生物薄膜

此条目的主題是一种由微生物形成的膜。关于细胞结构，請見「生物膜」。

生物薄膜（英語：biofilm），也称作“生物膜”或“菌膜”，是一些微生物細胞由自身產生的胞外聚合物（英语：Extracellular polymeric substance）^[1]（EPS，主要爲多醣）所包圍而形成，且附著在浸有液體的惰性或生物表面的，具有結構的群落。

金黃色葡萄球菌生物膜，在留置导尿管中。

重要性

 

一个鱼缸的表面上的彩虹色生物薄膜。

生物膜在醫學、工業和生態上都具有重要意義。

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。空調中的退伍軍人菌（Legionella pneumoniae）形成生物膜可導致退伍軍人病。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

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

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，管道可用於生物膜内部的細菌交換物質。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

 

生物薄膜的形成过程5个步驟。

生物膜的形成有以下步驟^[2]（見右圖）：

1. 初始附著期：細菌的可逆附著（秒）
2. 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）
3. 成熟一期：細菌的生長和分裂，生物膜開始形成（小時~天）
4. 成熟二期：生物膜厚度增加且菌落擴大（小時~天）
5. 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

 

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。^[3]

防止

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

参见

•  生物学主题
•  细胞生物学主题

参考文献

1. 存档副本. [2021-05-29]. （原始内容于2021-07-23）. 
2. 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. 
3. 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.