水—生物膜界面水动力和传质行为对AHL群体感应信号分子强化生物膜系统形成和特性演变的影响机制

Quorum sensing signaling molecules (N-acyl-homoserine-lactone)，one of the key material in cell-to-cell communication，plays important roles in biofilm formation. As the major dynamical factors, hydrodynamic characteristics not only determine mass and energy transfer, but also affect the accumulation and transformation of signaling molecules. Therefore, the transformation of biofilm is closely related to hydrodynamic characteristics. In this study, biofilm systems are going to be created by adding quorum sensing during cultivating. The effects of signaling molecules (N-acyl-homoserine-lactone) on biofilm features under different hydrodynamic conditions will be investigated through process tracking and characteristics analysis of biofilm in these systems. The hydrodynamic characteristics will be achieved with the technologies of CFD (Computational Fluid Dynamics )and PIV (Particle Image Velocimetry), while the mass transfer behaviors will be observed through microelectrodes. The metabolic products and the genetic expression of microorganism cell will be measured as well. Based on the above researches, it will be possible to illustrate the relationships between energy flow, mass flow, information flow, and biofilm features through multi-scale analysis. The mechanisms about how hydrodynamics and mass-transfer behavior at water- biofilm interface affect formation and characteristics of biofilm by adding quorum sensing signaling molecules (N-acyl-homoserine-lactone) can be proposed. This study will be useful for optimization and application of biofilm technology in situ.

群体感应信号分子是细胞信息传递的关键物质，在生物膜形成和特性演变中起着重要作用。水动力作为微生物生长中物质和能量传递的主要动力学因子，也控制着信号分子的传递和累积，影响着微生物的生长和特性。本研究以AHL群体感应信号分子作用下生物膜的形成和特性演变过程为研究对象，通过不同水动力条件下，生物膜微生物粘附、生长、成熟、脱落的全过程追踪和生物膜特性检测，考察不同水动力条件下AHL群体感应信号分子对生物膜形成和特性演变的影响规律；采用计算流体力学和粒子图像测试技术，分析水-生物膜界面水动力特性，利用微电极技术考察生物膜的传质行为；借助微生物代谢产物和胞内目标基因表达测定，基于水动力学、传质学、代谢组学和基因组学的多尺度分析，探求能量流、物质流、信息流与生物膜特性的互动响应关系，解析界面水动力和传质行为对AHL群体感应信号分子强化生物膜形成和特性演变的影响机制，为生物膜技术的优化应用提供支持。

群体感应信号分子是细胞信息传递的关键物质，在生物膜形成和特性演变中起着重要作用 。水动力作为微生物生长中物质和能量传递的主要动力学因子，也控制着信号分子的传递和累积，影响着微生物的生长和特性。本研究以流动水体中AHL群体感应信号分子作用下生物膜的形成和特性演变过程为研究对象，通过低、高两种不同水动力作用下（Re=120、Re=2546），AHL强化生物膜系统微生物粘附、生长的特性检测，考察不同水动力条件下不同种类AHL群体感应信号分子（N-Hexanoyl-L-homoserine lactone (C6)和N-Octanoyl-DL-homoserine lactone (C8)）对生物膜形成和特性演变的影响规律；采用数值模拟和物理模拟相结合的方式，分析水-生物膜界面水动力特性和物质传递行为；借助微生物代谢产物和胞内目标基因表达测定，基于水动力学、传质学、代谢组学和基因组学的多尺度分析，探求能量流、物质流、信息流与生物膜特性的互动响应关系，解析界面水动力和传质行为对AHL群体感应信号分子强化生物膜形成和特性演变的影响机制。研究结果表明：高Re条件下载体表面能形成的薄且致密的生物膜，低Re条件下，则会形成厚且松散的生物膜。水动力作用的增强，会提高微生物细胞表面极性官能团所占百分比，增加细胞的亲水性，降低疏水性，同时还会会使细胞内部的电荷暴露出来，导致Zeta电位降低。信号分子的加入，则会改变基因转录的过程，影响细菌细胞膜蛋白的产生，进而改变膜外电荷性质和表面官能团，使得细菌的Zeta电位升高，疏水性下降。氢键作用在细菌粘附成膜过程中起着主要作用，信号分子的加入，能有效提高氢键的作用，促进细菌成膜，但这一作用持续时间不超过72h。信号分子和水动力之间并未产生耦合效应，却出现了相互制约、相互影响的弱化效应。这一发现使我们能够有效地发挥信号分子的作用，更好地调控流动水体中生物膜的成膜过程，为生物膜技术的发展提供有力的支撑。