食源性致病菌生物被膜的形成及危害研究进展

韩 乔，刘 悦，潘路路

（新乡工程学院 食品工程学院，河南新乡 453000）

食源性致病菌是指以食物为载体进行传播感染，造成人们食物中毒的一大类细菌。近年来，由于食源性致病菌造成的食品污染问题越来越严重。据统计，全球每年约有65%的食源性疾病是由食源性致病菌形成生物被膜（Biofilm，BF）引起的[1-3]。BF最早是由列文虎克于1676年在牙斑菌中观察到的，但直到1978年COSTERTON等[4-5]才首次提出细菌BF的相关理论。在食品加工过程中，食源性致病菌易通过蛋白黏附在食品或食品加工器械表面，分泌大量的胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS），形成复杂、稳固的BF。本文阐述并总结了近年来国内外食源性致病菌BF的形成过程和对食品的危害，旨在对为食源性致病菌BF的相关研究提供一定的理论基础和应用依据。

1 食源性致病菌BF的形成过程

BF的生长繁殖过程是一个动态、循环的形成过程，目前普遍被认为有3个主要阶段，即黏附阶段（包括可逆黏附阶段和不可逆黏附阶段）、BF成熟阶段和BF解体与传播阶段[3]。

1.1 黏附阶段

食源性致病菌接触表面后，常常会通过表面特定的某些粘素蛋白特异性识别食品或加工器械表面而黏附，该过程具有特异性和选择性，包括可逆黏附和不可逆黏附两个阶段。在可逆黏附阶段，影响其黏附力的主要有范德华力和疏水相互作用等，此阶段的被膜容易除去；之后在不可逆黏附阶段，细菌主要通过其鞭毛、菌毛等运动器官实现黏附作用，除去此阶段的BF则需较强的作用力（擦洗、打碎等）[6]。在黏附阶段，细菌黏附的程度主要是受到宿主基质表面具有的粗糙度、疏水性和细胞表面的组成成分等这些因素的影响[7]。通常，食源性致病菌更倾向于黏附在具有较大的表面粗糙度和较强的疏水性的基质上。然而，在一些具有非极性位点的细胞表面聚合物的食源性致病菌更倾向于具有疏水性的接触表面，EPS和脂多糖更倾向黏附于具有亲水性的接触表面。此外，黏附力也受到外界条件的影响，包括流体动力的类型（如层流和湍流）、流体的流速和所提供的营养条件等。综上所述，在可逆性黏附阶段的BF较容易受到弱外力的作用进行冲洗清除；随着黏附力的增加，在不可逆黏附阶段的BF则需要较强的作用力才能去除黏附的细菌[3]。

此外，c-di-GMP和AI-2信号分子在初始黏附阶段发挥着重要作用[8]。食源性致病菌会通过c-di-GMP和AI-2的合成与累积，调节一系列级联反应，从而调控食源性致病菌的运动性、黏附力等。研究发现，食源性致病菌群体感应QS中某些特定蛋白可促进自动诱导剂的合成和识别作用，且和AHL结合后可激活下游基因的表达，从而调控细菌抵抗外界不利环境[8]。

在食源性致病菌黏附阶段，一些蛋白基因也对细菌的黏附和细胞的聚集有明显的调控作用，如木糖表面蛋白A（SxsA），可赋予细胞聚集、粘附于非生物表面和促进BF的形成。也有研究表明，在BF初始黏附过程中，益生元和合生元会降低细菌的黏附和BF的形成[9]。

1.2 成熟阶段

食源性致病菌首先在黏附阶段识别接触表面后进行黏附生长，逐渐聚集形成小菌落，激活蛋白调控基因表达。同时食源性致病菌会在初始粘附位点大量繁殖，分泌大量的EPS，然后将黏附细胞包裹其中，形成微生物群落。EPS主要由细胞外多糖、蛋白质、细胞外DNA（eDNA）及其底物组成，食源性致病菌可通过这种基质促进食品表面的粘附并将其细胞凝结在一起，填充细菌之间的空间，从而产生一定的机械性、聚集性和稳定性。由于这种稳定性，BF中的食源性致病菌具有更强的存活力和抵抗性。

在BF的形成过程中，EPS在细胞间的交流和稳固结构的形成有非常重要的作用。细胞与接触表面及其他细胞之间的信号传递主要通过EPS进行交流，从而形成具有高度有组织的成熟BF[3]。其表现出各种各样的形态特征，光滑、平坦、粗糙、蓬松或丝状，甚至可形成蘑菇状的团块。BF进入成熟前期，其代谢增加，运动能力减弱，转运蛋白编码基因上调，EPS分泌增加；BF中的食源性致病菌被包裹在EPS的基质中。研究表明，食源性致病菌形成的最大生物BF量和三维立体结构，在一定程度上会受到水流体动力条件和营养物质的影响[10-11]。此阶段，食源性致病菌已形成成熟稳固的BF，普通条件下的外力作用不会破坏BF，甚至对常用的一些抗生素、杀菌剂等也有很强的抵抗性。

1.3 解体与传播阶段

BF成熟之后，外部有一层厚厚的保护层，在保护自身的同时也限制了营养物质的运输，使内部的营养不断消耗；同时细菌的代谢减弱，EPS的降解速率大于生成速率，寡肽转运蛋白基因下调，耐药性增加[8]；这个阶段的部分细胞会受到营养条件等的影响，逐渐从BF上脱离并释放到周围环境中，BF就开始降解脱落。同时，一些细胞也会引发主动从BF内脱落[12]，或者通过外力的作用使大量细胞碰撞，造成BF以团状的形式被侵蚀、剪切或去除进行被动脱离。最后，这些脱落释放的细胞仍可重新黏着到接触表面上形成新的BF[13-14]。

2 食源性致病菌BF对食品的危害

在食品加工过程中，大部分食源性致病菌都可通过黏附蛋白特异性识别食品或加工设备接触表面，结合信号分子促进EPS的分泌和细胞的聚集，逐渐形成成熟的BF。在BF形成过程中，下游基因被激活从而加剧外界不利环境对BF的破坏。这样不仅增大了食品工业中清洗和消毒的难度，而且会对加工器械和待加工食品造成严重污染。目前单增李斯特菌、弧菌和葡萄球菌等都已经在海产品的加工设备表面发现并分离获取，且发现这些细菌在经过消毒剂的处理后仍然可以存活杀灭[15-17]。此外，食源性致病菌BF的形成对BF菌本身具有很强的耐药性。研究发现BF内部细菌对抗生素的耐药性会比浮游状态的细菌耐药性提高10～1 000倍，且为细菌提供了耐药基因突变转移的机会，增加了食源性致病菌的耐药风险[18-20]。

食源性致病菌BF会造成食品的交叉污染，给食品安全带来严重的危害；给人类的健康带来潜在的威胁；给社会造成重大的经济损失。因此，目前对食源性致病菌BF的形成和控制研究非常重要，对保障食品安全有重要的意义。

3 结语

本文系统地阐述了食源性致病菌BF的动态形成机制。在食品加工过程中，食源性致病菌接触表面后通过蛋白识别宿主，在一定的作用力条件下会从不稳定的可逆黏附过渡到牢固的不可逆黏附阶段；分泌大量胞外聚合物EPS，形成三维立体、稳固的成熟BF；由于受到营养及细菌自身条件等的影响，BF会发生降解脱落，脱落的BF菌会再次在一定的条件下形成新的BF。此外，本文总结了食源性致病菌BF对食品的危害，为控制食源性致病菌BF造成的食品污染奠定了理论基础，有助于BF控制技术的开发和应用。