生物膜结构与功能研究进展
姓名：李孟      学号：213031006      专业班级：作物栽培学与耕作学
摘要：生物膜作为细胞的重要组成之一，其结构与功能亦一直是生物界重要研究内容。本文主要对生物膜的结构与功能进行简单介绍，总结其研究成果，以此对生物膜的研究意义有了更深入的理解与认识，推动生物膜的研究进展。
关键词：生物膜；结构；功能；进展
生物膜被定义为一种生长发育着的单一或混合的微生物体, 并不可逆地附着到一种活跃的或非活跃的表面, 并由微生物体组成[1-2]。随着对生物膜在自然环境( 如水、土壤) 中和工业应用方面的重要性的不断认识, 国内外的研究工作者对生物膜进行了大量的研究, 取得了很多重要的成果[3-7]。
1 生物膜的组成
生物膜一般由微生物细胞和胞外聚合物( Extra-cellular Polymeric Substances, 以下简称 EPS)
所组成。Jahn 等对三个不同重力下水管道的生物膜生物量组成进行的研究表明, 细胞生物量仅仅是生物膜中有机物质的微小部分, 70%—90%的总有机碳存在于细胞外[8]。胞外聚合物的主要组分是蛋白质和多糖, 不同环境条件下形成的胞外聚合物的化学组成不同。在污水生物膜中, 胞外聚合物可能由细菌产生, 可能为水解产物,或者是从废水中吸附的离子, 也可能来自废水的有机纤维物[9]。胞外多聚物作为支撑物质使多种微生物能长时间地固定在膜的某一特定位置, 使不同微生物在底物的选择和利用方面专一性更强, 并使一些具有互利关系的微生物距离更近, 实际上形成了一种功能多样化、协同分工的微生物共生体, 包括细菌、真菌和藻类( 在有光条件下) 、原生动物和后生动物, 这些微生物聚集在一起形成了一种复杂稳定的生态体系[10]。
生物膜是一种结构封闭的落，其中的细胞的基因表达调控与游离态有所不同。主要的野生细菌和病原细菌的生态系统中都有生物膜的存在，P．Stoodley等在2002年通过对几种具有代表意义的生物膜结构系统的研究后提出，生物膜可能是作为一种复杂的特异性的落存在的。观察在Y蛋白细菌纯菌落上生长的生物膜和自然界中几种混合种的生物膜，可以发现细胞在一个封闭的微生物落中生长，落之间是由网状的开放的水分通道所隔开。种间产生的信号分子可以指导水分通道的生长和水道外胞外多糖的合成。
2 生物膜的形态和结构
生物膜在载体表面的分布是不连续和非均相的,孔洞、沟渠结构在生物膜中是普遍存在的, 其厚度分布也是不均匀的。于鑫等用光学显微镜观察发现生物流化床中的生物膜发育成熟前后形态明显不同, 发育成熟后, 生物膜均匀分布于载体颗粒表面, 越靠近载体颗粒越致密, 根据比例尺测得的膜厚度约为 60-80μm ; 扫描电镜照片显示, 成熟生物膜的形态和微生物种类具有一定的多样性, 生物膜表面有一些可能深入内部的孔洞或沟渠结构[11]。王文军等将玻璃板放入湖水中获取生物膜, 通过对生物膜样品的观察发现,随着沉浸天数增加, 生物膜的厚度和体积增大, 52d时, 生物膜覆盖了玻璃板的绝大部分, 但一些表面未被覆盖, 表明了生物膜的非均相生长; 用光学显微镜和扫描电子显微镜观察到生物膜样品中存在着棒形或球形的细菌、藻类、有机碎屑、原生动物和甲壳类动物等[12]。Stewart 观察了 20mg/L 的葡萄糖人工配水在不锈钢片上形成的生物膜, 发现有的部位膜厚达数百微米, 有的部位根本没有被覆盖, 无细胞存在的孔和沟渠在膜内部明显存在, 不同染料染观察的结果说明, 细胞和胞外多聚物( EPS) 也并不总是重叠的, 一些区域仅仅被 EPS 覆盖, 膜内并无细胞[13]。Okabe 在一种处理生活污水的生物转盘反应器的生物膜内发现了大量蜂窝状结构, 膜内密布着 10μm 左右的微孔和20-200μm 的大孔, 膜底部和表面的空隙率分别为30%和 90%左右[14]。
Villasefior 等研究了不同碳源基质对生物膜形成的影响, 发现生物膜的结构决定于培养基质的类型[15]。Hermanowicz 认为浓度和水力边界层的厚度对生物膜结构的影响非常重要, 当外部传质限制显著时, 生物膜会发育成开放的结构, 当浓度边界层减小、外部传质加强时则生物膜的厚度增加[16]。
3 生物膜的功能
生物膜作为一个功能化的有机体, 自然环境中生物膜存在于几乎所有暴露于水中的固体表面上，是一类微生物聚集体[17]，其功能的表现与其微生物的落特征有着密切的关系。
生物膜的种分布是按照系统的各种功能需求而优化组成的。生物膜的种分布不是种间的一种简单组合, 而是根据生物整体代谢功能最优化原则有机组成配置的[18]。生物膜系统中种分布具有如下特征: 厌氧和兼性厌氧菌的比例高; 丝状微生物数量较多; 存在较高等的微型动物,如轮虫、线虫、蜗牛等, 它们具有松散生物膜, 促进生物膜脱落的功能, 从而使生物膜不断更新, 经常保持良好的活性和净化功能;成层分布, 即随着反应器内负荷的变化( 污染物浓度的变化reactor technology) , 微生物( 细菌、原生动物、后生动物等) 的种类逐渐增多, 但个体数量减少[19]。
4 生物膜研究的意义
4.1 生物膜研究在医学上的意义
生物膜形成过程的研究对于医学进步有着巨大的意义。人们试图到一种分子，使其与细菌结合后，阻断细菌再与物体表面结合的能力。从而从—开始就不让生物膜有藏身之地或是可以发明一种能够降解酰化高幺乏氨酸内酯的药物，使细菌即使能够粘附于物体表面也无法向同伴发出集合信号、引来同伴共同构成生物腻再或者可以人为地破坏细菌体内编码胞外基质的基因序列．这样，即便细菌完成了前两个步骤的准备工作，也没有办法构建起胞外基质这个堡垒，最终仍难免溃散。但这些都还仅仅是设想。
4.2 生物膜研究对污染物的吸附的意义
生物膜是通过附着而固定于特定载体上的结构复杂的微生物共生体。相对于活性污泥来说，在单位体积生物膜中所含的微生物数量更高、比表面积更大。生物膜比活性污泥具有更强的吸附能力和降解能力，可以吸附和降解污水中的各种污染物，具有速度快、效率高的特点。
4.2.1生物膜对有机污染物的吸附
在天然水环境中, 绝大部分矿物颗粒表面都覆盖着生物膜, 它们将强烈地改变矿物颗粒的吸附行为,这种表面吸附作用在河水污染物的迁移过程中起着决定性作用[20]。目前, 排放到环境中带有毒性的有机污染物数量呈上升趋势, 一些持久性污染物可以通过生物富集等渠道给人类重新带来环境污染问题。持久性有机污染物转移到水环境中, 可以被生物膜通过膜上细胞和颗粒物的脱附和吸附作用, 选择性的吸收、新陈代谢[21]。
4.2.2 生物膜对无机污染物的吸附
重金属进入环境后不能被生物降解, 往往是参与食物链循环并最终在生物体内积累, 破坏生物体正常的生理代谢活动。研究表明, 生物膜可以作为水环境中的“污染物指示系统”, 生物膜方法可以作为河流重金属污染监测的手段之一[22]。科学工作者还对组成生物膜的胞外聚合物和细菌细胞对重金属吸附性进行了一定的研究。
目前生物膜的研究还停留在比较基础的阶段，生物膜的很多机制目前还没有解释。生物膜的研究意义显而易见，不仅可以解决医学上的一系列难题，也可以使废水处理更环保更便捷。相信随着生物膜研究的继续，生物膜一定可以更好的为人类服务。
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