Новости

Dec 07, 2023

Оценка биопленки

npj Биопленки и микробиомы

npj Биопленки и микробиомы, том 1, Номер статьи: 15014 (2015) Цитировать эту статью

6036 Доступов

17 цитат

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Биопленки и, в частности, биопленки, гидролизующие мочевину, представляют интерес для медицинского сообщества (например, инфекции мочевыводящих путей), ученых и инженеров (например, микробиологическое осаждение карбонатов). Для надлежащего моделирования этих систем необходимы скорости реакций, специфичные для биопленок. Описан простой метод определения скорости реакции, специфичной для биопленки, и применен к биопленке, гидролизующей мочевину.

Биопленки выращивали в небольших кремниевых трубках и определяли концентрации мочевины в входящих и выходящих потоках. Сразу после отбора проб пробирки делали тонкие срезы для оценки профиля толщины биопленки по длине пробирки. Данные о концентрации мочевины и толщине биопленки были использованы для построения обратной модели для оценки скорости гидролиза мочевины.

Установлено, что гидролиз мочевины в биопленках Escherichia coli MJK2 хорошо аппроксимируется кинетикой первого порядка между концентрациями мочевины 0,003 и 0,221 моль/л (0,186 и 13,3 г/л). Коэффициент скорости первого порядка (k1) оценивался в 23,2±6,2 ч-1. Было также установлено, что в экспериментальной системе доминирует адвекция, а не диффузия, и что гидролиз мочевины внутри биопленок не ограничивается диффузионным транспортом. Помимо специфической биопленки, гидролизующей мочевину, обсуждаемой в этой работе, метод имеет потенциал для широкого применения в тех случаях, когда необходимо определить специфичные для биопленки скорости.

Гидролиз мочевины микроорганизмами широко продемонстрирован как эффективный метод создания щелочности in situ и последующего осаждения карбонатных минералов. При нейтральном pH гидролиз мочевины (CO(NH2)2) можно записать как

где на каждую молекулу мочевины, подвергающуюся гидролизу, образуются два иона аммония и один ион бикарбоната. Кроме того, расходуется один протон, что повышает pH. При наличии кальция или других двухвалентных катионов возможно осаждение карбонатных минералов из-за увеличения концентрации карбоната (CO32-).

Образование карбонатных минералов в результате микробного уреолиза имеет большое значение в медицине из-за той роли, которую уреолитические микроорганизмы могут играть в образовании камней в почках и мочевыводящих путях, а также в инкрустациях катетеров.1,2 Образование минералов в результате уреолиза также широко изучалось для инженерных применений в медицине. строительных материалов3 и в недрах для снижения водопроницаемости, стабилизации почвы и устранения загрязнений.4 Микробный гидролиз мочевины также представляет интерес в условиях очистки промышленных и сельскохозяйственных сточных вод, где значительная часть общего азота приходится на мочевину.5 Во всех упомянутых системах выше, особенно там, где отношение площади поверхности к объему велико, значительная часть уреолитической активности, вероятно, будет приписана биопленкам.

Существенным препятствием в прогнозировании поведения систем в системах, содержащих биопленки, является отсутствие количественных, специфичных для системы характеристик реактивного транспорта. В этом исследовании конкретно рассматривается уреолиз в модельной биопленочной системе, чтобы пролить свет на реактивную транспортную среду, которая, вероятно, присутствует в системах, которые обладают или были стимулированы к уреолитической активности. Уреолиз в планктонных культурах тщательно изучен, и был проведен ряд исследований по количественной оценке среднеобъемных скоростей уреолиза в пористых средах, содержащих микроорганизмы6–9 и иммобилизованный фермент.10,11 Наиболее применимые исследования концентрируются на скорости осаждения в этих системах. оставляя микромасштабные реактивные транспортные характеристики уреолиза в биопленках практически необсуждаемыми.

Вместо того, чтобы использовать усредненный по объему подход, уреолитические биопленки выращивали в кремниевых трубках, имитирующих среду ламинарного потока, которая встречается в порах почвы или мочевыводящих путях. В систему не подавались катионы кальция или другие катионы, которые могли бы вызвать осаждение минералов, поэтому гидролиз мочевины можно было детально изучить без осложнений, возникающих при осаждении. Осаждение может влиять на кинетику гидролиза мочевины, но в данном исследовании это не исследовалось. Из кремниевых трубок были деструктивно отобраны образцы и нарезаны тонкие срезы для получения точного профиля толщины биопленки по длине трубки. Профили толщины биопленки объединяли с измерениями входящей и выходящей мочевины для получения скорости уреолиза на объем биопленки (здесь называемой скоростью, специфичной для биопленки). В этой статье представлен метод измерения эффективных скоростей реакций в биопленках и более глубокое понимание реактивной транспортной среды гидролиза мочевины, катализируемого биопленками, посредством применения методов обезразмеривания.