[发明专利]一种用于定量检测单个活细菌粘附行为的原位测试系统和测试方法

说明书

本发明公开了一种用于定量检测单个活细菌粘附行为的原位测试系统和测试方法，所述测试系统包括电磁屏蔽箱、电化学工作站、计算机、设于电磁屏蔽箱内的减震台、以及设于减震台上的原子力显微镜和光学倒置显微镜；所述的原子力显微镜包括AFM基盘和AFM扫描器。采样本发明的系统和方法可以实现在细菌真实的生理代谢过程中定量检测单个活细菌在材料表面的粘附行为(包括细菌和材料表面粘附力、膜外蛋白生物大分子链长度、平均展开事件次数、平均展开力)，并同时获得单个活细菌和材料之间电子转移信号。

技术领域

本发明属于微生物领域，涉及一种可用于在细菌正常新陈代谢条件下定量检测单个活细菌在材料表面真实粘附行为的原位测试系统及其相应的原位测试技术方法。

背景技术

细菌是地球上生物的主要类群之一，也是所有生物中数量最多的一类。其广泛分布于自然界中或者与其他生物共生。人体身上也带有相当多的细菌。据估计，人体内及表皮上的细菌细胞总数约是人体细胞总数的十倍。此外，也有部分种类分布在极端的环境中，例如温泉，甚至是放射性废弃物中。细菌不可逆地附着于有生命或无生命的实体表面，繁殖、分化，并分泌一些多糖基质，将菌体群落包裹其中而形成细菌聚集体膜状物被称为生物膜。生物膜在自然界和生物体内广泛存在，而生物膜的形成为人类社会生产带来重大经济损失并严重威胁到人类健康甚至生命安全。器械植入是现代临床医学中应用最广泛的治疗手段之一，其目的是为生物组织提供内支撑从而达到相应的治疗效果，在骨科、心血管和牙外科手术中得到了广泛应用，比如：植入钢板、骨钉、导尿管、心脏起搏器、牙套等。然而细菌极易黏附到这些留置的植入物表面上从而形成生物膜，造成感染和相应的并发症。而且生物膜一旦形成便很难去除，这是由于生物膜内的细菌会分泌大量的胞外聚合物，如蛋白质、多糖、肽聚糖、脂和磷脂等物质，从而为细菌提供保护层，即便使用大剂量抗生素也不易治愈，并且极易躲避宿主免疫机制的杀伤，有可能发展为难治性感染甚至形成脓毒症，严重威胁到人体生命健康。被感染的植入器械往往需要通过手术再次取出进行彻底清理或者需要更换新的植入物，给病人带来极大痛苦的同时，也带来巨额的经济负担。另外，钢材在现代工业发展中起到至关重要的作用，包括：船舶、桥梁、管路、轨道等等，因而被称为“工业的骨骼”。然而钢材腐蚀每年为国家带来巨额的经济损失。其中微生物腐蚀(MIC)是钢材的主要腐蚀形式之一。微生物腐蚀可以通过依靠微生物自身的生命活动及其代谢产的腐蚀作用直接或间接地影响金属材料腐蚀过程。细菌可直接从金属表面获取电子，来加速金属的溶解，其目的是为了获得能量。细菌通过在生物膜下的富集和生长，能直接加速金属基体的腐蚀，由其引起的腐蚀约占腐蚀总量的20％以上，造成的经济损失巨大。

细菌形成的生物膜在带来经济损失和生命健康威胁的同时，还被人们可控利用，为人类带来相应的经济效益和技术成果。环境污染是当今世界所需要面对的另一个棘手的问题，其中水环境污染问题尤为严峻。在经济较为发达的珠三角、长三角地区，由于有大量的制药、印染以及造纸等企业，工业废水排放问题十分严重。但是，传统的污水处理系统需要消耗大量的化石燃料，这又加剧了能源方面的压力。从另一个角度来看，工业废水中蕴含着大量的有机物，属于可再生、低污染的生物质能。如果能从废水中回收这些能量并转换为可以使用的能源，这对能源短缺和环境污染这两个核心问题都具有重要的意义。微生物电化学系统(BES)是能源与环境领域的研究热点，它结合了微生物学、电化学、环境工程学和材料学等学科，交叉融合出了一种绿色的资源循环技术。BES使用细菌作为催化剂，在电极表面形成生物膜，细菌通过固有的呼吸链可分解废水中可降解的有机物，并将获得的能量转化为电能或者其他化学能。这项技术为改变能源结构与促进环境治理提供了一种新的思路。除此以外，人们还利用生物膜开发了微生物传感器和微生物合成等技术成果。