營養條件調控下菌群間互作對初期表面附著的影響

顧越，余超，章鑫鑫，魯新珠

（合肥工業大學，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組成的群落[1]。生物膜的存在會給日常生活帶來一系列影響，比如配水管網中的生物膜會引起飲用水的公共衛生問題[2]；病原微生物生物膜的復雜種群結構會阻礙藥物在其中的傳輸速度，增加其抗藥性[3]；循環養殖系統中魚類攝入的細菌會在其腸道內掛膜，生物膜中不均勻的菌群配比會干擾魚類免疫系統的調節功能，導致疾病的發生，影響產品質量；水處理方面，生物濾池中生物膜的菌群占比會影響物質的分配，例如異養細菌會與硝化細菌爭奪氧氣，降低硝化細菌的硝化速率，從而降低其出水水質[4]。生物膜種群結構會影響環境中物質的空間分布，從而影響生物膜的功能[5]。因此，研究生物膜種群結構可以為生物膜的利用和防治提供理論基礎。營養條件與細菌種群結構之間存在緊密的聯系，不同的營養條件影響種群成員的生命活動，并決定了它們之間的相互作用。

1 模擬方法

1.1 環境模擬

本文選取豎直放置的二維平面區域（14 mm×14 mm）為研究范圍，使用MATLAB軟件模擬其中底物濃度變化過程以及細菌的生長繁殖、衰亡、運動以及聚集行為。為刻畫微觀變化過程，將該區域劃分為40×40個子區域，每個子區域內底物濃度設為均勻分布，且假定初始底物均勻分布。為確保模型的精度，將子區域尺寸（長×高）定為350μm×350 μm，厚度為一個單位長度，即1 μm，時間步長為0.1 min，以保證細菌在一個時間步長內位移的距離小于子區域邊長，細菌的初始濃度等于2×107cells/mL，初始底物濃度設4個梯度，分別是0.09 g/L（稀釋100倍的LB培養基中碳的濃度）、0.18 g/L（1/50LB）、0.33 g/L（1/25LB）、7.00 g/L（1/1LB），每個子區域上底物濃度均勻，不同子區域間底物濃度可能存在差異。

1.2 微生物行為模擬

1.2.1 運動

考慮到模擬區域為豎直放置的二維平面，因此在計算運動型細菌運動速度時加入重力對細菌速度的影響，即：

式中，VM是運動型細菌的運動速度，單位為μm/s；α是細菌運動的修正系數；Vs是運動型細菌穩定狀態下的運動速度，單位為μm/s；VG是細菌在重力作用下產生的速度，單位為μm/s。細菌在豎直方向上所受的重力作用與其所受的黏滯力作用相抵消，細菌的VG所產生的黏滯力為[6]：

式中F是細菌所受黏滯力，10-6N；CL是細菌運動方向上的阻力系數，N·s/m；對于非運動型細菌，假定這類細菌不進行運動行為，因此只考慮重力對它的作用。

1.2.2 細菌生命活動模擬

模型中細菌其余的生命活動包括生長、分裂、死亡、聚集、附著，細菌比生長速率可通過Monod方程推求[7]：

1.2.3 種群配比模擬

本模型保證運動型細菌和非運動型細菌的細菌濃度相加等于2×107cells/mL，調整兩種基因型細菌的數量占比，設置5種比例，分別是：全部是運動型細菌，全部是非運動型細菌，以及運動型與非運動型之比為1∶3、1∶1、3∶1，以此來模擬細菌群落的初始種群配比。

2 結果與討論

2.1 營養條件對細菌表面附著的影響

在不同細菌初始濃度配比下，營養條件對細菌表面附著的影響如圖1所示。接種1 h后，在營養限制條件（LB稀釋比例為1/100、1/50和1/25）下，隨著運動型細菌占比的上升，其附著率呈現先上升后下降的趨勢。相比之下，在營養條件充足條件（LB稀釋比例為1/1）下，細菌附著率隨著非運動型細菌占比的增大，從10.17%上升到12.88%。結果表明，在營養限制條件下，有運動型細菌存在時附著率較高，并且接種菌群越均勻越有利于初期附著；而在營養充足的情況下，非運動細菌所占比例越高越有利于初期附著。究其原因，可能是營養限制條件促進運動型細菌的運動，增加其附著量；而菌群越均勻，細菌相互作用越明顯，這有利于細菌的附著。

圖1 不同細菌初始配比和營養條件下細菌的附著率

2.2 營養限制條件下菌群配比對附著率的影響

為了分析運動型細菌在接種初期對附著的重要作用，選取LB稀釋比為1/50作為營養條件，計算1 h內運動型細菌和非運動型細菌在不同種群配比下的附著率，結果如圖2所示。由圖2可知，不同初始接種細菌配比下，運動型細菌與非運動型細菌的附著率均呈上升趨勢，如細菌配比為1∶3時，兩種細菌的附著率分別隨時間上升到19.31%和12.68%。其中運動型細菌的附著率在接種20 min內上升較快，20 min之后趨于平緩。運動型細菌與非運動型細菌共存會使各自的附著率提高，其中運動型細菌的數量占比上升會導致運動型細菌的附著率下降，同時也會造成非運動型細菌的附著率上升。

圖2 1/50LB濃度，不同菌群配比下運動型和非運動型細菌的附著率

2.3 營養限制條件下菌群配比對細菌碰撞頻率的影響

為探究初始菌群配比對細菌附著的影響，在稀釋比例1/50的營養條件下對不同菌群配比下細菌與表面的碰撞頻率進行計算。

圖3顯示，初始菌群中存在運動型細菌時，細菌與表面的碰撞頻率均隨時間增長呈下降趨勢，而當初始菌群中只有非運動型細菌時，其碰撞頻率小幅度上升。全為運動型細菌的情況下，10 min內單個細菌的碰撞次數從3.46次下降到0.05次；隨著運動型細菌占比逐漸下降，細菌碰撞頻率在接種20 min前下降，而20 min后有所上升，這說明接種初期附著由運動型細菌主導，而20 min后非運動型細菌顯著影響著整個菌落的附著。究其原因，可能是運動型與非運動型細菌之間的交互作用所致。非運動型細菌空間位置的變化主要取決于其自身重力，若與運動細菌共存，會與其發生聚集行為，并且借助于其運動速度增加自身與表面以及其他細菌接觸頻率，從而提高附著率。同時，該聚集行為會阻礙運動型細菌的運動，進而阻礙其在表面上的附著。

3 結論

（1）營養限制條件下多種細菌共同接種有利于細菌的初期附著，并且菌群配比越均勻，附著率越高。

（2）營養條件通過調節運動型細菌的運動速度影響其與非運動型細菌的聚集行為，進而調控運動型細菌的附著量，改變生物膜上的種群結構。

圖3 1/50LB濃度，不同菌群配比下細菌的碰撞頻率