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中表面生物膜形成和時間序列：粘附、生長、脫離、再次粘附。這個循環反復進行，進而形成一個穩定的社區。這說明管道壁上附著的生物膜大部分生長過程呈現出類似的趨勢：微生物、固體顆粒，再生水中的有機物等物質通過微生物分泌的粘性胞外聚合物（EPS）開始粘附在管壁上，并不斷地吸附或者捕獲固體顆粒和微生物群落，附著的生物膜結構逐漸趨于穩定。最初，生物膜內的微生物數量較少，微生物分泌的EPS數量也較少，生物膜的粘附能力不強。隨后，生物膜內的微生物數量和種類迅速增加，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，同時伴有生物膜的脫落，但這一階段生物膜的凈生長量是增長的。最后，隨著生物膜厚度的增加，生物膜達到極限厚度后，營養物質在生物膜內的傳遞變得更加地困難，導致生物膜內營養物質濃度降低，這會導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）的作用下也會脫落。

【中圖分類號】G644.5???????????? 【文獻標識碼】A???????????? 【文章編號】2107-2306（2021）11--01

生物膜形成的過程中存在諸多因素會對其造成影響，如培養基，EPS，代謝產物、水剪切力等。實驗研究發現，變異鏈球菌在0.5%蔗糖中生長得更快，而EPS在0.5%蔗糖中比1%蔗糖中生成地更少，這說明生物膜中EPS的厚度與蔗糖濃度有關。生物膜形成過程中，隨著代謝產物水平的增加，生物膜的外觀會發生一定的改變，這表明生物膜基質一定程度上依賴于營養底物。

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影響其物理形態和行為表現。水剪切力在生物膜的形成、發展和分離中起著至關重要的作用。當剪切力較大時，有利于微生物間營養物質的運輸和更新，同時，生物膜的更新速度也相對較快。由于微生物的初始粘附是可逆的，部分微生物會脫落，只留下一些在介質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顯著刺激微生物的呼吸，促進微生物的分解，產生了更多的能量，這些能量不會用于生長，而是用于分泌更多的多糖。這樣看來，在較高流速下，基質似乎附著地更牢固。多糖溶液將呈現流動和彈性恢復，由于基質的靈活性，它的形狀也會隨著施加的力而改變。當剪切力較小時，物質的遷移速度較慢，降低了微生物和生物膜中的顆粒碰撞粘附的概率，微生物生長所需養分供應不足，這進一步減少了附著在培養基表面微生物的數量。同時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，導致生物膜結構疏松、不穩定、易脫落。有研究報告了生物膜剝離率與水剪切力之間的相關性，發現它與湍流和剪切力呈指數或線形正相關。

低頻超聲的頻率范圍在20kHz-1MHz，與高頻超聲相比，低頻超聲具有波長長、組織穿透能力強、對組織損傷小、聲能吸收小等特點。超聲在液體中傳播時會產生正負交變的聲壓，通過振蕩氣泡周圍產生剪切力來破壞細菌生物膜。超聲波的空化作用也可增強細菌生物膜的通透性，促進對抗生素的運輸，使得抗生素能夠抵達生物膜內部，進一步殺死被EPS包裹著的細菌，達到從內部瓦解生物膜結構的效果。

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

（2005年）用低頻低強度超聲（28.5kHz、500mw/cm2）聯合抗生素處理醫用植入物上的細菌生物膜48h后發現，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的活菌數量并未減少，他們認為，其原因是由于銅綠假單胞菌外膜的抗滲透性和穩定性。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。用0.3W/cm2、42kHz超聲聯合載藥納米粒處理導管上白色念珠菌生物膜15min，連續治療7天后發現細胞外基質變少或消失，生物膜基本被消除，表明低頻超聲聯合抗生素在體內外具有協同抗菌作用，能夠顯著提高抗生素對白色念珠菌的抗菌效果。

一、結論和展望

在許多環境（工業和醫學應用等）中，生物膜的存在會造成很多危害。例如，在污水處理設施中，生物膜會導致金屬腐蝕，水質降低。目前，對細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。

聲波在介質中可產生眾多效應，目前已知的效應有熱效應、空化效應、聲流（聲致流體等等，也可能包含著未知效應。當生物組織成為聲波的介質時，這些效應都會對生物體，以及生物膜的形成產生影響。聲波產生的流體（聲致流體）可能影響EPS的分布，從而對細菌生物膜的形成過程產生影響，前面部分已詳細介紹了EPS在細菌生物膜的生長過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結果顯示，超聲輻照的安全閾值為0.3W/cm2，輻照時間15min，因此實驗過程中應盡可能選取聲強小的超聲波，通過改變其他參數，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生的EPS，導致時間、空間異質性，這些都還沒被深入討論過。由于EPS非常復雜，關于EPS的知識還很不完整，EPS的建模似乎是一項不可能完成的任務，盡管這對預測和控制生物膜的形成過程非常有幫助。

參考文獻：

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

[2]楊敏.低頻低強度超聲聯合載兩性霉素B納米粒對白念珠菌生物膜協同殺菌的實驗研究[D].重慶醫科大學.

作者簡介：謝青青，女，1998年9月，湖北隨州，漢，在讀研究生，生物醫學工程