el crecimiento microbiano y las unidades de la estructuración de las comunidades microbianas de la rizosfera. La Rizodeposición consiste en una variedad de compuestos, incluyendo exudados, tales como aminoácidos, azúcares simples y ácidos orgánicos que son pasivamente liberados de las raíces, los compuestos secretados activamente, como los carbohidratos y las enzimas, el mucílago ( desprendidas de células y lisados de células), y los gases, como dióxido de carbono y etileno . Esto explica la deposición de una cantidad significativa de fotosíntesis de la planta, estimada en alrededor del 20% del carbono que se asignan al sistema de raíces. Así, numerosas bacterias se sienten atraídos por la rizosfera y colonizan este oasis en el suelo Por lo tanto, se estructuran comunidades microbianas adheridas a las raíces y las partículas del suelo circundante, lo que podría ser visto como una comunidad biofilms. Hay muchas indicaciones de las comunidades de biopelículas en la rizosfera.

En primer lugar, es evidente que las bacterias se adhieren a las

raíces, por dentro, donde las que se destacan son las proteínas de membrana externa, los polisacáridos de la pared (cápsulas), lipopolisacárido (LPS), y las aglutininas en la superficie de la célula. En segundo lugar, exopolisacárido (EPS) es producido por bacterias en la rizosfera

Aplicación de la biotecnología en el diseño de procesos para el aprovechamiento de residuos industriales y lodos de depuradoras

Se están desarrollando procesos tecnológicos para el tratamiento

y aprovechamiento de lodos residuales utilizados en el proceso de depuración biológica de aguas residuales: compostaje, digestión anaerobia, secado térmico, cogeneración dentro del secado térmico, valorización energética y aprovechamiento en cementeras. Existe una gran variedad de procesos aerobios y anaerobios de interés industrial en los que se tratan diferentes residuos con diversas especies de microorganismos. Entre ellos destacan la digestión anaerobia para la producción de biogás y la fermentación alcohólica para obtener bioalcohol.

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2.9. Presencia de biopelículas en la vida cotidiana

En nuestra vida cotidiana, las biopelículas están presentes en objetos comunes como los cepillos dentales en uso, los aires acondicionados, el sarro del cuarto de baño (Nazar, 2007) y en los muebles de cocina, así como en las tuberías de las redes de distribución de agua potable y de drenaje. También las podemos encontrar ocasionando problemas de salud importantes asociados con implantes, catéteres, sondas y otro tipo de materiales empleados de rutina en los hospitales Por otra parte, las biopelículas pueden ser aliados de gran utilidad como agentes de biorremediación en el tratamiento de aguas residuales y lodos activados y, en algunos casos, sirven como bioindicadores de la calidad del agua natural y en las redes de distribución.

III. MATERIALES Y MÉTODOS

La información recopilada tiene origen de trabajos científicos expuestos en

tesis, revistas y publicaciones científicas realizada por investigadores de

distintas partes del mundo teniendo mayor aporte por parte de estudios de

Europa.

El TIM (Trabajo de Investigación Monográfico) fue realizado a la información

recurrida de diferentes bases de datos de Investigación Científica como:

-Ebrary Pro Quest

-BiblioColabora

-SCielo

-Doaj

-Dialnet

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IV. RESULTADOS

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36

V. DISCUSIÓN

Las biopelículas (biofilms) son organizaciones complejas de

microorganismos sujetos a un sustrato (biótico o abiótico) que crecen

embebidos en una matriz polimérica extracelular segregada por ellos

mismos. Como todo ser vivo cumple una función específica en su medio,

independientemente de que sea favorable o no para el hombre, es por

ello que su estudio nos facilita el manejo de esos resultados. (Sumaran

Salas Isaac Saúl).

Se conoce por Biopelícula a toda agrupación sistematizada de

microorganismos que crecen encerrados por una matriz de sustancias

poliméricas extracelulares conformadas principalmente por

polisacáridos, proteínas, ácidos nucleicos, entre otras sustancias.

Además de la matriz de sustancias poliméricas, las biopelículas también

están formadas por agua, la cual ocupa el 97% del espacio del biofilm.

Esta agrupación puede ser de una sola especie o también puede ser

multi-especie.

Una biopelícula representa una forma de supervivencia mayor para

estos microorganismos, puesto que la matriz le da protección a las

células, no obstante, se podría dudar de esto, ya que al estar encerrados

por la matriz, tendrían acceso limitado a nutrientes, oxigeno, etc, sin

embargo, en la conformación de las biopelículas se encuentran espacios

(canales) a través de los cuales se da el transporte de agua, oxigeno,

nutrientes, etc.

Las biopelículas tienen un ciclo de vida, por lo cual, atraviesa las

siguientes etapas:

1. Acondicionamiento: Consiste en la adición de sustancias

orgánicas al sustrato (película condicionante), lo cual hace del

sustrato una superficie viable para la formación de la biopelícula.

2. Adhesión reversible: Se produce la adhesión de los

microorganismos al sustrato, puede ser activo (a través de

flagelos, fimbrias, etc.) o pasivo (por factores externos: gravedad,

precipitación de partículas, etc.)

3. Adhesión irreversible: Se da cuando los agentes microbianos

empiezan a segregar sustancias poliméricas, lo cual les da una

fijación mayor al sustrato

4. Maduración: Las células empiezan a dividirse, dándole la

estructura al biofilm.

Estas biopelículas, tienen ventajas y desventajas según el tipo de

biopelícula y los organismos que la conforman, un ejemplo es que una

de sus ventajas es la utilización de biopelículas en procesos de

biorremediación, y como desventaja se tiene que existen biopelículas

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que son causantes de diversas enfermedades. (Sandoval Bernales

Anthony Alexander).

Conociendo las características y funciones de las biopelículas, estos

organismos pueden ser utilizados para ayudar en la descontaminación

del medio ambiente, en procesos como biorremediación de aguas, suelo

y aire en los cuales estos conjuntos de bacterias degradan sustancias

altamente contaminantes en sustancias menos contaminantes, dejando

como producto de su metabolismo sustancias poco dañinas o inclusive

sustancias que pueden ser beneficiosas para el ser vivo. Además de ser

procesos que no requieren de una alta inversión económica (Laurencio

Ichpas Caleb Enoc).

Entendiendo y comprendiendo la infinidad de bacterias que se

encuentran en nuestro entorno fue necesario investigar acerca de las

biopeliculas. Los biofilm son comunidades de microorganimos sésiles

que se encuentram adheridos a sustratos y encerrados en una matriz de

polisacaridos, estas comunidades llegan a afectar en muchas formas a

los seres humanos como con infecciones, caries dental, tambien se

encuentra en las tuberias de agua; pero no todo es malo sobre las

biopeliculas ya que en el medio ambiente cumplen importantes

funciones como de biorremediar ambientes contaminados ya sea con

hidrocarburos, metales pesados o en el tratamiento de aguas

reciduales.(Salas Alagon Rossinaldo.)

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VI. CONCLUSIÓN

Por las características tan especiales que presentan los

microorganismos al conformar una biopelícula, se ha aumentado el interés por

investigar sobre ellas. En los diversos escenarios donde se han descrito, el

conocer los detalles de su organización ha permitido al hombre elaborar

estrategias adecuadas a sus necesidades. Las infecciones y el biofouling son

dos de las más grandes consecuencias desfavorables que tiene el desarrollo

de biopelículas sobre superficies animadas e inanimadas y es en este campo

que el hombre busca soluciones definitivas.

En el campo de la medicina representaría una estrategia novedosa el

poder controlar la comunicación microbiana de manera que se altere la función

de la biopelículas por medio de análogos de moléculas reguladoras del

crecimiento y proliferación bacteriana. Convencionalmente se tratan las

infecciones por medio de antibióticos que destruyen selectivamente las células.

Pero cabe recordar que las biopelículas son comunidades heterogéneas y solo

una pequeña parte de los microorganismos causan la enfermedad.

Sin embargo, la presencia de biopelículas no siempre acarrea problemas.

El hecho de que estas organizaciones degraden compuestos orgánicos ha

impulsado a los microbiólogos y ambientalistas a utilizarlas en todos los

campos donde se requiere biorremediar. Las biopelículas tienen cualidades

magníficas para eliminar elementos contaminantes del ambiente, como el no

requerir de energía extra para trabajar, no generar en sus procesos de

biodegradación desechos tóxicos, ser relativamente económicas y fáciles de

manejar, de manera que muchos procesos se pueden dar de manera natural o

serán impulsados por el hombre. Es por esto y muchas otras razones que las

biopelículas serán involucradas en la creación de ambientes bioregenerativos

donde el agua, el aire y los suelos se podrán reutilizar con el fin de no

perder

estos elementos tan valiosos del ecosistema.

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VII. Referencias Bibliográficas

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