食源性致病菌生物被膜的形成及危害研究進展

韓喬 劉悅 潘路路

摘 要：在食品加工過程中，食源性致病菌常常以生物被膜（Biofilm，BF）的生長形態(tài)存活在食品或加工器械表面，使其具有更強的致病性、感染性和耐藥性，從而引發(fā)潛在的食品安全問題，威脅人類健康。本文系統(tǒng)闡述了食源性致病菌BF形成的3個階段，即黏附階段（包括可逆黏附和不可逆黏附）、成熟階段、解體與傳播階段。此外，本文總結(jié)了食源性致病菌BF對食品的危害，旨在為食源性致病菌BF的相關(guān)研究提供一定的理論參考，對食品工業(yè)的安全發(fā)展具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：食源性致病菌；生物被膜；形成；危害

Abstract： In food processing， foodborne pathogens often survive on the surface of food or processing devices in the form of biofilms （BF）， making them more pathogenic， infectious， and resistant， causing potential food safety hazards and threatening human health. This article systematically expounds the three stages of BF formation in foodborne pathogens： adhesion stage （including reversible and irreversible adhesion）， mature stage and exfoliation stage. In addition， this article also summarizes the harm of BF formed by foodborne pathogens to food， aiming to provide a theoretical reference for the related research on BF formed by foodborne pathogens， which has important significance for the safe development of the food industry.

Keywords： foodborne pathogens; biofilm; formation; hazard

食源性致病菌是指以食物為載體進行傳播感染，造成人們食物中毒的一大類細菌。近年來，由于食源性致病菌造成的食品污染問題越來越嚴重。據(jù)統(tǒng)計，全球每年約有65%的食源性疾病是由食源性致病菌形成生物被膜（Biofilm，BF）引起的[1-3]。BF最早是由列文虎克于1676年在牙斑菌中觀察到的，但直到1978年COSTERTON等[4-5]才首次提出細菌BF的相關(guān)理論。在食品加工過程中，食源性致病菌易通過蛋白黏附在食品或食品加工器械表面，分泌大量的胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS），形成復(fù)雜、穩(wěn)固的BF。本文闡述并總結(jié)了近年來國內(nèi)外食源性致病菌BF的形成過程和對食品的危害，旨在對為食源性致病菌BF的相關(guān)研究提供一定的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用依據(jù)。

1 食源性致病菌BF的形成過程

BF的生長繁殖過程是一個動態(tài)、循環(huán)的形成過程，目前普遍被認為有3個主要階段，即黏附階段（包括可逆黏附階段和不可逆黏附階段）、BF成熟階段和BF解體與傳播階段[3]。

1.1 黏附階段

食源性致病菌接觸表面后，常常會通過表面特定的某些粘素蛋白特異性識別食品或加工器械表面而黏附，該過程具有特異性和選擇性，包括可逆黏附和不可逆黏附兩個階段。在可逆黏附階段，影響其黏附力的主要有范德華力和疏水相互作用等，此階段的被膜容易除去；之后在不可逆黏附階段，細菌主要通過其鞭毛、菌毛等運動器官實現(xiàn)黏附作用，除去此階段的BF則需較強的作用力（擦洗、打碎等）[6]。在黏附階段，細菌黏附的程度主要是受到宿主基質(zhì)表面具有的粗糙度、疏水性和細胞表面的組成成分等這些因素的影響[7]。通常，食源性致病菌更傾向于黏附在具有較大的表面粗糙度和較強的疏水性的基質(zhì)上。然而，在一些具有非極性位點的細胞表面聚合物的食源性致病菌更傾向于具有疏水性的接觸表面，EPS和脂多糖更傾向黏附于具有親水性的接觸表面。此外，黏附力也受到外界條件的影響，包括流體動力的類型（如層流和湍流）、流體的流速和所提供的營養(yǎng)條件等。綜上所述，在可逆性黏附階段的BF較容易受到弱外力的作用進行沖洗清除；隨著黏附力的增加，在不可逆黏附階段的BF則需要較強的作用力才能去除黏附的細菌[3]。

此外，c-di-GMP和AI-2信號分子在初始黏附階段發(fā)揮著重要作用[8]。食源性致病菌會通過c-di-GMP和AI-2的合成與累積，調(diào)節(jié)一系列級聯(lián)反應(yīng)，從而調(diào)控食源性致病菌的運動性、黏附力等。研究發(fā)現(xiàn)，食源性致病菌群體感應(yīng)QS中某些特定蛋白可促進自動誘導(dǎo)劑的合成和識別作用，且和AHL結(jié)合后可激活下游基因的表達，從而調(diào)控細菌抵抗外界不利環(huán)境[8]。

在食源性致病菌黏附階段，一些蛋白基因也對細菌的黏附和細胞的聚集有明顯的調(diào)控作用，如木糖表面蛋白A（SxsA），可賦予細胞聚集、粘附于非生物表面和促進BF的形成。也有研究表明，在BF初始黏附過程中，益生元和合生元會降低細菌的黏附和BF的形成[9]。

1.2 成熟階段

食源性致病菌首先在黏附階段識別接觸表面后進行黏附生長，逐漸聚集形成小菌落，激活蛋白調(diào)控基因表達。同時食源性致病菌會在初始粘附位點大量繁殖，分泌大量的EPS，然后將黏附細胞包裹其中，形成微生物群落。EPS主要由細胞外多糖、蛋白質(zhì)、細胞外DNA（eDNA）及其底物組成，食源性致病菌可通過這種基質(zhì)促進食品表面的粘附并將其細胞凝結(jié)在一起，填充細菌之間的空間，從而產(chǎn)生一定的機械性、聚集性和穩(wěn)定性。由于這種穩(wěn)定性，BF中的食源性致病菌具有更強的存活力和抵抗性。

在BF的形成過程中，EPS在細胞間的交流和穩(wěn)固結(jié)構(gòu)的形成有非常重要的作用。細胞與接觸表面及其他細胞之間的信號傳遞主要通過EPS進行交流，從而形成具有高度有組織的成熟BF[3]。其表現(xiàn)出各種各樣的形態(tài)特征，光滑、平坦、粗糙、蓬松或絲狀，甚至可形成蘑菇狀的團塊。BF進入成熟前期，其代謝增加，運動能力減弱，轉(zhuǎn)運蛋白編碼基因上調(diào)，EPS分泌增加；BF中的食源性致病菌被包裹在EPS的基質(zhì)中。研究表明，食源性致病菌形成的最大生物BF量和三維立體結(jié)構(gòu)，在一定程度上會受到水流體動力條件和營養(yǎng)物質(zhì)的影響[10-11]。此階段，食源性致病菌已形成成熟穩(wěn)固的BF，普通條件下的外力作用不會破壞BF，甚至對常用的一些抗生素、殺菌劑等也有很強的抵抗性。

1.3 解體與傳播階段

BF成熟之后，外部有一層厚厚的保護層，在保護自身的同時也限制了營養(yǎng)物質(zhì)的運輸，使內(nèi)部的營養(yǎng)不斷消耗；同時細菌的代謝減弱，EPS的降解速率大于生成速率，寡肽轉(zhuǎn)運蛋白基因下調(diào)，耐藥性增加[8]；這個階段的部分細胞會受到營養(yǎng)條件等的影響，逐漸從BF上脫離并釋放到周圍環(huán)境中，BF就開始降解脫落。同時，一些細胞也會引發(fā)主動從BF內(nèi)脫落[12]，或者通過外力的作用使大量細胞碰撞，造成BF以團狀的形式被侵蝕、剪切或去除進行被動脫離。最后，這些脫落釋放的細胞仍可重新黏著到接觸表面上形成新的BF[13-14]。

2 食源性致病菌BF對食品的危害

在食品加工過程中，大部分食源性致病菌都可通過黏附蛋白特異性識別食品或加工設(shè)備接觸表面，結(jié)合信號分子促進EPS的分泌和細胞的聚集，逐漸形成成熟的BF。在BF形成過程中，下游基因被激活從而加劇外界不利環(huán)境對BF的破壞。這樣不僅增大了食品工業(yè)中清洗和消毒的難度，而且會對加工器械和待加工食品造成嚴重污染。目前單增李斯特菌、弧菌和葡萄球菌等都已經(jīng)在海產(chǎn)品的加工設(shè)備表面發(fā)現(xiàn)并分離獲取，且發(fā)現(xiàn)這些細菌在經(jīng)過消毒劑的處理后仍然可以存活殺滅[15-17]。此外，食源性致病菌BF的形成對BF菌本身具有很強的耐藥性。研究發(fā)現(xiàn)BF內(nèi)部細菌對抗生素的耐藥性會比浮游狀態(tài)的細菌耐藥性提高10～1 000倍，且為細菌提供了耐藥基因突變轉(zhuǎn)移的機會，增加了食源性致病菌的耐藥風(fēng)險[18-20]。

食源性致病菌BF會造成食品的交叉污染，給食品安全帶來嚴重的危害；給人類的健康帶來潛在的威脅；給社會造成重大的經(jīng)濟損失。因此，目前對食源性致病菌BF的形成和控制研究非常重要，對保障食品安全有重要的意義。

3 結(jié)語

本文系統(tǒng)地闡述了食源性致病菌BF的動態(tài)形成機制。在食品加工過程中，食源性致病菌接觸表面后通過蛋白識別宿主，在一定的作用力條件下會從不穩(wěn)定的可逆黏附過渡到牢固的不可逆黏附階段；分泌大量胞外聚合物EPS，形成三維立體、穩(wěn)固的成熟BF；由于受到營養(yǎng)及細菌自身條件等的影響，BF會發(fā)生降解脫落，脫落的BF菌會再次在一定的條件下形成新的BF。此外，本文總結(jié)了食源性致病菌BF對食品的危害，為控制食源性致病菌BF造成的食品污染奠定了理論基礎(chǔ)，有助于BF控制技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。

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