3.4.2 红外表征结果与分析 36

3.4.3 XRD的表征结果与分析 36

3.4.4小结 38

3.5微通道内形成生物菌膜流动机制的计算 38

3.5.1 原理 38

3.5.2 计算结果 39

3.5.3 小结 40

3.6 微通道中纳米粒子的胁迫效应 40

3.6.1 纳米粒子种类 40

3.6.2 不同浓度纳米粒子对重组菌株生长抑制 41

3.6.3 含有纳米粒子的LB培养基 42

3.6.4 表征 44

3.6.5 小结 47

结  论 48

本科阶段的学术活动小结 49

致  谢 50

参考文献 51

第一章 绪论

1.1 生物被膜

1.1.1 生物被膜的概念

生物被膜(Biofilms)是微生物在自然界中主要的生活方式，它适应各种各样的环境压力，泛指表面相关的微生物群体以及微生物形成的絮凝体或凝聚体。生物被膜有机体能在各种各样的界面(如油/水/空气)产生，并能嵌入自身分泌的胞外聚合物，从而在生物被膜内部以特定的生态位和谐地受益。因此，生物被膜作为催化剂可用于化学合成，其应用已经扩展到精细化学品、生物燃料和微生物燃料电池等领域，但仅限于常规反应器，且生物被膜的过度无序生长会导致传质受限从而降低反应器的工作效率[1]。近年来，人们尝试将生物被膜应用于微反应器，遇到重重阻力，因为生物被膜在毫米甚至微米尺寸的微通道内难以固定。

1.1.2 生物被膜的形成

生物膜以不止一种的形式出现在我们的日常生活中。悬浮在水中或水性水果中的细菌是“浮游生物”，大多数微生物学使用这种悬浮液进行研究。在这样的水环境中，当细菌粘附在表面上并变成“无柄”时，分泌粘胶状物质以进行锚固，因此形成生物膜。单个细菌物种可以形成生物膜，但在自然环境中，生物膜通常由各种细菌、真菌、藻类、原生动植物、碎屑以及腐蚀产物形成。生物膜的厚度可以从单细胞层变化到6-8 cm厚，但是平均厚度大约为100 μm。生物膜的形成开创性研究开始于50-60多年前，通常是将玻璃载玻片放入自然环境并在显微镜下观察生物膜形成[2]。生物膜形成开始于细菌对表面的着色。细菌对表面的粘附和吸引可以通过包括表面电荷、重力、布朗运动和化学吸引在内的不同机制来实现。并且只要表面具有营养，细菌就可以黏附在物体表面。吸引之后，通过包含可逆结合的两步法将细菌附着于表面。可逆结合通常由弱的范德华力引起，以使其细菌接近表面，然后通过物理或化学力的组合形成更强的附着力。由细菌渗出的含有外源多糖的物质是这种化学物质之一，也称为糖萼。细菌在该糖萼中分离并自由生长成微菌落，以形成最终的生物膜。生物被膜的形成过程包括细菌起始粘附、生物膜粘附期、生长期、成熟和播散期等阶段，而细菌生物膜在各阶段则具有不同的生理生化特性[3]。

（1）生物膜的粘附期（Attachment）：粘附是细菌在物体表面形成生物膜的第一步。浮游细菌首先粘附到物体表面，启动物体表面生物膜形成。单个附着细胞仅由少量胞外聚合物包裹，实际上这些附着的细菌还未进入生物膜的形成过程，很多菌体还可以重新进入浮游生活方式，这时的粘附是可逆的。

（2）生物膜的生长期（Development）：细菌粘附到物体表面后，即调整其基因表达，在生长繁殖的同时分泌大量胞外聚合物，此时其对表面的粘附发展为牢固的、不可逆的。胞外聚合物可粘结单个细菌而形成细菌团块，即微菌落（Microcolony）。大量微菌落的不断堆积使生物膜加厚。

（3）生物膜的成熟期（Maturation）：细菌生物膜在经历不可逆粘附阶段后进入成熟期，成熟的生物膜形成高度有组织的结构，利用激光共聚焦显微镜观察到成熟生物膜结构是不均匀的，即具有不均质性（Heterogeneity），它由类似蘑菇状或堆状的微菌落组成，在这些微菌落之间围绕着输水通道，可以运送养料、酶、代谢产物和排出废物等。因此，有人将成熟的生物膜内部结构比喻为原始的循环系统。