دانلود فایل

بزرگترین مرجع دانلود فایل

دانلود فایل

بزرگترین مرجع دانلود فایل

بررسی اتصال و تشکیل بیوفیلم باکتریایی بر روی سطوح و اثر عوامل ضد میکروبی بر روی آن

بررسی اتصال و تشکیل بیوفیلم باکتریایی بر روی سطوح و اثر عوامل ضد میکروبی بر روی آن

بررسی اتصال و تشکیل بیوفیلم باکتریایی بر روی سطوح و اثر عوامل ضد میکروبی بر روی آن

فهرست مطالب

عنوانصفحه

فصل اول: مروری بر منابع1

1- مقدمه1

1-1- جوامع میکروبی1

1-2- رفتارهای جمعی2

1-3- ساختار و تمایز در بیوفیلم‌ها2

1-4- فوائد اکولوژیکی؛ چرا یک بیوفیلم تشکیل می‌شود؟... 3

1-4-1- حفاظت در برابر محیط اطراف3

1-4-2- محافظت در برابر مواد ضد عفونی کننده4

1-4-3- کسب مواد غذایی و همکاری‌های متابولیکی4

1-4-3-1- کسب مواد غذایی4

1-4-3-2- همکاری‌های متابولیکی5

1-4-4- کسب خصوصیات ژنتیک جدید5

1-4-5- جنبه‌های ژنتیکی تشکیل بیوفیلم6

1-5-فرایندهای اولیه در تشکیل بیوفیلم و تمایز ساختاری حاصل از آنها 7

1-5-1- تمایز ساختاری7

1-5-2- تمایز فنوتیپی و اتصال اولیه8

1-5-3- اتصال برگشت‌ناپذیر8

1-6- بلوغ بیوفیلم9

1- 7-کنده شدن به عنوان یک بخش از تکامل بیوفیلم9

1- 8- تشکیل بیوفیلم به عنوان یک فرایند تکاملی11

1-9- ارتباطات سلول-سلول در طول تشکیل بیوفیلم12

1- 10- خصوصیات بارز بیوفیلم13

1-10-1- بیوفیلم به عنوان جوامع میکروبی مرتبط از نظر فیزیولوژیکی 13

1-10-2- بیوفیلم به عنوان جوامع میکروبی مرتبط از نظر رفتاری 13

1-10-3- بیوفیلم به عنوان جوامع میکروبی با ساختار پیشرفته 13

1-11- فاکتورهای شرکت کننده در گسترش و بلوغ بیوفیلم.. 14

1-11-1- جنس سطح مواد15

1-11-2- مناسب بودن سطح مورد نظر15

1-11-3- صاف و صیقلی بودن سطح15

1-11-4- شدت جریان آب15

1-11-5- محدودیت مواد غذایی.......................... 16

1-12- بیوفیلم و انسان............................... 16

1-13- بیوفیلم در سیستم‌های آبی....................... 18

1-14- فرایندهای تمیزسازی............................ 20

1-15- میکروارگانیسم‌های برج‌های خنک کننده............. 21

1-15-1- جلبک‌ها...................................... 22

1-15-2- قارچ‌ها...................................... 23

1-15-3- باکتری‌ها.................................... 24

1-16- چگونگی تغذیه‌باکتری‌ها در آب.................... 25

1-17- مشکلات ایجاد شده در سیستم‌ برج‌های خنک کننده‌ توسط باکتری‌ها 25

1-18- خوردگی میکروبی................................ 27

1-19- مسائل خوردگی.................................. 27

1-20- مسائل ایجاد رسوبات............................ 28

1-21- باکتری‌های تولید کننده‌ی لایه لعابی.............. 29

1-22- مراحل ایجاد تخریب زیستی در سیستم برج‌های خنک کننده 30

1-23- بیوسایدها..................................... 30

1-23-1- خصوصیات اصلی یک بیوساید..................... 31

1-23-2- بیوسایدهای اکسید کننده...................... 31

1-23-2-1- کلرین..................................... 32

1-23-2-2- بروماین و مشتقات آن....................... 33

1-23-2-3- اوزون..................................... 34

1-23-2-4- پراکسید هیدروژن........................... 34

1-23-3- بیوسایدهای غیر اکسید کننده.................. 34

1-23-3-1- گلوتارآلدئید.............................. 35

1-23-3-2- ترکیبات آمونیوم چهار ظرفیتی............... 35

1-23-3-3- ایزوتیازولون‌ها............................ 36

1-24- مکانیسم‌های مقاومت باکتری‌ها در بیوفیلم به عوامل ضد میکروبی 38

1-24-1- جلوگیری از انتشار به درون بیوفیلم........... 38

1-24-2- مقاومت از طریق آنزیم........................ 38

1-24-4- حالت متابولیک ارگانیسم‌ها در بیوفیلم......... 39

1-24-3- واکنش خنثی‌سازی عوامل ضد میکروبی توسط بیوفیلم 39

1-24-5- سازش ژنتیکی................................. 40

فصل دوم: مواد و روش ها.............................. 41

2-1- مواد و وسایل................................... 41

2-1-1- دستگاه‌ها و وسایل مورد استفاده................ 41

2-1-2- مواد ضد میکروبی یا بیوسایدها................. 42

2-1-3- مواد مورد استفاده............................ 42

2- 1-4- محیط‌های کشت................................. 43

2-2- سویه‌های باکتری مورد استفاده.................... 44

2-2-1- سویه‌های ایزوله شده‌ی مورد استفاده در این تحقیق 44

2-2-2- مشخصات سویه‌ی استاندارد مورد استفاده در این تحقیق 44

2- 3- مواد و روش‌های به کار رفته برای نمونه‌برداری.... 45

2-3- 1-روش‌های به کار رفته برای نمونه‌برداری.......... 45

2-3-1-1- روش نمونه‌برداری از آب سیستم و لایه‌های بیوفیلم موجود در دیواره‌ی برج‌های خنک کننده.................................... 45

2-3-1- 2- نمونه‌برداری از طریق گذاشتن کوپن‌های فلزی در معرض جریان آب سیستم خنک کننده........................................... 47

2-4- روش‌های به کار رفته برای جداسازی و شناسایی باکتری‌های تشکیل دهنده‌ی بیوفیل روی سطح کوپن و یا باکتری‌های موجود در آب نمونه‌برداری شده 48

2-4- 1- روش به کار رفته برای کشت و جداسازی باکتری‌ها. 48

2-4-1-1- روش جداسازی و کشت باکتری‌ها از نمونه‌ی کوپن.. 48

2-4-1-2- روش جداسازی و کشت باکتری‌ها از نمونه‌ی آب سیستم 48

2-4-2- شناسایی باکتری‌های جداسازی شده................ 49

2-4-2-1- روش به کار رفته برای شناسایی باکتری‌ها...... 49

2-4-2-2- باکتری‌ استاندارد........................... 49

2-4-2-3- نمودار های شناسایی باکتری‌ها............... 49

2-4-2-3-1- شناسایی اولیه‌ی باکتری‌های جنس باسیلوس..... 50

2-4-2-3-2- شناسایی مربوط به باکتری میکروکوکوس لوتئوس 51

2-4-2-3-3- شناسایی اولیه‌ی باکتری‌های جنس آسینتوباکتر و برانهاملا 52

2-4-2-3-4- شناسایی اولیه‌ی باکتری‌ اکتینوباسیلوس...... 53

2-5- روش‌های به کار رفته برای سنجش هیدروفوبیسیتی سطح سلول‌های پلانکتونیک.................................................... 54

2-5-1- روش به کار رفته برای تعیین هیدروفوبیسیتی سطح سلول‌های پلانکتونیک.................................................... 54

2- 5-1-1-روش MATH برای سنجش هیدروفوبیسیتی سطح سلول‌ها 54

2-6- روش‌ به کار رفته برای سنجش هم اتصالی بین سویهء Micrococcus با سایر باکتری‌های جدا شده از بیوفیلم........................ 56

2-6-1-روش آزمایش co-adhesion MATH برای تعیین هم اتصالی 57

2-7- روش‌ به کار رفته برای سنجش هیدروفوبیسیتی سطح سلول‌های موجود در بیوفیلم.................................................... 58

2-7-1- روش MATH برای سلول‌های موجود در بیوفیلم....... 58

2-7- 1-1- روش تست لوله‌ای برای سلول‌های موجود در بیوفیلم 58

2-7-1-2- روش انجام آزمایش MATH برای سلول‌های موجود در بیوفیلم 59

2- 8- روش‌های به کار رفته در ارزیابی قدرت اتصال هر یک از باکتری‌ها به سطوح و بررسی ساختار بیوفیلم.............................. 59

2-8-1- روش تشکیل بیوفیلم روی اسلایدهای شیشه‌ای به منظور ردیابی تشکیل بیوفیلم............................................. 60

2-8-1-1- روش رنگ‌آمیزی اسلایدهای شیشه‌ای............... 61

2-8-1-2- روش شمارش و شناسایی باکتری‌های متصل به سطح اسلاید 61

2-8-2- تعیین کمی تشکیل بیوفیلم و مقایسه‌ی بین قدرت باکتری‌های ایزوله شده برای تشکیل بیوفیلم.................................. 64

2-8-2-1- روش میکروتیتر پلیت برای تعیین کمیت تشکیل بیوفیلم توسط باکتری‌ها.................................................... 64

2-8-3-بررسی ساختار بیوفیلم ها توسط میکروسکوپ الکترونی اسکنینگ 67

2-8-3-1- تهیه نمونه برای میکروسکوپ الکترونی اسکنینگ 67

2-8-3-2- مکانیسم های تصویر سازی توسط میکروسکوپ الکترونی 67

2-8-3-2-1- مکانیسم SE............................... 67

2-8-3-2-2- مکانیسم BSE ............................. 68

2-9- روش‌ به کار رفته در ارزیابی قدرت حذف و یا ازبین بردن سلول‌های مولد بیوفیلم توسط عوامل ضد میکروبی....................... 68

2-9-1- تهیه‌ی بیوسایدها با رقت‌های مورد نظر بر حسب ppm 69

2-9-1-1- تهیه‌ی رقت از بیوسایدهای مایع.............. 69

2-9-1-2- تهیه‌ی رقت از بیوسایدهای جامد............... 70

2-9-1-3- روش انجام آزمایش میکروتیتر پلیت برای تعیین پتانسیل حذف بیوفیلم توسط بیوسایدها...................................... 70

2-9-2- روش میکروتیتر پلیت برای تعیین پتانسیل کشتن سلول‌های مولد بیوفیلم توسط بیوسایدها...................................... 71

2-9-2-1- تهیه‌ی رنگ تری فنیل تترازولیوم کلراید 2%... 72

2-9-2-2- روش انجام آزمایش میکروتیترپلیت برای تعیین پتانسیل کشتن سلول‌های مولد بیوفیلم و موجود در آن توسط عوامل ضد‌میکروبی..... 73

فصل سوم: نتایج و مشاهدات......................... 74

3-1- جداول شناسایی و تست های بیوشیمی سویه های ایزوله شده 75

3-1-1- باسیلوس ها................................... 75

3-1-2- میکروکوکوس لوتئوس............................ 75

3-1-3- اسینتوباکتر ها............................... 76

3- 2- نتایج مربوط به تعیین هیدروفوبیسیتی سطح سلول ها 77

3-2-1- نتایج مربوط به تعیین هیدروفوبیسیتی سطح سلول های پلانکتونیک 77

3-2-2- نتایج مربوط به سنجش هم اتصالی بین سویه میکروکوکوس لوتئوس با سایر باکتری ها........................................... 78

3-2-3- نتایج مربوط به سنجش هیدروفوبیسیتی سطح سلول های موجود در بیوفیلم.................................................... 79

3-3- نتایج حاصل از روش میکروتیتر پلیت برای تعیین کمیت تشکیل بیوفیلم و مقایسه بین قدرت باکتری های ایزوله شده برای تشکیل بیوفیلم 80

3-4- نتایج مربوط به ردیابی تشکیل بیوفیلم توسط میکروسکوپ نوری 81

3-5- نسبت رشد سلول ها درون بیوفیلم در مدت زمان 24 ساعت 84

3-6- نتایج مربوط به مقایسه اتصال باکتری ها در بیوفیلم مخلوط به سطح اسلاید شیشه ای............................................. 84

3-7- نتایج مربوط به بررسی بیوفیلم باکتری ها توسط میکروسکوپ الکترونی اسکنینگ............................................. 86

3-8- نتایج مربوط به تعیین پتانسیل حذف بیوفیلم و کشتن سلول های درون بیوفیلم توسط بیوساید ها............................. 91

3-8-1- اثر حذفی( ستون های CV) و کشندگی(ستون های TTC) هیپوکلریت سدیم در غلظت های مختلف روی بیوفیلم باکتری ها به طور جداگانه و روی بیوفیلم مخلوط باکتری ها(سویه های اسینتوباکتر، باسیلوس و میکروکوکوس با هم) 91

3-8-2- اثر حذفی( ستون های CV) و کشندگی(ستون های TTC)H2O2 در غلظت های مختلف روی بیوفیلم باکتری ها به طور جداگانه و روی بیوفیلم مخلوط باکتری ها(سویه های اسینتوباکتر، باسیلوس و میکروکوکوس با هم) 95

3-8-3- اثر حذفی( ستون های CV) و کشندگی(ستون های TTC) گلوتار آلدهید در غلظت های مختلف روی بیوفیلم باکتری ها به طور جداگانه و روی بیوفیلم مخلوط باکتری ها(سویه های اسینتوباکتر، باسیلوس و میکروکوکوس با هم) 98

3-8-4- اثر حذفی( ستون های CV) و کشندگی(ستون های TTC) سولفاتیازول در غلظت های مختلف روی بیوفیلم باکتری ها به طور جداگانه و روی بیوفیلم مخلوط باکتری ها(سویه های اسینتوباکتر، باسیلوس و میکروکوکوس با هم) 101

3-8-5- اثر حذفی( ستون های CV) و کشندگی(ستون های TTC) آلکیل دی متیل بنزیل آمونیوم کلراید در غلظت های مختلف روی بیوفیلم باکتری ها به طور جداگانه و روی بیوفیلم مخلوط باکتری ها(سویه های اسینتوباکتر، باسیلوس و میکروکوکوس با هم).............................................. 104

فصل چهارم: بحث.................................. 107

4-1- بررسی هیدروفوبیسیتی سطح سلول های پلانکتونیک..... 107

4- 2-بررسی هم اتصالی بین سویه میکروکوکوس لوتئوس با سایر باکتری ها 109

4-3- بررسی هیدروفوبیسیتی سطح سلول های موجود در بیوفیلم 110

4-5- بررسی اتصال باکتری ها به سطوح مورد آزمایش...... 112

4-6- بررسی و ردیابی تشکیل بیوفیلم................... 113

4-7- بررسی رشد سلول ها درون بیوفیلم................. 116

4-8- بحث و بررسی در مورد تعیین پتانسیل حذف بیوفیلم و کشتن سلول های درون بیوفیلم توسط بیوساید ها............................. 117

4-9- بررسی مدل نفوذ بیوساید به درون بیوفیلم......... 121

جمع بندی نهایی...................................... 123

پیشنهادات........................................... 124

فصل پنجم: منابع و مأخذ........................... 125

فهرست شکل ها

عنوان صفحه

فصل اول: مقدمه

شکل 1-1- ........................................... 11

فصل دوم: مواد و روش ها

شکل 2-1-............................................ 46

شکل 2-2-............................................ 46

شکل 2-3-............................................ 50

شکل 2-4-............................................ 51

شکل 2-5-............................................ 52

شکل2-6-............................................. 53

شکل2-7-............................................. 64

فصل سوم: نتایج

شکل 3-1-............................................ 77

شکل 3-2-............................................ 78

شکل 3-3-............................................ 79

شکل 3-4-............................................ 80

شکل 3-5-............................................ 81

شکل 3-6-............................................ 82

شکل 3-7-............................................ 82

شکل 3-8-............................................ 83

شکل 3-9-............................................ 83

شکل 3-10-........................................... 84

شکل 3-11-........................................... 85

شکل 3-12-........................................... 86

شکل 3-13-........................................... 87

شکل 3-14-........................................... 88

شکل 3-15-........................................... 89

شکل 3-16-........................................... 89

شکل 3-17-........................................... 90

شکل 3-18-........................................... 92

شکل 3-19-........................................... 93

شکل 3-20-........................................... 94

شکل 3-21-........................................... 95

شکل 3-22-........................................... 96

شکل 3-23-........................................... 97

شکل 3-24-........................................... 98

شکل 3-25-........................................... 99

شکل 3-26-........................................... 100

شکل 3-27-........................................... 101

شکل 3-28-........................................... 102

شکل 3-29-........................................... 103

شکل 3-30-........................................... 104

شکل 3-31-........................................... 105

شکل 3-32-........................................... 106

فهست جدول ها

عنوان صفحه

فصل اول: مقدمه

جدول 1-1-........................................... 17

جدول 1-2-.......................................... 18

جدول 1-3-........................................... 23

جدول 1-4-........................................... 24

جدول 1-5-........................................... 25

جدول 1-6-........................................... 37

فصل سوم: نتایج

جدول 3- 1-.......................................... 75

جدول 3- 2-.......................................... 76

جدول 3- 3-.......................................... 76

جدول 3-4-........................................... 80

جدول 3-5-........................................... 8

فصل اول

1- مقدمه

1-1- جوامع میکروبی

از جنبه ها‌ی اکولوژیکی، جمعیت‌های باکتری های حاصل از یک سلول و جمعیت‌های مشابه از نظر متابولیکی یک مجموعه را تشکیل می‌دهند. مجموعه‌ی این تجمع ها (برای مثال باکتری‌های متانوژنیک، احیاء کننده‌های سولفات و سولفور و تخمیر کننده‌ها) فرآیندهای فیزیولوژیکی مرتبط با هم را انجام می‌دهند(24).

در اصل، بیوفیلم[1] بیانگر یک جامعه است که در آن ارتباطات درونی بین گروه‌های متفاوت وجود دارد. بیوفیلم می‌تواند از یک گونه[2] و یا گونه‌های مختلف میکروبی تشکیل شود. آنها می‌توانند بر روی سطوح متفاوتی از زنده تا غیر زنده تشکیل شوند. میکروارگانیسم‌ها همچنین می‌توانند اجتماعات طبیعی را در فضای مابین آب و هوا تشکیل بدهند. در حقیقت، تعریف اصلی بیوفیلم به صورت زیر می‌باشد:

اجتماعات میکروارگانیسم‌ها و محصولات خارج سلولی در ارتباط با آنها و در فضای مابین آنها که به یک سطح متصل شده اند. در ابتدا Claude Zobell مشاهده کرد که باکتری‌ها زندگی بر روی یک سطح را به حالت آزاد ترجیح می‌دهند و سپس در سال 1987 این فرآیند را در سیستم‌های آب شیرین و اکوسیستم‌های متنوع دیگر مورد بررسی قرار داد(64).

1-2- رفتارهای جمعی

رفتارهای جمعی و تمایزی پیچیده در تعدادی از میکروارگانیسم‌ها نشان داده شده ‌است. به عنوان مثال باکتری Myxococcus در هنگام گرسنگی اجسام میوه‌ای[3] تشکیل داده وBacillus subtilis در طول تغییر شکل آن به اسپور تمایز بیوشیمیایی و مورفولوژیکی نشان می دهد. یا Streptomyces coelicolor در پاسخ به شرایط تغذیه‌ای دچار تمایز مورفولوژیک می شود.

این مثال‌ها نشان می‌دهد که میکروارگانیسم‌ها توانایی به کار گرفتن میان کنش‌های بین سلولی برای سازگاری خود با تغییر پارامترهای محیطی را دارند. همچنین گسترش و تکامل بیوفیلم‌های تک گونه‌ای یا چند گونه‌ای، یک فرایند پیچیده است که نیازمند رفتار جمعی باکتری‌ها می‌باشد. تشکیل بیوفیلم نیز نیازمند همکاری میان کنش‌ها و ارتباطات بین گونه‌های باکتری‌های متفاوت می‌باشد. در حقیقت، بیوفیلم‌ها سیستم‌های بیولوژیکی با سطح بالایی از سازماندهی هستند(27).

1-3- ساختار و تمایز در بیوفیلم‌ها

بیوفیلم‌های حاصل از یک گونه و یا چند گونه، یک ساختار مشابه با یکدیگر را نشان می‌دهند. اکثر بیوفیلم‌ها دارای یک ناهمگونی[4] از سلول‌ها، چند لایه ی احاطه شده در یک ماتریکس پلی‌ساکاریدی با تراکم متفاوت و دارای کانال‌های آب هستند. میکروکلنی‌هایی که در ساختار بیوفیلم شرکت دارند، می‌توانند از جمعیت‌های یک گونه یا چند گونه از باکتری‌ها تشکیل شده باشند که این وابسته به پارامترهای محیطی می باشدکه در آن بیوفیلم تشکیل می شود. شرایط متفاوتی مثل سطوح و خصوصیات آنها، وجود مواد غذایی، ترکیب جمعیت میکروبی و شرایط هیدرودینامیکی{جریان‌های لامینار[5] و یا توربولانت[6] } می‌توانند ساختار بیوفیلم را تحت تأثیر قرار دهند.

نشان داده شده که بیوفیلم پلی‌مورفیک می‌باشد و از نظر ساختاری با تغییر در مواد غذایی سازگار می‌شود. از این رو، ساختار بیوفیلم هم تحت تأثیر بیولوژی میکروب‌ها و هم شرایط محیطی می‌باشد(64).

کانال‌های آبی دارای جریان آب می‌باشند، بنابراین، این کانال‌ها خطوط حیاتی این سیستم را تشکیل می‌دهند. به این صورت که چرخش مواد غذایی و اکسیژن و تعویض محصولات متابولیکی را با لایه‌های بیرونی بیوفیلم امکان‌پذیر می‌سازند.

در بیوفیلم‌های تجزیه کننده‌ی تولوئن(چند گونه‌ای)، تولوئن در عمق بیوفیلم یافت می‌شود که اینمورد، انتقال آن را توسط کانال‌ها به داخل بیوفیلم نشان می‌دهد. در این صورت، کانال‌ها یک بخش حیاتی از ساختار بیوفیلم می‌باشند. سلول‌های باکتریایی در میکروکلنی‌های بیوفیلم توسط یک ماتریکس پلی ساکاریدی[7] احاطه شده اند. شیمی این ماتریکس پیچیده است و شامل پلی‌ساکارید، اسید نوکلئیک و پروتئین می‌باشد(2).

این پلی‌ساکاریدها در باکتری‌های متفاوت، فرق می‌کنند؛ مثلاً در Pseudomonas aeruginosa پلی‌مر آلژینات، در Vibrio cholerae غنی از گلوکز و گالاکتوز و در Escherichia coli از اسید کولانیک [8] می‌باشند. هنوز در مورد پروتئین‌ها مشخص نشده که ایا آنها یک نقش ساختاری دارند یا از تجزیه و لیز قطعات سلول به دست آمده‌اند. پس بررسی خصوصیات مکانیکی پلی ساکارید خارج سلولی و دستکاری آنها از طریق روش‌های آنزیماتیک می‌تواند در حذف و یا پایداری بیوفیلم مؤثر باشد(17).

1-4- فوائد اکولوژیکی؛ چرا یک بیوفیلم تشکیل می‌شود؟

1-4-1- حفاظت در برابر محیط اطراف

یکی از ترکیبات اصلی درون بیوفیلم، مواد پلی‌مری خارج سلولی می باشند که باکتری‌ها را احاطه کرده‌اند. در حقیقت، اکثر باکتری‌ها قادرند پلی‌ساکارید تولید کنند، که این می‌تواند به صورت پلی‌ساکاریدهای دیواره(کپسول) یا به صورت ترشحات خارج سلولی به محیط اطراف باشد. ماتریکس پلی ساکاریدی توانایی جلوگیری از دسترسی مواد ضد میکروبی مشخص را به بیوفیلم، همانند یک سیستم تعویض یون را دارد. از این رو، انتشار ترکیبات را از فضای اطراف به بیوفیلم مهار می‌کند.

در حقیقت، این عمل بستگی به خصوصیت پلی ساکارید و ترکیب مورد نظر دارد. همچنین این پلی ساکارید نقش محافظت سلول‌های باکتریایی را از استرس‌های محیطی متفاوت مثل اشعه‌ی UV، تغییرات pH، شوک اسمزی و خشکی را بر عهده دارد. ماتریکس پلی ساکاریدی، سلول‌ها را در مقابل اثر مخرب اشعه‌ی UV محافظت می‌کند و از تخریب DNA جلوگیری می‌کند(51).

1-4-2- محافظت در برابر مواد ضد عفونی کننده

بیوفیلم باکتری‌ها نسبت به سلول‌های پلانکتونیک[9] یا باکتری‌های شناور[10] ، در حدود 150 تا 3000 برابر مقاومت بیشتری دارد. به منظور تخریب و حذف سلول‌های بیوفیلم، مواد ضد عفونی کننده[11] در ابتدا باید با شبکه‌ی پلی‌ساکاریدی احاطه کننده‌ی سلول‌ها واکنش بدهند. در حقیقت، افزایش مقاومت به این مواد مربوط به این پلی‌ساکاریدها می‌باشد؛ به این صورت که قدرت اکسید کنندگی این ضد عفونی کننده‌ها قبل از رسیدن به سلول‌ها توسط پلی ساکارید خارج سلولی گرفته می‌شود. همچنین بیوفیلم باکتریایی بعد از تیمار با بیوساید برای محافظت از خود، پلی‌مر خارج سلولی بیشتری تولید می‌کند(32).

1-4-3- کسب مواد غذایی و همکاری‌های متابولیکی

1-4-3-1- کسب مواد غذایی

کانال‌های آب با قابلیت نفوذ بالا در تمام ساختمان بیوفیلم پراکنده هستند و میکروکلنی‌ها را احاطه کرده‌اند. این کانال‌ها نقش انتقال مواد غذایی و متابولیت‌ها را از فضای آبی به داخل بیوفیلم بر عهده دارند و در مقابل، متابولیت‌های سمی را از بیوفیلم خارج می‌کنند(19).

مواد آلی که به میزان کمی در بعضی آب‌ها وجود دارند در سطح بیوفیلم توسط پلی ساکارید خارج سلولی به دام می‌افتند و در آن جا تجمع پیدا می‌کنند و سپس توسط کانال‌ها به باکتری‌های درون بیوفیلم انتقال داده می‌شوند(67).

1-4-3-2- همکاری‌های متابولیکی

خصوصیات متابولیکی باکتری‌های درون بیوفیلم بسیار متفاوت از همتاهای پلانکتونیک خود می‌باشند و ساختمان بیوفیلم فرصتی را برای همکاری‌های متابولیک بین باکتری های درون بیوفیلم فراهم می‌کند. کلونی‌های موجود در بیوفیلم هر کدام یک محیط زندگی خاص خود را دارند که از محیط های دیگر کلنی‌ها جدا و مجزا است. این کلنی‌ها می‌توانند محصولات فرعی تولید شده توسط کلنی‌های دیگر(کلنی‌های مجاور) را مورد استفاده قرار دهند. همچنین چندین گونه از باکتری‌ها که دارای آنزیم‌های متفاوتی هستند می‌توانند مواد غذایی را بشکنند و مورد استفاده قرار بدهند که این مورد توسط یک گونه باکتری، به تنهایی، قابل انجام نیست(24).

1-4-4- کسب خصوصیات ژنتیک جدید

انتقال افقی ژن برای تکامل و تنوع ژنتیکی جمعیت‌های میکروبی مهم می‌باشد. اهمیت مطالعه‌ی انتقال ژن در محیط‌های طبیعی با ظهور باکتری‌های مقاوم به چند دارو مشخص شد. وجود پلاسمیدها[12] در باکتری‌ها اثبات شده و انتقال ژن توسط کونجوگاسیون[13] یکی از بهترین مکانیسم‌های شناخته شده برای انتقال اطلاعات ژنتیکی می‌باشد. از آن جایی که باکتری‌ها در طبیعت بیوفیلم تشکیل می‌دهند، کونجوگاسیون سبب انتقال ژن درون یا بین جمعیت‌های بیوفیلم می‌شود. برای مثال پلاسمید Tol که حامل یک ژن تجزیه کننده‌ی تولوئن[14] و بنزیل الکل[15] است. بین باکتری‌های یک بیوفیلم در حال رشد روی بنزیل الکل به عنوان تنها منبع کربن و انرژی گزارش شده است(89).

ساختار جمعیتی متراکم در بیوفیلم‌ها پراکندگی پلاسمیدها را توسط کونجوگاسیون افزایش می‌دهد و این مکانیسم خود می‌تواند تکامل بیوفیلم را سبب شود. به همین صورت به نظر می رسد که رهاسازی DNA و ترانسفورماسیون[16] بخشی از چرخه‌ی زندگی بیوفیلم باشد و در نتیجه ساختار بیوفیلم را پایدار می‌کند. این فرایندهای ژنتیکی می‌توانند سبب افزایش کارآیی فیزیولوژیکی بیوفیلم، توانایی تجزیه‌ی مواد زنوبیوتیک و یا افزایش پایداری ساختار بیوفیلم شوند(89).

1-4-5- جنبه‌های ژنتیکی تشکیل بیوفیلم

هم اکنون مشخص شده که یک نوع از شیوه‌ی زندگی اکثر باکتری‌ها، به صورت متصل به سطوح یا همان بیوفیلم می‌باشد؛ جایی که جمعیت‌های باکتریایی در یک ساختار پیچیده و با تقسیم کردن مواد غذایی زندگی می‌کنند. به این دلایل، درک بیشتر از کیفیت سازشی باکتری‌ها در شرایط تغییرات محیطی با بررسی نحوه‌ی زندگی باکتری‌ها به صورت بیوفیلم بهتر صورت می‌گیرد. در حقیقت، امکان دارد که تنظیم ژن‌های اصلی به طور مستقیم توسط سیگنال‌های محیطی صورت بگیرد که این می‌تواند همانند حالت کنترل احساس آستانه[17] ژن‌های متفاوت در بیوفیلم باشد؛ جایی که غلظت و میزان این سیگنال‌های خارجی ممکن است نسبت به سوسپانسیون طبیعی سلول‌های پلانکتونیک بسیار بالاتر باشد. به طور مشابه، انتقال ژن توسط کونجوگاسیون پلاسمید و ترانسفورماسیون DNA با فرکانس و کارآیی بالا در بسیاری از بیوفیلم‌های باکتریایی دیده شده است. بنابراین، پدیده‌های مربوط به فیزیولوژی باکتری‌ها، تنظیم آن و تنظیم ژن‌ها با اثر آنها بر روی پتانسیل یک جمعیت برای تجمع و به دست آوردن خصوصیات جدید با کیفیت بالا در بیوفیلم به انجام می‌رسند و این سازش سبب پایداری و تثبیت شرایطی اپتیمم برای زنده ماندن باکتری‌ها می‌شود. القاء تنظیم شده‌ی بیان ژن‌های خاص در بیوفیلم(شامل القاء سیگنال‌هایی که سبب گسترش بیشتر بیوفیلم می‌شوند) باعث به راه انداختن یک سری از وقایع مؤثر در تشکیل بیوفیلم می‌شوند. این نوع از القاء ممکن است به طور زیادی در ارتباط با تغییر حالت و شیوه‌ی زندگی باشد. در مقابل، پاسخ‌های سازشی شامل انتقال ژن، ممکن است در ارتباط با تغییرات ژنتیکی مورد نیاز برای مقابله با فاژها، توکسین‌ها و آنتی‌بیوتیک های مفید باشند. ترانسفورماسیون DNA و نوترکیبی بر پایه‌ی ادغام ژنومی، در ارتباط با ارگانیسم‌های بسیار نزدیک به هم می‌باشد؛ از آن جایی که انتقال پلاسمید می‌تواند بین ارگانیسم‌هایی که رابطه‌ی خویشاوندی دوری از هم دارند صورت بگیرد. یافته‌های اخیر نشان داده است که فرایندهای انتقال DNA یک اثر مثبت بر روی پایداری و گسترش بیوفیلم دارد. این مورد پیشنهاد می‌کند که انتقال ژن نتیجه‌ی گسترش بیوفیلم می‌باشد و تحت شرایط محیطی خاص انجام می‌پذیرد(89).

5-1- فرایندهای اولیه در تشکیل بیوفیلم و تمایز ساختاری حاصل از آنها

1-5-1- تمایز ساختاری

تشکیل بیوفیلم می‌تواند حداقل توسط سه مکانیسم صورت بگیرد؛ یکی از این موارد پراکندگی مجدد سلول‌های متصل به سطح توسط جابجایی در سطح مورد نظر می‌باشد. نتایج حاصل از کار O’Toole و Kolter بر روی جهش یافته‌های Pseudomonas aeruginosa پیشنهاد می‌کند که حرکت غلطیدن وابسته به پیلی نوع IV یک نقش را در تجمع روی سطوح برای این میکروارگانیسم بازی می‌کند. مکانیسم دوم، تقسیم دوتایی سلول‌های متصل به سطح می‌باشد(36). در هنگام تقسیم سلول‌ها، سلول‌های دختری در جهت بیرون و بالای سطح مورد نظر قرار می‌گیرند. در حقیقت، این روش همانند تشکیل کلونی بر روی پلیت آگار می‌باشد. نقش هر کدام از این مکانیسم‌ها بستگی به ارگانیسم مورد نظر، نوع سطح مورد نظر برای تشکیل کلنی و شرایط فیزیکی و شیمیایی محیط دارد. در Pseudomonas putida و Escherichia coli نشان داده شده است که فعالیت سلول‌ها در مرکز اجتماعات سلولی در هنگام رشد زیاد آنها، کم شده است اما فعالیت آنها می‌تواند به وسیله‌ی اضافه کردن منبع کربن مورد استفاده دوباره بازگردانده شود که این خود نشان می‌دهد که فعالیت سلول‌ها در داخل این ساختار به وسیله‌ی وجود مواد غذایی کنترل می‌شود. نشان داده شده است که کانال‌های احاطه کننده‌ی اجتماعات سلولی می‌توانند مقدار اکسیژن و دیگر مواد غذایی را به باکتری‌های درون بیوفیلم افزایش بدهند. بنابراین، ارتباط بین ساختار و عمل در این اجتماعات سلولی وجود دارد. به نظر می‌رسد که ساختار بیوفیلم به طور زیادی توسط تولید ماتریکس پلی‌مری خارج سلولی تعیین می‌شود(23).

این ماتریکس از پلی‌ساکارید، پروتئین و اسید نوکلئیک تشکیل شده است. Nivens و همکاران یافتند که سویه‌ی موکوئیدی Ps. aeruginosa یک بیوفیلم متفاوت از نظر ساختاری نسبت به سویه‌ی غیر موکوئیدی تولید می‌کند و خصوصاً آلژینات(یک ترکیب اصلی از پلی ساکارید این سویه) در این ساختار دیده می‌شود. همچنین مشخص شده است که القاء بیان ژن آلژینات در سویه‌ی غیر موکوئیدی می‌تواند سبب ایجاد یک ساختار پیچیده شود(26، 30).

1-5-2- تمایز فنوتیپی و اتصال اولیه

همانند فرایندهای تمایزی در بسیاری از سیستم‌های دیگر، فرایند تمایزی که گروه کوچکی از باکتری‌های متصل را به یک جمعیت بیوفیلمی احاطه شده در یک ماتریکس بر روی یک سطح تبدیل می‌کند، در ابتدا به صورت یک سری از تغییرات مورفولوژیکی دیده می‌شود. سلول‌های اتصال یافته‌ی تنها و تک که تشکیل بیوفیلم را بر روی یک سطح به راه می‌اندازند در ابتدا فقط توسط میزان کمی از مواد پلی‌مری احاطه شده‌اند و بسیاری از آنها قادر به تحرک و جابجایی هستند. در این سلول‌های متصل، هنوز فرایندهای تمایزی که منجر به تشکیل بیوفیلم ‌شود وجود ندارد و ممکن است بسیاری از آنها از سطح جدا شده و به حالت پلانکتونیک درآیند. در طول این مرحله از اتصال برگشت‌پذیر باکتری‌ها رفتارهای خاص گونه‌ای را نشان می‌دهند که شامل غلطیدن[18] ،خزیدن[19]و تشکیل توده[20] می‌باشد. این رفتارها قبل از تولید زیاد پلی‌ساکارید خارج سلولی و اتصال غیر قابل برگشت صورت می‌گیرند(64).

همزمان با بلوغ بیوفیلم، تکامل و گسترش میکروکلنی‌ها و کانال‌های آبی صورت می‌گیرد. همچنین در بسیاری از سلول‌ها تغییرات فیزیولوژیکی در پاسخ به شرایط خاص محل زندگی جدید صورت می‌گیرد. همچنین میکروکلنی‌های مجزا ممکن است از سطح، کنده شوند و به حالت پلانکتونیک و شناور درآیند.

1-5-3- اتصال برگشت‌ناپذیر

از آن جایی که اتصالات برگشت‌پذیر روی چسبیدن باکتری به سطوح اثر می‌گذارند، باکتری باید در هنگام رشد به منظور تشکیل یک بیوفیلم بالغ در تماس با سطح باشد. این تغییر از حالت اتصال برگشت‌پذیر به حالت برگشت‌ناپذیر در سال 1943 توسط Zobell به عنوان انتقال از حالت واکنش ضعیف سلول با ماده به یک اتصال دائم به واسطه‌ی تولید پلی‌مرهای خارج سلولی مورد توجه قرار گرفت. البته تحقیقات اخیر، تغییرات فیزیولوژیکی را مسبب این اتصال می‌دانند. یکی از مکانیسم‌های این انتقال پیلی نوع IV می‌باشد. همچنین تولید پلی‌ساکاریدهای چسبنده‌ی بین سلولی نیز از موارد دیگر در Staphylococcus epidermis می‌باشد که تشکیل میکروکلنی‌ها را آسان می‌کند(64).

1-6- بلوغ بیوفیلم

مرحله‌ی بعدی از تکامل بیوفیلم، بلوغ آن می‌باشد که حاصل گسترش ساختمان پیچیده، کانال‌ها، منافذ و پراکندگی مجدد باکتری‌ها می‌باشد. در یک بررسی، بیوفیلم‌های بالغ Ps. aeruginosa نشان داده است که بیوفیلم این باکتری الگویProfile پروتئینی متفاوتی از سلول‌های پلانکتونیک دارد. نزدیک به 50% از پروتئین های قابل شناسایی(بیشتر از 800 پروتئین) نشان داده شده است که در بیان آنها شش برابر یا بیشتر تفاوت وجود دارد. علاوه بر این، بیش از 300 پروتئین قابل شناسایی در بیوفیلم وجود دارد که در سلول‌های پلانکتونیک قابل شناسایی نیستند، پروتئین‌های قابل شناسایی در 5 گروه اصلی قرار می‌گیرند: متابولیسم، بیوسنتز LPS و فسفولیپید، ناقلین غشایی و ترشحی.

در مطالعه‌ی دیگری با استفاده از تکنولوژی DNA microaaray برای سنجش بیوفیلم بالغ و مقایسه‌ی آن با کشت کموستات Ps. aeruginosa نشان داده شد که فقط 70 ژن در بیوفیلم تغییر بیان داشتند. از میان این ژن‌ها که بیان بالایی در بیوفیلم بالغ دارند می‌توان به ژن‌های کد کننده‌ی پروتئین‌های شرکت کننده در ترجمه، متابولیسم، انتقال غشایی یا ترشح و تنظیم ژن اشاره کرد. این تحقیقات همچنین بیان بالای فاکتور سیگمای rpoH و بیان پایین فاکتور سیگمای rpoS در بیوفیلم بالغ را نشان می‌دادند(65).

1- 7-کنده شدن به عنوان یک بخش از تکامل بیوفیلم

همان طور که گفته شد تکامل بیوفیلم می‌تواند حداقل به چهار مرحله تقسیم‌بندی شود؛ این مراحل عبارتند از:

1) اتصال برگشت‌پذیر[21]

2) اتصال غیر برگشت‌پذیر[22]

3) بلوغ[23]

4) کنده شدن[24]

سلول‌های کنده شده به حالت پلانکتونیک در می‌آیند. بنابراین، سیکل زندگی بیوفیلم در این جا بسته می‌شود. کنده شدن یک لغت عمومی برای توصیف رها شدن سلول‌ها به صورت تک و یا یک گروه از بیوفیلم یا سطح می‌باشد. کنده شدن فعال، یک رخداد فیزیولوژیکی تنظیم شده می‌باشد که در این موارد بسیار کم مطالعه شده است(76).

نشان داده شده است که به دنبال انکوباسیون طولانی بیوفیلم‌های Ps. fluresence، کنده شدن صورت می‌گیرد که این همراه با کاهش در پلی ساکارید خارج سلولی بیوفیلم می‌باشد. مرحله‌ی سکون زندگی باکتری Clostridium thermocellum همراه با افزایش کنده شدن از سطح مواد می‌باشد.

مشخص شده که گرسنگی ممکن است منجر به فرایند کنده شدن باکتری‌ها از طریق مکانیسمی نامعلوم شود که سبب رها شدن باکتری‌ها برای جستجوی محیطی با مواد غذایی بیشتر می‌شود. حدس زده می‌شود افزایش در غلظت یک مولکول القاء کننده مسئول تولید و رهاسازی آنزیم‌های تجزیه کننده‌ی ماتریکس پلی‌مری می‌باشد که سبب کنده شدن سلول‌ها از بیوفیلم می‌شود. مثلاً باکتری گرم مثبت Streptococcus mutans یک آنزیم آزاد کننده‌ی پروتئین سطحی[25]تولید می‌کند که سبب رهاسازی سلول‌ها از بیوفیلم می‌شود.

نشان داده شده است که بیان بالای ژن آلژینات لیاز[26] سبب تجزیه‌ی آلژینات می‌شود و سبب ایجاد بیوفیلم‌هایی می‌شود که می‌توانند با یک تکان شدید از سطح کنده شوند.

همچنین هنگامی که تراکم سلول‌ها در بیوفیلم به یک حد بسیار بالا می‌رسد، رهاسازی آنزیم‌های تجزیه کننده‌ی ماتریکس صورت می‌گیرد که این خود منجر به کنده شدن سلول‌ها از بیوفیلم می‌شود. شکل 1 مراحل تشکیل بیوفیلم را بصورت کلی نشان می دهد(64).

1- 8- تشکیل بیوفیلم به عنوان یک فرایند تکاملی

همان طور که گفته شد تشکیل بیوفیلم حداقل به 4 مرحله تقسیم می‌شود؛ 1- اتصال برگشت‌پذیر، 2- اتصال برگشت‌ناپذیر، 3- بلوغ و 4- کنده شدن. سلول‌های کنده شده به صورت پلانکتونیک در می‌آیند و بنابراین سیکل زندگی بیوفیلم در این جا کامل می‌شود. این چهار مرحله نسبت به یکدیگر تفاوت‌های اساسی دارند. سلول‌های باکتری درون هر کدام از این مراحل از نظر فیزیولوژیکی با مراحل دیگر کاملاً متفاوت هستند. در یک مطالعه، بیوفیلم Ps. aeruginosa در هر مرحله توسط الکتروفورز ژل پلی آکریل‌‌آمید دو بعدی مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار گرفت و مشخص شد که میانگین تولید پروتئین‌های قابل تشخیص توسط این روش برابر 35% می‌باشد. انتقال از حالت پلانکتونیک به مرحله‌ی غیر برگشت‌پذیر نتیجه‌ی تغییر در 29% از پروتئین‌های سلولی می‌باشد. به همین ترتیب، انتقال از این مرحله به مرحله‌ی بعد سبب تغییر 40% از پروتئین‌ها می‌باشد ولی در مرحله‌ی آخر، یک کاهش در حدود 35% در پروتئین‌های قابل تشخیص دیده می‌شود. سلول‌ها در طول این مرحله از تکامل، یک الگوی پروتئینی دارند که بسیار شبیه به سلول‌های پلانکتونیک می‌باشد. بیشترین تفاوت نیز هنگامی مشاهده شد که سلول‌های پلانکتونیک با سلول‌های بیوفیلم بالغ مقایسه شدند.

به طور کلی می‌توان ذکر کرد که سلول‌ها در هر مرحله از تشکیل بیوفیلم از نظر فیزیولوژیکی تفاوت‌های زیادی با سلول‌ها در مراحل دیگر دارند که این تفاوت‌ها بیانگر همان فرایند تکاملی می‌باشد.

1-9- ارتباطات سلول-سلول در طول تشکیل بیوفیلم

نشان داده شده است که القا‌گر آسیل- هموسرین لاکتون در بیوفیلم‌ها قابل شناسایی است و این پیشنهاد می‌کند که بیوفیلم‌ها در طبیعت دارای جمعیت‌هایی هستند که قادرند بسته به تراکم سلول‌ها، ژن‌های خود را تنظیم کنند. در سال 1998، Davies و همکاران(26) نشان دادند که Ps. aeruginosa PAO1 نیازمند محصول ژن lasI یعنی هموسرین لاکتون است تا یک بیوفیلم بالغ را تشکیل دهد. آنها نشان دادند که باکتری‌هایی دارای نقص در ژن lasI هستند، بیوفیلمی تولید می‌کنند که ضخامت آن فقط 20% بیوفیلم طبیعی می‌باشد. همچنین بیوفیلم این موتانت‌ها بر خلاف بیوفیلم طبیعی فاقد پلی‌مر و کانال‌های آبی می باشد. هنگامی که این القاگر به محیط کشت این باکتری‌های موتانت اضافه شد، همانند باکتری‌های وحشی تشکیل بیوفیلم بالغ دادند. این نتایج نشان می‌دهد که این القاگر عامل اصلی ساختار پیچیده‌ی بیوفیلم‌های بالغ می‌باشد.

از آنجایی که ساختار بیوفیلم وابستگی زیادی به ماتریکس پلی‌مری دارد گمان می‌رود که ژن‌های مسئول سنتز آلژینات به وسیله‌ی هموسرین لاکتون القاء می‌شوند. این مشاهدات نقش تحریک آستانه را به عنوان یک سیستم انتقال سیگنال برای شروع تولید آلژینات و احتمالاً دیگر انواع پلی ساکارید خارج سلولی مشخص می‌کند.

این یافته‌ها نشان می‌دهد که کنترل تشکیل بیوفیلم توسط تحریک آستانه در Ps. aeruginosa بسیار پیچیده است و ارتباطات سلول-سلول پیچیده‌تر از آن می‌باشد

1- 10- خصوصیات بارز بیوفیلم

1-10-1- بیوفیلم به عنوان جوامع میکروبی مرتبط از نظر فیزیولوژیکی

با بررسی بیوفیلم‌ها مشخص می گرددکه این ساختارها در حقیقت بیوفیلم‌های چند گونه‌ای بسیار پیچیده هستند. بیوفیلم می‌تواند هنگامی به رشد مطلوب خود برسد که همکاری‌های فیزیولوژیکی برای تجزیه و مصرف مواد غذایی بین باکتری‌های موجود در آن به خوبی انجام شود. همانند بیوفیلم‌هایی که در معده‌ی گاو بر روی فیبرهای سلولزی تشکیل می‌شوند و با همکاری‌های فیزیولوژیکی، این ماده را تجزیه می‌کنند. برای مثال در یک نوع بیوفیلم ممکن است میکروکلنی های متفاوتی دیده می شود.مثلا" کلنی هایی که هیدروژن را هم تولید و هم مصرف می‌کنند، میکروارگانیسم هایی که با هم رابطه‌ی سینتروفی[27] دارند، میکروارگانیسم‌های تخمیر کننده‌، و تولید کننده اسیدهای آلی که این اسید ها توسط تولید کننده‌های هیدروژن مورد مصرف قرار می‌گیرند و غیره می توانند در یک بیوفیلم دیده شوند. علاوه بر این، پتانسیل واکنش‌های متابولیکی بین میکروارگانیسم‌ها و مولکول‌های سیگنال ممکن است به ارتباطات بین و درون گونه‌ای کمک کند(64).

1-10-2- بیوفیلم به عنوان جوامع میکروبی مرتبط از نظر رفتاری

تشکیل اجسام میوه‌ای توسط میگزوباکتری‌ها تنها یک مثال از چندین بیوفیلم ماکروسکوپی است که توسط سلول‌های پلانکتونیک در پاسخ به شرایط محیطی همچون گرسنگی و یا دیگر فاکتورهاصورت می گیرد. در شرایطی که مواد غذایی کافی وجود داشته باشد سلول‌های میگزوباکتریایی از طریق حرکت لغزنده‌ی[28]خود به سمت مواد غذایی حرکت می‌کنند. این الگوی پیچیده از رفتارهای پیوسته و مرتبط توسط تولید سورفاکتانت تسهیل می‌شود و همچنین کنترل آن توسط سیگنال‌های سلول-سلول می‌باشد. هنگامی که شرایط محیطی نامساعد می‌شود، همانند خشکی یا کمبود مواد غذایی، میگزوباکتری‌های شناور تشکیل میکروکلنی‌هایی را می‌دهند که در آن سلول‌های پلانکتونیک با هم جمع می‌شوند و میزان بالایی از مواد پلی‌مری خارج سلولی تولید می‌کنند و اجسام میوه‌ای را تشکیل می‌دهند. سلول‌های باکتری درون این بیوفیلم به کیست‌ها تمایز می‌یابند. ساختار این بیوفیلم نیز به ساقه و یک کلاهک تمایز پیدا می‌کند. نتیجه‌ی اصلی این فرایند تمایزی این است که سلول‌های یک گونه‌ی خاص یک بیوفیلم مقاوم به خشکی را تشکیل می دهند که در مقابل شرایط نامساعد محیطی مقاوم می‌باشد. بنابراین، مکانیسم کنترل این بیوفیلم‌های متحرک[29] بر اساس سیگنال‌های سلولی است که ممکن است در ارتباط با استراتژی‌های سلولی برای کسب مواد غذایی و مواد دیگر باشد(64).

1-10-3- بیوفیلم به عنوان جوامع میکروبی با ساختار پیشرفته

بیوفیلم‌های میکروبی به قدر کافی قطور و گسترده هستند که بتوان آنها را با چشم غیر مسلح دید. آنها شامل میلیون‌ها موجود پروکاریوت و در بعضی موارد یوکاریوت هستند که این‌ها با یکدیگر همکاری‌های متابولیکی و فیزیولوژیکی دارند. سلول‌های باکتریایی از یک گونه به طور دائم در یک محل خاص در بیوفیلم جای می‌گیرند که این محل می‌تواند در نزدیکی سطح محل اتصال و یا در بالای ساختمان قارچی شکل بیوفیلم باشد. در حقیقت، سلول‌هایی که بیوفیلم‌های تک گونه‌ای و چند گونه‌ای را تشکیل می‌دهند با یک الگوی خاص در بیوفیلم قرار می‌گیرند. در این ساختار، بعضی از محل‌ها دارای جمعیت بالایی از سلول‌ها هستند که فاصله‌ی بین این جمعیت‌ها نیز مشخص و کنترل شده می‌باشد. همچنین محل‌هایی در بیوفیلم دیده می‌شود که هیچ جمعیت سلولی در آن جا وجود ندارد. برای مثال در بیوفیلم‌های تجزیه کننده‌ی سلولز، باکتری‌های تجزیه کننده[30] در نزدیکی سوبسترا قرار دارند ولی باکتری‌های هوازی در نزدیکی کانال‌های آبی می‌باشند و یا در بعضی بیوفیلم‌ها که یک محیط بی‌هوازی در ته آنها تشکیل می‌شود باکتری‌های بی‌هوازی مثل باکتری‌های احیاء کننده‌ی سولفات[31]در آن جا رشد کرده و جمعیت آنها زیاد می‌شود. با بررسی‌هایی که توسط میکروسکوپ فلورسانت صورت گرفته، این ناهمگونی درون ساختار بیوفیلم مشخص شده است. با توجه به این موارد، می‌توان بیوفیلم را به شهر میکروب‌ها تشبیه کرد که گروه‌های متفاوت با اعمال خاص و محل مشخص در آن مشغول به فعالیت هستند.

1-11- فاکتورهای شرکت کننده در گسترش و بلوغ بیوفیلم

در گذشته میکروبیولوژیست‌ها فرض می‌کردند که بیوفیلم‌ها شامل توده‌های نامنظمی از باکتری‌های قرار گرفته در ساختار ژله‌ای و بدون الگوهستند. تکنیک‌های جدید برای بررسی بیوفیلم‌ها بدون تخریب ساختار ژل مانند آنها، محققان را قادر کرده است که ساختار پیچیده‌ی بیوفیلم‌ها را به صورت یک شهر تفسیر کنند. همچنین برای گسترش و بلوغ این ساختارها یک سری فاکتورها دخیل هستند که در زیر توضیح داده می‌شوند.

1-11-1- جنس سطح مواد[32]

جنس سطح مواد نقش کمی در اتصال میکروب‌ها دارد. به این صورت که سطوح با خاصیت هیدروفوبیسیتی بالا سبب اتصال مناسب باکتری‌هایی که سطح سلولی آنها نیز هیدروفوب است، می‌شوند. اما باکتری‌هایی که سطح سلولی با خاصیت هیدروفیل دارند در اتصال به سطوح هیدروفوب موفق نمی‌باشند(58).

1-11-2- مناسب بودن سطح مورد نظر[33]

سطح مناسب یکی از اولین فاکتورهایی است که سبب گسترش بیوفیلم می‌شود. برای مثال در سیستم‌های آبی، سطوح مناسب شامل تانکهای ذخیره‌ای، فیلترها، رزین‌ها، غشاها و غیره می‌باشند که باکتری‌ها در این محل‌ها تشکیل بیوفیلم می‌دهند(10).

1-11-3- صاف و صیقلی بودن سطح[34]

اگرچه سطوح صاف صیقلی اتصال اولیه‌ی باکتری‌ها را به تأخیر می‌اندازند اما بعد از گذشت چند روز اثر خاصی بر روی تشکیل بیوفیلم ندارند؛ یعنی با گذشت زمان بیوفیلم روی این سطوح صاف تشکیل می شود

1-11-4- شدت جریان آب[35]

جریان زیاد به طور کامل نمی‌تواند اتصال باکتری‌ها را مهار و بیوفیلم را حذف کند. اما این شدت جریان بر روی ضخامت بیوفیلم مؤثر است. بدون در نظر گرفتن شدت جریان آب، در نواحی مجاور سطح لوله‌ها، جریان بسیار کندتر از مرکز لوله‌ها می‌باشد، در نتیجه، بیوفیلم در این نواحی تشکیل می‌شود اما ضخامت آن بسیار ناچیز است(19).

1-11-5- محدودیت مواد غذایی[36]

همانند دیگر موجودات زنده، باکتری‌ها نیازمند یک سری مواد خاص برای رشد و تکثیر هستند. محدودیت این مواد، رشد باکتری‌ها را محدود می‌کند، اما حتی میزان کمی از مواد آلی، از رشد باکتری‌ها حمایت می‌کند. به طور تئوری فقط ppb 1 از مواد آلی در آب برای تکثیر و تولید 9500 باکتری در یک میلی‌لیتر کافی است.

تکنیک‌های جدید نمی‌توانند سطح مواد غذایی را به طور کامل کاهش بدهند. بنابراین، کنترل باکتری‌ها از طریق کنترل مواد غذایی امکان‌پذیر نیست. به طور مشابه، میزان کمی از اکسیژن رشد خوب باکتری‌ها را سبب می‌شود. با این وجود، آب حاوی مواد غذایی کم، خیلی کمتر سبب تشکیل بیوفیلم می‌شود(5).

1-12- بیوفیلم و انسان

در اکثر محیط‌ها، باکتری‌ها اتصال به سطوح را به حالت آزاد و پلانکتونیک ترجیح می‌دهند. یک سنگ غوطه‌ور در یک جوی آب، یک سوند و در بدن انسان، دندان، لوله‌های آب، مجراها و غیره می‌توانند محل مناسبی برای تشکیل بیوفیلم باشند. بیوفیلم‌ها علاوه بر مضرات فراوانی که در زندگی بشر دارند، دارای کاربردهای بسیار جالبی نیز هستند. از نقطه نظر پزشکی، تشکیل کلنی‌ روی لوازم پزشکی می‌تواند به عنوان منبع اصلی آلودگی عمل کند. سلول‌ها در لایه‌های زیرین بیوفیلم از اثر آنتی‌بادی‌ها و فاگوسیته شدن توسط سلول‌های سفید خونی، محافظت می‌شوند. تشکیل بیوفیلم یک فاکتور کلیدی در بیماری‌های دندان می‌باشد. در صنایع غذایی، گسترش بیوفیلم بر روی سطوح ماشین‌ها، پاتوژن‌هایی مثل Listeria monocytogenes را از عوامل ضد میکروبی و کشنده محافظت می‌کند. علاوه بر این، در صنایع دیگر، بیوفیلم‌ها مسئول خسارت‌های اقتصادی هستند.

همچنین بیوفیلم‌ها می‌توانند تحت کنترل انسان درآیند. برای مثال، Acetobacter spp. که تولید بیوفیلم می‌کند، می‌تواند برای اکسیداسیون اتانل به اسید استیک در کارخانجات تولید سرکه به کار رود. عموماً در کاربردهای صنعتی مدرن، از بیوفیلم در به دام انداختن مولکول‌ها و ذرات کوچک و تجزیه‌ی مواد سمی استفاده می‌شود. در جداول 1-1 و 1-2 مثال‌هایی از مضرات و کاربردهای بیوفیلم‌ها آورده شده است(51).

جدول 1-1. تعدادی از مضرات صنعتی که توسط تشکیل بیوفیلم ایجاد می‌شود.

صنعت

مشکل ایجاد شده

سیستم‌های آبی

کاهش شدت جریان، ایجاد بو

سیستم‌های انتقال مایع(عمومی)

کاهش شدت جریان، بسته شدن لوله‌ها و فیلترها

کارخانه‌های کاغذ‌سازی

کاهش کیفیت کاغذ

کارخانه‌های قندسازی و آردسازی

تولید اسلایم و ایجاد تداخل با مراحل تولید

بدنه‌ی کشتی‌ها

افزایش مصرف سوخت، کاهش سرعت

لوله‌ها و زانوهای یک سیستم گردشی آب

ایجاد خوردگی

سیستم‌های خنک کننده و یا حرارتی

کاهش کارآیی سیستم

صنایع غذایی

ایجاد فساد و گسترش باکتری‌های پاتوژن

صنعت چاپ

بستن لوله‌های انتقال جوهر، کاهش کیفیت جوهر

جدول 1-2- تعدادی از کاربردهای بیوفیلم

کاربرد

نحوه‌ی به کارگیری

تصفیه‌ی آب

فیلتراسیون شنی

تصفیه‌ی فاضلاب

فیلترهای نفوذی

تصفیه‌ی فاضلاب کشاورزی

برج‌های فلوکه کننده

تصفیه‌ی فاضلاب صنعتی

بیوراکتورها

حذف آلودگی فلزات سنگین(شامل اورانیوم)

بیوفیلم‌های تثبیت شده

بازیافت فلزات از معدن‌هایی با عیار پایین

لیچینگ میکروبی

تولید اسید استیک

فرایندهای تجاری

 

1-13- بیوفیلم در سیستم‌های آبی

کلونیزاسیون باکتری‌ها در سطح فلزات و آلیاژهای مورد استفاده‌ی آنها در صنعت، از طریق تشکیل بیوفیلم که شامل باکتری، مواد پلی‌مری خارج سلولی و میزان زیادی آب(90%) است، صورت می‌گیرد. این ساختارهای بیولوژیکی می‌توانند از طریق تغییر در نوع و غلظت یون‌ها، pH و اکسیژن سبب خوردگی فلزات شوند. علاوه بر این، بیوفیلم می‌تواند سبب تشکیل مرزهای انتشاری برای انتقال گونه‌های شیمیایی از فلز به محلول و بالعکس شود. دامنه‌ی مشکلات حاصل از خوردگی زیستی[37] و تخریب زیستی[38] از ناخالصی‌های میکروبی بالا که سبب کاهش کارآیی و بازدهی سیستم می‌شوند تا تغییرات سطحی فلزات می‌باشد. استفاده از سیستم‌های ردیابی مناسب همراه با تکنیک‌ها و تحقیقات آزمایشگاهی برای دست یافتن به اطلاعات دقیق در مورد اثرات حاصل از فعالیت و نقش میکروبیولوژیکی بیوفیلم در خوردگی و جلوگیری و کنترل آن بسیار مهم می‌باشد(89). این بررسی باید برای هر سیستم بر اساس سابقه‌ی گذشته‌ی آن، شرایط راه‌اندازی در حال حاضر، ترکیب فیزیکی و شیمیایی آب ورودی به سیستم و تعداد و نوع جمعیت میکروبی آن صورت بگیرد.

مهمترین کاری که باید در سیستم‌های صنعتی به منظور جلوگیری و کنترل خوردگی زیستی و تخریب زیستی انجام داد، تمیز نگه داشتن سیستم است. این اصل مهم، خیلی کم مشاهده می‌شود و تنها در مراحل اولیه‌ی راه‌اندازی سیستم وجود دارد. ولی بعد از آن به دلیل اطلاعات کم مشکلات زیادی در سیستم به وجود می‌آید(.

یک سیستم صنعتی دارای بخش‌های متفاوتی است که بیوفیلم می‌تواند در آنها ایجاد مشکل کند. این بخش‌ها عبارتند از:

1- سیستم‌های خنک کننده‌ی باز یا بسته

2- خطوط تزریق آب

3- تانک‌های ذخیره

4- سیستم‌های تیمار آب باقیمانده

5- سیستم‌های فیلتر کننده

6- انواع متفاوتی از لوله‌ها

7- غشاهای اسمزی برعکس

8- سیستم‌های پخش کننده‌ی آب

به منظور مهار و کنترل بیوفیلم و عواقب حاصل از تشکیل آن در سیستم‌های صنعتی، اطلاعات کاملی در مورد شرایط راه‌اندازی سیستم مورد نیاز است. از این رو، سنجش پارامترهای بیولوژیکی و غیر زنده، ضروری به نظر می‌رسد(89).

از دیدگاه صنعتی، جلوگیری و مهار خوردگی نسبت به تیمارهای بعدی برای از بین بردن آن با ارزش‌تر می‌باشد. استفاده‌ی صحیح از ترکیب وسایل با فرایند تمیزسازی منظم، می‌تواند سبب مهار خوردگی شود. در حقیقت، روش‌هایی که برای جلوگیری از خوردگی زیستی به کار می‌روند باید خصوصیات زیر را داشته باشند:

1) مهار رشد و یا فعالیت متابولیکی میکروب‌ها

2) تغییر محیطی که خوردگی در آن روی داده، برای جلوگیری از سازگاری میکروارگانیسم‌ها با شرایط موجود

در حقیقت، این روش‌ها باید بعضی از خصوصیات سیستم از جمله ساختار مواد و خصوصیات آب را نیز مد نظر داشته باشد.

روش‌هایی که عموماً برای جلوگیری و کنترل خوردگی میکروبیولوژیکی استفاده می‌شوند به چند دسته تقسیم می‌شوند که شامل موارد زیر هستند:

1- فرایندهای تمیزسازی[39]

2- بیوسایدها[40]

3- پوشش دادن سطح مواد[41]

4- حفاظت کاتدی[42]

1-14- فرایندهای تمیزسازی

عموماً هدف این فرایندها حذف رسوبات از سطح فلزات می‌باشد. از نقطه نظر عملی دو نوع رسوب وجود دارد:

رسوبات فلس مانند؛ این فلس‌ها به دلیل رسوب مواد حل شده در آب به وجود می‌آیند و حالت کریستاله و سخت دارند. از مهمترین این رسوبات، کربنات کلسیم(CaCO3) و یا سولفات یا سیلیکات کلسیم می‌باشد. تشکیل این رسوبات وابسته به دما، pH، کیفیت آب، شرایط هیدرودینامیکی و غلظت مواد شیمیایی موجود در آب است.

مهارتشکیل این رسوبات از طریق اضافه کردن اسیدهای معدنی یا ترکیبات خاصی است که از رسوب آنها جلوگیری کنند.

رسوبات لعابی؛ این رسوبات شامل مواد سوسپانسیونی هستند که به سطح چسبیده‌اند. این نوع از رسوبات شامل لعاب، روغن، اکسیدهای فلزی، اسلایم‌های باکتریایی و غیره می‌باشند.

شدت جریان بالا(1-m.s 5/2-5/1( می‌تواند سبب کنده شدن رسوبات شود. از آن جایی که جریان پایین‌تر(کمتر از 1-m.s 5/0) به تشکیل آن کمک می‌کند، جریانات پایین عموماً در سیستم‌های خنک کننده وجود دارد. فرایندهای تمیزسازی شامل فرایندهای مکانیکی و شیمیایی هستند. در نوع مکانیکی، استفاده‌ی همزمان از بیوساید نیز توصیه می‌شود. در تمیزسازی شیمیایی از اسیدهای معدنی، آلی و عوامل کلیت کننده مثل EDTA استفاده می‌شود(51، 89).

1-15- میکروارگانیسم‌های برج‌های خنک کننده

میکروارگانیسم‌ها در همه جای طبیعت یافت می‌شوند. آنها در هوا، آب و خاک پراکنده‌اند و نقش‌های حیاتی زیادی در سلامتی انسان و حیوانات ایفا می‌کنند. برخی از میکروارگانیسم‌ها مفید هستند حال آن که برخی دیگر مضر می‌باشند. وجود میکروب‌ها بر بسیاری از فرایندهای صنعتی تأثیر می‌گذارد. طبیعت و ماهیت میکروارگانیسم مربوطه تعیین کننده‌ی مفید بودن و یا مخرب بودن آن میکروارگانیسم برای فرایند مزبور می‌باشد. برای مثال زوگلئا[43] که در واحدهای عمل‌آوری پساب‌ها با لجن فعال یافت می‌شود، بسیار مفید است؛ زیرا که تولید پلی‌ساکارید نموده و بدین وسیله به باکتری‌های دیگر کمک می‌کند تا مواد آلی را که به طور معمول به جریان‌های آب تخلیه و باعث آلودگی می‌شوند، را حذف کنند. بر خلاف این ارگانیسم، میکروارگانیسم‌های که در سیستم‌های آب خنک کننده زندگی می‌کنند به طرق مختلف، نظیر تولید متابولیت‌ها یا ایجاد رسوب و یا صرفاً به علت کثرت تعداد بر بازده عملیات اثر منفی می‌گذارند.

سیستم‌هایی که آب در آنها ذخیره می‌شود، بالقوه محیط مناسبی را جهت رشد کنترل نشده‌ی میکروارگانیسم‌ها فراهم می‌سازند. برج های خنک کننده مثال بارزی از یک سیستم حاوی آب است که دارای مساعدترین شرایط جهت رشد میکروب ها است. معمولاً در این برج‌ها، درجه حرارت و pH در دامنه‌ی ایده‌آل جهت رشد میکروب‌ها قرار داشته و مواد غذایی آنها از قبیل مواد آلی، نمک‌های معدنی و غیره در آن جا فراوان است

این واقعیت مهمی است که میکروارگانیسم‌ها نیز مانند املاح معدنی در سیستم‌های تبخیری روباز تغلیظ می‌گردند، گرچه این تکثیر به طریق تصاعد عددی در مقایسه با سیکل تولید مثل طبیعی میکروبی که به صورت تصاعد لگاریتمی می‌باشد تأثیر چندانی نخواهد داشت. در یک برج خنک کننده در حالی که غلظت املاح معدنی ممکن است در عرض مدت معینی شش برابر گردد، قابل تصور است که در همان مدت زمان غلظت باکتری‌ها به شش میلیون افزایش می یابد.

ارگانیسم‌هایی که در برج‌های خنک کننده یافت می‌شوند عبارتند از: 1- جلبک‌ها، 2- قارچ‌ها و 3- باکتری‌ها

این ارگانیسم‌ها به دو طریق وارد سیستم خنک کننده می‌شوند؛ آنها ممکن است در خود آب جبرانی، یا در هوایی که از برج خنک کننده عبور می‌کند، وجود داشته باشد(1).

1-15-1- جلبک‌ها

سه شرط لازم و اساسی برای رشد جلبک وجود دارد: هوا، آب و نور آفتاب. حذف هر یک از این عوامل مانع از رشد جلبک خواهد شد. نرده‌های داخلی توزیع کننده‌ی آب و دیواره‌های جانبی برج‌های خنک کننده، هر سه شرط را تأمین می‌کنند و بنابراین، محیطی بسیار عالی جهت رشد جلبک‌ها فراهم می‌سازند. به همین دلیل اغلب، جلبک‌ها به صورت اجسام سبز شناور بر روی حوضچه‌‌ی بالایی و یا به صورت چسبیده به ساختار خود برج خنک کننده دیده می‌شوند. جدول 3-1 برخی از گروه‌های معمول و رایج جلبک‌ها که در سیستم برج خنک کننده یافت می‌شوند، pH و درجه حرارت مورد نیاز جهت ادامه‌ی رشد آنها را نشان می‌دهد.

جدول 1-3- شرایط محیطی pH و درجه حرارت لازم جهت رشد جلبک ها در سیستم برج های خنک کننده

شرایط رشد

مثال

گروه‌بندی

pH

درجه حرارت

9/8-5/5

°F95-86

Chlorella تک‌سلولی

Ulothrix رشته‌ای

Spirogyra

جلبک های سبز

9/8-6

°F104-95

Amasystis تک‌سلولی- تولید کننده‌ی لجن

Phormidium رشته‌ای

Oscillatoria

جلبک های آبی-سبز

حاوی ماده‌ی رنگی آبی

-5/5

°F95-64

Filagilaria دراز و نازک

Cyclotella

Diatoma

دیاتوم‌ها

حاوی ماده‌ی رنگی قهوه‌ای و سیلیس در جداره‌ی سلولی

همه‌ی جلبک‌ها اکسیژن تولید می‌کنند که می‌تواند واکنش خوردگی را دپلاریزه و تخریب سیستم را تسریع کند. دیاتوم‌ها به عنوان مسدود کننده‌ی سیلیسی شناخته شده‌اند زیرا که جداره‌های سلولی آنها با سیلیس آمیخته و پلی‌مریزه شده است(1).

1-15-2- قارچ‌ها

حدود 80000 گونه قارچ وجود دارد که بسیار بیشتر از 19000 تا 25000 گونه‌ی جلبک‌ها می‌باشد. از نظر تغذیه‌ای، قارچ‌ها فاقد کلروفیل هستند، بنابراین، غیر فتوسنتتیک بوده و در نتیجه، وابسته به سیستم‌های متابولیکی سایر ارگانیسم‌ها می‌باشند. این موضوع به ویژه در سیستم‌های آب خنک کننده دارای اهمیت می‌باشد. قارچ‌ها معمولاً از طریق تولید اسپور تکثیر می‌یابند. اسپورها عموماً در برابر اغلب میکروب‌کش‌ها مقاومند و قادرند وضعیتی بسیار دشوار از نظر کنترل ایجاد کنند.

جدول 1-4. بعضی از پارامترهای مهم حیاتی برای رشد قارچ‌ها

نوع قارچ

مثال

مشخصات

شرایط رشد

مشکلات ایجاد شده

pH

حرارت

کپک های رشته‌ای

Aspergillus

سیاه-آبی-خرمایی

8-2

°F100-32

فساد سطح چوب

تولید لجن

Mucor

سفید-خاکستری

Fusarium

قهوه‌ای-خرمایی

Alternaria

صورتی-قهوه‌ای

مخمرها

Torula

Saccharomyces

چرمی یا لاستیکی

8-2

°F100-32

تولید لجن

گروه سوم

Poria

Lenzites

سفید یا قهوه‌ای

8-2

°F100-32

پوسیدگی داخل چوب

1-15-3- باکتری‌ها

انواع بسیار مختلف باکتری‌ها در سیستم‌های آبی برج‌های خنک کننده یافت می‌شوند. لذا عمل کنترل بسیار دشوار خواهد بود، زیرا موادی که برای یک گونه‌ی باکتری سمی هستند ممکن است بر روی گونه‌ی دیگر تأثیر کمی داشته باشد. باکتری‌ها ممکن است به صورت سلول‌های منفرد یا به شکل کلنی‌های چند سلولی وجود داشته باشند.جدول 5-1 برخی از انواع متداول باکتری‌ها را که در سیستم‌های آب برج خنک کننده وجود دارند و مسائلی را که ایجاد می‌کنند، نشان می‌دهد.

باکتری‌های کپسول‌دار مانند Flavobacterium عموماً سبب تولید لجن در سیستم می شوند. تولید پلی‌ساکارید و ایجاد بیوفیلم، سلول‌ها را در مقابل استرس‌های محیط اطراف حفاظت می‌کند و نیز توان آنها را در جهت به دست آوردن مواد غذایی افزایش می‌دهد. باکتری‌هایی نظیر باسیلوس‌ها و سایر اسپوردارهای هوازی به درجاتی کمتر از کپسول‌دارهای هوازی تولید لجن می‌کنند. این دسته از ارگانیسم‌ها از این جهت قابل ذکر هستند که قابلیت تولید اسپور را دارند و ایجاد مشکلاتی در زمینه‌ی کنترل می‌کنند(1).

جدول 1-5- باکتری های موجود در سیستم خنک کننده

نوع باکتری

نمونه‌ی باکتری‌ها

شرایط جهت رشد

مسائلی که ایجاد می‌کنند

حرارت

pH

هوازی کپسول‌دار

Aerobacter

Flavobacterium

Proteus

Pseudomonas

Serratia

Alcaligenes

°F104-68

8-4

لجن‌های باکتریایی بسیار تشکیل می‌شود

هوازی اسپوردار

Bacillus spp.

°F104-68

8-5

ایجاد لجن باکتریایی-مقاومت اسپورها

هوازی گوگردی

Thiobacillus

°F104-68

6-6/0

گوگرد یا سولفیدهای اکسید شده تبدیل به اسید سولفوریک می‌شوند

بی‌هوازی احیاء کننده‌ی سولفات

Desulfovibrio

°F104-68

8-4

زیر لایه‌ی لجن باکتری‌های هوازی زندگی می‌کنند و تولید H2S می‌کنند و سبب خوردگی می‌شوند

آهن‌خوارها

Crenothrix

Leptithrix

Galionella

°F104-68

5/9-4/7

ئیدروکسید فریک را در پوشش غلاف مانند در اطراف سلول رسوب می‌دهند-تشکیل رسوبات لجنی پرحجم می‌کنند

1-16- چگونگی تغذیه‌باکتری‌ها در آب

هر گاه جسم جامد تمیزی در آب غوطه‌ور گردد، ملاحظه می‌ شود که بعد از گذشت چند ساعت، پوسته‌ی نازکی از مواد آلی موجود در آب، سطح فلز را پوشانده و با افزایش زمان بر ضخامت پوسته افزوده می‌شود. باکتری‌هایی که در آب وجود داشته و یا از طریق هوا وارد آب شده‌اند برای ادامه‌ی زندگی خود از مواد آلی که به صورت پوسته بر سطح فلز قرار گرفته‌اند تغذیه می‌نمایند که بعد از گذشت زمان کوتاهی، جدا کردن باکتری‌ها، جلبک‌ها، خزه‌ها و غیره از سطح فلز تقریباً غیر ممکن می‌گردد. در هر حال، شرایط تکثیر باکتری‌ها در آب از طریق مواد آلی و کسب انرژی حاصله از نور خورشید مخصوصاً برای جلبک‌ها و خزه‌ها، و درجه حرارت برای تعدادی از باکتری‌ها بین °C37-27 و برای تعدادی بین °C50-40 از عوامل مهم رشد و تکثیر آنها می‌باشد.

1-17- مشکلات ایجاد شده در سیستم‌ برج‌های خنک کننده‌ توسط باکتری‌ها

باکتری‌ها بر اساس طبیعت خود ایجاد مشکلاتی به شرح زیر می‌کنند:

الف) اثر مستقیم بر روی سرعت واکنش‌های آندی و کاتدی

ب) مقاومت سطح فلزات را با محصولات حاصل از متابولیسم خود تغییر می‌دهند

ج) محیط خورنده‌ای به وجود می‌آورند

د) در نتیجه‌ی رشد و تکثیر خود با به وجود آوردن پیل‌های غلظتی الکترولیتی روی سطح فلز ایجاد مشکل می‌نمایند

ه) محصولات خوردگی، محدودیت‌هایی نظیر کاهش سرعت، فشار و گرفتگی در سیستم خنک کننده به وجود می‌آورند که به کاهش انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی منجر می‌شود.

و) ایجاد بیوفیلم و تشکیل رسوب‌هایی که سبب انسداد مسیر جریان آب خنک کننده و تشکیل لجن‌های میکروبی و نهایتاً خوردگی می‌شود.

تشکیل بیوفیلم و تخریب زیستی حاصل از آن در آب برج های خنک کننده که کنترل باکتری طبق برنامه‌های منظم صورت نگیرد، اجتناب‌ناپذیر است زیرا مواد آلی موجود در آب تمایل به نشستن روی سطوح فلزی را داشته و سلول‌های میکروبی معلق در آب به طرف سطوحی که مواد آلی قرار گرفته‌اند، جذب می‌گردند و از مواد آلی تغذیه کرده و تکثیر می‌یابند. در نتیجه تکثیر پیدا کرده و موجب اشکالات فوق‌العاده در سیستم برجهای خنک کننده می‌گردند(89).

1-18- خوردگی میکروبی

حضور فیزیکی سلول‌های باکتری‌ها بر روی فلزات و سطح آنها و فعالیت‌های متابولیکی آنها می‌تواند سبب خوردگی میکروبی شود. گسترش بیوفیلم سبب ایجاد یک سری نقاط بی‌هوازی در کف بیوفیلم می‌شود که فاقد اکسیژن می‌باشند. غلظت‌های متفاوت اکسیژن در دو محل بر روی سطح فلز می‌تواند سبب تفاوت در پتانسیل الکتریکی و نهایتاً منجربه خوردگی شود. همچنین بعضی از باکتری‌های بیوفیلم می‌توانند مواد شیمیایی خورنده مثل اسید و گاز هیدروژن را در طول متابولیسم خود تولید کنند. نواحی غیر هوازی در بیوفیلم می‌توانند دارای باکتری‌های احیاء کننده‌ی سولفات باشد. این گروه از باکتری‌ها، سولفات را به سولفید هیدروژن احیاء می‌کنند که فلزات را می‌خورد. یک راه برای محدود کردن فعالیت باکتری‌های احیا کننده سولفات، کاهش غلظت مواد غذایی ضروری آنهاست. این مواد غذایی شامل فسفر، نیتروژن و سولفات می‌باشند. بنابراین، در آب خالص، این باکتری‌های احیا کننده سولفات کمتر می‌توانند رشد کنند. در حقیقت، هر عاملی که بتواند ضخامت بیوفیلم را کاهش دهد می‌تواند نواحی بی‌هوازی که سبب خوردگی می‌شوند را نیز کاهش دهد(51).

1-19- مسائل خوردگی[44]

بسیاری از میکروارگانیسم‌هایی که در آب‌ برج های خنک کننده یافت می‌شوند از هیدروژن در فرایندهای متابولیک استفاده می‌کنند که اغلب منجر به غیر قطبی شدن کاتدی واکنش خوردگی می‌گردد. آزاد شدن هیدروژن از سطح یک فلز که میکروارگانیسم‌ها بر روی آن قرار دارند وسیله‌ی تداوم واکنش خوردگی را فراهم می‌سازد. همچنین اکسیژن رها شده توسط جلبک‌ها به عنوان بخشی از تحولات متابولیک آنها، به دپلاریزه ساختن کاتدی واکنش خوردگی کمک می‌کند.

هر چند که دپلاریزه ساختن توسط میکروب‌ها مهم است، اما نقش اصلی آنها در خوردگی، به خوردگی در زیر رسوبات مربوط می‌گردد. یک توده لجن یا توده‌ای از ترکیب لجن و نمک‌های معدنی، یک پیل اختلاف غلظت اکسیژن ایجاد می‌کند. بنابراین، منطقه‌ی واقع در زیر توده‌ی مزبور به صورت آند فعال در می‌آید که باعث حملات شدید موضعی می‌گردد. در این وضعیت، میکروارگانیسم‌ها نه فقط به تنهایی مسأله‌ی رسوبات را ایجاد می‌کنند، بلکه سایر موادی را هم که ممکن است در فاز آبی باقی مانده باشد در برگرفته و بدین ترتیب تشکیل رسوبات افزایش می‌یابد و به طور غیر قابل اجتناب‌ناپذیری نیز خوردگی بیشتری صورت می‌گیرد.

علاوه بر این، باکتری‌های احیاء کننده‌ی سولفات، تولید H2S می‌کنند که در فلزات از طریق حمله با pH پایین ایجاد خوردگی می‌کند. همچنین با ایجاد سولفید آهن، خوردگی را به وجود می‌آورند. باکتری‌های اکسید کننده‌ی گوگرد تولید اسید سولفوریک می‌کنند که به طور موضعی مناطقی با pH پایین در سیستم ایجاد می‌کند. همچنین نیتروباکترها اثر مواد بازدارنده‌ی نیتریته را از طریق اکسیده کردن نیتریت به نیترات خنثی می‌کنند. این امر در سیستم‌های بسته‌ی گردشی که در آنها معمولاً نیتریت به عنوان یک ماده‌ی بازدارنده‌ی خوردگی به کار می‌رود، شدت بیشتری دارد.

مسائل خوردگی حاصل از میکروب‌ها بار سنگینی بر دوش برنامه‌های کنترل خوردگی می‌گذارد، به طوری که باعث افزایش مقدار مواد بازدارنده‌ی لازم جهت به حداقل رساندن خوردگی و رسوبات می‌گردد. یک برنامه‌ی مؤثر کنترل که بتواند رسوبات حاصل از رشد میکروب‌ها را برطرف سازد تنها روش جلوگیری از خوردگی در زیر رسوبات است که باید قبل از رسیدن هر گونه خسارت، این امر صورت پذیرد(1).

1-20- مسائل ایجاد رسوبات[45]

مواد حاصل از تکثیر باکتری‌ها که شامل لجن نیز می‌باشد ممکن است به ویژه در شرایط انتقال حرارت بسیار چسبنده گردند. مواد معلق که در فاز آبی جریان دارند در بافت لجنبه دام می افتند. این مسأله به سادگی آشکار نمی‌گردد. آنالیز کمی یک نمونه رسوب ممکن است نشان دهد که مواد آلی دارای منشأ میکروبی، از نظر وزن، تنها بخش نسبتاً جزئی از آن رسوب را تشکیل می‌دهند. اهمیت واقعی مسأله فقط زمانی درک می‌گردد که حجم توده‌ی تشکیل شده در نظر گرفته شود.

مواد میکروبیولوژیکی ممکن است باعث مسائل فیزیکی در سیستم گردند که منجر به کاهش راندمان میزان انتقال حرارت و تولید می‌شوند. تجمع این مواد بر روی قسمت‌های داخلی برج‌های خنک کننده می‌تواند راندمان واحد را به شدت کاهش ‌دهد. این مواد همچنین سبب افزایش اندازه قطرات آب می‌شوند و در نتیجه سطوح مؤثر تماس، کاهش می‌یابد. اگر یک برج خنک کننده نتواند به افت درجه حرارت طراحی شده دست یابد، کاهش حاصله در انتقال حرارت، یقیناً در سایر مراحل کار نیز تأثیر نامطلوب خواهد داشت. همچنین مواد بیولوژیکی همراه با موادی که در برگرفته‌اند می‌توانند سطح مقطع جریان در لوله‌های سیستم خنک کننده را کم کرده و باعث کاهش انتقال حرارت گردند(51، 89).

1-21- باکتری‌های تولید کننده‌ی لایه لعابی

صرف نظر از توضیحاتی که در مورد انواع میکروارگانیسم‌ها در سیستم برج‌های خنک کننده داده شد، مسلم است که هر کدام از باکتری‌ها ضمن این که جداگانه مشکلات خاصی را بر اساس مشخصه‌ی خود برای سیستم به وجود می‌آورند، ضرر و زیان آنها به صورت جمعی و کلنی، هم از نظر گرفتگی و هم از نظر خوردگی قابل بررسی و مطالعه می‌باشند.

موضوع جدیدی که در تکنولوژی به سازی آب برج‌های خنک کننده در چند سال اخیر مورد توجه قرار گرفته است، میکروارگانیسم‌های ایجاد کننده‌ی بیوفیلم می‌باشد که کنترل آنها در حقیقت کنترل تمام باکتری‌ها و حتی فرصت ندادن به زیانی است که از سوی باکتری‌های احیاء کنندهء سولفات‌ها خواهد رسید. حال چگونگی تشکیل بیوفیلم و تخریب زیستی به طور خلاصه در برج‌های خنک کننده توضیح داده می شود.

بعد از وارد شدن باکتری‌ها و جلبک‌ها به برج‌های خنک کننده، این میکروارگانیسم‌ها بهترین محل را برای زندگی خود انتخاب می‌کنند. جلبک‌ها زندگی بر روی دیواره‌ی برج‌های خنک کننده را که در معرض تابش آفتاب می‌باشد را انتخاب نموده، در حالی که قارچ‌ها و باکتری‌ها همراه با ناخالصی‌های موجود در آب به سطح چسبیده و تجمع لجنی میکروارگانیسم‌ها را سبب می شوند، که در صورت عدم کنترل، مجموعه‌ی آنها رشد یافته، سبب کاهش انتقال حرارت و راندمان مبدل‌های حرارتی می‌گردند. افزایش رسوب میکروارگانیسم‌ها سبب گرفتگی مسیر آب مبدل‌های حرارتی می‌شود و همچنین باعث جذب انرژی حرکتی در این سیستم‌ها نیز می‌شود. به این فرایندها تخریب زیستی گفته می‌شود(89).

1-22- مراحل ایجاد تخریب زیستی در سیستم برج‌های خنک کننده

1- اتصال مواد آلی موجود در آب به سطح دیواره‌ی برج خنک کننده

2- جذب میکروارگانیسم‌های موجود در آب به این سطح

3- اتصال میکروارگانیسم‌های دیگر به این سطح و میکروارگانیسم‌های متصل شده

4- تکثیر این میکروارگانیسم‌ها و ازدیاد جمعیت آنها

5- افزایش ضخامت این لایه‌ها

6- رسوب مواد دیگر روی این لایه‌ها

7- ایجاد تخریب زیس

1-23- بیوسایدها

یک نمونه از تیمار شیمیایی به کار برده شده برای جلوگیری و کنترل تشکیل بیوفیلم و عواقب ناشی از آن استفاده از بیوسایدها می‌باشد. بیوسایدها مواد خالص یا ترکیبات مخلوطی هستند که قادرند میکروارگانیسم‌ها را بکشند یا رشد آنها را مهار کنند. ترکیبات بیوسایدی می‌توانند معدنی مثل کلرین[46] ، ازون، برومین[47] و غیره یا آلی شامل ایزوتیازولون‌ها[48] ، ترکیبات آمونیوم چهار ظرفیتی[49] ، آلدئیدها مثل گلوتارآلدئید، آکرولین‌هاو غیره باشند.

یک بیوساید که برای ضد عفونی کردن هر سیستم به کار می‌رود باید کشنده‌ی باکتری، قارچ و جلبک باشد. بنابراین، نیازمند کاربرد ترکیباتی با طیف وسیع می‌باشد.

یک ترکیب شیمیایی می‌تواند باکتری کش باشد اما الزاماً خصوصیات کشندگی علیه قارچ‌ها و جلبک‌ها را نداشته باشد. حتی ترکیبی که علیه گروه مشخصی از باکتری‌ها و قارچ‌ها فعالیت دارد علیه گروه‌های دیگر مؤثر نیست.

کارآیی یا بازده‌ یک بیوساید وابسته به نوع میکروارگانیسمی که باید حذف شود و شرایط راه‌اندازی سیستم مورد نظر دارد. بنابراین پیشنهاد می‌شود که یک دوره‌ی آزمایشی تحت شرایط آزمایشگاهی برای تعیین دوز بهینه‌ی بیوساید انجام شود.

خصوصیات مورد نیاز برای یک بیوساید صنعتی در جدول زیر نشان داده شده‌اند. در بخش بعدی از این فصل به بررسی بیوسایدهایی که بیشتر برای کنترل میکروبیولوژیکی آب سیستم‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند پرداخته می شود(51، 89).

1-23-1- خصوصیات اصلی یک بیوساید

1- اثر انتخابی

2- توانایی ابقاء فعالیت مهاری خود در حضور دیگر ترکیبات و تحت شرایط سیستم مورد نظر

3- عدم فعالیت خورندگی

4- قابلیت تجزیه به صورت زیستی

5- سمیت پایین آن

1-23-2- بیوسایدهای اکسید کننده

بیوسایدهای اکسید کننده‌ی رایج شامل کلرین، برومین، ازون و هیدروژن پراکسید می‌باشند.

در هنگام استفاده از بیوسایدهای اکسید کننده، اثرات منفی این بیوسایدها هم باید مد نظر قرار بگیرد. این اثرات منفی عبارتند از:

1) واکنش(میان کنش) با دیگر مواد شیمیایی مورد استفاده در تیمار آب

2) پتانسیل ایجاد خوردگی در فلزات

3) اثر روی مواد و ساختارهای غیر فلزی(پلاستیک، چوب )

این اثرات منفی باید به طور دقیق در مورد هر بیوساید اکسید کننده با توجه به قدرت اکسید کنندگی بیوساید، دوز آن و نوع تیمار(پیوسته یا به طور متناوب) مد نظر قرار بگیرد.

1-23-2-1- کلرین

کلرین بیشتر به صورت فرم گازی مصرف می‌شود که به اسید هیپوکلرو[50] و اسید هیدروکلریک هیدرولیز می‌شود.

Cl2 + H2O →HOCl + HCl

اسید هیپوکلرو گونه‌ی فعال می‌باشد و فعالیت آن وابسته به pH می‌باشد.

HOCl → H+ + OCl-

در 5/7=pH غلظت اسید هیپوکلرو و یون‌های آن برابر می‌باشند. در pH های قلیایی، تعادل به سمت حالت‌های یونی تغییر وضعیت می‌دهد. در 5/9=pH تمام کلرین به یون‌های هیپوکلرو تبدیل می‌شود که این یون‌ها فعالیت بیوسایدی کمی دارند.

بر اساس حساسیت به pH، دامنه‌ی pH برابر 5/6 تا 5/7 یک pH مناسب برای عمل این بیوساید می‌باشد.

در pH های پایین‌تر، این اسید خاصیت خورندگی دارد.

کلرین علی‌رغم این که غلظت مؤثر آن برای نفوذ به طور قابل ملاحظه‌ای توسط بیوفیلم کاهش می‌یابد، یک عامل ضد باکتریایی و ضد جلبک عالی می‌باشد.

سنجش انجام شده توسط میکروالکترودها نشان داده است که غلظت کلرین درون بیوفیلم فقط 20% غلظت آن در مایع اطراف بیوفیلم می‌باشد. این یافته می‌تواند کاهش کارآیی فعالیت بیوسایدی کلرین را هنگامی که روی بیوفیلم‌هایی با جمعیت‌های متفاوت میکروبی استفاده می‌شود را توضیح بدهد.

منابع دیگر کلرین، نمک‌های اسید هیپوکلریک مثل سدیم هیپوکلریت[51] یا کلسیم هیپوکلریت[52] می‌باشند. عمل اینها مشابه با فرم گازی کلرین می‌باشد. کلرین دی‌اکساید[53] هم می‌تواند به صورت گازی مصرف شود اما نمی‌تواند تشکیل اسید هیپوکلریک بدهد. این بیوساید می‌تواند در سیستم‌های آب خنک کننده که دارای ناخالصی‌هایی مثل آمونیاک یا فنل هستند، استفاده شود. تحت این شرایط، کلرین دی‌اکساید ارزش و فایده‌ی مورد قبولی نسبت به دوزهای کلرین دارد؛ به دلیل این که میزان کمی از ClO2 توسط این ناخالصی‌ها مصرف می‌شود(49، 51، 89).

1-23-2-2- بروماین و مشتقات آن

ترکیبات بروم‌دار تولید اسید هیپوبرومو[54] می‌کنند. فعالیت بیوسایدی ترکیبات بروم‌دار نسبت به کلرین در یک دامنه‌ی pH وسیع می‌باشد. در 5/7=pH حدود 90% از اسید هیپوبرومو موجود است(فقط 50% در مورد اسید هیپوکلرو می‌باشد). میزان اسید هیپوبرومو هنگامی که pH به 7/8 می‌رسد حدود 50% می‌باشد(در مورد اسید هیپوکلرو 10% صادق است). علاوه بر این، یک فعالیت بیوسایدی بهتر در 5/7 < pH دارد. روش عمومی کاربردی ترکیبات بروم‌دار شامل استفاده از هیدانتوئین‌های بروم‌دار جامد می‌باشد. کارآیی بیوسایدی این ترکیبات علیه باکتری‌های پلانکتونیک و بیوفیلم با استفاده از برومو-کلرو-دی‌متیل هیدانتوئینتست شده است. این ترکیب در غلظت‌های پایین یک اثر بسیار خوب روی باکتری‌های پلانکتونیک و بیوفیلم دارد. بر خلاف کلرین، این ترکیب تحت تأثیر آمونیاک قرار نمی‌گیرد. در حقیقت، فعالیت بیوسایدی هیدانتوئین در حضور آمونیاک افزایش می‌یابد(89).

1-23-2-3- اوزون

در سال‌های اخیر، جنبه‌های محیطی مورد استفاده از یک بیوساید بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. به همین دلیل استفاده از ازون نسبت به دیگر بیوسایدها دارای مزایایی است که در زیر به آنها اشاره می‌شود:

1- قدرت اکسید کنندگی آن که این بیوساید را به طور زیادی علیه اکثر باکتری‌های موجود در سیستم‌های صنعتی حتی بیوفیلم‌ها مؤثر می‌سازد.

2- استفاده از غلظت پایین آن در سیستم‌های صنعتی

3- فعالیت بسیار کم آن علیه سطح فلزات که این مورد از نقطه نظر خوردگی بسیار با اهمیت می‌باشد.

4- داشتن خصوصیات ضد فلسی آن

عموماً دامنه‌ی غلظت آن بین mg/l 05/0-01/0 برای جلوگیری از تشکیل بیوفیلم بسیار مناسب است. با توجه به خصوصیات بالا و غلظت و قیمت مناسب، استفاده از این بیوساید بسیار با ارزش به نظر می‌رسد(51، 89).

1-23-2-4- پراکسید هیدروژن

این ترکیب نسبتاً پایدار و اقتصادی است. علاوه براین، این ترکیب به عنوان یک پایه‌ی اصلی در بسیاری از محصولات دارویی(مثل ضد عفونی کننده‌های پوست) در غلظت‌های بالای ppm 30000 مورد استفاده قرار می‌گیرد. در کاربرد، هنگامی که آب به مدت زیادی در تماس با سطح فلزات است از پراکسید با غلظت 50 و ppm 100 به عنوان عامل مناسب مهار رشد میکروب‌ها در سیستم استفاده می‌شود(83).

1-23-3- بیوسایدهای غیر اکسید کننده

این بیوسایدها می‌توانند نسبت به بیوسایدهای اکسید کننده به خاطر کنترل خوب باکتری‌ها، جلبک‌ها و قارچ‌ها بسیار مؤثرتر ‌باشند. علاوه بر این، این نوع از بیوسایدها مقاومت زیادی نسبت به pH دارند. به علاوه، یک ترکیب از بیوسایدهای اکسید کننده و غیر اکسید کننده برای کنترل رشد میکروب‌ها بسیار مناسب می‌باشد.

این گروه شامل بسیاری از ترکیبات شیمیایی مثل گلوتارآلدئید، اکرولین، ترکیبات آمونیوم چهار ظرفیتی، ایزوتیازولون‌ها و غیره می‌باشد. تنوع این ترکیبات قابل ملاحظه است. مشابه بعضی از بیوسایدهای اکسید کننده، بسیاری از این ترکیبات، سمی هستند و آنها می‌توانند اثرات متفاوتی روی محیط بگذارند. انتخاب محصول و بهترین شکل از کاربرد آنها بر اساس خصوصیات سیستم که باید تیمار شود، شرایط راه‌اندازی و شدت جریان و نوع مواد و ساختار آنها در سیستم می‌باشد.

1-23-3-1- گلوتارآلدئید

گلوتارآلدئید به عنوان یک ترکیب فعال با انواع شکل‌های متفاوت تجاری برای کنترل قارچ‌ها، جلبک‌ها و باکتری‌ها(شامل باکتری‌های احیاء کننده سولفات در بیوفیلم اکثر باکتری‌ها) به کار می‌رود. این ترکیب در طیف وسیعی از دما و pH فعال می‌باشد. گروه عاملی گلوتارآلدئید با ترکیبات اصلی پروتئین‌ها (مثل OH-، NH2-، COOH- و SH-)موجود در غشاء سلولی، دیواره‌ی سلولی و سیتوپلاسم واکنش می‌دهند. در حال حاضر، ماکزیمم غلظت گلوتارآلدئید با مجوز USEPA حدود PPM 50 می‌باشد.

گلوتارآلدئید در آب حل می‌شود و نیز قابل حل در روغن و نفت می‌باشد. فرمولاسیون بیوساید می‌تواند شامل آب، متانل، ایزوپروپانل و یا دیگر ترکیبات باشد. این الکل‌ها برای افزایش قدرت نفوذ گلوتارآلدئید برای اجتناب از جامد شدن آن در طول ذخیره‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. بعضی از محصولات یا تولیدات می‌توانند شامل %5-2 از ترکیبات آمونیوم چهار ظرفیتی باشند که این فعالیت بیوسایدی، آنها را تحت شرایط خاص افزایش می‌دهد.

گلوتارآلدئید ناسازگار با موادی با خاصیت قلیایی یا اسیدهای قوی می‌باشد. در عمل، آن با آمونیاک و موادی که شامل آمین هستند واکنش قوی می‌دهد. ترکیبات آمونیوم چهار ظرفیتی سازگار با گلوتارآلدئید هستند از این رو، بعضی محصولات این گروه در فرمولاسیون خود، آمین‌های دیگری دارند که می‌تواند از ناسازگاری این ترکیب جلوگیری کند. لذا، سفارش می‌شود که تست‌های سازگاری قبل از کاربرد بعضی ترکیبات انجام شود(1).

1-23-3-2- ترکیبات آمونیوم چهار ظرفیتی

این ترکیباتاز یک کلاس شامل ترکیبات کاتیونیک(باردار مثبت) که به عنوان بیوساید و مهار کننده‌ی خوردگی می باشند، تشکیل شده‌اند. به عنوان بیوساید، این ترکیبات بر روی سلول‌های میکروبی همانند دترجنت‌ها عمل می‌کنند و لیپیدها را حل کرده و بنابراین سبب کاهش در محتویات سلولی می‌شوند. خصوصیات دترجنتی این ترکیبات حفاظت بیشتری را در قبال تشکیل مواد پلی‌ساکاریدی در طول گسترش بیوفیلم اعمال می‌کند. بیوسایدهای حاوی این ترکیبات می‌توانند شامل افزودنی‌های متنوعی از جمله هیدروکسید پتاسیم، الکل،‌آب و غیره باشند. الکل و آب هر دو به عنوان رقیق کننده مورد استفاده قرار می‌گیرند. علاوه بر این، الکل خصوصیت بیوسایدی خاص و توانایی بالایی دارد.

به عنوان مهار کننده‌های خوردگی، این ترکیبات یک لایه‌ی محافظ بر روی بخش داخلی سیستم تیمار شده ایجاد می‌کنند. بنابراین، از در معرض قرار گرفتن این سطوح با عوامل اکسید کننده جلوگیری می‌کنند. از ترکیبات آمونیوم چهار ظرفیته به عنوان مهار کننده‌های خوردگی با تشکیل یک فیلم یا لایه‌ی محافظ برای کنترل و یا حتی جلوگیری از خوردگی میکروبی توسط مهار تشکیل بیوفیلم مورد آزمایش قرار گرفته‌اند. بعضی از فواید این ترکیبات شامل موارد زیر می‌باشد:

1- قیمت پایین آنها به واسطه‌ی غلظت پایین مواد شیمیایی مورد استفاده

2- دوز نسبتاً پایین آنها و کنترل محیطی آنها

3- عمل همزمان آنها به عنوان مهار کننده‌ی خوردگی و مهار اتصال باکتری‌ها

کاربرد اصلی این ترکیبات در سیستم‌های بسته(گردشی) و جدا کننده‌های گاز و مایع می‌باشد. این ترکیبات با عوامل اکسید کننده‌ی قوی مثل کلرین، پراکسیدها، کرومات‌ها و پرمنگنات‌ها ناسازگار هستند. اکثر این ترکیبات قابلیت تجزیه شدن به صورت زیستی را دارا هستند و نیاز به غیر فعال کننده‌های شیمیایی ندارند(51).

1-23-3-3- ایزوتیازولون‌ها

این محصولات شامل سولفور، نیتروژن و اکسیژن هستند و اینها بیوسایدهایی با عمل بسیار سریع برای مهار رشد، متابولیسم و گسترش بیوفیلم جلبک‌ها و باکتری‌ها هستند(12).

نشان داده شده است که بیوسایدهای ایزوتیازولون در کنترل باکتری‌های احیاء کننده سولفات تحت شرایط بی‌هوازی به تنهایی یا در ترکیب با دیگر بیوسایدها بسیار کارآمد هستند. قابل حل در آب هستند و در فرمولاسیون آنها کلر یا متیل نیز وجود دارد. این بیوسایدها دو مزیت دارند:

1) آنها می‌توانند در دامنه‌ی وسیعی از pH بدون کاهش در فعالیت‌شان مورد استفاده قرار بگیرند.

2) آنها با دیگر تیمار کننده‌های شیمیایی آب سازگار هستند.

تنها نقص آنها غیر فعال شدن آنها توسط H2S می‌باشد. در این صورت در محیط‌هایی که شامل سولفید هیدروژن می‌باشند کارآیی ندارند. در سیستم‌های خنک کننده‌ی آب و تزریق کننده‌ی آب، کارخانجات کاغذسازی و سیستم‌های آب فلزکاری کاربرد دارند. می‌توانند همراه با گلوتارآلدئید مورد استفاده قرار بگیرند(51).

جدول 1-6- انواع بیوساید ها

انواع بیوساید ها

اسامی بیوساید ها

موثر علیه

نوع فعالیت

بیوسایدهای اکسید کننده

کلرین

مؤثر علیه باکتری و جلبک

فعالیت وابسته به pH

کلرین دی‌اکساید

مؤثر علیه باکتری، جلبک و قارچ

فعالیت غیر وابسته به pH

برومین

مؤثر علیه باکتری، جلبک و قارچ

فعالیت در دامنه‌ی وسیعی از pH

ازون

مؤثر علیه باکتری و بیوفیلم

فعالیت وابسته به pH

هیدروژن پراکساید

مؤثر علیه باکتری و بیوفیلم

-

بیوسایدهای غیر اکسید کننده

MBT

مؤثر علیه باکتری‌ها

هیدرولیز در pH بالاتر از 8

ایزوتیازولون‌ها

مؤثر علیه باکتری، جلبک و بیوفیلم

عدم وابستگی به pH

QAC

مؤثر علیه باکتری، جلبک و بیوفیلم

به عنوان سورفکتانت

گلوتارآلدئید

مؤثر علیه باکتری، جلبک، قارچ و بیوفیلم

فعالیت در دامنه‌ی وسیعی از pH

 

1-24- مکانیسم‌های مقاومت باکتری‌ها در بیوفیلم به عوامل ضد میکروبی

1-24-1- جلوگیری از انتشار به درون بیوفیلم

به طور کلی باکتری‌های موجود در بیوفیلم نسبت به سلول‌های پلانکتونیک مقاومت زیادی در برابر عوامل ضد میکروبی دارند. انتشار به درون بیوفیلم ممکن است به وسیله‌ی شارژ یونی یا میان کنش‌های یونی بین گلیکوکالیکس و عوامل ضد میکروبی کاهش یابد، که این کاهش خود وابسته به ویسکوزیته‌ی گلیکوکالیکس و اندازه‌ی مولکول‌ها می‌باشد. گفته می‌شود که طبیعت پلی‌آنیونیک گلیکوکالیکس یک مرز یا سد برای انتشار عوامل ضد میکروبی کاتیونیک ایجاد می‌کند. در حقیقت، یک بیوفیلم با گلیکوکالیکس ضخیم باید به طور کامل با عوامل ضد میکروبی اشباع شود تا سلول‌ها کشته شوند. گلیکوکالیکس از طریق نگه داشتن سلول‌های بیوفیلم درکنار هم و یا متصل به سطوح در برابر عوامل ضد میکروبی مقاومت ایجاد می‌کند. از این رو، مدت زمان بسیار بیشتری نسبت به سلول‌های پلانکتونیک برای بیوساید باید صرف شود تا بتواند با سلول‌های درون بیوفیلم تماس پیدا کند. در واقع، گلیکوکالیکس به صورت یک رزین تبادلی عمل می‌کند و با بیوسایدها واکنش می‌دهد و آنها را خنثی می‌کند(59).

بنابراین، داروهای هیدروفیل با بار مثبت مثل آمینوگلیکوزیدها و پلی‌پپتیدها توسط گلیکوکالیکس مهار می‌شوند ولی β-لاکتام‌ها، کوئینولون‌ها و ماکرولیدها مهار نمی‌شوند. البته نسبت رشد پایین باکتری‌ها در بیوفیلم نیز می‌تواند یک عامل مقاومت باشد(47، 60).

1-24-2- مقاومت از طریق آنزیم

مقاومت به عوامل ضد میکروبی می‌تواند به واسطه‌ی آنزیم باشد که عوامل ضد باکتری را به شکل یا فرم غیر سمی آنها تبدیل می‌کند. این پدیده معمولاً از دید تجزیه‌ی زیستی[55] مورد بررسی قرار می‌گیرد(تجزیه‌ی زیستی آلوده کننده‌های سمی). گروهی از ترکیبات فنلی آروماتیک برای بسیاری از باکتری‌ها سمی هستند و بعضی از آنها به عنوان باکتریوساید مورد استفاده قرار می‌گیرند. این ترکیبات نیز می‌توانند توسط بعضی باکتری‌های خاص تجزیه شوند. یک مثال از مقاومت از طریق آنزیم، مقاومت به فلزات سنگین و فرمالدئید می‌باشد. فلزات سنگین مثل جیوه، آنتیموان، نیکل، کادمیوم و غیره می‌باشند. سم‌زدایی معمولاً از طریق احیاء آنزیمی کاتیون به فلز صورت می‌گیرد. بعضی از ژن‌های مقاومت به بعضی فلزات سنگین توسط پلاسمید حمل می‌شود و بعضی دیگر بر روی کروموزوم قرار دارند(37، 92).

1-24-3- واکنش خنثی‌سازی عوامل ضد میکروبی توسط بیوفیلم

در حقیقت، فعالیت هیدروفوبیسیته‌ی گلیکوکالیکس می‌تواند در جذب بیوسایدهایی مثل ترکیبات آمونیوم چهار ظرفیته اقدام کند و آنها را خنثی کند. همچنین مولکول‌ها و مواد آلی نیز تمایل زیادی برای اتصال به گلیکوکالیکس دارند. پس بیوسایدهایی با این ساختار در از بین بردن بیوفیلم زیاد موفق نیستند(43).

1-24-4- حالت متابولیک ارگانیسم‌ها در بیوفیلم

مقاومت به عوامل ضد میکروبی می‌تواند به میزان رشد پایین در بیوفیلم نیز مربوط باشد. شرایط فیزیولوژیکی سلول‌ها و محیط اطراف آنها می‌تواند منجر به تغییر حساسیت آنها به عوامل ضد میکروبی شود. ترکیب پوشش سلولی باکتری می‌تواند در پاسخ به کاهش مواد غذایی و غیره تغییر کند. بنابراین، تغییر خصوصیات انتشاری و مرزی پوشش نیز به نوبه‌ی خود تغییر می‌کند. در معرض قرار دادن باکتری با غلظت پایین از بیوساید می‌تواند منجر به سازش باکتری شود که نتیجتاً مقاومت آنها را سبب می‌شود. برای مثال در باکتری E. coli که تحت استرس‌هایی همچون گرما و یا UV قرار گرفته است یک سری پروتئین‌ها القاء می‌شوند که نسبت به هیدروژن پراکساید و UV مقاومت ایجاد می کنند. در حقیقت، می‌توان گفت که اکثر مقاومت‌ها حالت سازشی دارند و بعد از حذف عامل نیز از بین می‌روند. اگر بیوفیلم توسط عوامل ضد میکروبی تیمار شود سلول‌های نزدیک سطح بیوفیلم جایی که مواد غذایی بیشتر است، فعالیت تنفسی خود را از دست می‌دهند. از آنجایی که فعالیت تنفسی در اعماق بیوفیلم وجود دارد. این مورد اشاره به وضعیت فیزیولوژیکی ناهمگون سلول‌های درون بیوفیلم دارد(37).

1-24-5- سازش ژنتیکی

کاهش حساسیت بیوفیلم به وسیله‌ی سازش ژنتیکی نیازمند این است که حداقل بعضی از سلول‌ها در بیوفیلم یک فنوتیپ مقاوم و مجزا کسب کنند. انتقال ژن درون بیوفیلم و بین سلول‌ها می‌تواند سبب این مقاومت شود.

همچنین ساختار غشاء خارجی و وجود لیپوپلی‌ساکاریدها، فسفولیپیدها و پروتئین‌های خاص در آن و پمپ های جریانی و رفتارهای جمعی در مقاومت بیوفیلم به عوامل ضد میکروبی دخالت دارند(37).

1-25- اهداف و اهمیت این تحقیق

1- جداسازی و شناسایی باکتری های موجود در بیوفیلم

2- بررسی خصوصیات سطح سلول های پلانکتونیک و سلول های بیوفیلم و اتصال آن ها به سطوح

3- بررسی ساختار بیوفیلم ها توسط میکروسکوپ نوری و الکترونی و تشکیل آن ها( نیاز به تحقیقات بیشتر برای شناسایی ساختارهای متنوع در بیوفیلم ها)

4- بررسی اثر بیوساید های متنوع در غلظت های متفاوت روی بیوفیلم باکتری ها به منظور حذف آن و یا کشتن سلول های درون بیوفیلم از روش جدید میکروتیتر پلی

[1] . Biofilm

[2].single species

[3]. Fruiting bodies

[4]. Heterogeneity

[5]. Laminar

[6]. Turbulent

[7]. Extracellular polymeric substances

[8]. Colonic acid

[9]. Planktonic

[10]. Free-floating bacteria

[11]. Disinfectants

[12]. Plasmids

[13]. Conjugation

[14]. Toluene

[15]. Benzyl alcohol

[16]. Transformation

[17]. Quorum sensing

[18]. Rolling

[19]. Creeping

[20]. Aggregate

[21]. Reversible attachment

[22]. Irreversible attachment

[23]. Maturation

[24]. Detachment

[25]. Surface protein releasing enzyme(SPRE)

[26]. Alginate lyase

[27]. Syntrophism

[28]. Gliding motility

[29]. Mobile

[30]. Cellulolytic

[31]. Sulfate reducing bacteria

[32]. Surface material

[33]. Surface area

[34]. Smoothness

[35]. Flow velocity

[36]. Limited nutrients

[37]. Biocorrosion

[38]. Biofouling

[39]. Cleaning processes

[40]. Biocides

[41]. Coating

[42]. Catodic protection

[43]. Zoogloea

[44]. Corrosion problems

[45]. Deposite problems

[46]. Chlorine

[47]. Bromine

[48]. Isothiazolones

[49]. Quaternary ammonium compounds

[50]. Hypochlorous

[51]. NaOCl

[52]. Ca(OCl2)2

[53]. ClO2

[54]. Hypobromous

[55]. Biodegradation




یاهو مارکت چهارشنبه 15 آذر 1396 ساعت 17:00
0 نظر

مقاله : چرخه سوخت هسته اى و اجزاى تشکیل دهنده آن

مقاله : چرخه سوخت هسته اى و اجزاى تشکیل دهنده آن

مقاله : چرخه سوخت هسته اى و اجزاى تشکیل دهنده آن

انرژى هسته اى با توجه به ویژگى هاى حیرت انگیزش در آزادسازى حجم بالایى از انرژى در قبال از میان رفتن مقادیر ناچیزى از جرم، به عنوان جایگزین سوخت هاى پیرفسیلى که ناجوانمردانه در حال بلعیده شدن هستند، مطرح شده است. ایران نیز با وجود منابع گسترده نفت و گاز به دلیل کاربردهاى بهترى که سوخت هاى فسیلى نسبت به سوزانده شدن در کوره ها و براى تولید حرارت دارند، براى دستیابى به این نوع از انرژى تلاش هایى را از سال هاى دور داشته است و در سال هاى پس از انقلاب همواره مورد اتهام واقع شده که هدف اصلى اش نه فناورى صلح آمیز که رسیدن به فناورى تسلیحات هسته اى است.


در این گفتار پیش از آن که وارد مباحث متداول دیپلماتیک شویم نگاهى خواهیم انداخت به چرخه سوخت هسته اى و اجزاى تشکیل دهنده آن، همچنین مرز میان کاربرد صلح آمیز و تسلیحاتى را نشان خواهیم داد.چرخه سوخت هسته اى شامل مراحل استخراج، آسیاب،تبدیل، غنى سازى، ساخت سوخت باز تولید و راکتور هسته اى است و به یک معنا کشورى که در چرخه بالا به حد کاملى از خودکفایى و توسعه رسیده باشد با فناورى تولید سلاح هاى هسته اى فاصله چندانى ندارد.

 

** فرمت : word

** تعداد صفحات : 9




یاهو مارکت چهارشنبه 15 آذر 1396 ساعت 17:00
0 نظر

درج کامنت دلخواه برای تمام پستهای یک کاربر خاص با زبان C# با قابلیت اجرای روزانه (فیلم آموزشی همراه با سورس)

درج کامنت دلخواه برای تمام پستهای یک کاربر خاص با زبان C# با قابلیت اجرای روزانه (فیلم آموزشی همراه با سورس)

درج کامنت دلخواه برای تمام پستهای یک کاربر خاص با زبان C# با قابلیت اجرای روزانه (فیلم آموزشی همراه با سورس)

با این آموزش شما میتوانید سایت/ برنامه ای ایجاد نمایید که بصورت دوره ای یا روزانه برای پستهای یک کاربر خاص کامنتی را قرار دهد.

با دریافت پستهای کاربر شما خود میتوانید در برنامه نویسی بر اطلاعات کاربران تحلیل نیز داشته باشید




یاهو مارکت چهارشنبه 15 آذر 1396 ساعت 17:00
0 نظر

مبانی دستور زبان ترکی آذربایجانی

مبانی دستور زبان ترکی آذربایجانی

مبانی دستور زبان ترکی آذربایجانی

مبانی دستور زبان ترکی آذربایجانی


 کتاب کوچکی در 46 صفحه حاوی دستور زبان ترکی آذربایجانی می باشد زبان کتاب ساده و به زبان فارسی می باشد




یاهو مارکت دوشنبه 13 آذر 1396 ساعت 21:49
0 نظر

آذربایجان در گذرگاه

آذربایجان در گذرگاه

آذربایجان در گذرگاه

کتاب آذربایجان در گذرگاه تاریخ در 253 صفحه بکوشش دکتر حسین یحیایی تهیه شده است ،
در این کتاب ابتدا به زبان ترکی مردم آذربایجان از منظر زبانشناسی و سپس به حماسه دده قورقود اشاره می شود، و در این میان بطور مختصر تاریخ کهن آذربایجان بازگو می گردد، بعد از این گفتارها تاریخ جدید آذربایجان از دو سده به این طرف و بویژه بعد از دوران جنبش مشروطیت با تفصیلات بیشتری مورد بحث قرار می گیرد. تاریخ آذربایجان در دوران حرکت ملی آذربایجان به رهبری سید جعفر پیشه وری مطالب جامعی است که علاقه مندان می توانند در این کتاب بخوانند، حوادث بعد از سرکوبی حرکت آذربایجان بوسیله ارتش اشغالگر شاه پهلوی با دقت زیادی در این کتاب پیگیری شده است.
صحبتی با استاد فرزانه در مورد هویت آذربایجان مطلب ارزشمندی است که در ابتدای کتاب ارائه شده است.
شعری از حبیب ساهر در مورد 21 آذر و پیروزی نهضت آذربایجان که در این کتاب درج شده چنین است.
آذر آیی قونوب یوردا.
قیزیل گونش دوغور سحر.
قورتولوشدان، آزادلیقدان.
صبا یئلی وئردی خبر.
بدنبال شکست نهضت آذربایجان، این شعر را سرود.
گئجه میز قارانلیغا.
گؤزوموز سحرده دیر.
فلکدن اومود اوزوب.
آرزیمیز بو یئرده دیر.




یاهو مارکت دوشنبه 13 آذر 1396 ساعت 21:49
0 نظر