Application of scanning electron microscopy and IR spectroscopy for a timely evaluation of the morphology and chemical composition of bacterial films during batch cultivation

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Bacteria most commonly exist in nature in the form of bacterial biofilms, i.e. associations of cells attached to a substrate surrounded by a polymer matrix. Research into biofilm formation and functioning is fundamental to the management of microbial associations in ecology, biotechnology and medicine. This task requires the development of analytical approaches capable of providing timely information throughout the life cycle of microbial communities at the same time as maintaining their intact structure. In this paper, we apply scanning electron microscopy and IR spectroscopy as rapid methods for analysing microbial biofilms. To this end, the growth kinetics of a Bacillus subtilis culture cultivated on a solid substrate for 24 h was comparatively studied by the methods of classical microbiology and biochemistry, electron scanning microscopy and Fourier-transform IR spectroscopy. The biofilm morphology was found to vary from a uniform settlement of planktonic cells over the substrate surface at the initial stage of growth (6 h) followed by the accumulation of the extracellular matrix and the formation of microcolonies at the exponential and stationary stage (12–18 h) and a gradual depletion of the matrix at the stage of cell death (24 h). The results of IR spectroscopy were established to agree well with those of biochemical studies, thereby demonstrating the potential of the method for a timely evaluation of the accumulation of proteins, polysaccharides and nucleic acids and for obtaining information about their structural state in the studied biofilm. It is concluded that scanning electron microscopy and Fourier-transform IR spectroscopy can be used for obtaining complementary information about the morphology and chemical composition of microbial biofilms during their cultivation.

About the authors

D. A. Faizullin

Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics FRC KazSC RAS

Email: dfaizullin@mail.ru

A. V. Kobelev

Kazan National Research Technological University

Email: alexei-ksu@mail.ru

S. V. Klement’ev

Kazan National Research Technological University

Email: slava_klementev3715@mail.ru

A. S. Sirotkin

Kazan National Research Technological University

Email: asirotkin66@gmail.com

A. M. Rogov

Kazan Federal University

Email: alexeyrogov111@gmail.com

V. V. Salnikov

Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics FRC KazSC RAS

Email: vadim.salnikov.56@mail.ru

O. N. Makshakova

Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics FRC KazSC RAS

Email: omega12@inbox.ru

Yu. F. Zuev

Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics FRC KazSC RAS

Email: yufzuev@mail.ru

References

  1. Abed S. E., Ibnsouda S. K., Latrache H., Hamadi F. Scanning electron microscopy (SEM) and environmental SEM: suitable tools for study of adhesion stage and biofilm formation. IntechOpen, 2012. 830 p. https://doi.org/10.5772/34990.
  2. Preisner O., Lopes J. A., Guiomar R., Machado J., Menezes J. C. Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy in bacteriology: towards a reference method for bacteria discrimination // Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2007. Vol. 387, no. 5. P. 1739-1748. https://doi.org/10.1007/s00216-006-0851-1.
  3. Уткин Д. В., Куклев В. Е., Ерохин П. С., Осина Н. А. Применение методов спектроскопии для индикации и идентификации патогенных биологических агентов // Проблемы особо опасных инфекций. 2011. N 2. С. 68-71. https://doi.org/10.21055/0370-1069-2011-2(108)-68-71.
  4. Рой А. А., Курдиш И. К., Остапюк С. Н., Савельев Ю. В. Влияние условий культивирования Bacillus subtilis ИМВ B-7023 и его стрептомицинустойчивого мутанта на свойства поверхности этих бактерий // Мікробіологічний журнал. 2017. Т. 79. N 4. С. 12-20.
  5. Сунцова А. Ю., Гулиев Р. Р., Попов Д. А., Вострикова Т. Ю., Дубоделов Д. В., Щеголихин А. Н.. Идентификация микроорганизмов с помощью инфракрасных Фурье-спектров // Вестник Российского государственного медицинского университета. 2018. N 4. С. 57-65. https://doi.org/10.24075/vrgmu.2018.046.
  6. Rodriguez-Saona L. E., Khambaty F. M., Fry F. S., Dubois J., Calvey E. M. Detection and identification of bactеria in a juce matrix with Fourier transform-near infrared spectroscopy and multivariate analysis // Journal of Food Protection. 2004. Vol. 67, no. 11. P. 2555-2559. https://doi.org/10.4315/0362-028x-67.11.2555.
  7. Rebuffo C. A., Schmitt J., Wenning M., von Stetten F., Scherer S. Reliable and rapid identification of Listeria monocytogenes and Listeria species by artificial neural network-based Fourier transform infrared spectroscopy // Applied and Environmental Microbiology. 2006. Vol. 72, no. 2. P. 994-1000. https://doi.org/10.1128/AEM.72.2.994-1000.2006.
  8. Wenning M., Buchl N. R., Scherer S. Species and strain identification of lactic acid bacteria using FTIR spectroscopy and artificial neural networks // Journal of Biophotonics. 2010. Vol. 3, no. 8-9. P. 493-505. https://doi.org/10.1002/jbio.201000015.
  9. Ma W., Peng D., Walker S. L., Cao B., Gao C.-H., Huang Q., et al. Bacillus subtilis biofilm development in the presence of soil clay minerals and iron oxides // NPJ. Biofilms and Microbiomes. 2017. Vol. 3. Article number: 4. https://doi.org/10.1038/s41522-017-0013-6.
  10. Humbert F., Quilès F. In-situ study of early stages of biofilm formation under different environmental stresses by ATR-FTIR spectroscopy. In: Science against microbial pathogens: communicating current research and technological advances. Badajoz: Formatex Research Center, 2011. P. 889-895.
  11. Tugarova A. V., Scheludko A. V., Dyatlova Yu. A., Filip’echeva Yu. A., Kamnev A. A. FTIR spectroscopic study of biofilms formed by the rhizobacterium Azospirillum brasilense Sp245 and its mutant Azospirillum brasilense Sp245.1610 // Journal of Molecular Structure. 2017. Vol. 1140. P. 142-147. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2016.12.063.
  12. Кобелев А. В., Клементьев С. В., Вдовина Т. В., Сироткин А. С. Оценка активности внеклеточных лектинов бактерий в формировании агрегированных микробных форм // Бутлеровские сообщения. 2021. Т. 65. N 1. С. 105-113. https://doi.org/10.37952/ROI-jbc-01/21-65-1-105.
  13. Merritt J. H., Kadouri D. E., O’Toole G. A. Growing and analyzing static biofilms // Current Protocols in Microbiology. 2005. https://doi.org/10.1002/9780471729259.mc01b01.
  14. Хабибуллина А. Р., Вдовина Т. В., Кобелева Й. В., Сироткин А. С. Исследование процесса биологической дефосфотации модельных сред с использованием фосфатаккумулирующих бактерий // Вестник технологического университета. 2017. Т. 20. N 19. С. 131-133.
  15. Годовалов А. П., Карпунина Т. И. Определение компонентного состава биопленок грамположительных бактерий // Клиническая лабораторная диагностика. 2019. Т. 64. N 10. С. 632-634. https://doi.org/10.18821/0869-2084-2019-64-10-632-634.
  16. Nayak N., Nag T. C., Satpathy G., Ray S. B. Ultrastructural analysis of slime positive & slime negative Staphylococcus epidermidis isolates in infectious keratitis // Indian Journal of Medical Research. 2007. Vol. 125, no. 6. P. 767-771.
  17. Litvinov R. I., Faizullin D. A., Zuev Yu. F., Weisel J. W. The a-helix to β-sheet transition in stretched and compressed hydrated fibrin clots // Biophysical Journal. 2012. Vol. 103, no. 5. P. 1020-1027. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2012.07.046.
  18. Wang H., Ding S., Wang G., Xu X., Zhou G. In situ characterization and analysis of Salmonella biofilm formation under meat processing environments using a combined microscopic and spectroscopic approach // International Journal of Food Microbiology. 2013. Vol. 167, no. 3. P. 293-302. https://doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2013.10.005.
  19. Gieroba B., Krysa M., Wojtowicz K., Wiater A., Pleszczyńska M., Tomczyk M., et al. The FTIR and raman spectroscopies as tools for biofilm characterization created by cariogenic streptococci // International Journal of Molecular Sciences. 2020. Vol. 21, no. 1. P. 3811. https://doi.org/10.3390/ijms21113811.
  20. McCutcheon J., Southam G. Advanced biofilm staining techniques for TEM and SEM in geomicrobiology: Implications for visualizing EPS architecture, mineral nucleation, and microfossil generation // Chemical Geology. 2018. Vol. 498. P. 115-127. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2018.09.016.
  21. Ярец Ю. И., Шевченко Н. И. Новый метод анализа бактериальной биопленки // Наука и инновации. 2016. N 10. С. 64‒68.
  22. Клементьев С. В., Кобелев А. В., Сироткин А. С. О формировании клеточных агрегатов под действием бактериальных лектинов // Пищевые технологии и биотехнологии: материалы ХVII Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием, посвященная Году науки и технологий в Российской Федерации (г. Казань, 20-23 апреля 2021 г.). Казань: КНИТУ, 2021. С. 453-458.
  23. Branda S. S., Chu F., Kearns D. B., Losick R., Kolter R. A major protein component of the Bacillus subtilis biofilm matrix // Molecular Microbiology. 2006. Vol. 59, no. 4. P. 1229-1238. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.2005.05020.x.
  24. Epstein A. K., Pokroy B., Seminara A., Aizenberg J. Bacterial biofilm shows persistent resistance to liquid wetting and gas penetration // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2010. Vol. 108, no. 3. P. 995-1000. https://doi.org/10.1073/pnas.1011033108.
  25. Бисенова Г. Н., Торина А. К., Шегебаева А. А. Изучение динамики роста бактерий родов Bacillus и Pseudomonas при периодическом культивировании // Вестник науки Казахского агротехнического университета им. С. Сейфуллина. 2014. Т. 82. N 3. C. 3-9.
  26. Шарипова М. Р., Марданова А. М., Рудакова Н. Л., Пудова Д. С. Бистабильность и формирование матрикса биопленки как механизмы адаптации Bacillus subtilis в стационарной фазе // Микробиология. 2021. Т. 90. N 1. С. 24-42. https://doi.org/10.31857/S0026365620060178.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).