表面相互作用与机械性能在金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌生物膜动态形成中的作用

《Microbiology》：Surface Interactions and Mechanical Properties Shaping Biofilm Dynamics in Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa

本研究系统探究了食源性致病菌铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌的生物膜形成理化特性，包括粘附性、表面粗糙度、细胞刚度和表面亲水性。通过结晶紫染色结合原子力显微镜（AFM）和扫描电镜（SEM）分析发现：铜绿假单胞菌初始粘附时间（τ=4秒）显著短于细胞间相互作用（τ=21秒），其细胞刚度随生物膜成熟呈波动下降（1.3 MPa→1.1 MPa）；金黄色葡萄球菌细胞刚度下降更显著（0.9 MPa→0.4 MPa），两者表面亲水性均随生物膜形成增强。研究揭示了不同菌种生物膜形成的独特力学特性与结构特征。

　　

摘要

本研究全面探讨了生物膜的形成过程，分析了其生物物理特性，包括黏附性、表面粗糙度、细胞硬度和细胞表面疏水性。研究对象为五种能够形成生物膜的食源性菌株：铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus），并对这些菌株进行了分子鉴定。通过结晶紫染色法对形成的生物膜进行了分析。随后，利用原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）对生物膜进行了观察，以研究生物膜形成过程中的生物物理特性。研究结果表明，随着生物膜的形成，表面疏水性逐渐增强，但不同样本之间的变化程度存在显著差异。具体而言，铜绿假单胞菌在玻璃表面上的初始黏附力增加更快（τ = 4秒），而细胞间的相互作用所需时间较长（τ = 21秒）。基于AFM的细胞硬度测量显示，在生物膜成熟过程中，铜绿假单胞菌的细胞硬度呈下降趋势（从48小时时的1.3 MPa降至96小时时的1.1 MPa），且变化过程具有波动性。金黄色葡萄球菌的细胞硬度也随时间降低，48小时时为0.9 MPa，96小时时为0.4 MPa。此外，两种菌株在生物膜形成过程中细胞表面疏水性均有所增强，表明其防水性能得到提升。SEM成像进一步揭示了铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌生物膜中的独特基质结构，这些结构有助于细胞间的相互作用。本研究为开发针对特定菌株的生物膜防治方法提供了新的思路。