基于化学计量恒定器的细菌生物膜生长模型

《Microbiology Spectrum》：A chemostat-based model for growing bacterial biofilms

生物膜在化学恒化器中表现出更大规模的增长，并持续向游离菌群输出细胞。次级生物膜虽快速形成但环境敏感性更高。该平台为研究生物膜多相动态及微生物生态学提供了创新工具。

　　在微生物学领域，生物膜（biofilms）作为一种特殊的微生物聚集形式，其重要性日益受到重视。生物膜是微生物在特定表面形成的密集群体，不仅在自然环境中广泛存在，而且对人类健康、农业生产和工业技术等方面产生了深远影响。近年来，科学家们对生物膜的研究不断深入，发现其在生态系统中的作用远超传统研究中对浮游细菌（planktonic bacteria）的关注。然而，大多数研究仍然依赖于19世纪以来发展出的传统实验方法，这些方法主要针对浮游细菌，而忽视了生物膜的复杂特性。为了弥补这一研究空白，我们提出了一种基于连续培养装置（chemostat）的实验平台，用于系统研究生物膜及其与周围环境的相互作用。

生物膜的存在不仅改变了微生物的生长方式，还赋予其独特的生态、生理和进化特性。首先，生物膜的广泛分布使其成为自然界中细菌的主要生存形式，从古老的化石记录中可以看出，生物膜至少在35亿年前就已经存在。其次，生物膜展现出极强的耐受性，能够抵御多种外部威胁，如毒素、抗生素、病毒和捕食者等。这种耐受性来源于生物膜内部复杂的结构和相互作用，使得细菌在面对恶劣环境时仍能维持其生存。此外，生物膜的广泛影响体现在其对人类社会的经济负担上，据估计，生物膜每年造成的经济损失高达数千亿美元，涉及医疗、农业、工业等多个领域。

尽管生物膜的重要性已被广泛认可，但传统的实验室研究方法在模拟自然环境方面存在局限。例如，浮游细菌的培养通常在静态或半静态条件下进行，难以再现生物膜在复杂环境中的动态变化。为了解决这一问题，我们开发了一种基于连续培养装置的实验平台，使研究人员能够在更接近自然条件的环境中研究生物膜的形成、生长和迁移过程。这种平台的优势在于其能够同时监测生物膜和浮游细菌的动态变化，并提供更精确的定量数据。此外，连续培养装置允许研究人员通过调整营养成分、添加生物膜促进剂（如同型半胱氨酸内酯）或引入其他环境因素，来探究生物膜在不同条件下的适应性和变化。

在实验设计方面，我们首先在玻璃载玻片上培养“初始”生物膜，然后将其转移至连续培养装置中。在连续培养装置中，营养液以恒定速率流入并流出，维持细菌在稳定状态下的持续生长。通过这种方式，我们能够观察到生物膜在不同环境条件下的生长趋势，并与其他类型的微生物群体（如浮游细菌和次级生物膜）进行比较。实验结果显示，生物膜在连续培养装置中能够达到更大的规模，这与传统摇瓶培养（flask culture）相比具有明显优势。同时，我们发现生物膜可以作为持续的迁移源，向浮游细菌群体提供新的个体，这一发现为研究生物膜的生态功能提供了新的视角。

为了验证这一实验平台的有效性，我们进行了多项对照实验。例如，通过比较初始生物膜与连续培养装置中形成的次级生物膜的大小，我们发现初始生物膜在培养初期较小，但在连续培养条件下能够持续增长，最终达到较大的规模。此外，我们还测试了不同稀释率和同型半胱氨酸内酯（HSL）对生物膜形成和维持的影响。实验结果显示，稀释率对生物膜的大小和稳定性具有显著影响，而HSL的添加则对次级生物膜的形成表现出一定的调控作用。这些结果表明，连续培养装置不仅能够支持生物膜的生长，还能模拟其在自然环境中的动态变化，为研究人员提供更全面的实验数据。

在实验过程中，我们使用了多种定量方法来评估不同微生物群体的规模。例如，通过平板计数法（colony-forming unit, CFU）和荧光激活细胞分选技术（FACS）对生物膜和浮游细菌进行计数，确保数据的准确性和可重复性。同时，我们还利用共聚焦显微镜（confocal microscopy）观察生物膜的三维结构，发现其内部存在复杂的资源交换网络，类似于中世纪城市的市场体系。这些发现不仅揭示了生物膜的内部结构，还为理解其在自然环境中的功能提供了新的依据。

此外，我们还探讨了生物膜在不同环境条件下的适应性和稳定性。例如，通过比较不同稀释率和HSL处理条件下生物膜的大小，我们发现生物膜在低稀释率下能够维持较高的稳定性，而在高稀释率下则表现出更大的波动性。这一现象可能与生物膜的结构特性有关，例如其在营养供应和环境压力之间的平衡能力。同时，我们也发现次级生物膜对环境因素更为敏感，其规模变化可能受到HSL浓度的影响。尽管这些变化尚未达到统计学意义上的显著性，但它们在定性层面提供了重要的线索，提示次级生物膜的形成可能受到更复杂的环境调控。

在实验结果的分析中，我们还注意到生物膜在连续培养装置中的动态变化。例如，随着时间的推移，生物膜的规模逐渐扩大，而浮游细菌的规模则趋于稳定。这一现象可能与生物膜的结构特性有关，因为生物膜能够通过其外部基质保护内部细胞，使其在资源有限的环境中仍能维持较高的生存率。同时，生物膜的形成和维持也可能受到营养供应和环境压力的双重影响，例如葡萄糖的浓度和稀释速率的变化。这些因素可能共同决定了生物膜的生长速度和最终规模。

值得注意的是，我们的实验平台不仅适用于单一菌株的研究，还能够扩展到多菌种生物膜的分析。这一特性使得连续培养装置成为研究自然环境中复杂微生物群落的理想工具。通过调整培养条件，研究人员可以模拟不同环境下的生物膜形成过程，并探索其在多物种共存中的行为模式。此外，这种平台还为研究生物膜在生物技术、医学和工程领域的应用提供了新的可能性，例如通过调控生物膜的形成来减少其对工业设备的腐蚀或提高其在医疗应用中的稳定性。

总体而言，连续培养装置为生物膜研究提供了一个灵活且高效的实验平台。它不仅能够模拟生物膜在自然环境中的生长条件，还能支持多种实验设计，从而揭示生物膜的生态、生理和进化特性。未来的研究可以进一步利用这一平台，探索生物膜在不同环境因素下的适应性、其在生态系统中的作用以及如何通过调控生物膜的形成来应对其带来的挑战。此外，随着技术的进步，连续培养装置的应用范围将进一步扩大，为微生物学领域的研究带来新的突破。