增大孔隙空间提升生物膜系统多样性，解锁多孔环境微生物奥秘

《Microbiome》：The mitigation of spatial constraint in porous environments enhances biofilm phylogenetic and functional diversity

为探究孔隙空间对生物膜群落结构和功能多样性的影响，研究人员利用微流控芯片开展研究，发现增大孔隙空间可提升生物膜的系统发育和功能多样性，这对相关领域的生物膜管理意义重大。

　　在自然界、工程和医学等诸多领域，多孔环境是微生物的 “理想家园”，生物膜（biofilm）广泛存在其中。生物膜的形成对微生物来说好处多多，比如能帮助它们更好地获取营养、抵御外界压力。而且，生物膜在生物地球化学循环、生物修复以及慢性感染等过程中都扮演着关键角色。但是，目前人们对多孔环境中生物膜群落的组装机制，以及孔隙空间究竟如何影响生物膜的结构和功能，了解得还远远不够。以往的研究大多依赖环境采样和颗粒大小分类，这使得孔隙空间的影响和其他环境变量（如有机和矿物质组成的变化）混在一起，难以区分。为了填补这一知识空白，华中农业大学的研究人员展开了深入研究。相关研究成果发表在《Microbiome》杂志上，为理解和调控多孔环境中的微生物群落提供了重要依据。

研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先，利用微流控（microfluidic）芯片技术，制作出带有不同直径微柱阵列的芯片，模拟不同的多孔环境；其次，运用 16S rRNA 扩增子测序技术，分析不同孔隙空间中生物膜的群落组成；再者，借助代谢组学（metabolomics）方法，对微流控芯片流出液中的代谢物进行分析，以此探究生物膜的功能特性。

下面来看具体的研究结果：

• 减少空间限制促进生物膜形成：研究人员制作了不同孔径（20μm、50μm、100μm 和 300μm）的微流控芯片，并在其中接种土壤微生物群落进行培养。通过显微镜图像分析发现，较大的孔隙空间能降低空间限制，使生物膜的粗糙度和厚度增加，不过生物膜在孔隙空间内的覆盖率会降低。而且，不同孔径下生物膜的胞外聚合物（EPS）成分也有所不同，孔径越大，多糖和蛋白质的比例越高，胞外 DNA（eDNA）的比例越低 。
• 较大孔隙空间内群落均匀度降低，系统发育多样性增加：对不同多孔介质中的生物膜群落进行 16S rRNA 扩增子测序分析。结果显示，相比无微柱的平坦流动室，多孔环境中的生物膜具有更高的 Shannon 多样性和丰富度。随着孔径增大，生物膜的 Shannon 多样性先降低后升高，这是因为较大孔隙空间中群落均匀度降低，但丰富度增加。通过计算加权平均最近分类单元距离的标准化效应大小（weighted SES.MNTD）评估群落系统发育结构，发现其与生物膜覆盖率呈负相关，意味着在空间限制增加的小孔隙中，生物膜微生物在系统发育上更接近。此外，分析群落组成发现，不同孔径下假单胞菌属（Pseudomonas）、红球菌属（Rhodococcus）等是优势菌属，300μm 孔径下生物膜的丰富度显著高于其他孔径，且各亚群落的组成也存在差异 。
• 随机过程驱动生物膜群落组装：运用 Sloan 中性群落组装模型分析发现，在不同孔隙空间中，生物膜群落组装主要受随机过程支配，但随着孔隙空间增大，随机过程的作用减弱，确定性过程的影响增强。例如，在 300μm 孔径下，一些中间分类单元的迁移能力更强，在大孔隙空间中分布更广，而一些优势分类单元的扩散能力较弱。通过共现模式分析还发现，300μm 孔径下生物膜群落的网络最为复杂，节点和边的数量最多，不同亚群落之间的关联更强；而 20μm 孔径下的网络结构最简单，节点和边少，聚类系数低 。
• 增大孔隙空间增强功能冗余和代谢物多样性：基于 16S rRNA 扩增子测序，利用 Tax4Fun2 预测微生物功能潜力。结果表明，20μm 孔径下生物膜中与基本营养代谢和遗传信息处理相关的基因更为丰富，而 300μm 孔径下生物膜在环境信息处理和细胞过程相关的通路中相对丰度最高，且功能冗余（FR）更高。代谢组学分析发现，微流控芯片流出液的代谢物谱与生物膜群落结构显著相关，300μm 孔径下代谢组的 Shannon 多样性显著高于较小孔径，且该孔径下生物膜在一些代谢途径（如 D - 精氨酸和 D - 鸟氨酸、丁酸酯以及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢途径）中表现出独特且显著的富集 。

综合研究结果和讨论部分可知，该研究揭示了多孔环境的物理结构对生物膜群落结构、组装过程和功能多样性有着至关重要的影响。增大孔隙空间能促进生物膜形成，使生物膜厚度和粗糙度增加，同时降低覆盖率，缓解空间限制。这不仅增加了生物膜群落的系统发育多样性，还提高了功能多样性，使生物膜在代谢方面更加多样化。这些发现对于理解和管理环境、工业和医学等领域的微生物群落具有重要意义。例如，在工程应用中，可以通过调整孔隙空间来优化生物膜的功能，提高生物膜在生物修复、污水处理等方面的效率；在医学领域，有助于深入了解生物膜相关感染的机制，为开发新的治疗策略提供思路。总之，这项研究为进一步探索多孔环境中微生物的奥秘奠定了坚实基础，为相关领域的发展提供了有价值的参考 。