粘附性和内聚性

在接触非无菌水的几分钟内，第一批微生物就会附着在上面。初级定殖受到水相细胞浓度的强烈影响。在各种微生物种类的光谱中，可以观察到对给定膜材料的明显偏好;一个例子是小假单胞菌和沃葡萄球菌对聚砜的优先定殖，如Flemming和Schaule10所研究的。为了研究这种偏好，成熟生物污染层的混合种群样本被选择性地从底部(细胞膜界面)和层的顶部移除。将不同的膜材料暴露于两种菌群的悬浮液中，并测定其粘附动力学。底层人群对分离出来的物质表现出明显的偏好，而上层人群则没有。这是有道理的，因为在水-生物膜界面的种群被许多层微生物和膜材料分开细胞外聚合物质(EPS)。因此，为了减少微生物的粘附，膜材料的操作很可能会选择一种粘附在该材料上的物种。随着时间的推移，这个物种会覆盖表面，掩盖它的效果。船体上的防污涂料，特别是镀铜的防污涂料，也得到了类似的观察。

结果表明，小叶藻的死细胞与活细胞在表面的粘附率相同9。这表明这些细胞已经以悬浮的形式携带“胶水”，而调节粘附和内聚的物质是EPS。它们由多糖、蛋白质、糖蛋白、脂蛋白和其他微生物来源的大分子组成。它们形成一种黏液基质，将细胞粘在表面，并将生物膜保持在一起。任何清洁措施都必须克服这个系统的整体结合能。这种能量不是由共价化学键提供的，而是由弱物理化学相互作用提供的。一般可分为静电相互作用、氢键和范德华相互作用(图1)。共价C-C键的平均结合能在0.1- 10%之间，这取决于大分子的构象、含水量、pH值、离子强度、温度等参数。由于EPS分子具有许多能够相互作用的官能团，从而增加了单键的弱结合能。如果一个大分子有106个可能的结合位点，其中只有10%相互作用;弱相互作用的结合力乘以a10秒的因数，因而具有相当的稳定性。清洁剂分解生物膜的机制是基于对这些相互作用的干扰。它们确实对整体结合力有贡献，但并不总是相同的比例——它们根据表面性质和EPS组成而变化。清洁剂必须克服内聚力，必须解决所有形式的弱物理化学相互作用。

图1:P. miniuta对聚砜膜材料的初次粘附

表面活性剂是许多清洁配方的主要成分。它们会干扰范德华相互作用并影响所谓的疏水相互作用。范德华相互作用在细胞从水附着到疏水表面的系统中占主导地位。Schaule”已经证明了P. diminuta对聚砜膜的粘附是在范德华相互作用的显著参与下进行的。这可以通过表面活性剂对粘附率的影响来证明:然而，在初步实验中，绿脓杆菌胞外多糖海藻酸盐的凝聚不受表面活性剂的影响，但受到静电相互作用的强烈影响2。这些例子表明，在不同的体系中，不同的结合力可以起主导作用。

磷酸盐、柠檬酸、盐、其他离子化合物和络合物会干扰弱静电相互作用。这些物质中有许多是清洁剂的成分。静电相互作用在EPS分子的内聚力中很重要，但在P. miniuta与疏水聚砜膜表面的粘附中并不占优势。”

所谓的朝性剂，如尿素、四甲基尿素、盐酸胍和其他已知的蛋白质化学物质会干扰氢键。它们通过快速结合水分子导致水结构的混乱，这些水分子是从水合作用中剥离出来的，水周围的蛋白质或多糖。如上所述，氢键在粘附和内聚体系中都是一种主要的力;然而，朝性剂通常不是清洁剂的成分。在以海藻酸盐为EPS模型的黏聚和粘附实验中，盐酸胍表现出显著的作用

大分子的纠缠在生物膜的稳定性提供了一个额外的因素。这是通过使用酶来解决的。然而，问题是EPS大分子的组成和结构变化很大，酶大多太特定了，无法作用于整个品种。这就是为什么酶处理在实践中经常产生令人失望的结果。

在膜系统中，已证明清洁剂可以在不减少污垢层的情况下提高污垢层的渗透性。在一项实验中，用琼脂凝胶层作为水凝胶的模型。尽管使用清洁剂没有改变地层厚度，但渗透率几乎提高了5倍。因此，清洁剂可以提高(或降低)生物膜的渗透性，尽管这是一个短暂的效应。结果表明，即使不去除污垢层，也可以优化污垢层。然而，这并不适用于每个给定的清洁剂。正确的调理剂的选择和剪裁已被证明可以显著改变生物膜的水力阻力。提高渗透率是可取的(即降低阻力或比阻)。表1显示了由细菌和活性污泥构成的滤饼模型污染层所显示的污物层渗透性变化的一些例子。在甲醛的情况下，常用一种消毒液，其应用效果是大幅度降低微生物层的渗透性;这并不奇怪，因为甲醛在显微镜中被用作固定剂。这是一个人工模型生物膜的实验例子，这有助于理解为什么使用清洁剂后性能会下降。

表1。微生物层的比水力阻力、rj和渗透率、Lp的变化是由于化学调节([13]之后)

表1。化学调节对微生物层比水力阻力、rj、渗透率、Lp的影响([13]后)

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