Mechanism of biofilm formation with special emphasis on van der Waals and electrostatic forces

Jedną z form obecności drobnoustrojów w środowisku są biofilmy. Występowanie biofilmów w środowisku może mieć pozytywne lub negatywne skutki. Negatywnym aspektem biofilmu jest jego udział w zakażeniach szpitalnych czy przemyśle spożywczym, natomiast pozytywne znaczenie biofilmu to np. bioremediacja i usuwanie zanieczyszczeń z gleby. Korzyściami dla komórek tworzących biofilm jest fakt, iż są one mniej narażone na działanie antybiotyków oraz różnych substancji przeciwdrobnoustrojowych. Kluczową rolę w formowaniu biofilmu odgrywają siły fizykochemiczne takie jak siły van der Waalsa, elektrostatyczne czy oddziaływania hydrofobowe. Adhezja bakterii do powierzchni została opisane jako zjawisko termodynamiczne powierzchni oraz przy pomocy podstawowej oraz rozszerzonej teorii Derjaguina-Landaua-Verweya-Overbeeka (DLVO), która stosowana jest do opisania wzajemnych wpływów między bakteriami a powierzchnią lub między komórkami bakterii, zakładając że komórki bakteryjne można traktować jako cząstki koloidalne. Ważne czynniki, które uwzględnione są w teorii DLVO to między innymi odległość komórek od podłoża, siła jonowa, pH czy oddziaływanie kwas-zasada. Siły van der Waalsa stają się bardziej dominujące, a komórka nieodwracalnie przylega do powierzchni, jeśli znajduje się ona blisko powierzchni. Z drugiej strony, jeśli odległość między komórką a podłożem zwiększa się, siły van der Waalsa drastycznie spadają, a interakcje kulombowskie stają się bardziej dominujące, co powoduje odpychanie się komórki od powierzchni. Zgodnie z termodynamiką powierzchni warunki sprzyjające wystąpieniu adhezji bakteryjnej są wtedy, gdy międzyfazowa energia swobodna Gibbsa między bakteriami a powierzchnią jest ujemna (ΔGadh<0). Adhezja staje się nieodwracalna, gdy komórka bakteryjna zostanie unieruchomiona i zostanie przebita bariera energii potencjalnej.

Microorganisms attach to surfaces and generate biofilms. The presence of biofilms in the environment can have positive or negative effects. The negative aspect of biofilm is its participation in hospital infections or the food industry, while the positive significance of biofilm is for example, bioremediation and removal of pollutants from the soil. The benefits for biofilm-forming cells are that they are less exposed to antibiotics and various antimicrobial substances. Physicochemical forces such as van der Waals forces, electrostatic forces or hydrophobic interactions play crucial role in biofilm formation. Bacterial adhesion to a surface has been described as a surface thermodynamic phenomenon and by the basic and extended Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO) theory, which is used to describe the interactions between bacteria and a surface or between bacterial cells, assuming that bacterial cells can be treated as colloidal particles. Important factors that are taken into account in the DLVO theory are, among others, the distance of the cell from the substrate, ionic strength, pH or acid-base interaction. Van der Waals forces become more dominant and the cell irreversibly adheres to the surface if the bacterium is close to the surface. On the other hand, if the distance between the cell and the substrate increases, the van der Waals forces drop drastically and the Coulomb interactions become more dominant, causing cell repulsion from the surface. According to the thermodynamics of the surface, the conditions favoring the occurrence of bacterial adhesion are when the Gibbs free energy between the bacteria and the surface is negative (ΔGadh<0). Adhesion becomes irreversible when the bacterial cell is immobilized and the potential energy barrier is broken.