胞外DNA在生物膜构建中的作用研究进展

生物膜是指细菌为适应外界环境的变化而形成的特殊微生物聚合体,生物膜法是水的生化处理技术的重要分支,在环境工程领域具有重要的位置。本文综述了胞外DNA (extracellular DNA, eDNA)在生物膜形成过程中的作用,首先介绍胞外聚合物(extracellular polymeric substance, EPS)分类以及eDNA在EPS中的分布情况;其次阐述群体感应(quorum sensing, QS)系统调节eDNA在细菌中的释放;为说明eDNA在生物膜形成过程中的机理,本文采用了XDLVO理论揭示eDNA调节细菌的粘附和聚集性能,并探讨了eDNA与蛋白质(proteins, PN)及多聚糖(polysaccharides, PS)的结合行为;最后,对该领域未来的研究方向进行了展望。     

接种量对MEC阳极膜形成及胞外聚合物的影响

本文采用单池微生物电解池(MEC)反应器,以活性污泥为接种物,葡萄糖为底物,研究了不同接种量对MEC阳极膜形成及胞外聚合物的影响。实验研究显示:10%、20%、30%和40%接种量下最大电流密度为0.315A·m~(-2)、5.94 A·m~(-2)、12.28A·m~(-2)和0.64A·m~(-2)。表明,一定范围内增加接种量能提高阳极膜产电能力,接种量过多(达到40%)阳极膜产电能力反而下降。阳极生物膜电化学活性和氢气产率与MEC电流密度变化趋同,一定范围内增加接种量有利于提高阳极生物膜电化学活性和阳极膜氢气产率。进一步分析阳极膜生物量与胞外聚合物(EPS)成分结果表明:增加接种量有利于阳极膜生物量提高,大量的阳极附着细菌可以产生更高的电流密度和EPS含量,阳极膜EPS中蛋白质含量明显高于多糖,且随着蛋白质含量增加,产电密度也增大。     

溶解有机质对光照自然水体生物膜体系中H2O2生成的影响

通过模拟实验研究了生物膜胞外聚合物(EPS)和乙二胺四乙酸(EDTA) 2种典型溶解有机质(DOM)成分对自然水体生物膜体系中过氧化氢(H₂O₂)生成特征的影响, 并研究了体系初始pH值、 DOM浓度、 溶解氧(DO)等因素的影响. 结果表明, DOM的存在对自然水体生物膜体系中H₂O₂的生成有明显影响. 光照能促使EPS产生H₂O₂, 而EPS的存在对生物膜产生H₂O₂的直接影响不显著, EPS与生物膜共存体系中的H₂O₂由二者共同产生; EDTA本身不产生H₂O₂, 且对H₂O₂分解影响很小, 但会显著抑制生物膜产生H₂O₂, 且浓度越高抑制作用越明显. 体系pH值、 DOM浓度和DO均能不同程度影响EPS产生H₂O₂及EDTA抑制生物膜产生H₂O₂的作用.     

扫描电化学显微镜用于研究生物膜微环境的电子传递

生物电化学系统(BESs)的核心是生物膜在电极/溶液界面的电子传递反应,研究生物膜微区环境中的电子传递有助于阐明微生物的胞外电子传递(EET)机制,从而有针对性地提高BESs中的电子转移效率。微生物的EET机制包括直接电子传递和间接电子传递,由于生物膜组成复杂,含有多种分泌物、胞外聚合物等,常规电化学方法只能从生物膜宏观层面研究EET机制,无法有效区分这两种电子传递途径的贡献。本文采用电化学循环伏安方法研究了电子穿梭体二茂铁甲醇(FcMeOH)与希瓦氏菌(Shewanella)相互作用的界面过程;基于扫描电化学显微技术构建了穿透模式,通过微电极介导FcMeOH与Shewanella反应,收集仅来自间接电子传递途径产生的电流,同时测定了Shewanella在电极/溶液界面的氧化还原性质和空间分布。本论文将电化学扫描探针显微技术应用于EET的研究,从物理化学角度揭示微生物在代谢过程中与外界的电子传输机制。     

抗菌生物材料的研究进展

生物材料的感染限制了生物材料的进一步应用.细菌在材料表面粘附、生长成细菌生物膜是生物材料相关感染难治的根本原因.因此,最有效的解决方法是防止细菌生物膜的形成.本文对目前抗菌生物材料的研究现状进行综述,提出目前防止细菌生物膜生成的方法主要有三种:抗细菌粘附的方法;杀菌的方法及二者相结合的方法.在设计抗粘附生物材料时,除了考虑材料表面的化学结构外,也要考虑材料的表面拓扑结构及材料的本体性能对细菌粘附的影响;在设计杀菌的生物材料时,不但要考虑杀菌性能,也要考虑杀菌剂对材料血液相容性的影响.总的来说,抗粘附的方法及杀菌相结合(多重抗菌)的方法是可望解决生物材料感染的一条新方法.     

趋磁细菌的电化学活性研究

采用循环伏安和计时电流等电化学手段研究了趋磁细菌(Magnetospirillum magneticum AMB-1)的电化学活性.通过对比不同培养条件下的循环伏安曲线可知,培养3 d时的菌体具有较强的电化学活性,其氧化峰出现在0.1 V处,还原峰出现在-0.2 V处;溶解氧能够改变氧化峰的峰电位(0 V),并形成新的还原峰(-0.3 V);磁小体的生成则严重抑制趋磁细菌的胞外电子传递过程.实验结果表明,磁小体的形成与趋磁细菌的胞外电子传递有关.     

NaClO原位清洗对膜生物反应器生物膜污染影响研究进展

膜生物反应器(MBR)的膜污染问题严重制约了该工艺进一步快速的商业化推广,全面认识NaClO原位氧化清洗对MBR生物膜污染的影响,对于开发新型膜清洗技术及MBR工程优化具有重要意义。本文从微生物胞外关键组分空间分布角度综述了NaClO原位清洗对生物膜污染及生物絮凝的影响,并探讨了生物絮体重构机制及强化生物絮凝的相关措施。最后,本文从减缓膜污染的角度,对该领域未来的研究方向进行了论述。     

天然水中优势菌胞外聚合物及其中主要成分对铅的吸附

研究了吉林省长春市南湖天然水环境中生物膜胞外聚合物及由其分离得到的胞外多糖和胞外蛋白对铅的吸附特性,讨论了时间、pH值、其它共存金属离子等对其吸附的影响;初步探讨了胞外多糖和胞外蛋白吸附铅的反应机理. 结果表明,3种吸附剂对铅的吸附量在pH=6时最大,分别为23.64、15.8和3.48 mg/g ;吸附体系均在6h以后达到吸附平衡;共存金属离子镉对铅的吸附有影响.胞外聚合物及其中的胞外多糖和胞外蛋白对铅的吸附过程符合Langmuir和Freundlich热力学方程.胞外聚合物中胞外多糖对铅的吸附所作贡献大于胞外蛋白.胞外蛋白的胺基、酰胺基,胞外多糖的羟基、酰胺基等是胞外聚合物吸附铅离子过程中起关键作用的化学基团.     

好氧颗粒污泥中凝胶型聚多糖的特性研究进展

凝胶型聚多糖(PS)是好氧颗粒污泥(AGS)中重要的结构性物质,具有稳定性强、可生化性低、交联度高等特点。鉴于AGS技术广阔的应用前景与"多糖机制"的最新突破,本文首先介绍了主要胞外聚合物(EPS)的含量范围与空间分布,重点综述了以颗粒体多糖(Granulan)与类海藻酸(ALE)为代表的凝胶型PS的化学组成、可能来源与结构性功能,并指出有针对性地开展分子动力学研究与微生物基因测序是该领域研究的发展方向。     

表面活性剂对污泥脱水性能影响的机理研究:Gemini表面活性剂与聚电解质相互作用的分子动力学模拟

表面活性剂可以与污泥表面的胞外聚合物(EPS)吸附形成胶束,释放出自由水和结合水,从而达到改善污泥脱水性能的目的.本文采用粗粒化的分子动力学模拟方法,研究了Gemini表面活性剂与EPS形成复合物的过程和结构.聚电解质链的亲疏水性对吸附过程有显著影响,亲水聚电解质链与Gemini表面活性剂吸附的主要驱动力为静电吸引,Gemini表面活性剂头基吸附在链上,尾链朝向溶剂;疏水聚电解质链与Gemini表面活性剂吸附过程由静电作用与疏水作用共同促进,Gemini表面活性剂以平行于聚电解质链的构型存在.Gemini表面活性剂联结基团长度对吸附过程的影响甚微;聚电解质链的电荷密度对亲水聚电解质链的吸附产生协同作用,对疏水聚电解质链的吸附不产生作用.     

Enterococcus durans产胞外多糖EPS-I的分离纯化和结构分析

乳酸菌(LAB)作为对人类健康有益的食品级微生物正日益受到国内外科研工作者的关注．乳酸菌所产胞外多糖(EPS)即是LAB在生长代谢过程中分泌到细胞壁外的粘液多糖或荚膜多糖．不同种类的LAB所产的胞外多糖也不同，其结构变化多样，生物活性与其空间结构、分子量、分支度和溶解度     

Enterococcus durans产胞外多糖EPS-Ⅰ的分离纯化和结构分析

乳酸菌(LAB)作为对人类健康有益的食品级微生物正日益受到国内外科研工作者的关注.乳酸菌所产胞外多糖(EPS)即是LAB在生长代谢过程中分泌到细胞壁外的粘液多糖或荚膜多糖.不同种类的LAB所产的胞外多糖也不同,其结构变化多样,生物活性与其空间结构、分子量、分支度和溶解度有密切关系^[1,2].近年来国外有报道分离得到具有抗肿瘤和抗炎活性的乳酸菌EPS-Ⅰ^[3,4],但是国内对乳酸菌所产胞外多糖的研究尚未见报道.本实验从鸡肠道中的一株乳酸菌Enterococcus durans的发酵液中分离纯化得到一种具有免疫活性的胞外多糖EPS-Ⅰ^[5,6],通过化学和光谱分析证明它是由葡萄糖和甘露糖组成的五糖重复单元聚合的多糖,同时得出EPS2的五糖重复单元结构.     

废水生物处理过程中微生物胞外聚合物与污染物的分子间相互作用

生物处理是废水处理的主要技术手段,其中微生物在新陈代谢过程中会分泌一种复杂的高分子混合物——胞外聚合物(EPS),覆盖在微生物表面,它们是影响微生物表面特性的关键物质,在水体环境和废水处理系统中对污染物的迁移转化和去除起着至关重要的作用.研究结果表明,EPS能够利用其丰富的官能团吸附水体中的重金属和有机污染物,还可以通过氢键与氮、磷等营养元素发生相互作用.另外EPS具有一定的氧化还原特性,可以通过氧化还原反应改变污染物的存在形式.因此EPS在废水生物处理过程中具有重要的作用,可以影响重金属和有机污染物在废水生物处理过程中的去除和转化.发展高灵敏的分析方法,深入研究和理解EPS与不同污染物的分子间相互作用,对于阐明不同污染物在废水生物处理过程中的去除机制具有重要的指导意义.     

细菌胞外液生物合成纳米硒的理化性质及抗菌活性研究

本文以一株海洋菌株Bacillus sp.Q72的胞外液为还原体系,实现了Se(Ⅳ)到纳米硒(SeNPs)的生物转化。利用FTIR、UV-Vis、XRD、SEM、TEM、XPS、拉曼光谱、粒度分析等对生物合成SeNPs的理化性质进行了研究,随后考察了SeNPs的抗菌活性和细胞毒性。结果表明,菌株Bacillus sp.Q72胞外液生物合成的SeNPs为球型,平均粒径为187.6nm,其表面包覆着蛋白质、核酸等生物大分子。SeNPs对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌均表现出较好的抑菌活性,同时具有较低的细胞毒性。利用细菌胞外液生物合成纳米硒,避免了利用菌体直接还原在分离过程中的繁琐操作,为SeNPs的生物合成提供了新方法。     

革兰氏阴性菌细胞表面多糖的应用潜力

细菌自身能够合成各种多糖分子,并分泌于细菌表面形成多糖保护层。当细菌处于恶劣环境时,多糖保护层能够调节细菌适应周围环境,从而使其存活。革兰氏阴性细菌分泌的主要多糖成分包括脂多糖、荚膜多糖、胞外多糖,它们通常是引起人体中产生强烈免疫反应的有效抗原,对细菌的致病性至关重要。因此研究它们的结构和合成转运机制等具有十分重要的作用,可以为细菌多糖运输途径的靶点药物设计等提供创新性的指导与思路。本文对细菌多糖的结构、合成转运机制、影响和作用等方面进行重点介绍。     

进水盐度对膜生物反应器运行效能的影响研究

进水盐度对膜生物反应器(MBR)的运行效能影响显著,尤其是进水含盐量为5 g/L时,明显恶化了污泥可滤性,膜污染速率加快;MBR混合液中溶解性微生物产物(SMP)和胞外聚合物(EPS)含量随钠离子浓度变化而变化,其中SMP中蛋白质含量与钠离子浓度密切相关;与紧密结合态EPS(TB)相比,钠离子含量对松散结合态EPS(LB)浓度的影响更大;不同盐度对COD及NH4+-N影响不明显,系统对COD及NH4+-N的去除效果稳定,分别保持在92%及94%以上,高盐度对MBR总磷去除率降低明显。     

天然水优势菌胞外聚合物及主要成分对cd2+的吸附特征

利用原子吸收法,研究了长春市南湖天然水环境中生物膜优势菌种的胞外聚合物及其主要成分胞外多糖和胞外蛋白对Cd2 的吸附特性,讨论了时间、pH值、其它共存金属离子等对其吸附反应的影响。利用红外光谱分析法对吸附反应机理进行了初步探讨。结果表明,胞外聚合物、胞外多糖和胞外蛋白对Cd2 的吸附均在pH=6时吸附量最大;对Cd2 的吸附均在6 h以后达到平衡;共存金属离子如Pb2 对Cd2 的吸附有干扰。对Cd2 的吸附过程符合Langmu ir和Freund lich热力学方程。3种吸附剂对Cd2 的吸附能力为:胞外聚合物>胞外多糖>胞外蛋白。胞外蛋白的胺基、酰胺基,胞外多糖的羟基、酰胺基等在吸附Cd2 过程中是起关键作用的化学基团。     

再生水环境中304不锈钢生物膜腐蚀电化学特征

研究了以再生水作为循环冷却系统补水的北京某热电厂冷却塔底粘泥中分离纯化培养出来的硫酸盐还原菌(SRB)生长特性.采用原子力显微镜(AFM)、扫描电镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)和电化学交流阻抗(EIS)方法研究了304不锈钢(SS304)表面生物膜特征及其主要成分和不锈钢/生物膜界面电化学行为.结果显示,再生水环境下304不锈钢表面形成的生物膜是由吸附的SRB菌体及以含碳有机物为主的胞外聚合物和FeS腐蚀产物构成.浸泡前期(前7 d)SS304电极表面阻抗值主要由SS304表面钝化膜的贡献;浸泡后期(14 d后),电极体系阻抗值由不锈钢表面钝化膜和生物膜共同贡献.     

胞外囊泡异质性无标记表征技术研究进展

胞外囊泡(extracellular vesicles, EVs)是细胞在信息传递和环境调控时产生的磷脂双分子层膜包裹的囊泡(尺寸为30～1000 nm).近十五年,其生物及临床相关研究发展迅猛,已被视为是细胞间信息传递、癌宿主调节等动态过程的关键因素之一.尽管胞外囊泡具有重要的生物学功能,但其尺寸小、结构脆弱且易聚集,传统生化分析和检测技术难以对其实现精准表征.目前, EVs相关的大多数表征技术采用“批量分析”形式,仅提供大量外泌体的平均结果.为了加深对胞外囊泡异质性的认识,以单个EVs为目标的表征技术将成为新的趋势.本文概述了单颗粒水平胞外囊泡表征的光学和非光学的无标记表征方法,包括拉曼显微、等离激元技术、原子力显微和电子显微技术等.相比于传统整体分析方法,单颗粒水平胞外囊泡表征能够提供更加丰富的信息,在生物医药基础研究领域有着广阔前景.     

利用原子力显微镜和分子技术研究海水微生物腐蚀(英文)

生物膜在自然界无处不在,但生物膜造成的腐蚀却基本上被忽视.本文展示了几种化学和微生物学新方法在海水微生物腐蚀研究中的应用.原子力显微镜用来揭示生物最初形成的机理和钢在受污染海水中的腐蚀程度,16SrDNA/RNA技术则用来分析生物膜中的微生物组成.试验结果表明,微生物腐蚀在6d内就已经开始了,腐蚀体积与时间的2.83次方成正比;腐蚀生物膜中的微生物以硫酸还原菌(脱硫弧菌科)为最多,其次是梭状芽孢杆菌.