Development of a Laboratory Model of a Phototroph-Heterotroph Mixed-Species Biofilm at the Stone/Air Interface

開發一種石/氣界面光養-異養混合物種生物膜的實驗室模型

來源：Frontiers in Microbiology, Volume 6, Article 1251, November 2015

《微生物學前沿》，第6卷，文章編號1251，2015年11月

 

摘要

摘要闡述了研究團隊開發了一種在實驗室規模重現石/氣界面快速生長的光養-異養混合物種生物膜的統一方法。該雙物種氣生生物膜模型能夠捕捉棲息在巖石基質上的生物膜的典型功能特征，包括細菌聚集的微菌落、遵循表面形貌的網絡狀結構、光養菌與異養菌之間的合作與交叉喂養過程、改變微生境化學參數的能力、在干燥條件下的生存能力以及殺菌劑耐受性。該模型系統在控制性、可重復性、不同實驗場景范圍以及與真實生態系統的匹配度方面具有優勢，是推進我們理解不同環境中石頭-生物膜-大氣相互作用的機制的有力工具。

 

研究目的

研究目的主要是克服野外實驗的局限性，開發一種實驗室模型系統，用于在石/氣界面重現快速生長的光養-異養混合物種生物膜。該模型旨在模擬真實巖石基質上生物膜的主要特征，同時保持簡單性和高度的實驗控制性，從而增進對生物膜-石頭-大氣相互作用的機制性理解。

 

研究思路

研究思路首先選擇兩種模式微生物，即光自養藍細菌集胞藻PCC 6803和化學異養大腸桿菌K12，作為生物膜的構建單元。使用改進的滴流生物膜反應器在石灰巖片上進行生物膜培養，該反應器模擬了石/氣界面的低剪切/層流和髙氣體傳遞環境。通過調整進料的組成和流速，可以模擬不同的環境條件。研究系統評估了單物種和雙物種生物膜的生長動力學、結構特征、生理活性以及對干燥和殺菌劑的耐受性。

 

測量的數據及研究意義

1 測量了單物種和雙物種生物膜在10天內的活菌計數生長曲線，該數據來自圖1。研究意義在于量化生物膜的生長動力學，并證明雙物種共培養促進了生物膜的形成，特別是在寡營養條件下光養菌為異養菌提供了生長基礎。

 

2 通過共聚焦激光掃描顯微鏡和場發射掃描電子顯微鏡對生物膜進行成像，該數據來自圖2。研究意義在于可視化生物膜的三維結構、微生物的空間分布以及胞外聚合物基質的存在，揭示了其與真實古跡生物膜相似的斑塊狀或網絡狀結構。

 

3 通過冷凍切片和顯微鏡觀察測量了生物膜的厚度。研究意義在于量化生物膜的物理尺寸，其范圍與野外觀察到的氣生生物膜厚度相符。

4 使用丹麥Unisense微電極測量了生物膜在光暗循環下表面溶解氧和pH的實時變化，該數據來自圖3。研究意義在于直接證明生物膜的光合作用活性，及其改變微環境化學參數（如導致pH升高）的能力，這可能與礦物沉淀有關。

 

5 測量了生物膜在干燥1小時后，在濕度增加條件下的熒光恢復情況，該數據來自圖4。研究意義在于評估生物膜對干燥脅迫的耐受性和快速恢復能力，這是氣生環境生物膜的關鍵特征。

 

6 測量了浮游細胞和生物膜細胞對季銨鹽消毒劑D/2的敏感性，通過菌落計數和實時熒光損失監測，該數據來自圖5。研究意義在于驗證實驗室模型生物膜確實表現出典型的生物膜耐受性，并且光養菌成分可能為異養菌提供保護。

 

 

結論

1 成功開發了一種在實驗室石/氣界面重現光養-異養混合物種生物膜的體外模型。

2 該雙物種氣生生物膜模型能夠捕捉天然巖石生物膜的關鍵功能特性，包括微觀結構、種間相互作用、改變微環境化學參數、耐受干燥和殺菌劑等。

3 該模型系統具有控制性好、可重復性強、適應多種實驗場景、與真實生態系統匹配度高等優點。

4 該系統是推進理解生物膜-石頭-大氣在時空上的相互作用機制的強大工具，對于解決生態、生物地球化學問題以及預測和模擬巖石表面的生物劣化/生物保護過程至關重要。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense公司的氧氣和pH微電極測量數據在本研究中具有關鍵的生理生態學研究意義。這些微電極的尖端直徑極小（氧氣電極10μm，pH電極25μm），使其能夠以高空間分辨率對薄層生物膜進行原位、無損的實時監測。通過測量生物膜表面在光暗轉換過程中溶解氧濃度和pH值的動態變化，研究直接證實了該實驗室模型生物膜具有活躍的光合作用和呼吸作用。數據顯示，光照后氧氣濃度迅速上升并達到平臺期，同時pH值在幾分鐘內從近中性顯著升高至堿性范圍（約2個pH單位）。這種變化是由于藍細菌光合作用消耗二氧化碳（及其相關的碳酸平衡體系中的質子）所致。這些測量不僅驗證了模型生物膜的功能活性，更重要的是，它揭示了生物膜通過其代謝活動顯著改變其緊鄰的微環境化學條件的能力。這種改變，特別是pH的升高，在鈣質巖石表面有可能誘導礦物化合物的沉淀或溶解，從而直接關聯到文化遺產材料的生物劣化或生物保護過程。因此，Unisense微電極的應用為理解生物膜如何通過其生理活動影響底層巖石基質提供了直接的、定量的實驗證據。