生物薄膜

此条目页的主题是一种由微生物形成的膜。关于细胞结构，请见“生物膜”。

生物薄膜（英语：biofilm）又称生物幕^[1]、生物被膜、生物膜、菌膜，是黏附于特定载体上，无恒定结构的膜样微生物群落（聚生体，集落复合体）；此薄膜厚度小于1mm，通常介于100~200μm。会形成生物薄膜的微生物可为：细菌、真菌、藻类、原生动物和后生动物，其依靠自身产生的胞外聚合物吸附于外界环境表面（可为惰性表面或生物表面），并将其自身包绕其中，属一种微生物适应自然环境以利于生存的一种生命现象。

金黄色葡萄球菌生物膜，在留置导尿管中。

胞外聚合物（extracellular polymeric substance，EPS）是微生物本身制造具黏性和保护作用的高分子量细胞外基质^[2]，通常堆积在细胞的外围，主成分为多糖，另含纤维蛋白、脂蛋白、腐植酸、核酸等生物有机成分。

重要性

一个鱼缸的表面上的彩虹色生物薄膜。

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、龋齿和牙龈感染。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

生物膜中的细菌和游离细菌有很多不同点：

• 生物膜中的细菌对抗生素、过氧化氢或者去污剂的抗性可比游离细胞高400倍。
• 透过二维蛋白质电泳，发现生物膜中的细菌可能高达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。

生物膜的细胞可透过群体感应调整自身的生理状况。

形成

生物薄膜的形成过程5个步骤。

生物膜的形成有以下步骤^[3]（见右图）：

1. 初始附著期：细菌的可逆附著（秒）
2. 不可逆附著期：细菌的不可逆附著，胞外聚合物（EPS）的产生，改变被附著表面的特性，使其更易被附著（秒~分）
3. 成熟一期：细菌的生长和分裂，生物膜开始形成（小时~天）
4. 成熟二期：生物膜厚度增加且菌落扩大（小时~天）
5. 散布期：菌落内部细菌过密，生物膜破裂释放细菌，进而扩散开来，往外形成新的附著点（天~月）

特性

在黄石国家公园的生物薄膜。最长的凸起垫子区域占有约半米长。

在俄勒冈州米奇温泉（英语：Mickey Hot Springs）流出的嗜热细菌生物薄膜，约20毫米厚。

生物薄膜通常发现于浸没在或暴露于水性溶液中的固体底物，尽管它们可以在液体表面形成浮动垫还可以在树叶片的表面上形成，特别是在高湿度的气候。如果有足够的增长资源，生物薄膜会迅速成长为宏观的（肉眼可见的）。生物薄膜可以包含许多不同种类的微生物，例如，含有细菌，古菌，原生动物，真菌和藻类；每组种类的微生物执行专业化的代谢功能。然而，一些微生物在特定条件下会形成单一物种的生物薄膜。生物膜内的社会结构（合作，竞争）高度依赖于存在的不同物种。^[4]

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著（“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：

• 加入群体感应中诱导物的相似物质从而抑制群体感应

参见

• 生物学主题
• 细胞生物学主题

参考文献

1. 存档副本. [2023-07-09]. （原始内容存档于2023-07-09）.
2. 存档副本. [2021-05-29]. （原始内容存档于2021-07-23）.
3. Monroe D. Looking for chinks in the armor of bacterial biofilms. PLOS Biology. November 2007, 5 (11): e307. PMC 2071939 . PMID 18001153. doi:10.1371/journal.pbio.0050307.
4. Nadell, Carey D.; Xavier, Joao B.; Foster, Kevin R. The sociobiology of biofilms. FEMS Microbiology Reviews. 1 January 2009, 33 (1): 206–224. doi:10.1111/j.1574-6976.2008.00150.x.