《Current Opinion in Environmental Science & Health》：Dynamics of Biofilm-Forming Bacteria on Marine Material Surfaces Based on Metabarcoding
编辑推荐：
海洋环境中细菌生物膜在不同材料（木材、钢、玻璃、塑料）上的动态及其代谢群编码分析。研究表明各材料形成特异性微生物群落，变形菌门占主导（41-67%），生物膜兼具生存保护与环境功能，如延缓材料腐蚀、降解塑料、抵御盐分伤害等。
Hermin Pancasakti Kusumaningrum | Naufal Sebastian | Bodhicitta Wardaja | Eko Purnomo | Zarina Binti Amin
印度尼西亚迪波内戈罗大学（Universitas Diponegoro）理学院生物系生物技术研究项目
摘要
生物膜是细菌为生存而在各种材料表面形成的结构。然而，对于不同类型的形成生物膜的细菌如何适应海洋材料的多样化表面，目前了解仍然有限，而这至关重要。本文旨在基于宏条形码技术（metabarcoding），研究海洋环境中细菌在木材、钢铁、玻璃和塑料表面上的动态变化。综述表明，每种材料表面通常存在独特的细菌群落。在所有材料中，变形菌（Proteobacteria）占主导地位（41-67%）。细菌形成生物膜主要是为了在各种环境条件下生存。有趣的是，生物膜的形成在海洋环境中还带来了许多益处：它可以减缓铁和钢铁的腐蚀、快速降解某些类型的塑料、保护木材表面免受盐分损害，并延缓玻璃的老化。这表明细菌生物膜在保护和维护各种材料方面具有潜在作用。
引言
微生物在海洋生态系统中发展出了各种策略来维持新陈代谢并保护自身细胞免受环境变化的影响。生物膜对微生物至关重要，它提供了易于获取的营养物质、增强了微生物之间的相互作用，并提高了环境的稳定性。环境条件的变化也会影响表面的物理化学性质和微生物的附着能力[1]。
多项研究表明，聚合物类型和表面电荷显著影响微生物的附着和群落演替[2], [3]。在塑料表面，微生物会产生胞外酶和自由基来降解塑料聚合物[4], [5]。由于这种生物矿化和聚合物降解作用，金属、钢铁和混凝土表面会形成密集的生物膜[6], [7]。然而，随着时间的推移，微生物群落往往会趋同[8], [9]。相反，金属表面则表现出双重动态：一方面通过微生物引起的腐蚀（MIC）加速材料降解，另一方面通过生物矿化过程抑制降解[10], [11], [12]；而木材基质则参与硫和碳的循环[13], [14]，这与惰性玻璃表面的情况截然不同[15]。
与其他方法（如基于显微镜培养的方法和宏基因组学）相比，宏条形码技术在研究环境DNA（eDNA）方面具有优势，它能够简化样本处理流程、实现高通量分析、全面且高效地确定微生物多样性，还能比宏基因组学获得更多微生物的信息，甚至能够揭示生物体的生化途径[16-18]。然而，关于生活在不同材料表面的海洋微生物及其动态变化的宏条形码数据仍然非常有限[13], [15], [16]。
本文旨在利用宏条形码技术的优势，研究海洋环境中微生物在各种材料表面的动态变化。
概念框架
海洋系统中生物膜研究的采样方法
通常，采样设计会针对局部海洋环境内的三个空间相邻区域进行采样，以确保统计上的稳健性并考虑小尺度上的异质性。标准操作中，生物膜的收集包括从水下表面（通过拭子或刮取）采集生物量，并重复三次。必须严格遵循冷链协议；样本应在采集后立即保存在4°C下，随后转移至-20°C或更低温度。
表面上的群落组成动态
生物膜群落的组成是由表面特性（如润湿性、粗糙度/光滑度）与局部环境条件共同作用的结果[17]。物理化学因素（如表面能、电荷、微地形和水动力学）决定了微生物的初始附着、胞外聚合物物质（EPS）的产生和成熟过程，以及随后在各种基质上的群落更替[2], [3]。在塑料表面，聚合物类型会筛选出早期定植的微生物；例如聚苯乙烯表面[...]
挑战与局限性
宏条形码技术为理解细菌群落结构提供了宝贵见解，包括能够检测到无法培养的微生物。然而，技术上的挑战（如PCR引物偏倚和遗传标记的分类学分辨率有限）会降低识别的准确性[20]。通过选择合适的标记组合可以改善群落代表性的同时减少偏差[38]。此外，环境变量也会影响生物膜的形成，因此需要设计受控的实验[39], [40]。
结论
- 形成生物膜的细菌的动态特性表明，其功能具有高度的特异性，这取决于所附着材料的类型。在不同材料表面上形成的生物膜通常会适应材料的需求和特性。
- 宏条形码技术在理解海洋环境中生物膜与材料之间的相互作用方面具有重要意义。
作者贡献
概念构思：H.P.K., Z.A.；原始稿撰写：H.P.K., B.C.W., N.S.A., E.P.；审稿与编辑：H.P.K, B.C.W., N.S.A., E.P.；资金获取：H.P.K。所有作者均已阅读并同意发表的手稿版本。
利益声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了迪波内戈罗大学（Universitas Diponegoro）的研究教授资助（项目编号：222-316/UN7.D2/PP/VI/2025），特此表示感谢。
