营养条件调控下菌群间互作对初期表面附着的影响

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。

3 结论

（1）营养限制条件下多种细菌共同接种有利于细菌的初期附着，并且菌群配比越均匀，附着率越高。

（2）营养条件通过调节运动型细菌的运动速度影响其与非运动型细菌的聚集行为，进而调控运动型细菌的附着量，改变生物膜上的种群结构。

图3 1/50LB浓度，不同菌群配比下细菌的碰撞频率