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本研究深入探讨了恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）在80天葡萄糖饥饿条件下于模型砂柱中的生物膜形成动态。通过原子力显微镜（AFM）和胞外聚合物（EPS）定量分析，发现饥饿生物膜通过显著提升蛋白质产量（蛋白质/碳水化合物比值达18.1）和增强对SiO2表面的黏附力（最高达1.47 nN），展现出优于营养充足生物膜的机械稳定性。该研究为低营养环境中长效生物屏障（如土壤固化、地下水修复）的开发提供了理论依据。
引言
原位生物膜技术在可持续解决岩土工程挑战方面具有广阔前景，包括土壤侵蚀防治、石油回收增强以及通过生物屏障降低水力传导性以控制污染物迁移。现有研究多采用营养富集培养基最大化生物膜产量，但实地大规模应用需持续注入高浓度营养液，成本高昂。土壤天然贫营养的特性使细菌易处于饥饿状态，而饥饿状态下细菌的生物膜组成、结构完整性及黏附性变化机制尚不明确。本研究以恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）为模型，系统探究碳源饥饿对其在砂柱中生物膜生存能力、胞外聚合物（EPS）组成及界面黏附力的影响。
材料与方法
实验采用恶臭假单胞菌株，在经Piranha溶液处理的石英砂（200±61 μm）中构建短砂柱模型。细菌在含1 g/L葡萄糖的矿物培养基中预培养6天后，半数砂柱切换至无葡萄糖培养基模拟饥饿条件，持续80天。通过离心结合热处理法分步提取松散结合型与结合型EPS，采用Anthrone法和改良Lowry法分别定量碳水化合物与蛋白质含量。利用原子力显微镜（AFM）搭载细菌探针，定量分析生物膜与SiO2模型表面的黏附力及生物聚合物延展特性。
结果与讨论
生物膜生长动力学
葡萄糖饥饿引发恶臭假单胞菌生物膜呈现两阶段生长模式：初始8天内菌落形成单位（CFU）增长1个数量级，随后20天内下降至稳定水平（7.2×107CFU/mL），直至实验结束仍保持70%存活率。而持续喂养组CFU在整个实验期内持续增长至2.9×109CFU/mL。该规律与浮游细菌饥饿响应中的“矮化现象”相符，表明生物膜态细菌通过代谢重组实现长期生存。
EPS组成动态变化
饥饿生物膜的总碳水化合物产量较喂养组降低40%，但单位CFU的碳水化合物产量无显著差异（9.4 vs 10.9 μg/109CFU）。饥饿组蛋白质产量显著提升，单位CFU蛋白质含量达喂养组的6.5倍（2011.9 vs 310.8 μg/109CFU），蛋白质/碳水化合物比值从喂养组的2.7升至18.1。散射图分析表明，饥饿细菌通过牺牲部分细胞或降解碳水化合物维持群体平衡。
界面黏附机制解析
AFM测定显示，饥饿生物膜与SiO2表面的黏附力（1.47±1.32 nN）显著高于喂养组（0.50±0.55 nN）。饥饿组生物聚合物延展距离达250±197 nm，为喂养组（90±84 nm）的2.7倍，且黏附事件分布更异质化。相关性分析揭示蛋白质浓度与黏附力呈正相关（R2=0.90），而碳水化合物含量与黏附力负相关，机制涉及蛋白质氨基正电荷与SiO2表面负电荷的静电吸引及氢键作用。
岩土工程应用潜力
饥饿生物膜通过增强蛋白质合成与界面黏附，形成机械稳定性更高的土壤-生物膜复合体。其抗剥离特性有助于维持多孔介质水力传导率稳定，为低营养环境下长效生物屏障（如土壤固化、地下水修复）提供了新策略。该研究突破了传统生物膜技术对持续营养供给的依赖，为可持续岩土工程应用开辟了新途径。
结论
恶臭假单胞菌通过调控EPS蛋白质合成及界面黏附适应性响应碳源饥饿，形成的生物膜具备优异机械耐久性。该发现为开发低维护成本的生物屏障技术奠定了理论基础，尤其在贫营养环境的地下水修复领域具有重要应用价值。
