生物膜之相關文獻

生物膜(Biofilm)之結構由物理性、化學性和生物性所組合，

其結構包含生物膜的厚度(Biofilm Thickness)、密度(Biofilm Density)和外形(Biofilm Suface Shape)等。Picioreanu et al.,(1998) ^B10指出生物膜外形對反應之穩定性是重要因子之一，生 物膜的密度影響生質量(Biomass)的濃度進而直接造成基質改變，這 些因素所導致之反應對於能否建構完整生物膜是相當重要的。孫文 益，(2005) ^A9指出管線內壁腐蝕，一般泛指為生物腐蝕(Microbially Influenced Corrosion,MIC)，微生物的快速增長，會改變管線周圍 的物理和化學環境，進而增加管線內壁的腐蝕速率，嗜氧菌(Aerobic Microbes)會消耗氧氣，增生後在管線內壁面上形成一層生物膜。

2.3.1.1微生物與介質之接觸

自來水中有機物質吸附至管線內壁(固體介質)（substratum）

的表面上，造成介質表面性質改變，成為「條件介質」（conditioned substratum），而形成一種利於微生物附著之生長環境，稱之為 conditioning films （Donlan,2002）^B5，產生吸附的菌體雖對管線 內部的粗糙度影響不大，但會改變管線內部的表面電荷和疏水性等 表面特徵，同時提供微生物生長所需營養物質，為菌體發生黏附創 造有利條件。當環境中的微生物隨著自來水中移動，則有機會與介 質表面接觸（圖七步驟5→步驟1）然而，不同材質的給水系統管線 與自來水接觸後，水中各種物質，如各種細菌微生物、蛋白質等可 能會通過疏水作用、表面化合反應等作用吸附到給水系統的管線內 部，吸附速率取決於水中養分的含量及水流特徵等（Tanyolac and Beyenal,199）^B12。

圖七、生物膜生長示意圖(Montana State University Center for Biofilm Engineering，2011) ^B13

2.3.1.2吸附

1.物理性吸附（Physical adsorption）

當微生物接觸到介質表面後，菌體可藉由微細構造暫時性 的吸附到介質表面，菌體分泌之胞外聚合物亦可能影響其吸附能 力（圖七步驟1所示），而由於細菌種類、生長條件的不同和物 體表面的差異，導致菌體吸附表面的機制也會不相同（Lee and Newman,2003）^B14。菌體附著到介質表面的機制有以下幾種方式

（Costley and Wallis,2001）^B15：

(1) 菌體表面經帶負電容易與介質表面產生靜電，產生菌體與介 質表面互相吸引或排斥之現象。

(2) 介質表面電價先吸引一些水溶性的高分子化合物；其次

，菌體在附著於其上。其藉由體表的鞭毛（flagella）、

纖毛（fimbriae）和線毛（pili）直接附著，有時也可分 體仍作布朗運動，因此，流體剪切力（shear force）或其他物 理化學因素會解除此黏附機制，此時，菌體處於一種不穩定的可 逆附著（reversible attachment）狀態。發生可逆性吸附的菌 體和有機物質都來源於水體中的懸浮性物質，因而水中微生物的 種類和數量及其狀態都會決定可逆性吸附的發生速度和過程。

2.化學性吸附（Chemisorption）

發生可逆性吸附後，有些菌體分泌大量具黏和作用的胞外聚 合物，可將微生物、有機質和配水管壁緊黏繫在一起，使此附著 作用轉變為不可逆性（irreversible attachment）的化學性吸 附。然而，微生物發生不可逆性吸附是在生物膜發育過程中的重 要關鍵階段，此可禁的起管壁內較高流速水利沖刷的菌體並逐漸

形成結構複雜的生物膜。 著（Antoniou et al.,2005）^B16。

隨著菌體持續吸附及其繁殖菌體的不斷增生，給水系統的管線

新生之菌體將持續在此結構中增生（Center for Biofilm

Engineering，2011）^B13。隨著菌體增生及胞外聚合物之累積，生物 膜越來越厚實，最後達到穩定期（steady state）之成熟的立體結 構（圖七步驟3→步驟5）。

2.2.1.5菌體脫附

胞外聚合物雖提供微生物保護屏障，同樣地，由於較大的阻力 而阻止了基質，尤其是溶解氧向其縱深的擴散傳遞，當生物膜超過

一定厚度後，導致生物膜內部PH值下降且內部出現厭氧區；當生物

（sloughing）（Stewart，1993）^B17。磨損和沖蝕皆指自生物膜表 面釋出菌體，但機制卻截然不同；沖蝕是因為系統中流體產生的剪

Niquette.el al.,(1999) ^B18指出自來水的水體中殘存的餘氯量 會逐漸減少，而菌體的生長和聚積的可能性同時相對提高。通常自 來水管線的液相中常見的微生物為鐵、錳氧化菌(Iron and

Managanese Oxidizing Bacteria)、硫酸氧化菌(Sulfate Reducing Bacteria)、硝化菌(Nitifying Bacteria)、真菌(Fungi)、大腸桿 菌(Coliforms)、退伍軍人菌(Legionella)等。Peyton and

Characklis,(1993) ^B19;Coete et al.,(2003) ^B20指出營養源和管內 流速是限制生物膜生長之主要因素，故管線內液體流動速率一般設 產為0.2~0.5 m/s，以防止管線中菌體因凡得瓦力黏附於管壁。另外 Flemming et al.,(2002) ^B21指出在管線內所孳生的寡養性細菌主要 約有95%是附著於管壁上；其餘5%細菌存在於管線的液相中。因此，

生物膜的聚集主要是長時間經過物理性、化學性和生物性所產生的 產物。