第7卷第5期1998年10月 环境科学进展ADVANCESINENVIRONMENTALSCIENCE Vol.7,No.5Oct.,1999生物膜的研究进展Ξ王文军1、2　王文华1　黄亚冰1　张学林2 (1中国科学院生态环境研究中心环境水化学国家重点实验室,北京100085) (2中国科学院长春地理研究所,长春130021)摘　要本文综述了近年来生物膜研究成果,包括生物膜的发育形成、形态结构、组成、物理-化学特征、抗性等;生物膜在污水处理方面的作用和微生物组织腐蚀性的负效应。

关键词:生物膜　特征　作用生物膜在天然水环境中和工程处理过程中起着重要的作用[1-3]。

在天然水环境中,绝大部分矿物颗粒表面覆盖着有机外壳[4],这些有机外壳由腐殖酸物质和生物膜组成,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。

在工业应用中,生物膜的作用表现在废水处理,以及酸性矿物排泄物的生物修复等方面,例如在水和废水处理系统中,生物膜反应器比悬浮生长反应器具有更大的优势,能提高生物量在反应器中的滞留程度,促进对污染物降解效率。

生物膜的破坏性作用表现在清洁水系统中,以及微生物诱导的腐蚀等方面[5,6]。

随着对生物膜在自然环境(如水、土、生物环境)中和工业应用方面的重要性的不断认识,在过去的二十多年,人们对生物膜的兴趣极大地增加[7]。

美国、德国、日本、英国、法国等国家对生物膜进行了大量的研究[1-31],取得了一些初步的研究成果。

一、生物膜的形成及影响因素生物膜形成于自然环境和人工环境中。

在自然环境条件下,生物膜存在于几乎所有暴露于水中的固体表面上,代表了一类微生物群体,其中有各种寄居者如固着细菌、原生动物、真菌和藻类[4-9]。

这些微生物细胞及非生物物质镶嵌在微生物分泌的有机聚合物基质(Matrix)中,聚合物基质由细菌胞外聚合物质和腐殖质等其它有机物质组成。

即生物膜代表了一种稳定的由微生物细胞组成的复杂混合物的微生态系统,细胞镶嵌在胞外聚合物的基质中,并且附着到固体表面。

生物膜发育形成的条件和时间序列大致为[9]: (1)存在着清洁的可用于聚居的固体表面;(2)一种有机分子膜快速形成;(3)聚结的细胞Ξ1国家自然科学基金资助项目:297770272中国科学院武汉水生所淡水生态与生物技术国家重点实验室开放基金资助松散地附着;(4)聚居的细菌牢固地附着;(5)微生物群落形成,产生胞外聚合物;(6)群落向上和向外扩展,形成规则和不规则结构;(7)生物膜成熟,新的菌种进入生物膜并生长,有机和无机碎片被结合,并且溶液梯度形成,导致了生物膜空间的异相结构;(8)生物膜可能被噬细菌的原生动物捕食;(9)成熟的生物膜可以脱落,使这种循环交替地重复进行;(10)形成了一种顶级群落。

在人工设备上,生物膜的形成和存在引起人们高度重视。

对不锈钢输水管道表面和船体水下部分表面上形成的生物膜研究较多。

饮用水中含有少量的异养微生物组织。

它们聚居在不锈钢管道表面形成生物膜[5]。

304、316两种型号的不锈钢用作大型建筑物的输水管道材料。

经过12个月饮用水生物膜的发育,304型号不锈钢上的生物膜中活细胞数目平均为2.8×103cfucm-2,316型号不锈钢上为3.6×102cfucm-2。

经过4个月和8个月的生物膜发育,在粗糙的不锈钢上,活细胞和总细胞数目显著地高于光滑的不锈钢(p <0.05)。

但经过12个月之后,这两种光洁度的表面上活细胞数目没有明显的差别。

304型号不锈钢上生物膜中总碳氢化合物含量和生物量干重稍高于316型号不锈钢上生物膜中的相应含量,但不十分明显。

附着在不锈钢上的生物膜细菌为混合物,包括Pseu2 domona spp.,Meth ylobacterium spp.,Acinetobacter spp.,Corynebacterium/Arthrobacter spp.和Micrococuus spp.。

电耦合等离子体分光光度计分析表明,在304、316型号不锈钢管道上生物膜中有重金属离子富集。

暴露在管道水中4个月之后,316型号不锈钢上分离到的生物膜中钼为0.04m g/L,12个月后,生物膜中钼达到0.05m g/L。

扫描电子显微镜观察到棒形和球形的细菌和硅藻的微生物群落形态。

水文条件、基底(Substratum)类型、营养水平、光照是水环境中生物膜形成的最主要影响因素[6,7,9-11]。

水文条件中流速对生物膜的形成极其重要。

在人为控制的不同管道水流速下,研究了暴露于管道水中5个月的不锈钢管道表面上形成的生物膜[6]。

生物膜中优势微生物是棒形的,微生物群落的形态极其不同。

在较高的管道水流速条件下,生物膜中含有多种不同的微生物组织,丝状菌是主要微生物群体,而在低流速条件下丝状菌较少。

在两种管道水流速条件下,菌群的形态也不相同。

低流速时,大量的单细胞明显地附着,并且在生物膜中形成群落,而高流速时,细胞呈堆状附着,单细胞很少。

由于较强的粘附、较高的剪应压力以及胞外多糖聚合物的较高产量,高流速下形成的比在低流速下形成的生物膜可以更牢固地粘附在不锈钢管道表面上。

在天然水体中,对生物膜形成的研究也表明,控制生物膜发育的最主要参数是水的流速,高流速使生物膜易于形成单层结构,而低流速使生物膜形成复杂结构[7]。

基底的粗糙度是生物膜形成的最主要影响因素之一[7]。

在英国RiverConder经过16周的培养,使用碳化硅砂质取样管进行实验。

在2周时间内,基底粗糙性和高河水流速的结合极大地增加了取样管上的生物量。

在长达16周的时间后,这些参数似乎不影响天然生物膜的形成和维持。

微生物最初聚居到暴露在天然水体中的固体表面上,在很大程度上受到基底、固体表面与活性溶液以及细菌表面的物理化学相互作用的控制,而不是受生物过程的控制。

在海洋系统中,控制微生物群居的最初并且最重要的表面特征是细菌和基底之间的物理接触[11]。

经过暴露于美国O’ahu南海岸海水中3天之后,在11类基底上,细菌的富集随基底湿度的二次函数形式变化。

在不同营养水平范围内,可以观察到不同界面上形成的生物膜,常见的营养水平和生物膜形成的位置见下表[9]。

营养水平系　统生物膜形成的位置极低高纯水:颗粒活性炭,反渗透膜,离子交换树脂,气化状置,微孔膜过滤器输水、储藏:输水管道,储水箱,寡营养溪、河流和湖泊中石属植物海洋系统:石属植物,海洋中装置上石属植物、淤积和腐蚀,颗粒物表面低富营养水体,游泳池过滤器,民用排水管,汽车洗瓶,植物叶表面中处理器:滴滤器,厌氧加热浸提器,摇摆盘式充氧器,流动床反应器植物表面:根际高食品:食品(肉等),食品加工处理器表面动物表面:口腔表面,腮,舌,腭,上皮,牙齿表面,肠,瘤胃,肺,心脏膜假体和导液管:起搏器,体内金属板,关节,心脏,体内导液管等,隐形眼镜在水库淡水系统中,自然光照和无光照环境条件下,按照时间序列研究了淡水环境中生物膜的形成[10]。

在各种物理、化学和生物学参数条件下,以24小时为时间间隔,总计120小时的研究时间。

研究结果表明光是影响生物膜形成的主要参数。

在光照条件下,生物膜厚度从52增加到128μm,体积从1.03增加到2.57cc100cm-2。

无光照条件下,生物膜厚度为17-30μm,体积为0.35-0.66cc100cm-2。

生物膜内颗粒物大小的分布也存在显著差异:无光照生物膜中,小颗粒物分布较多。

光照生物膜的生物量、叶绿素和其它组分较高,硅藻数目也较多。

在生物膜中,粘液物质构成了细菌群体的60%。

在两个对照实验组中,72小时后观察到原生动物吞噬生物膜细菌。

同周围的水相比较,发现营养物富集在生物膜中,并且无光照生物膜中营养物浓度高于那些生长在光照条件下生物膜中营养物浓度。

由此可见,光照条件对生物膜的形成、生长、发育影响很大,这一点在自然环境中生物膜作用的研究中必须予以注意。

二、生物膜的形态和结构关于生物膜的形态和结构有不同观点[9]。

不同实验室的近期工作表明,一些生物膜不再看作是连续的层状结构,而更多地看作是附着在一起由独立的堆体或群落的随机组合,这些堆体或群落周围存在很多通道,水和捕食的原生动物可以通过这些通道移动。

用控制论的图像处理技术,设计了一种砂石水库中透明的孔状介质的复制品[12]。

在孔状介质中生物膜形态不同于一般的生物膜形态,似乎更象一张蜘蛛网,网上每条带的大小和形状发生变化;生物网表面积大,生物膜深度小,在试验条件下减少了液体和生物膜之间的质量转移阻力;生物膜通过孔影响孔附近质量的传递,也影响层间流动。

观察生物膜形态的技术在不断发展,应用最新的原子力显微镜(AFM)和环境扫描电子显微镜(ESEM)观察在静止条件下发育在碳钢和AIS316型号不锈钢表面的生物膜[13]。

可以得到在毫微安分辨率下单个细菌细胞的表面形状。

原子力显微镜(AFM)图像分析软件的应用可以对细菌细胞的宽度和高度、胞外聚合物荚膜和细菌鞭毛的厚度和宽度进行计算,以及对不锈钢表面粗糙性的特征,包括个体蚀点的深度和直径进行测定。

在一种新型的降解氯代芳香化合物的膜生物膜反应器中,用扫描电子显微镜(SEM)和聚焦扫描激光显微镜(CSLM),观察到非均相的生物膜结构,由镶嵌在胞外聚合物基质中的微生物小群落组成,这种情况下已经发生了污染物的降解[1]。

生物膜的结构对污染物的降解效率极其重要。

海洋是地球表面上最大的微生物聚居地。

海洋中形成的生物膜同其它环境中形成的生物膜相比较,表现了更好的相似性[9]。

最近的研究表明[14],在海洋环境中,非均相的生物聚合物的网络结构有利于氧在生物膜中的传输或营养物利用,在某些情况下起到优化生物膜结构的作用。

对于一些生物膜,三维的网络结构随着外界的毒性而改变形状。

水环境中生物膜的形态和结构已被广泛地研究。

草本和木本植物的叶子被大量的细菌、酵母和丝状真菌聚居,叶子表面的接近基底的微生物群体的扫描电子显微镜图像,已经使许多研究者认为生物膜也存在于叶围[15],可以应用表面荧光显微镜、扫描电子显微镜、聚焦激光扫描显微镜(CSLM)直接观察叶子表面上的生物膜。

在采集的叶子样品(菠菜,莴苣,白菜,芹菜,韭葱,罗勒,欧芹和阔叶苣荬菜)上观察生物膜,使用淡绿色组织或表皮碎片,表面荧光的图像最清晰。

观察到生物膜大约20μm深,1mm长,它们包含丰富的胞外聚合物基质、微生物组织各种各样的形态类型和碎片。

生物膜内微生物的空间分布极其复杂。

使用微生物切片技术,研究异养菌和硝化菌种间竞争而产生的混合群体生物膜中微生物空间分布的动力学变化[16]。

在生物接触反应器中用合成废水培养的生物膜,异养菌在获得溶解氧和空间上比硝化菌更加成功,并且异养菌在整个生物膜中占优势,尤其在生物膜表层中。