影響生物膜形成的因素

摘要：從微生物的角度研究了生物供水系統(tǒng)中表面生物膜形成和時(shí)間序列：粘附、生長(zhǎng)、脫離、再次粘附。這個(gè)循環(huán)反復(fù)進(jìn)行，進(jìn)而形成一個(gè)穩(wěn)定的社區(qū)。這說(shuō)明管道壁上附著的生物膜大部分生長(zhǎng)過(guò)程呈現(xiàn)出類似的趨勢(shì)：微生物、固體顆粒，再生水中的有機(jī)物等物質(zhì)通過(guò)微生物分泌的粘性胞外聚合物（EPS）開(kāi)始粘附在管壁上，并不斷地吸附或者捕獲固體顆粒和微生物群落，附著的生物膜結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定。最初，生物膜內(nèi)的微生物數(shù)量較少，微生物分泌的EPS數(shù)量也較少，生物膜的粘附能力不強(qiáng)。隨后，生物膜內(nèi)的微生物數(shù)量和種類迅速增加，黏性分泌物增加，吸附固體顆粒物并合并微生物群形成生物膜，同時(shí)伴有生物膜的脫落，但這一階段生物膜的凈生長(zhǎng)量是增長(zhǎng)的。最后，隨著生物膜厚度的增加，生物膜達(dá)到極限厚度后，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在生物膜內(nèi)的傳遞變得更加地困難，導(dǎo)致生物膜內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度降低，這會(huì)導(dǎo)致微生物減少或死亡，一些附著的生物膜在外力（如水剪切力）的作用下也會(huì)脫落。

【中圖分類號(hào)】G644.5???????????? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A???????????? 【文章編號(hào)】2107-2306（2021）11--01

生物膜形成的過(guò)程中存在諸多因素會(huì)對(duì)其造成影響，如培養(yǎng)基，EPS，代謝產(chǎn)物、水剪切力等。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，變異鏈球菌在0.5%蔗糖中生長(zhǎng)得更快，而EPS在0.5%蔗糖中比1%蔗糖中生成地更少，這說(shuō)明生物膜中EPS的厚度與蔗糖濃度有關(guān)。生物膜形成過(guò)程中，隨著代謝產(chǎn)物水平的增加，生物膜的外觀會(huì)發(fā)生一定的改變，這表明生物膜基質(zhì)一定程度上依賴于營(yíng)養(yǎng)底物。

流體剪切力可以刺激生物膜脫離表面，生物膜所受的剪切力會(huì)影響其物理形態(tài)和行為表現(xiàn)。水剪切力在生物膜的形成、發(fā)展和分離中起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)剪切力較大時(shí)，有利于微生物間營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸和更新，同時(shí)，生物膜的更新速度也相對(duì)較快。由于微生物的初始粘附是可逆的，部分微生物會(huì)脫落，只留下一些在介質(zhì)表面粘附較牢固的微生物，從而形成表面大、厚度小的生物膜，生物膜被剝離的可能性較高。但剪切力的增加也會(huì)顯著刺激微生物的呼吸，促進(jìn)微生物的分解，產(chǎn)生了更多的能量，這些能量不會(huì)用于生長(zhǎng)，而是用于分泌更多的多糖。這樣看來(lái)，在較高流速下，基質(zhì)似乎附著地更牢固。多糖溶液將呈現(xiàn)流動(dòng)和彈性恢復(fù)，由于基質(zhì)的靈活性，它的形狀也會(huì)隨著施加的力而改變。當(dāng)剪切力較小時(shí)，物質(zhì)的遷移速度較慢，降低了微生物和生物膜中的顆粒碰撞粘附的概率，微生物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分供應(yīng)不足，這進(jìn)一步減少了附著在培養(yǎng)基表面微生物的數(shù)量。同時(shí)生物膜中的微生物分泌多糖能力較差，生物膜顆粒間的粘附性降低，導(dǎo)致生物膜結(jié)構(gòu)疏松、不穩(wěn)定、易脫落。有研究報(bào)告了生物膜剝離率與水剪切力之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)它與湍流和剪切力呈指數(shù)或線形正相關(guān)。

低頻超聲的頻率范圍在20kHz-1MHz，與高頻超聲相比，低頻超聲具有波長(zhǎng)長(zhǎng)、組織穿透能力強(qiáng)、對(duì)組織損傷小、聲能吸收小等特點(diǎn)。超聲在液體中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生正負(fù)交變的聲壓，通過(guò)振蕩氣泡周圍產(chǎn)生剪切力來(lái)破壞細(xì)菌生物膜。超聲波的空化作用也可增強(qiáng)細(xì)菌生物膜的通透性，促進(jìn)對(duì)抗生素的運(yùn)輸，使得抗生素能夠抵達(dá)生物膜內(nèi)部，進(jìn)一步殺死被EPS包裹著的細(xì)菌，達(dá)到從內(nèi)部瓦解生物膜結(jié)構(gòu)的效果。

基于上述特點(diǎn)，低頻超聲可用于促進(jìn)治療與細(xì)菌生物膜感染相關(guān)的疾病，還可用于超聲波潔牙。事實(shí)上，治療齲齒生物膜是具有挑戰(zhàn)性的，這些微生物通常嵌入具有粘彈性、保護(hù)性的胞外基質(zhì)（ECM）中，很難從表面清楚。許多研究結(jié)果顯示：?jiǎn)为?dú)使用超聲波滅菌的效果有限，且主要起輔助作用，若聯(lián)合抗生素使用可增強(qiáng)滅菌效果，且超聲聯(lián)合抗生素處理比單獨(dú)使用抗生素有更好的抗菌效果。

（2005年）用低頻低強(qiáng)度超聲（28.5kHz、500mw/cm2）聯(lián)合抗生素處理醫(yī)用植入物上的細(xì)菌生物膜48h后發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌生物膜幾乎被完全清除，而銅綠假單胞菌生物膜內(nèi)的活菌數(shù)量并未減少，他們認(rèn)為，其原因是由于銅綠假單胞菌外膜的抗?jié)B透性和穩(wěn)定性。生物膜的成熟度也影響抗生素抗生物膜的活性，成熟的生物膜耐藥性更強(qiáng)。用0.3W/cm2、42kHz超聲聯(lián)合載藥納米粒處理導(dǎo)管上白色念珠菌生物膜15min，連續(xù)治療7天后發(fā)現(xiàn)細(xì)胞外基質(zhì)變少或消失，生物膜基本被消除，表明低頻超聲聯(lián)合抗生素在體內(nèi)外具有協(xié)同抗菌作用，能夠顯著提高抗生素對(duì)白色念珠菌的抗菌效果。

一、結(jié)論和展望

在許多環(huán)境（工業(yè)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用等）中，生物膜的存在會(huì)造成很多危害。例如，在污水處理設(shè)施中，生物膜會(huì)導(dǎo)致金屬腐蝕，水質(zhì)降低。目前，對(duì)細(xì)菌生物膜感染的治療也十分棘手，因此尋求一種有效去除生物膜的方法非常有必要。

聲波在介質(zhì)中可產(chǎn)生眾多效應(yīng)，目前已知的效應(yīng)有熱效應(yīng)、空化效應(yīng)、聲流（聲致流體等等，也可能包含著未知效應(yīng)。當(dāng)生物組織成為聲波的介質(zhì)時(shí)，這些效應(yīng)都會(huì)對(duì)生物體，以及生物膜的形成產(chǎn)生影響。聲波產(chǎn)生的流體（聲致流體）可能影響EPS的分布，從而對(duì)細(xì)菌生物膜的形成過(guò)程產(chǎn)生影響，前面部分已詳細(xì)介紹了EPS在細(xì)菌生物膜的生長(zhǎng)過(guò)程中所扮演的重要角色。用不同劑量超聲照射大鼠皮膚組織后的組織病理學(xué)結(jié)果顯示，超聲輻照的安全閾值為0.3W/cm2，輻照時(shí)間15min，因此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)盡可能選取聲強(qiáng)小的超聲波，通過(guò)改變其他參數(shù)，以追求最佳的滅菌效果。

目前，EPS的許多方面仍有待解決，如EPS在抗殺菌劑中的作用，要充分了解其在生物處理過(guò)程中的確切作用還需要做很多工作。一種或多種微生物共同產(chǎn)生的EPS，導(dǎo)致時(shí)間、空間異質(zhì)性，這些都還沒(méi)被深入討論過(guò)。由于EPS非常復(fù)雜，關(guān)于EPS的知識(shí)還很不完整，EPS的建模似乎是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)，盡管這對(duì)預(yù)測(cè)和控制生物膜的形成過(guò)程非常有幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]EPS—Then and Now[J].Microorganisms，2016，4（4）：41.

[2]楊敏.低頻低強(qiáng)度超聲聯(lián)合載兩性霉素B納米粒對(duì)白念珠菌生物膜協(xié)同殺菌的實(shí)驗(yàn)研究[D].重慶醫(yī)科大學(xué).

作者簡(jiǎn)介：謝青青，女，1998年9月，湖北隨州，漢，在讀研究生，生物醫(yī)學(xué)工程