生物薄膜
生物薄膜(英語:biofilm)又稱生物幕[1]、生物被膜、生物膜、菌膜,是黏附於特定載體上,無恆定結構的膜樣微生物群落(聚生體,集落複合體);此薄膜厚度小於1mm,通常介於100~200μm。會形成生物薄膜的微生物可為:細菌、真菌、藻類、原生動物和後生動物,其依靠自身產生的胞外聚合物吸附於外界環境表面(可為惰性表面或生物表面),並將其自身包繞其中,屬一種微生物適應自然環境以利於生存的一種生命現象。
胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)是微生物本身製造具黏性和保護作用的高分子量細胞外基質[2],通常堆積在細胞的外圍,主成分為多醣,另含纖維蛋白、脂蛋白、腐植酸、核酸等生物有機成分。
重要性
[編輯]在醫學中,人類大約65%的細菌性疾病有生物膜參與。如在口腔中,牙齒表面的生物膜可形成牙菌斑、齲齒和牙齦感染。生物膜也可導致器官移植後(如心臟起搏器)的感染。空調中的嗜肺軍團菌(Legionella pneumoniae)形成生物膜可導致軍團病。綠膿桿菌(Pseudomonas aeruginosa)在肺部感染的形成囊性纖維變性、肺結核、尿路感染、呼吸道感染和大約25%的腎結石也是由生物膜造成的。
輸油管道中形成的生物膜會嚴重影響管道輸送能力。
特點
[編輯]生物膜中的細菌和游離細菌有很多不同點:
- 生物膜中的細菌對抗生素、過氧化氫或者去污劑的抗性可比游離細胞高400倍。
- 透過二維蛋白質電泳,發現生物膜中的細菌可能高達40%和游離細胞不同的蛋白。
- 生物膜中的細菌可以不分裂而維持生存(休眠)很長時間。
- 生物膜中的生物合成更多的向外分泌的多糖,並進行不同的次級代謝。
- 生物膜中的細菌對外界環境條件改變(如pH、離子濃度、滲透壓、黏度、營養、氣體交換)作出的反應更迅速。
結構
[編輯]生物膜體積的90%由聚合物基質或水管道構成。生物膜具有結構而非均一,管道可用於生物膜內部的細菌交換物質。生物膜中,構成底層和表層的細菌種類和比例也不同。
生物膜的細胞可透過群體感應調整自身的生理狀況。
形成
[編輯]生物膜的形成有以下步驟[3](見右圖):
- 初始附著期:細菌的可逆附著(秒)
- 不可逆附著期:細菌的不可逆附著,胞外聚合物(EPS)的產生,改變被附著表面的特性,使其更易被附著(秒~分)
- 成熟一期:細菌的生長和分裂,生物膜開始形成(小時~天)
- 成熟二期:生物膜厚度增加且菌落擴大(小時~天)
- 散布期:菌落內部細菌過密,生物膜破裂釋放細菌,進而擴散開來,往外形成新的附著點(天~月)
特性
[編輯]生物薄膜通常發現於浸沒在或暴露於水性溶液中的固體底物,儘管它們可以在液體表面形成浮動墊還可以在樹葉片的表面上形成,特別是在高濕度的氣候。如果有足夠的增長資源,生物薄膜會迅速成長為宏觀的(肉眼可見的)。生物薄膜可以包含許多不同種類的微生物,例如,含有細菌,古菌,原生動物,真菌和藻類;每組種類的微生物執行專業化的代謝功能。然而,一些微生物在特定條件下會形成單一物種的生物薄膜。生物膜內的社會結構(合作,競爭)高度依賴於存在的不同物種。[4]
防止
[編輯]爲防止某些情況下的生物膜形成,有如下辦法:
預防性:
- 防止營養物沉積
- 特殊的表面使細菌無法附著(「荷葉效應」)
物理方法:
- 超聲
- 高電壓
- 磁場
化學方法:
- 抗生素
- 去污劑
- 過氧化氫
- 螯合劑(如EDTA)
生物調控方法:
- 加入群體感應中誘導物的相似物質從而抑制群體感應
參見
[編輯]參考文獻
[編輯]- ^ 存档副本. [2023-07-09]. (原始內容存檔於2023-07-09).
- ^ 存档副本. [2021-05-29]. (原始內容存檔於2021-07-23).
- ^ 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.
- ^ 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.