Studium mikrobiálních biofilmů na nanostrukturovaných površích

Mgr. Lukáš BYSTRIANSKÝ

Doctoral thesis

Analysis of microbial biofilms on nanostructured surfaces

Abstract:

Mikroorganismy v různém prostředí (voda nebo půda) mohou žít buď volně (plankton) nebo přisedle (biofilm). Obě životní formy jsou široce rozšířené. Existence biofilmu má pozitivní (čističky odpadních vod, důležité role v půdních procesech) nebo negativní (lidská onemocnění, rezistence vůči antibiotikům, biofouling) dopad na lidskou společnost a její zájmy. Tato disertační práce je zaměřena na biofilmová společenstva v půdě jako zdroje komplexní mikroflóry, na některé faktory prostředí ovlivňující tvorbu biofilmu, na zhodnocení antimikrobiálních vlastností modifikovaných nanotextilií potlačující růst biofilmu a na řešení některých nedostatků v metodice kvantifikace biofilmu. Byl zkoumán vliv obdělávání jako původce půdní disturbance (Publikace I), organických mikročástic vytvořených z půdní organické hmoty (Publikace III), salinity (připravovaný manuskript) a drsnosti povrchu (vedlejší experimenty) na tvorbu biomasy biofilmu a složení společenstva. Obdělávání se ukázalo být nejméně významným faktorem ovlivňujícím biofilmová a planktonní společenstva. Naopak velké rozdíly byly pozorovány ve složení těchto společenstev. Takto byla poprvé separována planktonní mikrobiální společenstva od prokaryotních i eukaryotních společenstev biofilmů přítomných v půdě. Ve vodě nerozpustné organické mikročástice s rozměry na hranici mikro- a nano- měřítka byly schopny změnit složení mikrobiálních společenstev v laboratorních podmínkách. Byl také pozorován významný vliv salinity a kvality povrchu na abundanci určitých bakteriálních OTU. Během posledních let vzrostl požadavek na vývoj biomateriálů s antibakteriálními a antibiofilmovými vlastnostmi, které jsou využívány pro řadu aplikací, jako jsou filtrační zařízení nebo implantáty v medicíně. Příkladem takových materiálů vhodných pro vývoj plynových a kapalinových filtrů jsou nanotextilie, a to kvůli velkému specifickému povrchu a vynikající filtrační schopnosti. Nanotextilie mají také potenciální využití jako obvazový materiál. V této práci jsou prezentovány účinky nanotextilií z modifikovaného polyamidu a chitosanu na klinicky významné bakterie. Výsledky z antibakteriálních testů (Publikace II a vedlejší experimenty) ukázaly dobrou antibakteriální aktivitu proti vybraným bakteriálním izolátům. Nemodifikovaný chitosan má navíc antibakteriální vlastnosti sám o sobě. Oba testované materiály jsou tak potenciálně odolné vůči tvorbě biofilmu. V současnosti používané metody kvantifikace biofilmu postrádají preciznost a opakovatelnost. Ve většině případů jsou založené na barvení biomasy (např. krystalovou violetí) s následnou kvantifikací intenzity zbarvení. V připravovaném manuskriptu je navržena nová jednoduchá kvantifikační metoda založená na redukci dvojchromanu biofilmovou biomasou. Výsledky jsou srovnatelné s výsledky barvení krystalovou violetí a navíc mohou být přímo kalibrovány proti množství organické hmoty v biofilmu.

Abstract:

The microorganisms occupying different environments (water or soil) can live there either as motile (planktonic) or sessile (biofilm) forms. Both living forms are widespread. The existence of biofilms has positive (wastewater treatment system, crucial role in soil processes) or negative (human disease, drug resistance, biofouling) impact on mankind and its interests. The thesis is focused on biofilm communities in soil as a source of complex microflora, on some environmental factors affecting biofilm development, on evaluation of antimicrobial properties of nanotextiles modified in that they can limit the biofilm development and on filling of some spaces in methodology of biofilm quantification. The effect of tillage as a source of soil disturbance (Publication I), organic microparticles produced from extractable soil organic matter (Publication III), salinity (Manuscript under preparation) and surface roughness (Side-thesis experiment) on the formation of biofilm biomass and community composition were investigated. The tillage has been shown as least significant factor affecting biofilm and planktonic communities but strong differences have been noted in composition of biofilm and planktonic microbiota. This is the first report of separation of planktonic and biofilm communities of soil prokaryotic and eukaryotic microorganisms. The water insoluble organic microparticles (with dimensions at the boundary of micro- and nanoscale), were able to change the composition of microbial communities developing under artificial conditions. Similarly, the significant effects of salinity and surface quality on abundance of specific bacterial OTUs were observed. During the last few years, there is an increasing demand for the development of biomaterials with antibacterial and antibiofilm properties suitable for many applications, such as filter devices or implants in medicine. The examples of materials suitable for construction of gas or liquid filters are nanotextiles due to their high specific surface area and barrier properties. Nanotextiles also have a potential use as wound dressing materials. Here, the effects of nanotextiles fabricated from modified polyamide PA6 and chitosan on medicinally important bacteria are presented. The results from antibacterial tests (Publication II and side-thesis experiments) showed a good antibacterial activity against selected bacterial isolates. Moreover, the chitosan itself (without modification) possess some antibacterial properties. Both tested materials may be potentially resistant to biofilm formation. The methods of the biofilm quantification suffer from low precision and reproducibility. In most cases, they rely on a specific biomass staining (for example by crystal violet) and subsequent quantification of the staining intensity. In the prepared manuscript, a new simple quantification method, based on reduction of dichromate by biofilm biomass, is proposed. The results are comparable with results of staining by crystal violet, but can be directly calibrated against the amount of biofilm organic matter.

Keywords

Biofilm, antibakteriální testy nanotextilií, kvantifikace, separace (biofilm vs plankton), nanotopografie povrchu (hladké vs drsné)

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 3. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 11. 6. 2020
• Supervisor: doc. RNDr. Milan Gryndler, CSc.

JAN EVANGELISTA PURKYNĚ UNIVERSITY IN ÚSTÍ NAD LABEM

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Nanotechnology / Applied Nanotechnology