Скользкий слой на подводном камне, микробное обрастание трубы и рабочая плёнка биофильтра имеют общую черту: клетки существуют в пространственно организованном сообществе. Биоплёнка не сводится к случайно осевшим бактериям. Её внеклеточное вещество удерживает клетки, воду и частицы и формирует среду, в которой происходят обмен питанием, рост и взаимодействия между организмами.[1]
Матрикс и неоднородность сообщества
В состав матрикса входят полисахариды, белки, внеклеточные нуклеиновые кислоты и другие соединения; соотношение зависит от сообщества и условий. Матрикс поддерживает сцепление с поверхностью, связывает компоненты и удерживает ферменты рядом с клетками. Это позволяет перерабатывать вещества вне клетки и использовать продукты их расщепления. Он не является непроницаемой оболочкой: через него движутся вода и растворённые соединения, но их доставка может ограничивать скорость процессов.[1]
Роль внеклеточной ДНК показана, в частности, в экспериментальной работе Whitchurch и соавторов о формировании бактериальной биоплёнки. ДНК здесь выступает не только носителем наследственной информации внутри клетки, но и компонентом структуры сообщества. Однако результат для конкретного модельного организма не означает одинакового состава всех природных плёнок: матрикс разнообразен, и разрушение одного его компонента не всегда полностью удаляет зрелое обрастание.[2]
Наружные клетки первыми получают кислород и питательные вещества. По мере проникновения внутрь часть веществ расходуется, поэтому рядом могут существовать активно растущие, медленно работающие и практически покоящиеся клетки. Иногда возникают зоны с недостатком кислорода. В обзоре Stewart и Franklin эта физиологическая неоднородность рассматривается как важная особенность биоплёнок: поведение всего слоя нельзя предсказать только по свойствам культуры в хорошо перемешанной колбе.[3]
Экологическая роль и практическое значение
В водоёмах обрастания участвуют в разложении органики, преобразовании соединений азота и питании беспозвоночных. Их поверхность одновременно служит местом удержания частиц и контакта разных организмов. Состав плёнки меняется вместе со скоростью течения, освещением, поступлением органики и возрастом поверхности. Отделение клеток и фрагментов является частью её динамики: плёнка растёт, перестраивается и расселяется, а не остаётся неподвижным слоем навсегда.
В биофильтре эту организацию используют для очистки сточной воды. Прикреплённое сообщество удерживается на загрузке и перерабатывает органику проходящего потока. Когда слой утолщается, снабжение внутренних участков кислородом ухудшается; часть плёнки отслаивается и поступает на последующее отделение. Поэтому наличие обрастания само по себе не гарантирует устойчивую очистку: необходимы подходящий поток, доставка веществ и удаление отделившейся биомассы.[4]
В трубопроводах и на оборудовании различают живые клетки, остаточный матрикс и повторное заселение. Устойчивость сообщества к обработке связывают со структурой плёнки и состоянием клеток.[1][3]