综述：工业水系统中生物膜研究的工具与技术——批判性综述

《Water Cycle》：Tools and Techniques for Studying Biofilms in Industrial Water Systems: A Critical Review

　　

静态模型能够实现快速、高通量的生物膜筛选；动态模型能够更好地再现工业水流与剪切条件；共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和光学相干断层扫描（OCT）可实时分析生物膜结构；分子工具能够检测复杂且不可培养的微生物群落；多模态工作流程能够改善工业生物膜监测。

2. In vitro models for biofilm growth and assessment
体外模型分为静态模型和动态模型。静态模型为封闭式分批系统，操作简单、成本低、通量高，但无法模拟工业水系统中的剪切力与持续营养供给；动态模型为连续流系统，能更准确地模拟剪切、营养通量和长期发育，但需要更高的专业知识和资金投入。

2.1. Static models
静态模型广泛用于初步筛选、高通量试验和比较研究，但缺乏工业环境中的流体动力学条件。

2.1.1. Microtiter plate (MTP)-based model system
MTP系统利用96孔板培养生物膜，并通过结晶紫染色定量粘附生物量；适用于成膜能力筛选、抗菌或抗生物膜化合物评价及表面改性研究。其局限性包括浮游细胞沉降干扰、营养消耗和废物积累限制实验时间，且无法模拟流动条件。

2.1.2. The Calgary biofilm device (CBD)
CBD采用聚苯乙烯盖-栓系统提供均一附着表面，减少沉降干扰，主要用于抗菌药物敏感性测试；但超声剥离生物量的回收率波动较大（5–90%），不同粘附特性群体可能被选择性移除，且取样存在污染风险。

2.1.3. Biofilm ring test (BRT)
BRT通过检测顺磁微珠在磁场中的固定化程度，间接定量早期粘附和初始生物膜形成；该方法快速、重现性好，适合早期粘附动力学研究，但无法提供成熟生物膜的结构和厚度信息。

2.2. Dynamic models
动态模型能够模拟工业水系统中的流动、营养补给、剪切力和环境梯度，适用于长期实验和连续监测。

2.2.1. Modified Robbins device (MRD)
MRD由带有可移除接头的流通通道组成，可在相同水动力条件下于多个表面形成生物膜，适用于管道污损、腐蚀和抗微生物涂层评价。其优点是接近工业层流条件并支持长期运行；缺点是无法实时观察，接头取样可能引入污染和干扰。

2.2.2. Drip-Flow reactor
DFR通过培养基在倾斜表面滴流形成低剪切薄液膜，适合生长厚而异质的生物膜，常用于冷却塔和蒸发冷却系统等气-液界面污损研究；可提供大量生物量用于生化分析，但与高压封闭工业系统的相似度有限。

2.2.3. Rotary biofilm reactors
旋转式反应器包括旋转环状、旋转盘和同心圆柱盘三种类型，可施加受控剪切力，用于研究水动力对生物膜形成的影响；旋转环状反应器（RAR）最为常用，可同时测试多个接头并产生不同剪切条件，但设备昂贵且二次流增加结果解释难度。

2.2.4. Flow cell
流动池可与显微镜联用，实现对生物膜附着、发育和结构的实时、非破坏性可视化，适用于反渗透膜、冷却水管网等连续流系统；具有精确环境控制、可联用荧光探针等优点，但组装复杂、气泡干扰、设备昂贵且通量低。

2.2.5. Microfluidic devices
微流控平台在微米尺度通道中精确模拟化学、水动力和热梯度，支持单细胞成像、3D基质模拟及多菌种生物膜形成，如“芯片实验室”和BiofilmChip平台；但需要专门的微加工设施和熟练的操作人员。

2.2.6. CO2 evolution measurement system (CEMS)
CEMS通过测量气体渗透性硅胶管内生物膜代谢产生的CO₂，实现非破坏性、实时的代谢活性监测，重现性高，适用于好氧异养菌；但不适用于厌氧或光合群落，且无法提供生物膜结构信息。

3. Biofilm Dynamics and Methodological Selection Across Industrial Sub-Scenarios
循环冷却水系统以高剪切和混合菌种生物膜为特征，常用RAR或MRD模拟，并结合SEM-EDS、CLSM以及ALVIM、BIOGEORGE等电化学传感器进行在线监测；制药超纯水（UPW）系统为寡营养高流速环境，适合微流控和连续流硅胶管模型，并采用qPCR和16S rRNA基因测序分析低生物量群落；油田采出水系统高盐、高压且厌氧，硫酸盐还原菌（SRB）导致微生物腐蚀（MIC），需使用加压厌氧MRD并结合FTIR与宏基因组学分析；膜处理系统（如反渗透）中生物淤积增加水力阻力，常用专用流动池结合OCT和CLSM进行非破坏性实时监测。

4. Biofilm characterization methods and their application