营养条件调控下菌群间互作对初期表面附着的影响

2020-01-06顾越余超章鑫鑫鲁新珠

生物化工 2019年6期

顾越，余超，章鑫鑫，鲁新珠

（合肥工业大学，安徽合肥 230009）

生物膜是由微生物黏附于生物或非生物表面而组成的群落[1]。生物膜的存在会给日常生活带来一系列影响，比如配水管网中的生物膜会引起饮用水的公共卫生问题[2]；病原微生物生物膜的复杂种群结构会阻碍药物在其中的传输速度，增加其抗药性[3]；循环养殖系统中鱼类摄入的细菌会在其肠道内挂膜，生物膜中不均匀的菌群配比会干扰鱼类免疫系统的调节功能，导致疾病的发生，影响产品质量；水处理方面，生物滤池中生物膜的菌群占比会影响物质的分配，例如异养细菌会与硝化细菌争夺氧气，降低硝化细菌的硝化速率，从而降低其出水水质[4]。生物膜种群结构会影响环境中物质的空间分布，从而影响生物膜的功能[5]。因此，研究生物膜种群结构可以为生物膜的利用和防治提供理论基础。营养条件与细菌种群结构之间存在紧密的联系，不同的营养条件影响种群成员的生命活动，并决定了它们之间的相互作用。

1 模拟方法

1.1 环境模拟

本文选取竖直放置的二维平面区域（14 mm×14 mm）为研究范围，使用MATLAB软件模拟其中底物浓度变化过程以及细菌的生长繁殖、衰亡、运动以及聚集行为。为刻画微观变化过程，将该区域划分为40×40个子区域，每个子区域内底物浓度设为均匀分布，且假定初始底物均匀分布。为确保模型的精度，将子区域尺寸（长×高）定为350μm×350 μm，厚度为一个单位长度，即1 μm，时间步长为0.1 min，以保证细菌在一个时间步长内位移的距离小于子区域边长，细菌的初始浓度等于2×107cells/mL，初始底物浓度设4个梯度，分别是0.09 g/L（稀释100倍的LB培养基中碳的浓度）、0.18 g/L（1/50LB）、0.33 g/L（1/25LB）、7.00 g/L（1/1LB），每个子区域上底物浓度均匀，不同子区域间底物浓度可能存在差异。

1.2 微生物行为模拟

1.2.1 运动

考虑到模拟区域为竖直放置的二维平面，因此在计算运动型细菌运动速度时加入重力对细菌速度的影响，即：

式中，VM是运动型细菌的运动速度，单位为μm/s；α是细菌运动的修正系数；Vs是运动型细菌稳定状态下的运动速度，单位为μm/s；VG是细菌在重力作用下产生的速度，单位为μm/s。细菌在竖直方向上所受的重力作用与其所受的黏滞力作用相抵消，细菌的VG所产生的黏滞力为[6]：

式中F是细菌所受黏滞力，10-6N；CL是细菌运动方向上的阻力系数，N·s/m；对于非运动型细菌，假定这类细菌不进行运动行为，因此只考虑重力对它的作用。

1.2.2 细菌生命活动模拟

模型中细菌其余的生命活动包括生长、分裂、死亡、聚集、附着，细菌比生长速率可通过Monod方程推求[7]：

1.2.3 种群配比模拟

本模型保证运动型细菌和非运动型细菌的细菌浓度相加等于2×107cells/mL，调整两种基因型细菌的数量占比，设置5种比例，分别是：全部是运动型细菌，全部是非运动型细菌，以及运动型与非运动型之比为1∶3、1∶1、3∶1，以此来模拟细菌群落的初始种群配比。

2 结果与讨论

2.1 营养条件对细菌表面附着的影响

在不同细菌初始浓度配比下，营养条件对细菌表面附着的影响如图1所示。接种1 h后，在营养限制条件（LB稀释比例为1/100、1/50和1/25）下，随着运动型细菌占比的上升，其附着率呈现先上升后下降的趋势。相比之下，在营养条件充足条件（LB稀释比例为1/1）下，细菌附着率随着非运动型细菌占比的增大，从10.17%上升到12.88%。结果表明，在营养限制条件下，有运动型细菌存在时附着率较高，并且接种菌群越均匀越有利于初期附着；而在营养充足的情况下，非运动细菌所占比例越高越有利于初期附着。究其原因，可能是营养限制条件促进运动型细菌的运动，增加其附着量；而菌群越均匀，细菌相互作用越明显，这有利于细菌的附着。

图1 不同细菌初始配比和营养条件下细菌的附着率

2.2 营养限制条件下菌群配比对附着率的影响

为了分析运动型细菌在接种初期对附着的重要作用，选取LB稀释比为1/50作为营养条件，计算1 h内运动型细菌和非运动型细菌在不同种群配比下的附着率，结果如图2所示。由图2可知，不同初始接种细菌配比下，运动型细菌与非运动型细菌的附着率均呈上升趋势，如细菌配比为1∶3时，两种细菌的附着率分别随时间上升到19.31%和12.68%。其中运动型细菌的附着率在接种20 min内上升较快，20 min之后趋于平缓。运动型细菌与非运动型细菌共存会使各自的附着率提高，其中运动型细菌的数量占比上升会导致运动型细菌的附着率下降，同时也会造成非运动型细菌的附着率上升。

图2 1/50LB浓度，不同菌群配比下运动型和非运动型细菌的附着率

2.3 营养限制条件下菌群配比对细菌碰撞频率的影响

为探究初始菌群配比对细菌附着的影响，在稀释比例1/50的营养条件下对不同菌群配比下细菌与表面的碰撞频率进行计算。

图3显示，初始菌群中存在运动型细菌时，细菌与表面的碰撞频率均随时间增长呈下降趋势，而当初始菌群中只有非运动型细菌时，其碰撞频率小幅度上升。全为运动型细菌的情况下，10 min内单个细菌的碰撞次数从3.46次下降到0.05次；随着运动型细菌占比逐渐下降，细菌碰撞频率在接种20 min前下降，而20 min后有所上升，这说明接种初期附着由运动型细菌主导，而20 min后非运动型细菌显著影响着整个菌落的附着。究其原因，可能是运动型与非运动型细菌之间的交互作用所致。非运动型细菌空间位置的变化主要取决于其自身重力，若与运动细菌共存，会与其发生聚集行为，并且借助于其运动速度增加自身与表面以及其他细菌接触频率，从而提高附着率。同时，该聚集行为会阻碍运动型细菌的运动，进而阻碍其在表面上的附着。