وذ 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 پلاسمیدها12 در باکتری‌ها اثبات شده و انتقال ژن توسط کونجوگاسیون13 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 تولوئن14 و بنزیل الکل15 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 ترانسفورماسیون16 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 آستانه17 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 غلطیدن18 ،خزیدن19و تشکیل توده20 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 باکتر