土壤礦物介導(dǎo)下細(xì)菌生物膜形成過(guò)程及機(jī)制.pdf

1、生物膜作為細(xì)菌存在于自然界生物體或非生物體表面的重要形態(tài)，其在醫(yī)學(xué)、工業(yè)以及農(nóng)業(yè)上的影響和作用受到廣泛的重視。作為地球上最普遍的一種生命形式，生物膜可通過(guò)形成的胞外聚合物(EPS)使微生物獲得競(jìng)爭(zhēng)性優(yōu)勢(shì)，如加強(qiáng)了生物膜內(nèi)微生物之間群體感應(yīng)效應(yīng)、幫助細(xì)胞在表面定殖和互養(yǎng)共生、保護(hù)細(xì)胞防止被捕食、抵抗干旱、減少污染物對(duì)細(xì)胞的毒性等。土壤中微米和納米級(jí)礦物由于比表面積大、電荷密度高，表面富含離子、水分及其它營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，常與微生物結(jié)合在一起，在土

2、壤生物地球化學(xué)界面的形成、結(jié)構(gòu)調(diào)控、活性和功能發(fā)揮等方面具有重要的作用。然而，到目前為止，從生物膜角度研究細(xì)菌與土壤礦物相互作用還比較少見(jiàn)。
　　本文以土壤中常見(jiàn)的礦物和微生物為供試材料，借助激光共聚焦顯微鏡(CLSM)、原子力顯微鏡(AFM)、衰減全反射傅里葉變換紅外光譜(ATR-FTIR)和q-PCR等現(xiàn)代儀器分析技術(shù)，研究了土著細(xì)菌游離態(tài)細(xì)胞與生物膜細(xì)胞表面性質(zhì)的差異，以及土壤典型礦物對(duì)細(xì)菌生物膜形成的影響，獲得如下主要結(jié)果

3、:
　　(1)明晰了土著細(xì)菌游離態(tài)細(xì)胞與生物膜細(xì)胞之間的表面性質(zhì)差異。惡臭假單胞菌成膜速度快，生物膜周期為24h，而枯草芽孢桿菌的生物膜周期為72h;細(xì)菌在形成生物膜后，細(xì)胞的尺寸變小、細(xì)胞形狀由桿狀變?yōu)闄E球形，細(xì)胞的疏水性增強(qiáng)，表面帶電量增多、電負(fù)性增強(qiáng);與游離態(tài)細(xì)胞相比，生物膜細(xì)胞表面官能團(tuán)的種類不發(fā)生改變，但是表面官能團(tuán)的濃度會(huì)增加。
　　(2)探明了土壤中典型的粘土礦物（蒙脫石和高嶺石）以及鐵氧化物（針鐵礦）對(duì)土壤中

4、常見(jiàn)的細(xì)菌（枯草芽孢桿菌）生物膜形成的影響機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在針鐵礦體系中，生物膜在48h時(shí)生物量達(dá)到最大值，而蒙脫石和高嶺石體系中生物膜生物量在60 h達(dá)到最大。激光共聚焦顯微鏡觀察到48h時(shí)針鐵礦體系中形成了致密、具有多層細(xì)胞的生物膜。細(xì)菌與礦物作用4h后，針鐵礦體系中細(xì)胞失活率高達(dá)60％，其次是高嶺石和蒙脫石。原子力顯微鏡結(jié)果顯示細(xì)菌與針鐵礦之間發(fā)生緊密吸附，針狀的針鐵礦可以刺破細(xì)胞壁，細(xì)胞感應(yīng)到不利環(huán)境，通過(guò)調(diào)控枯草芽孢桿菌生

5、物膜形成的兩個(gè)主要基因abrB和sinR，使細(xì)胞傾向于向氣液表面運(yùn)動(dòng)并聚集形成生物膜。礦物的理化性質(zhì)是礦物影響細(xì)菌形成生物膜的主導(dǎo)因素。
　　(3)明確了不同濃度的典型土壤金屬氧化物（針鐵礦、勃母石和水鈉錳礦）對(duì)惡臭假單胞菌生長(zhǎng)及生物膜形成的影響機(jī)制。當(dāng)針鐵礦濃度為1～100mg L-1時(shí)，可以促進(jìn)惡臭假單胞菌的生長(zhǎng)和生物膜的形成，而針鐵礦濃度為100～500mg L-1時(shí)，會(huì)抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)和生物膜的形成;當(dāng)勃姆石濃度低于20mg

6、 L-1時(shí)可促進(jìn)細(xì)菌的生長(zhǎng)和生物膜的形成，20～500mg L-1勃姆石會(huì)抑制惡臭假單胞菌的生長(zhǎng)和生物膜的形成;不同濃度的水鈉錳礦對(duì)惡臭假單胞菌的生長(zhǎng)沒(méi)有影響，但是會(huì)抑制細(xì)菌生物膜的形成。原子力顯微鏡圖像顯示，針鐵礦表面細(xì)菌的細(xì)胞膜被刺破，細(xì)胞完整性受損;勃姆石表面細(xì)胞發(fā)生了溶解;水鈉錳礦表面細(xì)胞粒徑變小、表面褶皺增加。不同土壤金屬氧化物與細(xì)菌相互作用的強(qiáng)度和沉降能力是影響惡臭假單胞菌生物膜形成的關(guān)鍵因素。生物膜中的EPS可以顯著的提高