微生物的吸附及生物膜

三、微生物的吸附及生物膜

微生物的吸附及微生物生物膜(microbial biofilms)的形成是微生物的一种聚集性行为。微生物生物膜是众多微生物按一定结构功能组合起来的自然集合的互助式菌群(cooperative consortium)或微生物群落。微生物能独立游离存在，但存在于一个相互依存的生命系统(生物膜形式)则更加典型，更加普遍。在这个生命系统中每种微生物的功能是这个系统功能的一个组成部分，而各个部分的总汇则构成系统的总体功能。

图1-14　调控大肠杆菌趋化性应答的Che蛋白之间相互作用系统图

1.生物膜的基础

正如人类要组成社会一样，微生物也有自己的社会，这就是生物膜。微生物大多数以群体形式存在，生物膜和生物絮体是微生物存在的主要方式。生物絮体类似于生物膜，可以认为是悬浮的生物膜。生物膜的形式普遍存在，不但存在于自然环境，也存在于大多数其他生物无法栖居的极端环境中。微生物聚集性行为是微生物自身的一种基本特征。微生物是最简单的生命形式，生命脆弱，其比任何其他生物都更需要联合和集合。微生物细胞吸附的有机物，分泌的多聚物以及它们之间的信息交流都有助于它们的聚集倾向，而自发地形成一个群体性的聚集。微生物在漫长的进化历史中已经形成一系列的改变自己，适应环境的能力。微生物适应环境，占据一定的生态位，抵抗外部环境的压力，也需要聚集成为一个群体。微生物具有完成重要生态功能的能力，如自然有机物、环境污染物的降解和地球生物化学循环，这些都是极为复杂的生物化学过程，这就需要众多微生物的联合行为，一个个具体的生化反应构成完整的生化过程。微生物的相互作用是群落中微生物共存的基础。这种相互作用既有物质的循环、能量的流动，又有胞内与胞间的信息交流，既有互利互惠，又有拮抗寄生等。例如在把糖加入到产生甲烷的生物膜中(图1-15)，发酵菌分解糖成为有机酸，有机酸被氢产生菌利用产氢，氢再被氢利用菌转化成甲烷。在这个生物膜中除了上述三类细菌的相互作用外，在糖分解菌中也有不同的种类，也有代谢的相互作用，而且胞外和胞间的信息交流也是不可缺少的。

2.生物膜的形成

生物膜的形成是一个复杂的生理过程，始于细菌对表面的吸附，止于形成成熟稳定的生物膜，这个过程可以分为可逆吸附、不可逆吸附和形成成熟生物膜三个阶段，这个过程如图1-16所示。

在水体及空气中可以存在溶解性或颗粒性的各类不同源的有机物，有的是有机物的分解产物，有的是活生物体的分泌物，而有的则是死亡生物残体的分解产物，在固液、固气(潮湿)界面上，固体表面可以吸附有机物，从而形成一层可以滞留微生物的条件膜(conditioning film)。水流、沉降及微生物运动使它们接近固体表面而开始了可逆阶段。可逆吸附是一种短暂的物理化学吸附，是对表面最开始的吸附功能。疏水性、静电和范德华力对可逆吸附起重要作用，范德华力吸引一个物体到达固体表面，而疏水性和静电力的作用因细菌和固体表面的特性的不同可以使微生物被吸附到固体表面或受表面排斥。固体表面的条件膜具有促进微生物附着的作用，在特定情况下微生物和固体表面条件膜的接触是通过微生物的附属物(如菌毛、鞭毛、纤毛)实现的。可逆吸附于固体表面的微生物分泌的胞外多聚物把细胞锚住在固体表面就开始了不可逆吸附阶段。胞外多聚物形成的基质包裹着细胞，并形成一座连接到固体表面的化学桥，使更多的微生物可以融入这个系统。不可逆阶段使微生物定殖于固体表面，吸附细胞的不断生长增殖，液相及空气中悬浮细胞的沉积使已定殖的菌落不断增厚，而微生物生长又使相互隔离的菌落连接起来，以形成更大面积厚度不断增加的生物膜，这就是成熟的生物膜。

图1-15　一个产甲烷微生物群落的生态关系

图1-16　生物膜形成过程示意图

3.生物膜结构与功能

生物膜是多种微生物相互协调，相互作用的生物系统，这个系统是结构复杂、协调、功能完善的群落。现在用共焦扫描激光显微镜(CSLMconfocal scanning lasermicroscopes)已能对充分含水的样品进行直观的观察，揭示出生物膜的三维结构。固体表面的生物膜呈斑块分布，有多层结构，不同的生物膜都有一定水平的异质性。但总体上不管由单种或多种形成的生物膜都有大致相似的生物膜结构。生物膜由微菌落、胞外多聚物基质和间质空间(分隔基质的空隙)组成。微菌落被有序地包埋在多聚物中，周围又有大量空间作为通道。微菌落可由单种或多种成员所组成，其组成取决于完成生物化学过程所要求参与的微生物群落。其空间位置是有序的。例如有机物被厌氧降解成甲烷和CO₂这样一个群落水平的过程中，经历发酵、产酸、产H₂和产甲烷阶段，每一个阶段由多种同生群(guilds)所完成，而且它们在生物膜结构中的位置是有序的，产甲烷菌一般都位于氧化还原电位最低的厌氧位置。在纤维表面形成的降解纤维素生物膜也说明了这一点，具有降解纤维素能力的直接附在纤维表面，而利用其降解产物的则在其周围。胞外多聚物基质(主要是胞外多糖)是维系、固定微生物菌落的基质，这些基质在密度上是变化的。间质空间是生物膜结构的通道，利用颗粒追踪技术已经证明水流、营养物质和代谢产物可以通过这些通道，微电极原位测定证明生物膜内的氧可直达生物膜的固体表面，也发现降解甲苯的生物膜在其深部仍有降解活性。生物膜的结构特征主要取决于生物学过程，但也受到诸如表面、表面特征、营养可利用性和水力学等多种环境因素的制约。例如在咀嚼时牙齿表面由于受到高剪切作用，其生物膜(牙斑)是呈层和紧密的。水流的不同形式也对生物膜的存在形式产生影响，在层流、湍流水环境中的生物膜是拼缀的，层流条件下多为圆形，而湍流时多为长条形。

生物膜的结构与功能相辅相成，特别是微生物群落和功能之间是一种辩证的关系，有什么样的组成就表现出什么样的功能，而要求一定的功能必须由一定的群落来保证。许多研究结果都证明发酵细菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌共存于厌氧发酵反应的生物膜中。

4.生物膜的生态优势

游离分散的微生物个体聚集成一个集合体，可以产生单个微生物所没有的集合优势，这里称为生物膜的生态优势。这种优势包括:①生物膜中的胞外多糖(EPS)对生物膜内微生物群落的生理保护作用，一是基质作为一种离子交换树脂过滤限制周围物质扩散到生物膜内部，通过物理阻隔阻碍金属、有毒物质的进入。二是减缓各种环境压力，如UV射线、pH值变化、渗透压和干燥，并且具有更强的耐饥饿能力。三是保护来自原生动物的捕食。②提高营养物的可利用性和代谢上的协同性。生物膜群落中细菌的代谢特征明显不同于它们游离时的代谢特征。在一系列的严格的环境信号的作用下，不同种类的细菌占据不同的空间生态位，这个结构非常合理的生物膜就提供了代谢上协同作用的良好机会。生物膜中多种微生物菌群(microconsortia)是代谢上相互协同的生物相互作用形成的结果。也为各种生理类群落提供了明显的优势。它们的亲近促进了种间的基质交换和代谢产物的移去。例如在厌氧消化中复杂的有机降解成甲烷和CO₂的过程中至少需要三个同资源种团。发酵细菌开始代谢产生酸和醇，然后作为基质被产乙酸细菌利用，最后甲烷菌把乙酸、二氧化碳和氢转化成甲烷，并取得能量生长。非常有效的协作和相互依赖常见于生物膜中，实际上生物膜为共生生物的相互作用提供了一个理想的环境。③促进新遗传性状的产生。基因的水平转移对自然微生物群落的进化和遗传多样性是十分重要的。通过接合作用的基因(质粒)转移，由此使遗传信息弥散传播，生物膜中“束缚”紧密的邻居肯定有助于接合的发生。生物膜中基因转移可在不同的细菌中进行，同种细菌的基因可以通过病毒控制的转导来进行。④有助于对营养物的吸收，有利于生物的生长存活。生物膜截留的营养物可以提供给微生物。吸附和生物膜的形成可以看成是微生物的一种存活策略，生长在营养贫乏水流(高山溪流)所形成的生物膜特别能说明这一点。

5.生物膜与环境保护及人类健康

形成生物膜是微生物聚集特性的体现，自然环境中的大部分微生物都以生物膜的形式存在。生物膜对元素的地球生物化学循环、水体净化有十分重要的作用。污水处理、废气生物处理中降解污染物的微生物大多也以生物膜的形式存在。有时生物膜的存在也有有害的一面，生物膜在工业上使用的管线(或冷却塔、热交换路等)上的形成则降低流动和热交换能力，这样就要控制生物膜的生长。和游离细胞比较，生物膜有更强的对抗菌物质(抗生素、消毒剂)的抗性。降低这些药剂的效能是由于这些物质不能穿透胞外基质或改变吸附细胞的生理状态。控制饮用水供水系统生物膜的生长被认为是一个重要的问题，吸附细菌通过利用供水中存在的低浓度溶解性有机物(DOM)生长，生物膜可能携带机会病原体，这样就需要高剂量消毒剂来控制，高浓度消毒剂反过来又会造成公共健康和环境问题。

小　　结

1.生态系统是微生物表演的舞台，主要作为分解者在生态系统生物组成和维持生态功能方面占有重要地位，其重要作用主要表现为生态系统的初级生产者、有机物的主要分解者、物质循环的重要成员、物质和能量的储存者和生物演化中的先锋种类。

2.陆地生境对微生物来说是一个极其异质的适于生存的环境，土壤中的微生物具有与其生境条件相适应的存在状态、代谢状态、生理活性及生态分布，在其中的微生物种类极其多样，数量极其丰富。

3.从淡水水体的泉、河流、湖泊到咸水的海洋都存在着与其生境特征相适应的微生物，它们的数量、分布、活性和存在状态是生境对微生物的选择以及微生物自身适应的结果。

4.大气环境不适于微生物的生长和存活，但许多微生物很强的抗逆性和气溶胶的存在方式却使许多微生物可以顽强生存下去。多种环境因素都对它们的存活产生重要影响。

5.许多特殊生境下的微生物存在特定的适应机制，它们的存在对特殊生境可以产生重要的影响。

6.微生物在生境中的行为是微生物的存在和功能表达的前提条件，行为模式取决于环境条件和自身的生理特点，深入研究微生物的行为特点可为我们利用环境中的微生物提供理论指导。

思　考　题

1.从宏观和微观两个角度分析微生物在生态系统中的分布及其在维持生态系统功能中的重要作用。

2.决定土壤中微生物数量的主要生境因子是什么?

3.存在于土壤中微生物的特点有哪些?

4.湖泊是生态关系十分复杂的淡水水体，试分析湖泊水体中微生物和其他生物的重要相互关系。

5.试分析影响大气微生物存活的因素。

6.低营养环境中微生物的生理特点是什么?

7.如何提高微生物的迁移能力?