什么是生物膜？

牙菌斑是牙齿表面上的细菌积聚。（图片来源：Lighthunter | Shutterstock）

生物膜是一种或多种微生物的集体，可以在许多不同的表面上生长。形成生物膜的微生物包括细菌，，，，真菌和原生物。

生物膜的一个常见例子牙菌斑，在牙齿表面形成的细菌的黏糊糊。池塘浮渣是另一个例子。已经发现生物膜在矿物质和金属上生长。它们被发现在水下，地下和地面之上。它们可以在植物组织和动物组织以及植入的医疗设备（例如导管和起搏器）上生长。

这些不同的表面中的每一个都有一个共同的定义特征：它们是潮湿的。这些环境“定期或连续地用水充足”，根据2007年发表在微生物杂志上。生物膜在潮湿或湿的表面上壮成长。

生物膜已经在这种环境中建立了很长时间。根据一家2004年发表在《自然评论》杂志上。例如，在32亿年历史的深海热液岩石中发现了生物膜皮尔巴拉·克拉顿（Pilbara Craton）在澳大利亚。在水热环境（例如温泉和深海通风口）中发现了类似的生物膜。

这款绿棕色粘液在溪流中的岩石上发现，是由藻类组成的生物膜。（图片来源：USGS）

生物膜形成

可以说，生物膜的形成开始于自由浮动的微生物（如细菌）与适当的表面接触并开始缩下根。根据该物质产生一种称为细胞外聚合物物质（EPS）的粘糊糊物质（EPS）时，就会发生第一个附着的第一步。蒙大拿州立大学生物膜工程中心。 EPS是糖，蛋白质和核酸的网络（例如DNA）。它使生物膜中的微生物能够粘在一起。

依恋之后是一个增长期。微生物和EP的进一步层建立在第一层。最终，根据生物膜工程中心，它们创建了一个球形且复杂的3D结构。根据Microbe的文章，水通道纵横交错生物膜，并允许营养和废物的交换。

多种环境条件有助于确定生物膜生长的程度。这些因素还决定了它是仅由几层细胞制成的还是更明显的。 “这确实取决于生物膜，”罗宾·格拉赫（Robin Gerlach），蒙大拿州立大学 - 博兹曼化学与生物工程系教授。他说，例如，即使它们无法获得大量营养素，产生大量EP的微生物也可以生长到相当厚的生物膜中。另一方面，对于取决于氧气的微生物，可用的量可以限制它们的生长多少。另一个环境因素是“剪应力”的概念。 Gerlach解释说：“如果像在小溪中的生物膜上有很高的水流（水），那么生物膜通常相当薄。如果在缓慢流动的水中有生物膜，例如在池塘中，它会变得非常厚，” Gerlach解释说。

最后，生物膜内的细胞可以离开褶皱并在新表面上建立自己。一团细胞会破裂，或者单个细胞从生物膜中爆发出来，寻找新房屋。根据生物膜工程中心的说法，后一个过程被称为“播种分散”。

为什么要形成生物膜？

对于微生物，作为生物膜的一部分生活具有某些优势。 Gerlach告诉Live Science：“微生物社区通常更容易弹性。”潜在的压力源包括缺乏水，高或低pH值，或者存在对微生物（例如抗生素，抗菌或重金属）的物质。

有许多可能的生物膜的解释。例如，粘性的EP覆盖可以充当保护性障碍。它可以帮助防止脱水或充当抵抗紫外线（UV）光的盾牌。同样，当抗菌素，漂白剂或金属等有害物质与EPS接触时，它们会结合或中和。因此，根据2004年《自然评论》微生物学的一篇文章，它们在到达生物膜深处的各种细胞之前就被稀释至没有致命的浓度。

尽管如此，某些抗生素仍有可能穿透EPS并通过生物膜的层。在这里，可以发挥另一种保护性机制：存在生理上休眠的细菌的存在。为了好的工作，所有抗生素都需要一定程度的细胞活性。因此，如果细菌在生理上开始休眠，那么抗生素不会破坏太多。

对抗生素的保护方式是存在称为“持久”的特殊细菌细胞。这种细菌不分裂，并且对许多抗生素具有抗药性。根据2010年文章发表在《冷春港》生物学杂志上，通过产生阻止抗生素靶标的物质来发表“持久”功能。

一般而言，作为生物膜共同生活的微生物受益于其各种社区成员的存在。格拉赫列举了一个例子自养和异养微生物生物膜生活在一起。自养生，例如光合细菌或藻类，能够以有机（含有碳）材料的形式生产自己的食物，而异嗜性则无法产生自己的食物，并且需要外部碳源。他说：“在这些多生物社区中，他们经常跨饲料。”

生物膜和我们

鉴于我们遇到生物膜的各种环境，它们影响人类生活的许多方面也就不足为奇了。以下是一些例子。

扫描电子显微照片显示由白色念珠菌在由导管材料制备的血管内椎间盘上形成的生物膜。（图片来源：CDC）

健康与疾病

随着多年来研究的发展，生物膜（细菌和真菌）与多种健康状况有关。在2002年的电话中赠款申请美国国立卫生研究院（NIH）指出，生物膜“体内微生物感染的80％以上”。

生物膜可以在植入的医疗设备上生长，例如假体心脏瓣膜，关节假体，导管和起搏器。这反过来导致感染。该现象在1980年代首次被注意到，当时在静脉内导管和起搏器上发现细菌生物膜。还已知细菌生物膜引起感染性心内膜炎和患有囊性纤维化的肺炎，根据2004年《自然评论》微生物学的文章，除其他感染。

“生物膜形成是引起关注的重要原因的原因是，在生物膜内，细菌对抗生素和其他主要消毒剂的抗性更具耐药性，”您可以用来控制它们。”交流早晨，斯坦福大学的微生物学和免疫学教授。实际上，与自由浮动细菌相比，生物膜生长的人对抗生素以及其他生物学和化学剂的耐药性高达1,500倍。 Matin描述了生物膜耐药性，结合细菌中抗生素耐药性的总体增加是“双重鞭打”，是治疗感染的主要挑战。

真菌生物膜也会通过在植入的设备上生长引起感染。酵母属成员等物种念珠菌根据乳房植入物，起搏器和假肢心脏瓣膜生长2014年文章发表在《冷春港医学观点》杂志上。念珠菌物种也在人体组织上生长，导致疾病阴道炎（阴道炎症）和口咽念珠菌病（一种在口腔或喉咙中发育的酵母菌感染）。但是，作者指出，在这些情况下未显示耐药性。

生物修复

有时，生物膜很有用。 Gerlach说：“通常，生物修复是使用生物体或其产品（例如酶）来治疗或降解有害化合物。”他指出，生物膜用于处理废水，重金属污染物，例如铬酸盐，炸药，例如TNT和放射性物质，例如铀。他说：“微生物可以降解它们，也可以改变其流动性或毒性状态，从而使它们对环境和人类有害。”

硝化使用生物膜是废水处理的一种形式。在硝化过程中，氨转化为亚硝酸盐，并通过氧化。这可以通过自养细菌来完成，该细菌在塑料表面上以生物膜的生长2013年文章发表在《水研究》杂志上。这些塑料表面的大小仅几厘米，并且在整个水中分布。

爆炸性TNT（2,4,6-三位苯甲苯）被认为是土壤，地表水和地下水污染物。这TNT的化学结构由苯（由六个碳原子制成的六角形芳香环）组成，该环连接到三个硝基（否）₂）和一个甲基（CH₃）。微生物降低TNT减少，根据2007年发表在《应用和环境微生物学》杂志上。大多数微生物减少了三个硝基基团，而有些微生物则攻击芳香环。研究人员 - Ayrat Ziganshin，Robin Gerlach及其同事 - 发现酵母菌菌株yarrowia脂溶剂两种方法都能够通过两种方法降解TNT，尽管主要是通过攻击芳环。

微生物燃料电池

微生物燃料电池使用细菌将有机废物转化为电力。 Gerlach说，微生物生活在电极的表面上并将电子传递到其上，最终产生了电流。一个2011年文章在南加州大学的在线杂志Illumin发表，指出为微生物燃料电池供电的细菌分解了食物和身体废物。这提供了低成本的力量来源和清洁可持续能源。