生物薄膜是一些微生物的聚合物，由其自身分泌的胞外多聚基质所包围形成的，且附着在生物表面。尽管还在探索中，但这一令人着迷的现象在目前医学界面临的一些重大挑战中扮演着关键的角色，从抗生素耐药性到医疗器械污染。在这篇文章中，你将了解生物薄膜的一些基本知识：它们的发现，它们的组成和构造，微生物如何在它们体内生活和相互作用，以及它们对公共卫生的影响。
一、生物薄膜的发现
安东·范·列文霍克，一个布料商店的老板，1674年发明了显微镜，从技术上讲，是第一个观察生物薄膜中微生物的人，通过他自己的一颗腐烂的臼齿。
尽管他当时并不知道，牙菌斑是由数百种微生物组成的有序生物薄膜的结果。“我不忍心告诉你，最高贵的先生们——我从一颗牙齿的根部挖出了一些东西…在里面，我发现了一个难以置信的活体微生物的群体，比我之前看到过的移动更加敏捷。” 列文虎克在写给英国皇家科学院的信中写道。“事实上，在我们荷兰生活的所有人都不如我今天自己口中所携带的活着的生物那么多。” 在列文虎克的时代，人类体内微生物生命的存在仅仅被哲学家们所怀疑。
然而，对生物薄膜的详细研究在没有先进技术的情况下具有挑战性。1940年，在标准培养技术的帮助下，科学家们发现，当表面浸在在允许细菌附着的介质中，细菌的生长速度就会加快。直到有了电子显微镜，以及特定的多糖特异性染色后，才出现了1969年在污水处理厂拍摄的第一批高分辨率的生物薄膜图片。从那以后，生物薄膜研究使用了一系列先进的微生物和成像技术。
二、生物薄膜的组成和构造
生物薄膜的正式定义是主要由细胞外聚合物质(EPSs)所包围的微生物组成的联合体。EPSs主要是由高度吸湿的多糖组成，这些多糖可以在干燥条件下提供细菌保护。EPS还包含蛋白质、DNA、脂类和腐殖质等一系列物质，尽管与目前大量的多糖相比，这些物质的含量相对较少。
当基质或表面物质被有机物质如蛋白质、脂类和其他附着在表面的小分子所“制约”时，生物薄膜形成。然后细菌附着在基质和其他物质上加强EPS，增强它们对表面的附着。
高剪切力对生物薄膜形成产生负面影响。当一个界面上有两个相反的力时，就会发生剪切力，就像液体和固体之间一样。如果液体向一个方向移动，就像在管道中一样，剪切力增加。这就是为什么生物薄膜更容易在死水中形成的原因。
在生物薄膜形成的过程中，基质的性质也起着重要作用。像聚四氟乙烯或塑料这样的疏水表面可以促进生物薄膜的快速形成，比玻璃等亲水表面更容易形成生物薄膜。粗糙表面提供了一个更大的表面积和来自介质的较少的剪切力，更容易定居。 当然，微生物本身与附着有很大关系。例如，如果微生物有鞭毛，它们就能更好地克服与基质相关联的排斥力。
三、生物薄膜中的生命
当你想到“薄膜”这个词时，你可能会想到一个薄的均匀分布的细胞层，它们被包裹在基质里。生物薄膜在微观层面上是难以置信的异质性，看起来很像繁华的城市，具有很多微生物克隆，它们是通过水、营养和氧气的通道连接起来的。它们在厚度和结构上有很大的差异，可以在电子显微镜下出现类似凝胶状或纤维状的东西。生物薄膜的结构特性高度依赖于各种因素，如存在的菌株、基质的类型、营养的可用性以及液体-固体界面。
细菌的竞争，捕食，甚至共生关系广泛地存在于活性生物薄膜中。在生物薄膜中，群体感应也很猖獗，信号细菌可以产生更强的基质，并影响细胞的附着和去附着率。质粒接合、转化和转染在生物薄膜中也更常见，因为细菌比在自由溶液中更紧密，因此DNA的浓度更高。而且，由于氧气在EPS内受到限制，基因调节改变了对发酵和糖酵解的基因的转录。
生物薄膜也为细菌提供了一个隐蔽的环境，可以保护抗生素和消毒剂。以工业水系统中的微生物“slimes”为例，它对漂白剂有很强的抵抗力。在这些生物薄膜中，EPS基质减缓氯的扩散，甚至可以与氯发生反应，使其完全失活。
四、生物薄膜研究：多样性的应用
对生物薄膜的形成和维护的研究为科学家提供了大量的机会来改善公共卫生。例如，控制水管腐蚀很重要，因为管道内部的粗糙腐蚀表面是致病细菌附着和制作生物薄膜的主要部位。
大多数医院衍生的感染是医疗设备被污染的结果，比如有生物薄膜的导管和假体。囊性纤维化(CF)是由一种阻碍黏膜运动的基因突变引起的，使患者非常容易感染病原体绿脓假单胞菌。铜绿假单胞菌形成的生物薄膜主要由肺表面的细菌藻酸组成，对宿主的免疫系统有很大的抵抗力，这使得免疫反应增强，导致严重的炎症损害肺组织。除了在抗生素和其他CF疗法中创造一个屏障之外，细菌海藻酸盐还允许铜绿假单胞菌进行突变并适应进一步的抵抗疗法。因此，预防细菌藻酸盐的形成及其去除是是研究的一个重要课题。
除了公共健康，应用生物薄膜研究还存在大量的机会。我们可以利用它们的内在特性，例如生物修复，伤口愈合等。生物薄膜研究也可能发现具有商业开发价值的新蛋白质，如淀粉水解酶、蛋白酶、纤维素酶、果胶酶和脂肪酶，这些都是生物薄膜的细胞外分泌物。
