Biofilms: Bacteriën in het aquarium

Leestijd 6 minuten / Laatst gewijzigd 31 maart 2024 / Auteur Ruud de Keijzer

Natuurlijke biofilms vormen een belangrijk onderdeel van vele omgevingen, inclusief zowel zoet als zout water, bodem en zelfs het menselijk lichaam. Biofilms zijn gemeenschappen van micro-organismen die zich hechten aan oppervlakken en een beschermende matrix van extracellulaire polymeric substances (EPS) produceren om zichzelf te omringen. Dit artikel geeft een uitgebreide uitleg over biofilms, met name in aquatische omgevingen.

Inleiding

Zoetwater biofilms zijn complexe gemeenschappen van micro-organismen, waaronder bacteriën, algen, schimmels en protozoa, die groeien op oppervlakken in waterige omgevingen. Biofilms spelen belangrijke rollen in zoetwater ecosystemen, zoals het recyclen van voedingsstoffen, waterzuivering en voedselketens.

De vorming van een biofilm begint wanneer individuele micro-organismen zich hechten aan een oppervlak en een matrix van extracellulaire polymere stoffen (EPS) beginnen af ​​te scheiden, die eiwitten, suikers en nucleïnezuren kunnen bevatten. Deze matrix fungeert als een lijm die de micro-organismen bij elkaar houdt en aan het oppervlak vastmaakt, waardoor een driedimensionale structuur ontstaat.

Naarmate de biofilm zich ontwikkelt, beginnen de micro-organismen erin te communiceren en hun gedrag te coördineren via een proces dat quorum sensing wordt genoemd. Hierdoor kunnen ze samenwerken om taken uit te voeren die ze individueel niet zouden kunnen uitvoeren, zoals het afbreken van complex organisch materiaal.

De EPS-matrix fungeert ook als een beschermende laag voor de micro-organismen in de biofilm, waardoor ze worden beschermd tegen milieu-stressoren zoals temperatuurveranderingen, pH en beschikbaarheid van voedingsstoffen.

Vorming van Biofilms

Biofilms zijn complexe ecosystemen van micro-organismen die gehecht zijn aan oppervlakken en omringd worden door een matrix van extracellulaire polymeric substances (EPS). De vorming van biofilms is een dynamisch proces dat bestaat uit verschillende stappen.

  1. Aanhechting van micro-organismen aan oppervlakken

De eerste stap in de vorming van een biofilm is de hechting van micro-organismen aan een oppervlak. Micro-organismen, zoals bacteriën, hechten zich aan het oppervlak met behulp van verschillende mechanismen, zoals elektrostatische interacties, van der Waals-krachten en hydrofobe interacties. Eenmaal gehecht, beginnen de micro-organismen zich te vermenigvuldigen en te groeien.

  1. Productie van EPS

Na de hechting beginnen de micro-organismen extracellulaire polymeric substances (EPS) te produceren. Deze matrix van polymere stoffen bestaat uit suikers, eiwitten en nucleïnezuren en vormt een beschermende omgeving voor de micro-organismen. De EPS-matrix beschermt de micro-organismen tegen fysische en chemische stressoren en biedt een structuur voor de ontwikkeling van de biofilm.

  1. Ontwikkeling van een driedimensionale structuur

Na verloop van tijd ontwikkelt de biofilm een driedimensionale structuur. Dit wordt bereikt door de groei en vermenigvuldiging van de micro-organismen, evenals de productie van EPS. De structuur van de biofilm is niet homogeen, maar bestaat uit verschillende lagen en kanalen die het transport van voedingsstoffen, zuurstof en afvalstoffen mogelijk maken.

  1. Vorming van kolonies en differentiatie van cellen

Naarmate de biofilm zich ontwikkelt, kunnen er verschillende soorten micro-organismen ontstaan. Sommige micro-organismen kunnen differentiëren en zich ontwikkelen tot specifieke celtypen, zoals sporenvormende bacteriën, die kunnen overleven onder ongunstige omstandigheden. Andere micro-organismen kunnen zich organiseren in kolonies en onderlinge communicatie tot stand brengen via quorum sensing-mechanismen.

Biofilms in Aquatische Omgevingen

Biofilms spelen een belangrijke rol in de aquatische omgevingen. Het zijn natuurlijke ecosystemen die een breed scala aan micro-organismen, zoals bacteriën, algen en schimmels, herbergen. Hier zijn enkele belangrijke aspecten van biofilms in aquatische omgevingen:

  1. Rol van biofilms in voedingsstoffencyclus
    Biofilms spelen een cruciale rol in de voedingsstoffencyclus van aquatische ecosystemen. Ze zijn betrokken bij de afbraak en omzetting van organische stoffen, zoals dood plantaardig materiaal en afval van dieren. Dit proces zorgt voor de productie van nutriënten, zoals stikstof en fosfor, die vervolgens door andere organismen in het ecosysteem kunnen worden gebruikt. Zo dragen biofilms bij aan de biologische productiviteit van aquatische omgevingen.
  2. Bioremediatie en verwijdering van verontreinigingen uit water
    Biofilms spelen ook een belangrijke rol bij de bioremediatie van verontreinigde waterlichamen. Door de aanwezigheid van micro-organismen die verontreinigende stoffen afbreken, kunnen biofilms bijdragen aan de zuivering van waterlichamen. Bovendien kunnen biofilms een effectieve barrière vormen tegen de verspreiding van verontreinigende stoffen.
  3. Belang van biofilms als habitat voor aquatische organismen
    Biofilms bieden een belangrijke habitat voor vele soorten aquatische organismen, waaronder kleine ongewervelde dieren, vis en andere waterdieren. Biofilms zijn ook een bron van voedsel voor deze organismen. Ze dienen als bescherming en bieden ook een oppervlak om aan te hechten, wat vooral belangrijk is voor de voortplanting van sommige soorten.

Kortom, biofilms zijn een integraal onderdeel van aquatische ecosystemen en spelen een cruciale rol bij het ondersteunen van de biologische diversiteit en productiviteit van deze ecosystemen.

Relatie tussen Biofilms en Planten

Biofilms en ondergedompelde planten hebben een complexe en wederzijdse relatie. Aan de ene kant kunnen biofilms een bron van voedingsstoffen zijn voor ondergedompelde planten, terwijl aan de andere kant overmatige groei van biofilms kan leiden tot gezondheidsproblemen en een afname van de groei van ondergedompelde planten.

Een belangrijk voordeel van biofilms voor ondergedompelde planten is dat ze een constante bron van voedingsstoffen kunnen bieden. De micro-organismen in biofilms breken organisch materiaal af en zetten het om in opneembare voedingsstoffen zoals stikstof en fosfor. Deze voedingsstoffen kunnen vervolgens door de ondergedompelde planten worden opgenomen en gebruikt voor groei en metabolisme.

Aan de andere kant kan de overmatige groei van biofilms leiden tot problemen voor ondergedompelde planten. De biofilm kan bijvoorbeeld de stroom van water en voedingsstoffen naar de planten belemmeren, waardoor hun groei afneemt. Bovendien kunnen sommige soorten biofilms toxische stoffen produceren die schadelijk zijn voor ondergedompelde planten.

Het is ook belangrijk op te merken dat de aanwezigheid van ondergedompelde planten op zichzelf de groei van biofilms kan beïnvloeden. Ondergedompelde planten bieden een oppervlak voor micro-organismen om aan te hechten en biofilms te vormen. Dit kan op zijn beurt de kwaliteit van het water beïnvloeden en de hoeveelheid licht die de ondergedompelde planten ontvangen verminderen, waardoor hun groei en gezondheid worden beïnvloed.

Het is daarom belangrijk om de groei van biofilms te beheersen en in evenwicht te houden met de groei van ondergedompelde planten. Dit kan worden bereikt door het reguleren van de hoeveelheid voedingsstoffen in het water en het bevorderen van watercirculatie om de groei van biofilms te verminderen. Daarnaast kan het regelmatig snoeien van ondergedompelde planten en het verwijderen van overtollige biomassa ook helpen om de groei van biofilms te verminderen.

Biofilms en andere organismen

Biofilms spelen een belangrijke rol in het aquatische ecosysteem en hebben interacties met andere aquatische organismen. Biofilms bieden een bron van voedingsstoffen en schuilplaatsen voor micro-organismen, wat op zijn beurt weer een belangrijke voedselbron is voor hogere trofische niveaus in het ecosysteem. Aan de andere kant kunnen andere aquatische organismen ook invloed hebben op de groei en structuur van biofilms.

Een voorbeeld van een interactie tussen biofilms en andere aquatische organismen is de relatie tussen biofilms en zoöplankton. Zoöplankton voeden zich met bacteriën die in biofilms groeien, en vormen daarmee een belangrijke voedselbron voor hogere trofische niveaus, zoals vissen en waterinsecten. Het is aangetoond dat de structuur van biofilms van invloed kan zijn op de groei en voedingswaarde van bacteriën voor zoöplankton. Daarom kan de samenstelling en structuur van biofilms invloed hebben op de groei en overleving van zoöplankton.

Ook macrofauna, zoals slakken en mosselen, spelen een rol in de interactie tussen biofilms en andere aquatische organismen. Deze dieren kunnen zich voeden met biofilms en zo een bron van voedingsstoffen verkrijgen. Tegelijkertijd kunnen ze ook de structuur van biofilms veranderen door mechanische belasting, waardoor er nieuwe niches voor micro-organismen ontstaan.

Er zijn ook negatieve interacties tussen biofilms en andere aquatische organismen. Zo kan overmatige groei van biofilms bijvoorbeeld leiden tot zuurstoftekort en vissterfte. Dit kan gebeuren wanneer biofilms de stroom van water belemmeren, waardoor er minder zuurstof beschikbaar is voor andere aquatische organismen. Ook kan overmatige groei van biofilms leiden tot een afname van lichtpenetratie in het water, waardoor de groei van ondergedompelde planten wordt beperkt.

Om deze negatieve interacties te verminderen, kan het beheersen van de groei van biofilms helpen. Dit kan worden bereikt door het reguleren van de hoeveelheid voedingsstoffen in het water en het bevorderen van watercirculatie. Daarnaast kan het verwijderen van overtollige biomassa en het regelmatig snoeien van ondergedompelde planten helpen om de groei van biofilms te verminderen.

Over het algemeen zijn biofilms belangrijk voor het aquatische ecosysteem en hebben ze interacties met andere aquatische organismen. Deze interacties kunnen zowel positief als negatief zijn en zijn afhankelijk van verschillende factoren, zoals de samenstelling en structuur van de biofilm, de soort en gezondheidstoestand van andere aquatische organismen, en de omgevingsfactoren zoals licht, voedingsstoffen en waterstroming.

Conclusie

Biofilms zijn een belangrijk onderdeel van aquatische ecosystemen en spelen een essentiële rol bij het behoud van de waterkwaliteit en de biodiversiteit. Biofilms bieden niet alleen bescherming en voedsel voor micro-organismen, maar vormen ook een belangrijke bron van voedsel voor hogere organismen zoals vissen. Tegelijkertijd kunnen biofilms schadelijk zijn voor sommige aquatische organismen en de biodiversiteit beïnvloeden.

Het begrijpen van de processen die ten grondslag liggen aan de vorming en de functie van biofilms is van groot belang voor het beheer en behoud van aquatische ecosystemen. De toepassing van innovatieve technieken en methoden, zoals moleculaire technieken en microscopie, bieden nieuwe mogelijkheden voor het bestuderen van biofilms en het ontwikkelen van effectieve strategieën voor het beheer en behoud van deze belangrijke ecologische systemen.

Blijf scapen,
Ruud