生物膜科学：了解其形成、影响和控制

生物膜在自然界中无处不在，几乎存在于任何有水分的环境中。从你牙齿上的牙菌斑到溪流中覆盖岩石的黏液，生物膜代表了一种复杂且高度组织化的微生物生命形式。了解生物膜的科学对于应对各种挑战至关重要，从医疗感染到工业生物腐蚀。

什么是生物膜？

最简单的说，生物膜是微生物群落——通常是细菌，但也包括真菌、藻类和原生动物——附着在表面并包裹在自身产生的细胞外聚合物（EPS）基质中。这种EPS基质，通常被称为“黏液”，提供结构支撑，保护微生物免受环境压力，并促进群落内的交流和营养交换。

与浮游（自由漂浮）细菌不同，生物膜细菌表现出表型改变，包括对抗菌素和消毒剂的耐药性增加。这种耐药性使得生物膜特别难以根除。

生物膜形成的阶段

生物膜的形成是一个动态过程，涉及几个不同的阶段：

1. 附着

该过程始于浮游微生物最初附着在表面上。这种附着可能受到多种因素的影响，例如表面的材料、电荷和疏水性，以及环境条件（例如，营养物质的供应、温度和pH值）。

2. 不可逆的附着

最初，附着通常是可逆的。然而，随着微生物开始产生EPS，附着变得更强，也更不容易脱落。这种转变对生物膜的发育至关重要。

3. 成熟

一旦牢固附着，微生物就会增殖并产生越来越多的EPS。这导致形成一个复杂的、三维的结构，其中包含通道和空隙，允许营养物质的运输和废物的清除。生物膜的结构可能因所涉及的微生物种类和环境条件而异。

4. 分散

生物膜不是静态的实体。微生物可以从生物膜上脱落并分散到新的表面上定殖。这种分散可以通过各种机制发生，包括细胞脱落、EPS基质的酶促降解，或响应环境线索的主动分散。

EPS基质：生物膜的核心

EPS基质是多糖、蛋白质、核酸和脂质的复杂混合物。其组成因微生物种类和环境条件而异。EPS基质发挥着几个关键作用：

保护：EPS基质充当屏障，保护微生物免受脱水、紫外线辐射、免疫细胞的吞噬，以及抗生素和消毒剂的渗透。
粘附：EPS基质介导与表面的附着，并为生物膜提供结构支撑。
营养保留：EPS基质可以保留营养物质和水分，为生物膜内的微生物提供储存库。
交流：EPS基质促进生物膜内微生物之间的交流，从而实现协调行为和基因表达。

群体感应：生物膜中的微生物交流

群体感应是一种细胞间通讯机制，许多细菌使用这种机制来协调其对种群密度的反应。细菌产生并释放称为自诱导物的信号分子。随着种群密度的增加，自诱导物的浓度上升，触发一系列基因表达变化，这些变化会影响生物膜形成的各个方面，包括EPS的产生、运动性和毒力。

群体感应使细菌能够以协调的方式行动，就像一个多细胞生物体。这种协调行为对于生物膜的发育和生存至关重要。

生物膜的影响：一把双刃剑

生物膜具有有益和有害的影响，具体取决于情况。

有益的生物膜

生物修复：生物膜可用于从环境中去除污染物，例如重金属和有机污染物。例如，生物膜用于废水处理厂中分解有机物。
工业生物技术：生物膜可用于生产有价值的化学品和生物燃料。生物膜反应器比传统的发酵工艺具有优势，例如更高的细胞密度和更高的生产力。
植物生长促进：某些生物膜可以通过固定氮、溶解磷酸盐或保护植物免受病原体的侵害来促进植物生长。这些生物膜与可持续农业特别相关。
人类健康：虽然通常与负面影响相关，但生物膜也可以在肠道微生物组中发挥保护作用，促进消化和免疫系统发育。正在探索特定的益生菌生物膜的健康益处。

有害的生物膜

医疗感染：生物膜是慢性感染的主要原因，包括尿路感染、伤口感染、与器械相关的感染（例如，导管、植入物）以及与囊性纤维化相关的感染。由于生物膜细菌对抗生素的耐药性增加，生物膜感染通常难以治疗。
工业生物污损：生物膜会导致生物污损，即在工业环境中表面上积累不需要的微生物。生物污损会导致换热器的效率降低、管道腐蚀以及船舶船体阻力增加，从而导致重大的经济损失。受影响的行业包括航运、发电和石油天然气。
生物腐蚀：某些微生物可以通过称为生物腐蚀的过程加速金属的腐蚀。生物膜可以创造促进电化学反应的局部环境，导致金属结构的降解。这是管道、储罐和其他基础设施中的一个主要问题。
食物变质：生物膜会形成在食品加工设备上，导致食物变质和污染。这给公众健康带来了重大风险，并可能导致食品行业的经济损失。
牙菌斑：牙菌斑是牙齿上形成的一种生物膜。它是牙齿龋齿（蛀牙）和牙周病（牙龈疾病）的主要原因。

生物膜在医学中的应用：一个持续的挑战

与生物膜相关的感染对现代医学提出了重大挑战。生物膜可以形成在医疗器械上，例如导管、植入物和假体关节，为细菌提供一个受保护的生态位，从而定殖并引起感染。这些感染通常难以诊断和治疗，需要长期抗生素治疗，在某些情况下，需要移除受感染的器械。

生物膜细菌对抗生素的耐药性增加是一个主要问题。几种机制促成了这种耐药性，包括：

抗生素的渗透有限：EPS基质会阻碍抗生素的渗透，阻止它们到达生物膜内的细菌。
代谢活性改变：生物膜内的细菌通常表现出降低的代谢活性，这使得它们不易受到针对活跃生长细胞的抗生素的影响。
持久细胞：生物膜包含一小部分细胞，称为持久细胞，它们处于代谢休眠状态，并且对抗生素具有高度耐药性。这些持久细胞可以在抗生素治疗后存活下来，并在移除抗生素后重新填充生物膜。
水平基因转移：生物膜可以促进水平基因转移，即细菌之间遗传物质的转移。这可能导致抗生素耐药性基因在生物膜群落中传播。

与生物膜相关的医疗挑战的例子包括：

导管相关性尿路感染（CAUTIs）：生物膜很容易在尿路导管的表面形成，导致持续性和复发性感染。
中心线相关性血流感染（CLABSIs）：与CAUTIs类似，中心线上的生物膜会增加血流感染的风险。
呼吸机相关性肺炎（VAP）：呼吸道中的生物膜会导致VAP，这是一种严重的肺部感染。
假体关节感染（PJIs）：假体关节上的生物膜非常难以根除，通常需要多次手术和长期抗生素治疗。
囊性纤维化肺部感染：囊性纤维化患者经常患有由*铜绿假单胞菌*生物膜引起的慢性肺部感染。

生物膜在工业中的应用：减轻生物污损和生物腐蚀

生物膜可能在各种工业环境中引起重大问题，导致生物污损和生物腐蚀。生物污损会降低换热器的效率，增加船舶船体的阻力，并堵塞管道。生物腐蚀会导致金属结构的降解，从而导致代价高昂的维修和更换。

生物膜带来的工业挑战的例子包括：

海洋生物污损：生物膜在船体上的积累会增加阻力，从而导致燃料消耗增加和速度降低。海洋生物污损也会影响近海石油平台和水产养殖设施。
石油天然气工业：生物膜可能导致管道和储罐的生物腐蚀，从而导致泄漏和环境破坏。生物膜还会降低石油采收作业的效率。
发电：生物膜会污染发电厂中的换热器，降低其效率并增加能源消耗。
纸浆和造纸工业：生物膜可能导致造纸厂出现黏液问题，从而降低纸张质量并增加停机时间。
食品加工工业：生物膜会污染食品加工设备，导致食品变质并对公众健康构成风险。

生物膜控制策略

控制生物膜是一个复杂的挑战，需要多方面的方法。正在开发几种策略来防止生物膜的形成、破坏现有的生物膜以及增强抗菌剂的有效性。

预防

表面改性：改性材料的表面特性可以减少微生物的初始附着。这可以通过各种技术实现，例如用亲水聚合物或抗菌剂涂覆表面。例如，将防污涂层应用于船体。
良好的卫生习惯：在医疗和工业环境中实施严格的卫生规程可以降低生物膜形成的风险。这包括定期清洁和消毒设备和表面。在医疗保健方面，这涉及严格遵守手部卫生指南以及正确的导管插入和维护技术。
水处理：处理工业过程中使用的水可以减少微生物的数量并防止生物膜的形成。这可能涉及过滤、消毒和添加杀菌剂。

破坏

EPS的酶促降解：降解EPS基质的酶可用于破坏生物膜并使其更容易受到抗菌剂的攻击。例子包括分散素B，它降解多糖细胞间粘附素（PIA），这是*葡萄球菌*生物膜的关键组成部分。
机械移除：机械方法，如刷洗、擦洗和高压水射流，可用于从表面移除生物膜。
超声波：超声波可用于通过产生空化气泡来破坏生物膜，从而物理破坏生物膜结构。
噬菌体疗法：噬菌体是感染和杀死细菌的病毒。噬菌体可用于靶向生物膜内的特定细菌并破坏生物膜结构。这是一个活跃的研究领域，特别是用于治疗耐抗生素感染。

抗菌剂

抗生素：虽然生物膜通常对传统抗生素具有耐药性，但某些抗生素在以较高浓度使用或与其他策略结合使用时可能有效。
消毒剂：消毒剂，如氯和季铵化合物，可用于杀死生物膜内的细菌。然而，消毒剂可能无法有效渗透EPS基质。
抗菌肽（AMPs）：AMPs是天然存在的肽，具有广谱抗菌活性。一些AMP已被证明对生物膜有效。
金属离子：金属离子，如银和铜，具有抗菌特性，可用于防止生物膜的形成。纳米银颗粒被掺入医疗器械中以防止感染。
新型抗菌剂：正在进行研究以开发专门设计用于靶向生物膜的新型抗菌剂。这些药剂可能靶向EPS基质、群体感应系统或生物膜生理学的其他方面。

群体感应抑制

群体猝灭分子：这些分子干扰群体感应，阻止细菌协调其行为和形成生物膜。例子包括阻断自诱导物受体的合成分子和降解自诱导物的酶。
天然群体感应抑制剂：许多天然化合物，例如植物和藻类中发现的那些，都具有群体感应抑制活性。这些化合物提供了新型生物膜控制剂的潜在来源。

生物膜研究的未来方向

生物膜研究是一个快速发展的领域，不断努力更好地了解生物膜的形成，开发新的生物膜控制策略，并利用生物膜的有益方面。未来研究的一些关键领域包括：

开发新的、更有效的抗菌剂，可以渗透EPS基质并在生物膜内杀死细菌。这包括探索新的药物靶标和递送策略。
提高我们对生物膜中抗生素耐药性机制的理解。这些知识对于制定克服耐药性的策略至关重要。
开发新的检测和诊断生物膜感染的方法。早期和准确的诊断对于有效治疗至关重要。
探索生物膜在生物修复、工业生物技术和其他应用中的潜力。这包括设计生物膜以增强其所需的功能。
研究生物膜在人类微生物组中的作用及其对健康和疾病的影响。这将为了解生物膜与人类宿主之间的复杂相互作用提供见解。

结论

生物膜是复杂且动态的微生物群落，对我们生活的各个方面都有深远的影响。了解生物膜的科学对于应对其在医学、工业和环境方面带来的挑战至关重要。通过开发新的生物膜控制策略并利用生物膜的有益方面，我们可以改善人类健康，保护我们的基础设施，并创造更可持续的未来。

对生物膜的持续研究正在不断揭示关于其行为和潜在应用的新见解。了解该领域的最新进展对于医学、工程、环境科学和食品安全等各个学科的专业人士至关重要。