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。
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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
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。空调中的嗜肺军团菌(Legionella pneumoniae)形成生物膜可导致军团病。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:
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
![Thumb](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4a/Biofilm.jpg/640px-Biofilm.jpg)
生物膜的形成有以下步骤[3](见右图):
- 初始附着期:细菌的可逆附着(秒)
- 不可逆附着期:细菌的不可逆附着,胞外聚合物(EPS)的产生,改变被附着表面的特性,使其更易被附着(秒~分)
- 成熟一期:细菌的生长和分裂,生物膜开始形成(小时~天)
- 成熟二期:生物膜厚度增加且菌落扩大(小时~天)
- 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,往外形成新的附着点(天~月)
特性
![Thumb](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/45/Thermophilic_bacteria.jpg/640px-Thermophilic_bacteria.jpg)
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:
- 加入群体感应中诱导物的相似物质从而抑制群体感应