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Planktonic cell yield is linked to biofilm development

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Abstract:

We report on the ability of surface-associated microbes to produce and release single planktonic cells to the bulk liquid as early as 6 h after attachment, with pure culture and mixed-species biofilms yielding up to ~1 × 106 cells/cm2 of attachment area per hour to the effluent after 24 h. Planktonic cell production typically increased as the biofilm developed and levelled off after the biofilm reached steady-state dimensions. Microscopic observations of continuous-flow cultured biofilms revealed independent cell movement within the biofilm microenvironment compared with flow-dependent movement of mostly single cells in the bulk-liquid phase. These results indicate that the prevailing concept of detachment occurring only after the biofilm has matured is incomplete. Instead, we show that biofilms yield cells to the environment soon after initial surface contact; the extent of this yield is dependent on biofilm development, which in turn is influenced by environmental parameters such as bulk-liquid flow rates and nutrient availability. The observation that biofilms yield significant numbers of cells throughout development should lead to a greater understanding of pathogen dissemination, biofouling of products or facilities, and the role that biofilms play in microbial proliferation in the environment.

Nous présentons des données sur la capacité qu’ont les microbes associés à la surface de produire et de libérer des cellules planctoniques individuelles dans la phase liquide en vrac aussi tôt que 6 h après d’adhérence, les biofilms constitués de cultures pures ou mixtes produisant jusqu’à ~1 × 106 cellules/cm2 de surface d’attachement par heure dans l’effluent après 24 h. Typiquement, la production de cellules planctoniques augmentait au fur et à mesure du développement du biofilm et atteignait un plateau lorsque le biofilm atteignait des dimensions stables. Les observations microscopiques des biofilms cultivés sous un flux continu ont révélé l’existence de mouvements cellulaires indépendants à l’intérieur du microenvironnement du biofilm, comparativement à un mouvement dépendant du flux chez la plupart des cellules individuelles dans la phase liquide en vrac. Ces résultats indiquent que le concept qui prévaut voulant que le détachement ne se produise que lorsque le biofilm atteint la maturité est incomplet. Nous démontrons plutôt que le biofilm libère des cellules dans l’environnement tôt après les contacts initiaux à la surface; le degré de libération est dépendant du développement du biofilm, lequel est à son tour influencé par les paramètres environnementaux,notamment le débit de la phase liquide en vrac et la disponibilité des nutriments. L’observation que les biofilms produisent un nombre significatif de cellules au cours de leur développement devrait nous permettre de mieux comprendre la dissémination des pathogènes, l’encrassement biologique de produits ou des équipements, ainsi que le rôle joué par les biofilms dans la prolifération microbienne dans l’environnement.

Document Type: Research Article

Publication date: October 1, 2009

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  • Published since 1954, this monthly journal contains new research in the field of microbiology including applied microbiology and biotechnology; microbial structure and function; fungi and other eucaryotic protists; infection and immunity; microbial ecology; physiology, metabolism and enzymology; and virology, genetics, and molecular biology. It also publishes review articles and notes on an occasional basis, contributed by recognized scientists worldwide.
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nrc/cjm/2009/00000055/00000010/art00008
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