一 微生物膜电性与其表面附着

1. 厌氧条件下微生物将电子传递给胞外电子受体，部分微生物比如Shewanella菌自身分泌电子穿梭体（electron shuttle,ES）介导胞外电子传递过程，如黄色素、黑色素、吩嗪衍生物和某些醌类物质等。下表总结了目前报道的典型内生ES种类。

2. 绝大多数微生物表面都是绝缘性的脂膜、肽聚糖和脂多糖，不能够直接传递电子给胞外的电极。有机物在细胞内被降解失去电子，电子经过完整的呼吸链传递最终由电子受体接受电子并释放出能量。很多微生物具有电极还原能力，有些能自己产生电子载体，有些利用细胞表面的细胞色素蛋白直接与电极接触传递电子。

3. 正电荷的基体表面有利于单细菌的微观粘附，介质离子强度的降低会导致细菌-界面静电排斥显著增加，导致细菌很难突破势垒，从而抑制细菌粘附。细胞壁的脂多糖在高离子强度下可以显著增强细菌粘附强度。

4. 血链球细菌主要依靠其由甲基端基形成的非极性表面显示与金属基体的粘附性，而对于由羧基形成的具有高负电性的多层膜则抑制了粘附作用。

5. 由于阴离子羧基和磷酸基团的存在，大部分微生物在生理条件下具有负的表面电荷。利用原子力显微镜（AFM）观察细菌粘附力vspH曲线，发现其细胞最大粘附力的pH值对应细胞的等电点，即pH=4，细胞表面显负电性。用Cu（II）处理细胞造成细胞表面电荷逆转，在中性条件下促进对负电荷的粘附。

图1 在不同 pH 值的1 mM KNO3溶液中记录的力-距离曲线，在单个酿酒酵母细胞表面和 COOH 终止探针之间。观察到的 pH 值差异可能与探针和细胞表面官能团的电离状态变化有关。在不同 pH 值下显示的数据是使用相同的细胞/探针组合获得的。当使用不同的探针和独立的制剂时，观察到粘附力绝对值的微小变化，但总是发现相同的 pH 依赖性。

      有多种方法可用于确定细胞表面可电离基团的存在，其中包括微电泳、胶体滴定、细胞等电聚焦、离子交换色谱法和表面电导率。这些技术探测电池的整体电化学特性，即它们提供在大量电池上获得的平均信息。

6. 鼠李糖、木糖、甘露糖和葡萄糖广泛存在于污水厂厌氧、缺氧和好氧污泥的胞外多糖中。约60%的蛋白质来源细胞和细胞部分，且其主要分子功能为催化活性和结合活性。主要作用是结合多价阳离子和有机分子，及催化和降解。厌氧污泥中含有更多的催化活性蛋白。生物膜中存在一种能够促进粘附的胞外蛋白，细胞聚集依赖于EPS，而生物膜细胞本身具有较强的聚集能力，这与生物膜细胞表面存在的粘附蛋白有关。疏水表面比亲水表面更有利于细胞固定和TB-EPS（紧密结合型）沉积。随着pH的升高，TB-EPS的附着量急剧下降，TB-EPS附着在不同有机表面依赖于溶液pH和阳离子，EPS中含有大量的磷酸化大分子和多糖类物质。

7. 材料表面疏水性的增加,其抗细菌粘附的能力显著提升。表面带负电材料的抗菌性明显优于表面带正电的材料。在材料表面引入微图案能够有效抑制细菌粘附，并且细菌尺寸与微图案尺寸之间的差异是其抑制细菌粘附效果的重要影响因素。当细菌尺寸大于微图案尺寸时，材料抑制细菌粘附效果更好；当细菌尺寸小于微图案尺寸时，材料抑制细菌粘附效果显著下降。

8. 一般好氧微生物要求环境电位为正，高于+100mV以上，兼性厌氧微生物在+100mV以下进行无氧呼吸，专性厌氧微生物一般低于-200mV以下。

9. 微生物的粘附过程受微生物与基质间范德华作用力和静电作用力(Electrical double layer，EL)的相互制约。当两者相距较远时，范德华力迅速下降，此时静电力是控制微生物粘附的主导力。

图2 微生物在基质上的粘附过程

图3 环境微生物表面自由能各分量(γbLW、γbAB、γb+、γb-)的分布

二 微生物膜的界面感知及功能蛋白

（一）微生物膜的感知功能

1. 群体感应（QS）交流体制普遍存在于各种细菌中，并且发现此体制的正常运行需要一些可溶性的小分子信号分子作为信息载体，也称为自体诱导物（auto-Inducer，AI）。细菌生物膜一旦检测到周围细菌的数量和浓度达到特定的阈值时，细菌便会通过所分泌的信号分子发出相应的信号，诱导细菌中特异性基因的表达，协调改变细菌之间的行为方式，一同体现细菌的相关生理特征，从而表现出单个细菌所无法独立完成的某些生理功能和反应。

2. 这种分子环二鸟苷酸GMP控制着许多细菌物种的细菌运动和生物膜形成以响应环境条件，但到目前为止，在沙门氏菌中调节环二鸟苷酸 GMP 的特定信号在很大程度上是未知的。

（二）微生物界面识别感知与附着

1. 金属的氧化还原电位对细胞色素蛋白和金属材料界面电子传递速率有较大的影响。

2. 材料界面对细胞粘附的影响：细胞沉积在固体表面以后，特殊的细胞表面结构（小纤维和聚合体）会将细胞与固体表面牢固的连接在一起。因此附着材料表面的粗糙度与生物被膜的形成密切相关。附着材料表面的化学组成、临界张力、表面能、亲水/疏水性、表面电荷等对细菌黏附的影响也比较大，它们决定了血浆蛋白吸附种类，而这些蛋白是决定细菌黏附的重要因素。且附着材料表面有许多能与细菌细胞分子和元素发生作用的结合位点，细菌通常粘附到有趋向浓缩营养物和表面产生刺激增生的自由能所在部位。

3. 微生物在界面上的分布与感知：运动的细菌在营养不足的生境中通常呈现趋化性反应，沿着界面附近建立的营养梯度而分布，不运动的细菌则依靠另外的机制富集在界面上，疏水性是主要影响因子。只有在界面呈正电荷时，才能静电吸引负电荷细菌。一种无色杆菌被吸引到玻璃表面上的数量随电解质浓度减少而减少。微生物可产生乳化剂促进增加可用的界面面积。

4. 在不可逆粘附和早期发展阶段,生物膜内主要存在细菌和蛋白质；在成熟阶段,则出现大量的聚羟基丁酸酯,这与细菌的基因转移能力相关。除随时间变化外,这些组分的空间分布也各不相同,蛋白质主要位于生物膜中上层,而聚羟基丁酸酯则集中在生物膜底部。

（三）微生物界面识别蛋白

1. 细胞膜上的糖蛋白在生命活动中起着重要的作用,在细胞膜上有许多识别位点,包括膜受体和膜抗原,细胞之间的识別主要通过这些识别位点的作用实现。

2. H.pylori（幽门螺杆菌）通过菌体外膜蛋白(Outer membrane proteins, OMPs)与胃黏膜上皮细胞表面相应的受体特异性结合,从而与胃黏膜上皮形成稳定黏附。BabA和SabA是两种常见的黏附素,它们分别通过特异性地识别Lewis-b和唾液酸化的Lewis受体促进H.pylori的稳定黏附并引起组织炎症反应。

三 生物传感器

1. 生物传感器 (biosensor)是由固定化生物物质（即敏感生物元件接收器）与适当的化学信号换能器件组成的生物电化学分析系统，具有特异识别生物分子的能力。

      其将生物体功能材料(酶、微生物组织、动物细胞、底物、抗 原、抗体等)固定化处理，当待测物质(底物、辅酶、酶、维生素、 抗原、抗体、抗菌素等)与分子识别感受器相互作用发生物理或生 化反应，将其浓度转换为电信号用于微量物质的检测。具有灵敏度高、稳定性好、测定快速等优点。

2. 根据生物传感器当中的敏感分子识别元件可分为五类：酶传感器、微生物传感器、细胞传感器、组织传感器和免疫传感器。根据生物传感器的换能器分类有：生物电极传感器、半导体生物传感器、光生物传感器、热生物传感器，压电晶体生物传感器等。本次主要讨论生物电极传感器，即电化学生物传感器。电化学生物传感器又根据其测定原理分为：电位型、电流型、电容型、电导型生物传感器。

3. DNA检测电容传感器
——校准和运行特性
    将标准互补靶标25-mer 的 mecA 基因样本注入电容式 DNA 传感器系统中，诱导注射的 mecA 基因与传感器芯片上的捕获探针发生杂交反应，导致电容变化(ΔC)，如图所示：

——碱基不匹配的检测
    研究了所开发的电容式DNA 传感器检测不同碱基错配的能力。在捕获探针上对相同摩尔浓度的靶 mecA 基因样本进行杂交，并记录ΔC反应。互补靶标、单碱基错配、双碱基错配和12个碱基错配探针之间的信号(ΔC) 存在显著差异。

——从人类唾液中恢复mecA基因
    对添加了mecA 标记的样本进行三次重复分析，并使用平均信号来计算从人类唾液中提取目标基因的回收率。研究结果见表。在最稀释的样品中，回收率最高，这表明进一步的样品稀释降低了基质的影响。然而，由于样品稀释度过大会导致信号振幅的损失，因此该系统需要进行优化。

      描述了一种基于mecA基因检测的新型、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的快速生物传感器技术。该开发的生物传感器可以以高灵敏度检测来自复杂的人类唾液中的 mecA 基因，回收率为95%。

      该生物传感器具有显著的选择性，可以明确区分互补探针与单碱基、2bas、12碱基错配和非互补探针。这项工作为将该研究扩展到临床和环境样本中真实的MRSA-mecA基因的分析提供了基础。

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