Il ritorno dei biofilm microbici: biofouling marino e ricerche emergenti

I biofilm marini sono strutture biologiche composte da comunità microbiche aderenti alle superfici immerse in una matrice extracellulare polimerica, già definiti in un nostro precedente articolo per quanto concerne l’interazione con il mondo animale.

In ambiente acquatico, la colonizzazione microbica di superfici è un processo complesso che coinvolge diversi fattori, relazionati sia alle condizioni ambientali sia alla natura chimico-fisica dei substrati.

In particolar modo, l’adesione di microbi e la formazione di biofilm microbici sono il primo passo nella formazione del biofouling (bio-incrostazioni).

Biofouling

Il biofouling è un normale processo che si verifica su diversi tipi di superfici sommerse, inclusi sistemi acquatici naturali, come ecosistemi marini e di acque dolci, sedimenti, rocce, o substrati artificiali, dispositivi medici o condotte industriali, o sistemi di acqua potabile. Adattandoci alla definizione data per i biofilm epibiotici che crescono su organismi marini, possiamo definire anche i biofilm coinvolti nei processi di biofouling alla stessa maniera.

Queste strutture microbiche includono molti livelli di complessità funzionale e strutturale, che sono in continuo adattamento alle condizioni ambientali degli ecosistemi marini. Esso può presentarsi in due forme (Fig.1) distinte:

Microfouling o slime
Macrofouling

organismi marini implicati nel fenomeno del biofouling — *Figura 1 – Organismi marini implicati nel fenomeno del biofouling e evoluzione nel processo*.

Il microfouling consiste nella semplice formazione del biofilm (Fig.2), che sarà inoltre composto progressivamente da:

Batteri
Alghe unicellulari
Cianobatteri

microfotografia SEM di un biofilm microbico — Figura 2 – Microfotografia SEM (Microscopio elettronico a scansione) di un biofilm microbico sviluppato su reti di nylon semi-sommerse.
Reti di nylon semi-sommerse in un intervallo da 1 a 5 giorni (A-E), adesione di batteri dopo 24 ore (F-G), adesione di diatomee dopo 24 ore (H-I).

La presenza di quest’ultimo può causare tra l’altro:

Biocorrosione (Fig.3)
Contaminazione batteria di ambienti sterili
Diffusione di microrganismi patogeni
Perdita di efficienza di scambio termico

corrosione dovuta al biofouling (biofilm microbici) — *Figura 3 – Corrosione dovuta al biofouling*.

Successivamente, tramite l’adesione di ulteriori forme di vita sul microfouling, avremo la formazione di quello che viene definito macrofouling (Fig.4), in particolar modo avremo presenza di organismi superiori incrostanti, e a seconda del tipo di organismo avremo:

Hardfouling
Softfouling

macrofouling (fase avanzata biofilm microbici) — *Figura 4 – Esempi di specie marine ritrovabili nel macrofouling.*

Il macrofouling può generare:

Riduzione del flusso idrico in condotte (possibile occlusione di quest’ultime)
Danni strutturali generali, dovuti all’appesantimento delle strutture

Il primo tipo di biofouling è caratteristico delle acque dolci, mentre invece in ambiente marino possono verificarsi entrambi con prevalenza del macrofouling.

Fattori influenti e interessi applicativi

La struttura fisica, la composizione della comunità e la funzione dei biofilm microbici sono controllati da un’ampia gamma di variabili e processi fisici chimici e biologici, incluse interazione ambientali, interazioni con la topografia, cicli dei nutrienti e della materia organica, e dalla fotosintesi. A loro volta, i biofilm sono in grado di influenzare il funzionamento ambientale e tutto ciò che li circonda, andando ad interagire anche con strutture di origine antropica, esempio tipico di come la natura possa sovrastare l’intervento umano.

Attraverso una serie di relazioni intraspecifiche e la loro plasticità strutturale e funzionale, i componenti dei biofilm sono in grado di adattarsi ad ambienti altamente dinamici.

I biofilm marini sono soggetto di molti studi; in particolare quelli condotti in questi contesti, che hanno permesso di conoscere sia caratteristiche basiche che applicative. Esplorando i lavori chiave che trattano la crescita e la struttura dei biofilm microbici, delle interazioni biofilm-ambiente o biofilm-substrato, della resistenza dei microrganismi dei biofilm agli antibiotici e il loro potenziale biotecnologico (per esempio, la scoperta di alcune molecole/composti bioattivi, applicazioni pratiche nel settore alimentare, e in settori dalla cosmetica all’industria.

Gli interessi intorno ai biofilm marini dipendono anche dal ruolo chiave che assumono come mediatori della colonizzazione del substrato e conseguente implicazione in diversi campi.

Recenti studi hanno inoltre dimostrato come ci sia una forte correlazione fra i biofilm microbici e i rifiuti plastici ritrovabili in mare: infatti su alcuni di questi sono state ritrovate vere e proprie comunità microbiche. Da questo possiamo comprendere come la colonizzazione da parte di microrganismi possa aver luogo su ogni tipo di materiale, che sia esso naturale o di origine antropica.

Fasi di sviluppo dei biofilm microbici

Generalmente, questo processo è preceduto dalla formazione di una melma microbica, a cui segue lo sviluppo del vero e proprio biofilm.

Nello stadio iniziale della colonizzazione del substrato, specie pioniere, reclutate dall’ambiente circostante e generalmente autotrofiche, producono biomolecole che favoriscono l’adesione batterica al substrato. L’abilita dei batteri di aderire al substrato dipende essenzialmente dalla grandezza delle cellule e dalla loro motilità, mentre invece l’abbondanza viene spesso regolata dalla disponibilità dei nutrienti. In questo contesto, perciò, il ciclo dei nutrienti delle comunità batteriche gioca un ruolo fondamentale nel supportare lo sviluppo dei biofilm.

La moltiplicazione di specie pioniere produce subito dopo un substrato adatto per la colonizzazione da parte di specie eterotrofiche secondarie. In ogni caso, dopo che il biofilm ha raggiunto il giusto stadio di sviluppo, la competizione reciproca tra le specie batteriche per le risorse trofiche, portano alla morte o distacco delle specie meno competitive.

fasi di formazione di biofilm microbici — Figura 5 – Fasi formazione del biofilm microbico.
Adesione (1); Adesione irreversibile (2); Maturazione (3-4); Dispersione specie (5).

La plastica e i biofilm

Con le sue proprietà fisiche, la plastica offre un habitat unico per ospitare e trasportare la vastità delle comunità microbiche oceaniche definite “autostoppiste” sulla superficie dei residui plastici che infestano il mare. E’ considerevole l’influenza che questo materiale prodotto dall’uomo ha sull’ambiente.

Inoltre, essa è talmente diffusa che, secondo alcuni, forma un vero e proprio habitat, la “plastisfera” (così definita da Zettler in alcuni dei suoi studi). La maggior parte dei rifiuti plastici è formata da Polietilene (PE), polipropilene (PP) e polistirene (PS).

La formazione di biofilm microbici o di diversa composizione porta ad un incremento della densità e del peso dei rifiuti plastici, che porta ad un affondamento di questi ultimi che vanno ad inquinare maggiormente quindi la zona pelagica o bentonica dei mari.

La plastica è rapidamente coperta quindi da un sottile strato di film organico o inorganico che attrae rapidamente i batteri pronti a colonizzarla.

ciclo di rifiuti plastici — *Figura 6 – Ciclo di rifiuti plastici e interazioni con microrganismi e formazione di biofilm.*

Studi recenti dimostrano che le sue proprietà, come la carica della superficie, l’idrofobicità, l’idrofilicità, la durezza e la rugosità, sono i fattori chiave nel processo di colonizzazione.

Grazie alla presenza di diatomee, i batteri riescono ad interagire con queste tramite associazione epibiotica, e rafforzano la loro capacità di formazione di biofilm su detriti plastici.

Tra le specie più comuni, ne ritroviamo alcune appartenenti al phylum dei Proteobacteria; in particolare Roseobacter, Alteromonas e Pseudoalteromonas.
Inoltre, secondo Jacquin, nei suoi recenti studi, le specie dominanti in detriti semi-sommersi sono batteri fotoautotrofi, come cyanobacteria con il genere Phormidium e Rivularia.

Le attuali conoscenze sull’interazione fra biofilm microbici marini e detriti plastici necessitano però di ulteriori studi per essere ampliate. In particolar modo questi studi potrebbero essere alla base di eventuali innovativi processi di biodegradazione dei rifiuti plastici.

Sviluppi della ricerca

Attraverso vari studi, sappiamo quindi che i biofilm marini ospitano una complessa e dinamica comunità microbica, e le ricerche in questo campo sono tutt’altro che esaurite.

In particolar modo, le applicazioni di eventuali ricerche sono pressoché illimitate; dall’applicazione in campo ecologico a quello ingegneristico con lo sviluppo di tecniche atte al mantenimento di strutture sottoposte all’azione corrosiva del biofouling. Considerando l’alto costo economico che comporta questo fenomeno biologico, colpendo diversi settori, l’importanza dello studio di questi fenomeni appare evidente. Inoltre coinvolge le più svariate branche scientifiche, dalla biologia alla chimica, passando per la microbiologia, la genetica e cosi via, richiedendo così un approccio multidisciplinare oltre che un ingente costo anche per la ricerca stessa.

Futuri studi prevedono l’ampliamento delle conoscenze della biodiversità di queste comunità biologiche, e in particolar modo l’importanza ecologica che esse ricoprono.