npj Biofilms and Microbiomes：微流控——水流波动对恶臭假单胞菌生物膜发育的影响

文摘 2024-07-30 08:02 瑞士

文献信息：Wei, G., and Yang, J.Q. Microfluidic investigation of the impacts of flow fluctuations on the development of Pseudomonas putida biofilms[J]. npj Biofilms and Microbiomes. 2023, 9: 73.

摘要

生物膜在污水处理、生物修复和医疗器械相关感染中起着关键作用。了解生物膜形成和生长的动态对于控制和利用其特性至关重要。然而，目前的大多数研究主要集中在稳定流动对生物膜生长的影响上，而在自然和工程系统（如水管和血管）中，流动波动是常见的。本文通过系统的微流控实验和理论模型的开发，揭示了流动波动对恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）生物膜发育的影响。我们的实验结果表明，在波动流条件下，生物膜生长经历了三个阶段：滞后期（lag phases）、指数期（exponential phases）和动荡期（fluctuation phases）。相比之下，在稳定流动条件下，生物膜生长经历了四个阶段：滞后期（lag phases）、指数期（exponential phases）、稳定期（stationary phases）和衰亡期（decline phases）。此外，我们证明了低频波动的流动促进生物膜生长，而高频波动抑制其发育。我们将流动波动对生物膜生长的矛盾影响归因于从高剪切应力到低剪切应力变化后生物膜所需的调整时间（T₀）。此外，我们开发了一个理论模型，解释了在波动流条件下观察到的生物膜生长情况。我们对波动流下生物膜发育机制的见解可以为设计控制各种自然和工程系统中的生物膜形成策略提供指导。

实验背景

为了研究流动波动对Pseudomonas putida生物膜生长的影响，我们在微流控通道中进行了实验。在四种流动条件下培养P. putida生物膜：稳态流（频率f=0 Hz）和三种频率的波动流（低频LF, f=2×10^-5 Hz；中频MF, f=2×10^-4 Hz；高频HF, f=1×10^-3 Hz）。所有情况下的平均剪切应力相同，τ_avg=3.5 Pa。低剪切应力和高剪切应力分别为τ_low=0.05 Pa和τ_high=6.9 Pa。

实验中使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的矩形微流控通道，粘合在玻璃盖片上。期间，我们定期使用共聚焦激光扫描显微镜成像生物膜。

生物膜在侧壁和顶面上的发育

在实验过程中，我们观察到两种类型的生物膜：侧壁上相对均匀厚度的膜状生物膜和顶面上不均匀的波纹状生物膜。在低剪切应力下还观察到了浮游细胞，而在底部玻璃表面上只观察到稀疏分布的细胞聚集体。P. putida细胞更倾向于附着在PDMS表面并形成生物膜，而不是在玻璃表面。

流动波动对侧壁生物膜厚度的影响

我们研究了流动波动频率对侧壁生物膜平均厚度的影响。在稳态流动条件下，生物膜厚度经历了四个阶段：滞后期（12小时之前），指数增长期（12-24小时），稳定期（24-36小时）和衰退期（36小时之后）。相比之下，在波动流动条件下，生物膜厚度经历了三个阶段：滞后期（12小时之前），指数增长期（12-24小时）和波动期（24小时之后），波动期的生物膜厚度围绕一个平均值波动，表示生物膜的生长和脱落达到了动态平衡。

理论模型

为了解释流动波动对生物膜发育的影响，我们提出了一个假设：低频波动促进生物膜生长，因为生物膜在低剪切应力期间生长更快；高频波动抑制生物膜生长，因为生物膜需要时间来适应流动转换。基于这些假设，我们建立了一个理论模型来预测波动流动条件下的生物膜生长。

流动波动对顶面生物膜的影响

我们还研究了流动波动对顶面生物膜的影响。顶面上的生物膜呈现出波纹状结构，与侧壁生物膜的发展阶段类似。低频波动条件下，顶面生物膜的滞后期较长，而在中频和高频条件下，生物膜覆盖率在42小时后急剧下降。低频波动能够延长生物膜的生命周期，而高频波动则抑制生物膜的生长。

结论

总的来说，低频波动（f<2×10^-5 Hz）促进生物膜生长，而高频波动（f>1×10^-3 Hz）抑制生物膜生长。我们的理论模型成功解释了不同频率流动波动对生物膜生长的影响，并有助于未来利用流动频率控制生物膜生长。

文中图表：

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzk0ODU0MTMwOA==&mid=2247488869&idx=1&sn=b937885f10e748727d0d73a163b5078c

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