0 引言
沙门菌是一种重要的食源性人畜共患革兰氏阴性胞内寄生菌
[1],在自然界中普遍存在,自该菌被发现以来,一直都是全球公共卫生领域的焦点。沙门菌属肠杆菌科,由肠道沙门菌(
Salmonellaenterica,
S. enterica)与邦戈沙门菌(
Salmonella bongori,
S. bongori)两个种属构成,为需氧菌或兼性厌氧菌。其宿主特异性极差,血清型种类众多,对多种动物具有致病性,能够引起从急性肠胃炎到危及生命的败血症、肠热症等疾病
[2]。世界卫生组织的数据显示,全球每年有数亿人感染沙门菌,其中数十万人死亡,沙门菌尤其对儿童、老年人群和免疫系统严重受损者构成重大威胁。沙门菌的传播途径多样,主要通过被污染的食物和水源传播,特别是变质的肉蛋奶类、水果类食品
[3]。随着经济全球化发展与全球气候变化加剧,沙门菌病的发病率在许多地区均呈现上升趋势,新的血清型不断出现,细菌耐药性问题日益严重,给疾病防控带来新的挑战
[4]。
生物被膜是细菌接触生物或非生物表面,分泌脂质、蛋白质、多糖等细胞外基质包裹自身的复合物
[5]。研究发现,沙门菌的致病性和对环境的适应能力与其形成生物被膜的能力密切相关。20世纪80年代,研究人员就注意到沙门菌能够在食品加工环境中和食品表面形成生物被膜。沙门菌分泌的胞外聚合物构成物理保护屏障,形成结构复杂的微观生态系统。处于生物被膜保护状态的沙门菌对灭菌消毒措施的抵抗力可以提高数倍,这使得它们可以在食品生产加工的各个角落中长期存在,难以清除且持续污染食品,最终导致疫病暴发,并且沙门菌会腐蚀生产设备,严重影响工作效率。生物被膜因其强大的防渗透作用,成为细菌耐药性形成的关键因素,深入研究其构成,剖析其黏附、聚集、成熟及分散各个时期的生命活动
[6],能够指导抗生素的合理使用
[7],并为开发具有针对性的消杀措施提供理论基础。生物被膜的检测是防控沙门菌病的第一步,目前检测手段逐步丰富,如利用电化学阻抗进行无损检测,该方法可以监控生物被膜动态形成的全过程
[8]。生物被膜的影响涉及生活的各个方面,对其研究能够助力阻断沙门菌隐匿性传播和防止交叉感染,保障食品安全和公共卫生安全。
1 沙门菌生物被膜形成原因
生物被膜是沙门菌为适应不良环境、增强致病能力进化出的一种适应性结构,这并非单一因素所致,而是由多种因素协同作用的结果,涉及细菌对外界环境变化的感知与反应,以及一系列复杂的生物化学反应和分子调节机制
[9]。容器表面、塑料、不锈钢与动物皮肤表面等都为沙门菌附着提供物理基础。营养条件和环境中物理化学状态的改变是触发生物被膜形成的最关键因素。营养匮乏作为一种环境信号,促使沙门菌从浮游状态转为附着于生物或非生物表面更为稳定的生存状态,诱导生物被膜采取链状排列的方式以增加表面积
[10],便于营养的摄入。环境中温度的波动、渗透压的变化、pH的偏移等都可以影响细菌表面的电荷与其疏水性
[11],从而改变其黏附能力。接触表面的粗糙程度也可以影响沙门菌的黏附能力,若表面足够粗糙,可为细菌提供足够的附着位点,减少菌体被流体冲刷掉的概率
[6]。
沙门菌自身结构为生物被膜形成提供了物质基础。沙门菌表面的菌毛、鞭毛和膜外蛋白质等黏附素通过静电作用或与特异性受体结合等多种作用附着在接触物的表面,一旦初始附着完成,沙门菌便会上调控制胞外多糖、脂质、蛋白质及核酸等物质合成的基因表达,加速聚合物的分泌,以构建生物被膜的基本框架。其中以纤维素和荚膜多糖为主的胞外多糖构成被膜的结构骨架,包裹周围细菌,形成保护层。沙门菌的群体感应系统作为细菌间精密通信网络,精准地调控着生物被膜的形成过程。细菌能够自身分泌并检测特定的信号分子来感知周围环境中菌群的浓度,当信号分子的浓度积累至阈值,可经级联反应激活沙门菌基因的表达
[12]。该系统确保菌群能够协调一致地完成生物被膜从黏附、聚集到成熟、分散的全过程。
2 沙门菌生物被膜的构成与功能
沙门菌生物被膜并不是单纯的物质堆积,而是具有高度组织性的微生态系统。沙门菌生物被膜在显微镜下往往呈立体的蘑菇状、柱状,成熟的生物被膜从外到内依次为:主体生物膜层、连接层、调节层与基质层
[13]。生物被膜的基本成分可以分为细胞外基质和嵌入其中的细菌菌落,但细菌菌落占比较少,二者相互交织、相互影响,共同构成一个三维立体结构。
沙门菌生物被膜的基本骨架是由胞外聚合物基质构成,包括卷曲菌毛、膜外蛋白、胞外DNA、纤维素和荚膜多糖等多种大分子物质
[14]。其中纤维素与荚膜多糖相互交织,形成网络状骨架,将细菌包裹其中并为被膜提供物理支撑,维持其整体形态。胞外DNA作为生物被膜不可或缺的重要成分,其主要来源于细菌自溶或主动释放。在生理pH下,DNA分子中的磷酸基团发生解离并释放出氢离子,使整个DNA分子带负电荷,能够与带正电荷的多糖、蛋白质及细菌表面发生静电作用,促进各种物质的交联,增强生物被膜的稳定性
[15]。同时,胞外DNA也作为基因水平转移的桥梁,促使抗生素耐受基因在菌落间传播。卷曲菌毛是一种淀粉样蛋白纤维,亦是生物被膜的主要成分之一,由
csgBAC和
csgDEFG操纵子编码而成
[13]。卷曲菌毛具有强大的表面黏附能力,在生物被膜形成初期,能够介导细菌与其他生物或非生物表面的结合,为细菌菌落的形成奠定牢固基础
[16]。随后菌毛会相互缠绕,构成嵌入多糖网络结构的骨架,极大地增强了被膜结构的稳定性。此外,基质中还有许多功能性蛋白、脂质及其他代谢产物,它们共同形成保护性屏障,将菌落牢牢包裹在一起。
嵌入生物被膜的细菌菌落并不完全一致,它们在菌体大小、代谢速率与药物敏感性等方面存在差异,根据在被膜中的位置,可以分为游离菌、表面菌和深层菌
[13]。游离菌一般位于生物被膜周围的液相介质中,代谢旺盛、增殖速率快,但致病性和抗逆性较弱,易被清除,其主要作用是逐步扩散至新的定植表面,开启新的生物被膜周期;表面菌位于生物被膜表面,代谢较活跃,增殖速率与抗逆性中等,介于游离菌与深层菌之间,参与生物被膜的向外扩张,能够感知外界环境信号,介导信号传导;深层菌位于生物被膜最内层,代谢缓慢,增殖基本停滞,多处于休眠状态,致病性和抗逆性均较强,成为抵御抗菌及消毒措施的最后保障
[17]。沙门菌在空间结构上的分化与胞外基质相互配合,共同形成生物被膜的三维结构。
沙门菌生物被膜的功能与其复杂的结构存在密不可分的联系。其最核心的作用是能够提供卓越的物理化学防护,致密的胞外基质可以有效阻碍或延迟抗生素、消毒剂以及宿主免疫细胞、免疫因子的渗透,使其无法有效接触并杀灭内部细菌
[18]。如表面带正电荷的多糖对同样带有正电荷的氨基糖苷类抗生素具有天然物理性排斥,形成对生物被膜的有效保护
[13]。基质中的某些物质能够中和部分化学消毒剂,细菌代谢形成的环境可能使部分抗生素失效
[19]。密度较高的菌群也可通过群体感应系统进行通信交流,调控基因的表达,以群体协作的方式增强对抗生素和消毒剂的耐受性
[20]。生物被膜所固有的动态性和基因传递潜能也是沙门菌研究的一大重点。在其生命周期的分散阶段,成熟的生物被膜会释放出被包裹的细菌,这些细菌会扩散至新的部位继发感染或造成新的感染,确保菌群延续。同时,胞外DNA为细菌间基因交流提供平台,使耐药基因的传播成为可能
[10]。
3 沙门菌生物被膜形成机制
沙门菌生物被膜的形成是一种高度程序化、动态化的群体行为,这一过程并不是随机发生的,而是由环境信号触发,经过精密的级联分子调控,使细菌从自由游动的浮游状态转变为固定于生物或非生物表面的定植状态。其完整的生命周期可系统地分为黏附、聚集、成熟与分散等4个主要阶段
[21]。
黏附是生物被膜形成的第一步,包括可逆性黏附和不可逆性黏附
[13]。浮游状态的沙门菌通过鞭毛运动主动或被动接近各种物质表面。环境因子如营养物质匮乏、物理化学状态改变等都会触发沙门菌的黏附行为。初始黏附依赖于细菌表面一系列黏附素的介导
[14],包括各种类型的菌毛及膜外蛋白
[22],这些分子通过疏水作用、静电作用或暂时形成结合键与接触面松散结合。细胞内开启关键的信号转换,环境信号触发膜结合型二鸟苷酸环化酶使其快速活化,同时抑制磷酸二酯酶表达
[23],环二鸟苷酸浓度上升。环二鸟苷酸作为生物被膜形成的核心第二信使,高浓度的环二鸟苷酸能够抑制鞭毛基因的表达,减少细菌的游动性,并激活与黏附素相关基因的表达,增强黏附性
[24]。
聚集阶段的主要任务是建立稳定的细菌间连接,形成初始菌落。成功初始黏附的细菌开始大规模产生和分泌胞外基质,不断加深加厚生物被膜。其中具有代表性的是卷曲菌毛,CsgA操纵子控制合成菌毛蛋白,csgDEFG操纵子编码合成卷曲菌毛所需要的辅助蛋白质
[13]。卷曲菌毛在细菌表面呈放射状伸出,相互缠绕,将细菌个体紧密捆绑在一起。由CsgD控制合成的纤维素大量合成
[13],填充在卷曲菌毛构成的网络中,与细菌裂解或主动释放产生的胞外DNA、脂质与蛋白质等共同构建起原始的生物被膜,在此过程中,菌群对不利因素的抵抗力不断增强。
在成熟阶段,沙门菌生物被膜的三维结构不断复杂化,且逐步完善稳定,菌落内部也开始出现功能分化。微菌落通过细菌的持续分裂和基质的不断沉积,逐渐发育形成高度功能化的蘑菇状、柱状的立体结构。这些结构被曲折蜿蜒的水通道分隔或连接,营养物质、酶、氧气和代谢废物等在通道中交换流通
[19],发挥了原始循环系统的作用。然而在这一框架内部,产生了微环境上的差异,营养物质浓度梯度变化,直接导致处于不同深度的沙门菌生理活动上的不同。随着深度的增加,游离菌、表面菌与深层菌的代谢速率减弱,抗逆性逐渐增强,这种分化机制具有关键的生存意义,为沙门菌的持久致病性提供可能。
成熟的生物被膜可能因外部流体冲刷或自身内部原因将部分游离菌释放,这些游离菌参与下一个生物被膜的生命周期,确保沙门菌群的扩散与延续。当群落内部因营养耗尽、代谢废物积累或感知到外界存在新的有利环境时,便会启动程序化的解散过程
[25],部分细菌会分泌针对胞外基质的降解酶
[26](如核酸酶、蛋白质酶),瓦解包裹细菌的DNA和多糖网络。同时,沙门菌的基因表达情况发生改变,二鸟苷酸环化酶活性受到抑制,磷酸二酯酶活性增强
[23],致使细胞内环二鸟苷酸浓度水平下降,鞭毛合成基因被重新激活,细菌的运动能力恢复。浮游菌和小的细菌团能够主动从生物被膜上脱离,转变为浮游状态,这些脱离的细菌往往具有较高的代谢率和生命活性,更容易随流体运动到适宜附着的表面,开启新的生命循环
[27]。
4 沙门菌生物被膜对食品安全及公共卫生的影响
生物被膜赋予了沙门菌远超浮游状态的强大存活能力和持续感染能力。沙门菌易在食品加工管道和难以清洁的缝隙中形成生物被膜,即使经过严格消杀程序,仍可能在这些表面残留
[28],持续污染流经产品。该过程隐蔽性强,易成为卫生监管中的盲区。食品工业中对消毒剂有着较为严苛的规定,消毒剂必须安全、高效、操作简单且无化学残留
[29]。因为生物被膜对化学剂渗透的阻碍作用
[14],所以一些常规的消毒剂只有在较高浓度时对生物被膜才有显著杀伤作用,但高浓度消毒剂危害人体健康
[29]。更为严重的是生物被膜可能会导致食源性病原菌交叉感染
[30],被污染的食品一旦流通进入市场,就会严重威胁消费者的生命健康,给公共卫生部门带来巨大压力。
从更宏观的公共安全视角看,沙门菌生物被膜是细菌聚集的场所,其富含的胞外DNA为基因活动提供场所,抗生素耐受基因以及毒力基因可通过转化、拼接等方式水平转移
[10],高频率的基因活动可能导致基因突变,产生新的血清型,加速病原菌的适应,增强其致病性,给人类生命健康带来负担。耐药菌株经口进入人体肠道菌群或扩散至环境,可能会增加临床治疗的失败风险,与生物被膜相关的感染病例往往情况更严重,病程更长,严重消耗医疗资源
[31]。传统沙门菌检测手段在面对生物被膜时可能会出现评估偏差,检测出假阴性,形成安全隐患。
5 沙门菌生物被膜的检测方法与防控措施
沙门菌生物被膜的检测与防控是保障食品卫生与公共安全的关键环节,亦是一项持续性的技术博弈。生物被膜所具有的特性使得传统的针对浮游菌的灭菌消毒手段效果不佳或完全失效,必须发展与其特性相匹配的专业手法。
检测是识破其隐蔽性的首要手段。结晶紫染色法作为最经典的初筛方法
[32],可对菌株生物被膜形成能力进行初步筛查。尽管胞外基质会非特异性地吸附结晶紫染料,影响筛查结果,但该方法操作简便,且成本较低,适用于大批菌株的检测。精准定量检测适用于对被膜形成能力进行精确比较,测试药物对沙门菌生物被膜的抑制效果,结果可量化,且能进行统计学分析,但其测量结果对生物被膜的裂解率具有高度依赖性,结果极易出现偏差。形态学观察法(如利用光学显微镜经染色后观察),可直接观察到被膜的形态结构
[19],但被膜较厚区域染色剂渗透不足,内层菌染色不充分,易被误判成被膜量少,且菌体紧密聚集会造成视野模糊,导致结果失真,对被膜结构解析不完整。
沙门菌生物被膜防控措施的核心在于穿透其坚固的防御屏障。紫外线、超声波、脉冲光与X射线等物理杀菌技术可穿透其保护基质
[33-34],高效、无化学物质残留,能够对生物被膜表面产生严重损伤,减少细菌密度。其中超声波处理是较为有效的手段,这种强大物理力量能够直接裂解被膜三维结构,破坏胞外聚合物构成的网络,撕裂内部细菌结构
[35]。物理方法的优势在于不易诱发细菌耐药性,但其效果受到被膜厚度等因素影响,通常与生物学方法或化学方法配合,作为综合性清除方案的一部分。噬菌体作为抗菌药物的天然替代品,其特异性强、安全性高且自我增殖速度快
[36],对生物被膜的形成具有明显抑制作用,部分噬菌体能够分泌酶,分解被膜内某些物质
[37]。食品工业中最常使用的化学消毒剂是季铵盐、醛类、酚类及过氧化物
[38],新研究的人造材料表面涂层为阻断生物被膜形成提供了新的思路
[21,39]。
6 未来研究方向与发展前景
沙门菌生物被膜的影响范围十分广泛,涉及公共健康、经济发展、科技发展等诸多领域。近年来针对沙门菌生物被膜的构成和形成机制的研究已经成为关注重点,然而由于生物被膜胞外基质组成成分的复杂性,其中各组成分的占比、分布及它们之间的相互作用对沙门菌的抗逆性的影响尚未可知
[30],且不能排除沙门菌与其他细菌共同形成抗逆性更强、致病性更持久的生物被膜的可能
[40]。
目前食品工业中大规模使用的消杀方式并不十分有效,开发新型高效的生物被膜防控材料和技术成为迫切的现实需要
[41],通过材料设计和功能研发,研制多靶点作用的高效防治技术
[30],减少因生物被膜造成的食品污染。沙门菌生物被膜是否能进行功能转化也是一个关键课题,利用基因编辑等技术进行定向改造,使其成为功能性材料,如基于生物被膜制备的抗菌药物纳米酶
[42],具有高效性、无耐药性等特点,为今后细菌性疾病治疗提供新方案。
国家自然科学基金项目(32102627)