饮用水源乙酸钙不动杆菌聚集与生物膜动态的理化特性、结构特征及蛋白质组学解析

《Microbial Ecology》：Physicochemical, Structural, and Proteomic Insights into Drinking Water-Isolated Acinetobacter calcoaceticus Aggregation and Biofilm Dynamics

本研究针对饮用水分配系统(DWDS)中Acinetobacter calcoaceticus的生物膜形成和共聚集能力带来的公共卫生挑战，通过整合理化特性分析、透射电镜观察和蛋白质组学技术，系统揭示了该菌的聚集机制。研究发现该菌表面呈现强亲水性(ΔGiwi = 27.78 mJ/m2)和负电性(ζ = -35.91 mV)，并通过TEM观察到细胞间丝状结构和EPS，蛋白质组学鉴定出2593个差异表达蛋白，包括分子伴侣(ClpB/DnaK/GrpE)和群体感应调节因子(LuxR)的上调表达，为理解微生物生态学提供了多学科研究范式。

　　

在错综复杂的城市供水网络中，饮用水分配系统(DWDS)如同人体的血管系统，承担着维系公共健康的重要使命。然而这个看似洁净的环境却暗藏玄机——微生物通过形成生物膜这一"保护伞"，不仅逃避传统消毒措施的清除，更成为潜在致病菌的避难所。其中，乙酸钙不动杆菌(Acinetobacter calcoaceticus)作为一种广泛存在于水生环境的革兰氏阴性菌，虽然通常被认为是非致病性的，但其卓越的适应能力使其在供水系统中如鱼得水。特别值得关注的是，该菌种被发现能够作为"桥梁细菌"促进不同菌种间的共聚集，显著增强多物种生物膜对次氯酸钠消毒的抵抗能力，这使得理解其聚集机制成为保障饮用水安全的关键科学问题。

传统研究多聚焦于口腔微生物组的共聚集现象，而对水环境中细菌聚集的机理认识尚浅。为此，由Ana C. Afonso领衔的国际研究团队在《Microbial Ecology》发表了创新性研究，通过多学科交叉方法，首次系统揭示了饮用水分离的A. calcoaceticus的聚集机制和生物膜动态特性。

研究团队运用了四大关键技术方法：通过接触角测量和zeta电位分析进行表面理化表征；采用XDLVO理论计算共聚集能量；利用透射电子显微镜观察细胞超微结构；基于质谱的蛋白质组学分析差异表达蛋白。所有实验均使用从饮用水系统分离的菌株，在模拟水环境条件下进行。

理化特性表征

研究结果显示，A. calcoaceticus表面呈现强亲水性，水接触角θ_W = 22.21°，自由相互作用能ΔG_iwi = 27.78 mJ/m²。表面张力参数显示其具有显著电子供体特性(γ^- = 50.94 mJ/m²)和弱电子受体特性(γ⁺ = 2.13 mJ/m²)。zeta电位测定值为-35.91 mV，表明表面带强负电荷。细胞表面能量(γ^bv = 121.18 mJ/m²)和共聚集能量(ΔF_co-adh = -107.57 mJ/m²)计算表明该菌倾向于强烈的细胞间相互作用。

透射电镜分析

电镜观察直观展示了细菌聚集的微观结构。图1A显示细胞形成紧密簇状聚集，图1B中可见围绕菌体的无定形细胞外聚合物(EPS)区域。高倍镜下(图1C和D)清晰呈现从细胞表面延伸的丝状结构，这些结构可能类似于菌毛，在细胞间连接和表面附着中发挥重要作用。

蛋白质组学特征

质谱分析鉴定出2916个蛋白质，其中2593个在聚集过程中差异表达。功能分类显示翻译相关蛋白(773个)和代谢相关蛋白(483个)占比最高。关键上调蛋白包括核糖体蛋白(50S和LSU亚基)、代谢酶(苹果酸脱氢酶、ATP合酶亚基)、应激反应蛋白(ATP依赖性分子伴侣ClpB、DnaK、GrpE)以及膜转运蛋白(BamA、YaeT)。特别值得注意的是，与生物膜形成相关的调控蛋白呈现显著上调，包括群体感应调节因子LuxR、双组分系统蛋白OmpR和RstA、摆动运动蛋白PilG等。

图4展示了生物膜相关蛋白的表达变化模式，分子伴侣和调控蛋白的上调尤为突出，表明细菌在聚集状态下激活了复杂的应激适应和细胞间通讯机制。

这项研究通过多维度分析揭示了A. calcoaceticus在饮用水环境中的适应性策略。其表面理化特性与观察到的聚集行为高度一致：强亲水性和负电性表面在理论上应产生排斥作用，但通过丝状结构和EPS的产生，细菌成功克服了静电排斥，实现了有效聚集。蛋白质组学数据进一步佐证了这种适应性转变，代谢重编程、应激反应激活和群体感应系统的上调共同构成了细菌在聚集状态下的生存策略。

研究的创新之处在于将传统表面表征与高通量蛋白质组学相结合，为理解细菌聚集提供了分子机制层面的新见解。然而作者也指出，单菌种静态悬浮体系的研究结果不能完全代表实际供水系统中多物种表面附着生物膜的复杂情况。未来需要通过基因敲除、理化条件调控和多物种模型等研究，进一步验证这些特征的生物学功能。

这项研究不仅深化了对水环境中微生物生态学的理解，也为开发更有效的生物膜控制策略提供了理论依据。通过对A. calcoaceticus聚集机制的揭示，我们向保障饮用水安全的目标又迈出了重要一步，同时也为研究其他环境微生物的适应性策略提供了可借鉴的方法学框架。