生物薄膜

此條目頁的主題是一種由微生物形成的膜。關於細胞結構，請見「生物膜」。

金黃色葡萄球菌生物膜，在留置導尿管中。

生物薄膜（英語：biofilm）又稱生物幕、生物被膜、生物膜、菌膜，是黏附於特定載體上，無恆定結構的膜樣微生物群落（聚生體，集落複合體）；此薄膜厚度小於1mm，通常介於100~200μm。會形成生物薄膜的微生物可為：細菌、真菌、藻類、原生動物和後生動物，其依靠自身產生的胞外聚合物吸附於外界環境表面（可為惰性表面或生物表面），並將其自身包繞其中，屬一種微生物適應自然環境以利於生存的一種生命現象。

胞外聚合物（extracellular polymeric substance，EPS）是微生物本身製造具黏性和保護作用的高分子量細胞外基質，通常堆積在細胞的外圍，主成分為多醣，另含纖維蛋白、脂蛋白、腐植酸、核酸等生物有機成分。

重要性

一個魚缸的表面上的彩虹色生物薄膜。

生物膜在醫學、工業和生態上都具有重要意義。

在醫學中，人類大約65%的細菌性疾病有生物膜參與。如在口腔中，牙齒表面的生物膜可形成牙菌斑、齲齒和牙齦感染。生物膜也可導致器官移植後（如心臟起搏器）的感染。空調中的退伍軍人菌（Legionella pneumoniae）形成生物膜可導致退伍軍人病。綠膿桿菌（Pseudomonas aeruginosa）在肺部感染的形成囊性纖維變性、肺結核、尿路感染、呼吸道感染和大約25%的腎結石也是由生物膜造成的。

輸油管道中形成的生物膜會嚴重影響管道輸送能力。

特點

生物膜中的細菌和游離細菌有很多不同點：

• 生物膜中的細菌對抗生素、過氧化氫或者去污劑的抗性可比游離細胞高400倍。
• 透過二維蛋白質電泳，發現生物膜中的細菌可能高達40%和游離細胞不同的蛋白。
• 生物膜中的細菌可以不分裂而維持生存（休眠）很長時間。
• 生物膜中的生物合成更多的向外分泌的多糖，並進行不同的次級代謝。
• 生物膜中的細菌對外界環境條件改變（如pH、離子濃度、滲透壓、黏度、營養、氣體交換）作出的反應更迅速。

結構

生物膜體積的90%由聚合物基質或水管道構成。生物膜具有結構而非均一，管道可用於生物膜內部的細菌交換物質。生物膜中，構成底層和表層的細菌種類和比例也不同。

生物膜的細胞可透過群體感應調整自身的生理狀況。

形成

生物薄膜的形成過程5個步驟。

生物膜的形成有以下步驟（見右圖）：

1. 初始附著期：細菌的可逆附著（秒）
2. 不可逆附著期：細菌的不可逆附著，胞外聚合物（EPS）的產生，改變被附著表面的特性，使其更易被附著（秒~分）
3. 成熟一期：細菌的生長和分裂，生物膜開始形成（小時~天）
4. 成熟二期：生物膜厚度增加且菌落擴大（小時~天）
5. 散布期：菌落內部細菌過密，生物膜破裂釋放細菌，進而擴散開來，往外形成新的附著點（天~月）

特性

在黃石國家公園的生物薄膜。最長的凸起墊子區域占有約半米長。

在俄勒岡州米奇溫泉流出的嗜熱細菌生物薄膜，約20毫米厚。

生物薄膜通常發現於浸沒在或暴露於水性溶液中的固體底物，儘管它們可以在液體表面形成浮動墊還可以在樹葉片的表面上形成，特別是在高濕度的氣候。如果有足夠的增長資源，生物薄膜會迅速成長為宏觀的（肉眼可見的）。生物薄膜可以包含許多不同種類的微生物，例如，含有細菌，古菌，原生動物，真菌和藻類；每組種類的微生物執行專業化的代謝功能。然而，一些微生物在特定條件下會形成單一物種的生物薄膜。生物膜內的社會結構（合作，競爭）高度依賴於存在的不同物種。

防止

爲防止某些情況下的生物膜形成，有如下辦法：

預防性：

• 防止營養物沉積
• 特殊的表面使細菌無法附著（「荷葉效應」）

物理方法：

• 超聲
• 高電壓
• 磁場

化學方法：

• 抗生素
• 去污劑
• 過氧化氫
• 螯合劑（如EDTA）

生物調控方法：

• 加入群體感應中誘導物的相似物質從而抑制群體感應