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生物薄膜

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金黄色葡萄球菌生物膜,在留置导尿管中。

生物薄膜(英语:biofilm)又称生物幕[1]生物被膜生物膜菌膜,是黏附于特定载体上,无恒定结构的膜样微生物群落聚生体,集落复合体);此薄膜厚度小于1mm,通常介于100~200μm。会形成生物薄膜的微生物可为:细菌、真菌、藻类、原生动物和后生动物,其依靠自身产生的胞外聚合物吸附于外界环境表面(可为惰性表面或生物表面),并将其自身包绕其中,属一种微生物适应自然环境以利于生存的一种生命现象。

胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)是微生物本身制造具黏性和保护作用的高分子量细胞外基质[2],通常堆积在细胞的外围,主成分为多糖,另含纤维蛋白脂蛋白腐植酸核酸等生物有机成分。

重要性

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一个鱼缸的表面上的彩虹色生物薄膜。

生物膜在医学、工业和生态上都具有重要意义。

在医学中,人类大约65%的细菌性疾病有生物膜参与。如在口腔中,牙齿表面的生物膜可形成牙菌斑龋齿牙龈感染。生物膜也可导致器官移植后(如心脏起搏器)的感染。空调中的退伍军人菌Legionella pneumoniae)形成生物膜可导致退伍军人病绿脓杆菌Pseudomonas aeruginosa)在肺部感染的形成囊性纤维变性肺结核尿路感染呼吸道感染和大约25%的肾结石也是由生物膜造成的。

输油管道中形成的生物膜会严重影响管道输送能力。

特点

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生物膜中的细菌和游离细菌有很多不同点:

  • 生物膜中的细菌对抗生素过氧化氢或者去污剂的抗性可比游离细胞高400倍。
  • 透过二维蛋白质电泳,发现生物膜中的细菌可能高达40%和游离细胞不同的蛋白。
  • 生物膜中的细菌可以不分裂而维持生存(休眠)很长时间。
  • 生物膜中的生物合成更多的向外分泌的多糖,并进行不同的次级代谢
  • 生物膜中的细菌对外界环境条件改变(如pH、离子浓度、渗透压、黏度、营养、气体交换)作出的反应更迅速。

结构

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生物膜体积的90%由聚合物基质或水管道构成。生物膜具有结构而非均一,管道可用于生物膜内部的细菌交换物质。生物膜中,构成底层和表层的细菌种类和比例也不同。

生物膜的细胞可透过群体感应调整自身的生理状况。

形成

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生物薄膜的形成过程5个步骤。

生物膜的形成有以下步骤[3](见右图):

  1. 初始附著期:细菌的可逆附著(秒)
  2. 不可逆附著期:细菌的不可逆附著,胞外聚合物(EPS)的产生,改变被附著表面的特性,使其更易被附著(秒~分)
  3. 成熟一期:细菌的生长和分裂,生物膜开始形成(小时~天)
  4. 成熟二期:生物膜厚度增加且菌落扩大(小时~天)
  5. 散布期:菌落内部细菌过密,生物膜破裂释放细菌,进而扩散开来,往外形成新的附著点(天~月)

特性

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黄石国家公园的生物薄膜。最长的凸起垫子区域占有约半米长。
俄勒冈州米奇温泉英语Mickey Hot Springs流出的嗜热细菌生物薄膜,约20毫米厚。

生物薄膜通常发现于浸没在或暴露于水性溶液中的固体底物,尽管它们可以在液体表面形成浮动垫还可以在树叶片的表面上形成,特别是在高湿度的气候。如果有足够的增长资源,生物薄膜会迅速成长为宏观的(肉眼可见的)。生物薄膜可以包含许多不同种类的微生物,例如,含有细菌古菌原生动物真菌藻类;每组种类的微生物执行专业化的代谢功能。然而,一些微生物在特定条件下会形成单一物种的生物薄膜。生物膜内的社会结构(合作,竞争)高度依赖于存在的不同物种。[4]

防止

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为防止某些情况下的生物膜形成,有如下办法:

预防性:

  • 防止营养物沉积
  • 特殊的表面使细菌无法附著(“荷叶效应”)

物理方法:

  • 超声
  • 高电压
  • 磁场

化学方法:

  • 抗生素
  • 去污剂
  • 过氧化氢
  • 螯合剂(如EDTA

生物调控方法:

  • 加入群体感应中诱导物的相似物质从而抑制群体感应

参见

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参考文献

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  1. ^ 存档副本. [2023-07-09]. (原始内容存档于2023-07-09). 
  2. ^ 存档副本. [2021-05-29]. (原始内容存档于2021-07-23). 
  3. ^ Monroe D. Looking for chinks in the armor of bacterial biofilms. PLOS Biology. November 2007, 5 (11): e307. PMC 2071939可免费查阅. PMID 18001153. doi:10.1371/journal.pbio.0050307. 
  4. ^ Nadell, Carey D.; Xavier, Joao B.; Foster, Kevin R. The sociobiology of biofilms. FEMS Microbiology Reviews. 1 January 2009, 33 (1): 206–224. doi:10.1111/j.1574-6976.2008.00150.x.