生物薄膜

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生物薄膜,也称作“生物膜”或“菌膜”,是一些微生物细胞由自身产生的胞外多聚物基质(主要为多糖)所包围而形成,且附着在浸有液体的惰性或生物表面的,具有结构的群落。

重要性

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

生物膜中的细胞和游离细胞有很多不同点:

  • 生物膜中的细菌对抗生素过氧化氢或者去污剂的抗性比游离细胞高可达400倍。
  • 通过二维蛋白质电泳,发现生物膜中的细菌可能表达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

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。

生物膜的细胞可通过群体感应(quorum sensing)调整自身的生理状况。

形成

生物膜的形成有以下步骤:

  1. 细菌的可逆吸附(秒)
  2. 细菌的不可逆附着,改变被附着表面的特性,使其更易被附着(秒~分)
  3. 细菌的生长和分裂(小时~天)
  4. 胞外聚合物的产生,生物膜开始形成(小时~天)
  5. 其他生物在生物膜上的附着(天~月)

防止

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着(“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:

  • 加入群体感性中诱导物的相似物质从而抑制群体感应


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