Advanced Science | 天然微生物群落可通过人工构建的生物膜进行调控
推荐：江舜尧
编译：罗睺
编辑：十九
斯洛文尼亚环境科学系Aleš Lapanje等人于2019年9月19日在Advanced Science发表了题目为《Natural Microbial Communities Can Be Manipulated by Artificially Constructed Biofilms》的文章。该文章中，作者构建了一个保护性的多层人工生物膜，在天然海水中进行了生物污损试验，并通过16S rRNA宏基因组分析检测了人工生物膜应用于钢表面后天然菌群变化。研究表明在生物污损过程中，与微生物影响腐蚀（MIC）相关的细菌群被排除在外。作者认为人工构建生物膜是一种具有生态意义和可发展的保护材料表面很有前途的方法。
文章摘要
生物污损是一个连续的过程，在这个过程中，最初的定殖者会影响后来微生物群落的系统发育和功能结构。以微生物影响腐蚀（MIC）为研究对象，提出了一种新的材料表面防护方法，该方法不防止生物结垢，而是通过改变自然生物膜的形成过程来排除mic相关微生物。这种方法干扰了自然生物膜形成的早期步骤，影响了群落的最终发展。它是基于多层人工生物膜，由静电修饰的细菌细胞、产生抗菌化合物、细胞外抗菌聚电解质基质和防水橡胶弹性体屏障组成。人工生物膜是通过操纵微生物细胞与材料表面之间的静电相互作用而逐层构建的。对暴露在海洋中超过30天的标准钢试件进行现场测试，然后使用分子生物学工具进行实验室分析，结果表明，预涂的人工生物膜影响了正在形成的天然生物膜的系统发育结构，降低了系统发育多样性，排除MIC相关细菌。这种可持续的材料保护解决方案展示了通过静电修饰和控制细菌细胞和细胞外基质向暴露材料表面的传递来人为引导微生物进化过程的有效性。
文中重要图片说明
图1：用带电荷的聚电解质(PEs)对表面进行静电修饰，采用LBL方法对电池和材料表面进行静电修饰。相反电荷的聚电解质在连续的层中相互沉积。
图2：不锈钢表面前4层人工生物膜沉积的可视化。用扫描电镜(SEM)观察每一沉积层，用图像分析法计算其表面粗糙度。a）未经修饰的不锈钢原始表面，b）作为第一层沉积的带正电的氧化铝纳米线，c）作为第二层沉积的带负电的木质素磺酸盐，d）作为第三层沉积的带正电的LBL修饰电池，负电荷木质素磺酸盐作为第四层沉积在细胞上。f）计算出的表面粗糙度表示为扫描电镜图像随机25个子样本上灰度值的变化系数。
图3：前四层人工生物膜在橡胶弹性体涂层表面沉积的可视化。每个沉积层都用扫描电镜观察。a)覆盖r46钢的橡胶弹性体涂层的未改性表面。b)带正电荷的氧化铝纳米线沉积在橡胶弹性体带负电荷的表面。c)木质素磺酸盐负电荷层沉积在氧化铝正电荷层之上。d)带正电荷的LBL包膜细胞沉积在前两层。e)第四层带负电荷的木质素磺酸盐沉积在其他三层之上。f)表面颗粒的大小随着每一层连续沉积在表面而增大。
图4：DGGE分析了斯洛文尼亚皮兰市海水表面改性后细菌群落的时间发展。采用未经处理的原材料r46钢(对照面I)、涂有橡胶弹性体的钢(对照面II)、涂有人工生物膜溶液的钢(对照面I)进行比较。
图5：比较在意大利那不勒斯湾暴露在海水中的改性表面上生长的天然细菌群落。a）稀疏曲线描述的α多样性。b) PcoA分析使用Kulczynskiβ多样性矩阵。PC1和PC2的双图表示99.6%的变异性，显示了样本观测值和前10个变异性向量。c)邻域网络分析，显示分析样本之间的相似性。d)所分析的四个样本的系统发育结构。e)通过显示样本间共享分类单元的数量来显示样本的交集的维恩图。f)经Megan6计算分析样品的核心生物群落。
图6：由SILVAngs评估菌门组成：Proteobacteria（变形菌门）和 类 δ‐Proteobacteria。a)最丰富的变形杆菌门概况。b)类 δ‐Proteobacteria的概况，其中包括常见的硫酸盐还原菌。
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