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摘要：从微生物的角度研究了生物供水系统中表面生物膜形成和时间序列：粘附、生长、脱离、再次粘附。这个循环反复进行，进而形成一个稳定的社区。这说明管道壁上附着的生物膜大部分生长过程呈现出类似的趋势：微生物、固体颗粒，再生水中的有机物等物质通过微生物分泌的粘性胞外聚合物（EPS）开始粘附在管壁上，并不断地吸附或者捕获固体颗粒和微生物群落，附着的生物膜结构逐渐趋于稳定。最初，生物膜内的微生物数量较少，微生物分泌的EPS数量也较少，生物膜的粘附能力不强。随后，生物膜内的微生物数量和种类迅速增加，黏性分泌物增加，吸附固体颗粒物并合并微生物群形成生物膜，同时伴有生物膜的脱落，但这一阶段生物膜的净生长量是增长的。最后，随着生物膜厚度的增加，生物膜达到极限厚度后，营养物质在生物膜内的传递变得更加地困难，导致生物膜内营养物质浓度降低，这会导致微生物减少或死亡，一些附着的生物膜在外力（如水剪切力）的作用下也会脱落。
【中图分类号】G644.5 【文献标识码】A 【文章编号】2107-2306（2021）11--01
生物膜形成的过程中存在诸多因素会对其造成影响，如培养基，EPS，代谢产物、水剪切力等。实验研究发现，变异链球菌在0.5%蔗糖中生长得更快，而EPS在0.5%蔗糖中比1%蔗糖中生成地更少，这说明生物膜中EPS的厚度与蔗糖浓度有关。生物膜形成过程中，随着代谢产物水平的增加，生物膜的外观会发生一定的改变，这表明生物膜基质一定程度上依赖于营养底物。
流体剪切力可以刺激生物膜脱离表面，生物膜所受的剪切力会影响其物理形态和行为表现。水剪切力在生物膜的形成、发展和分离中起着至关重要的作用。当剪切力较大时，有利于微生物间营养物質的运输和更新，同时，生物膜的更新速度也相对较快。由于微生物的初始粘附是可逆的，部分微生物会脱落，只留下一些在介质表面粘附较牢固的微生物，从而形成表面大、厚度小的生物膜，生物膜被剥离的可能性较高[1]。但剪切力的增加也会显著刺激微生物的呼吸，促进微生物的分解，产生了更多的能量，这些能量不会用于生长，而是用于分泌更多的多糖。这样看来，在较高流速下，基质似乎附着地更牢固。多糖溶液将呈现流动和弹性恢复，由于基质的灵活性，它的形状也会随着施加的力而改变。当剪切力较小时，物质的迁移速度较慢，降低了微生物和生物膜中的颗粒碰撞粘附的概率，微生物生长所需养分供应不足，这进一步减少了附着在培养基表面微生物的数量。同时生物膜中的微生物分泌多糖能力较差，生物膜颗粒间的粘附性降低，导致生物膜结构疏松、不稳定、易脱落。有研究报告了生物膜剥离率与水剪切力之间的相关性，发现它与湍流和剪切力呈指数或线形正相关。
低频超声的频率范围在20kHz-1MHz[2]，与高频超声相比，低频超声具有波长长、组织穿透能力强、对组织损伤小、声能吸收小等特点。超声在液体中传播时会产生正负交变的声压，通过振荡气泡周围产生剪切力来破坏细菌生物膜。超声波的空化作用也可增强细菌生物膜的通透性，促进对抗生素的运输，使得抗生素能够抵达生物膜内部，进一步杀死被EPS包裹着的细菌，达到从内部瓦解生物膜结构的效果。
基于上述特点，低频超声可用于促进治疗与细菌生物膜感染相关的疾病，还可用于超声波洁牙。事实上，治疗龋齿生物膜是具有挑战性的，这些微生物通常嵌入具有粘弹性、保护性的胞外基质（ECM）中，很难从表面清楚。许多研究结果显示：单独使用超声波灭菌的效果有限，且主要起辅助作用，若联合抗生素使用可增强灭菌效果，且超声联合抗生素处理比单独使用抗生素有更好的抗菌效果。
（2005年）用低频低强度超声（28.5kHz、500mw/cm2）联合抗生素处理医用植入物上的细菌生物膜48h后发现，大肠杆菌生物膜几乎被完全清除，而铜绿假单胞菌生物膜内的活菌数量并未减少，他们认为，其原因是由于铜绿假单胞菌外膜的抗渗透性和稳定性。生物膜的成熟度也影响抗生素抗生物膜的活性，成熟的生物膜耐药性更强。用0.3W/cm2、42kHz超声联合载药纳米粒处理导管上白色念珠菌生物膜15min，连续治疗7天后发现细胞外基质变少或消失，生物膜基本被消除，表明低频超声联合抗生素在体内外具有协同抗菌作用，能够显著提高抗生素对白色念珠菌的抗菌效果。
一、结论和展望
在许多环境（工业和医学应用等）中，生物膜的存在会造成很多危害。例如，在污水处理设施中，生物膜会导致金属腐蚀，水质降低。目前，对细菌生物膜感染的治疗也十分棘手，因此寻求一种有效去除生物膜的方法非常有必要。
声波在介质中可产生众多效应，目前已知的效应有热效应、空化效应、声流（声致流体等等，也可能包含着未知效应。当生物组织成为声波的介质时，这些效应都会对生物体，以及生物膜的形成产生影响。声波产生的流体（声致流体）可能影响EPS的分布，从而对细菌生物膜的形成过程产生影响，前面部分已详细介绍了EPS在细菌生物膜的生长过程中所扮演的重要角色。用不同剂量超声照射大鼠皮肤组织后的组织病理学结果显示，超声辐照的安全阈值为0.3W/cm2，辐照时间15min，因此实验过程中应尽可能选取声强小的超声波，通过改变其他参数，以追求最佳的灭菌效果。
目前，EPS的许多方面仍有待解决，如EPS在抗杀菌剂中的作用，要充分了解其在生物处理过程中的确切作用还需要做很多工作。一种或多种微生物共同产生的EPS，导致时间、空间异质性，这些都还没被深入讨论过。由于EPS非常复杂，关于EPS的知识还很不完整，EPS的建模似乎是一项不可能完成的任务，尽管这对预测和控制生物膜的形成过程非常有帮助。
参考文献：
[1]EPS—Then and Now[J].Microorganisms，2016，4（4）：41.
[2]杨敏.低频低强度超声联合载两性霉素B纳米粒对白念珠菌生物膜协同杀菌的实验研究[D].重庆医科大学.
作者简介：谢青青，女，1998年9月，湖北随州，汉，在读研究生，生物医学工程
【中图分类号】G644.5 【文献标识码】A 【文章编号】2107-2306（2021）11--01
生物膜形成的过程中存在诸多因素会对其造成影响，如培养基，EPS，代谢产物、水剪切力等。实验研究发现，变异链球菌在0.5%蔗糖中生长得更快，而EPS在0.5%蔗糖中比1%蔗糖中生成地更少，这说明生物膜中EPS的厚度与蔗糖浓度有关。生物膜形成过程中，随着代谢产物水平的增加，生物膜的外观会发生一定的改变，这表明生物膜基质一定程度上依赖于营养底物。
流体剪切力可以刺激生物膜脱离表面，生物膜所受的剪切力会影响其物理形态和行为表现。水剪切力在生物膜的形成、发展和分离中起着至关重要的作用。当剪切力较大时，有利于微生物间营养物質的运输和更新，同时，生物膜的更新速度也相对较快。由于微生物的初始粘附是可逆的，部分微生物会脱落，只留下一些在介质表面粘附较牢固的微生物，从而形成表面大、厚度小的生物膜，生物膜被剥离的可能性较高[1]。但剪切力的增加也会显著刺激微生物的呼吸，促进微生物的分解，产生了更多的能量，这些能量不会用于生长，而是用于分泌更多的多糖。这样看来，在较高流速下，基质似乎附着地更牢固。多糖溶液将呈现流动和弹性恢复，由于基质的灵活性，它的形状也会随着施加的力而改变。当剪切力较小时，物质的迁移速度较慢，降低了微生物和生物膜中的颗粒碰撞粘附的概率，微生物生长所需养分供应不足，这进一步减少了附着在培养基表面微生物的数量。同时生物膜中的微生物分泌多糖能力较差，生物膜颗粒间的粘附性降低，导致生物膜结构疏松、不稳定、易脱落。有研究报告了生物膜剥离率与水剪切力之间的相关性，发现它与湍流和剪切力呈指数或线形正相关。
低频超声的频率范围在20kHz-1MHz[2]，与高频超声相比，低频超声具有波长长、组织穿透能力强、对组织损伤小、声能吸收小等特点。超声在液体中传播时会产生正负交变的声压，通过振荡气泡周围产生剪切力来破坏细菌生物膜。超声波的空化作用也可增强细菌生物膜的通透性，促进对抗生素的运输，使得抗生素能够抵达生物膜内部，进一步杀死被EPS包裹着的细菌，达到从内部瓦解生物膜结构的效果。
基于上述特点，低频超声可用于促进治疗与细菌生物膜感染相关的疾病，还可用于超声波洁牙。事实上，治疗龋齿生物膜是具有挑战性的，这些微生物通常嵌入具有粘弹性、保护性的胞外基质（ECM）中，很难从表面清楚。许多研究结果显示：单独使用超声波灭菌的效果有限，且主要起辅助作用，若联合抗生素使用可增强灭菌效果，且超声联合抗生素处理比单独使用抗生素有更好的抗菌效果。
（2005年）用低频低强度超声（28.5kHz、500mw/cm2）联合抗生素处理医用植入物上的细菌生物膜48h后发现，大肠杆菌生物膜几乎被完全清除，而铜绿假单胞菌生物膜内的活菌数量并未减少，他们认为，其原因是由于铜绿假单胞菌外膜的抗渗透性和稳定性。生物膜的成熟度也影响抗生素抗生物膜的活性，成熟的生物膜耐药性更强。用0.3W/cm2、42kHz超声联合载药纳米粒处理导管上白色念珠菌生物膜15min，连续治疗7天后发现细胞外基质变少或消失，生物膜基本被消除，表明低频超声联合抗生素在体内外具有协同抗菌作用，能够显著提高抗生素对白色念珠菌的抗菌效果。
一、结论和展望
在许多环境（工业和医学应用等）中，生物膜的存在会造成很多危害。例如，在污水处理设施中，生物膜会导致金属腐蚀，水质降低。目前，对细菌生物膜感染的治疗也十分棘手，因此寻求一种有效去除生物膜的方法非常有必要。
声波在介质中可产生众多效应，目前已知的效应有热效应、空化效应、声流（声致流体等等，也可能包含着未知效应。当生物组织成为声波的介质时，这些效应都会对生物体，以及生物膜的形成产生影响。声波产生的流体（声致流体）可能影响EPS的分布，从而对细菌生物膜的形成过程产生影响，前面部分已详细介绍了EPS在细菌生物膜的生长过程中所扮演的重要角色。用不同剂量超声照射大鼠皮肤组织后的组织病理学结果显示，超声辐照的安全阈值为0.3W/cm2，辐照时间15min，因此实验过程中应尽可能选取声强小的超声波，通过改变其他参数，以追求最佳的灭菌效果。
目前，EPS的许多方面仍有待解决，如EPS在抗杀菌剂中的作用，要充分了解其在生物处理过程中的确切作用还需要做很多工作。一种或多种微生物共同产生的EPS，导致时间、空间异质性，这些都还没被深入讨论过。由于EPS非常复杂，关于EPS的知识还很不完整，EPS的建模似乎是一项不可能完成的任务，尽管这对预测和控制生物膜的形成过程非常有帮助。
参考文献：
[1]EPS—Then and Now[J].Microorganisms，2016，4（4）：41.
[2]杨敏.低频低强度超声联合载两性霉素B纳米粒对白念珠菌生物膜协同杀菌的实验研究[D].重庆医科大学.
作者简介：谢青青，女，1998年9月，湖北随州，汉，在读研究生，生物医学工程