2007年，挪威西海岸的城市斯塔万格（Stavanger）发生了一次军团菌疫情，疫情的罪魁祸首嗜肺军团菌（Legionella pneumophila）来自市政的淋浴系统。[1]
嗜肺军团菌广泛存在自然和人工的水环境中，可通过供水系统、空调、医院雾化吸入、有创检查等方式引起人体感染，严重时可致命。
事后，斯塔万格市政府启动了一项军团菌监测计划，对250多个淋浴系统进行了军团菌检查。
世界卫生组织报告显示，每年有超过50.5万人死于水传播病原体 [2]。作为直面人群的第一道防线，淋浴系统被认为是容易积聚机会性病原体并引发感染的高风险区域。
当我们在浴室里享受温暖水流的时候，可能不会想到，水流中的各种病菌、微生物正在管道里开派对。
是时候对它们一探究竟了。
在今天分享的研究里，研究人员揭示了淋浴管道生物膜中微生物群落的组成和活跃状态，并探究了水温对生物膜的影响。[3]
豪华公寓里的不速之客
研究人员准备了四个全尺寸淋浴系统，每个系统都配备了即时热水器和三个并行的淋浴装置（热水器温度分别为39°C、45°C、51°C 和 58 °C）。系统每天都会进行一次冲洗，以确保水流量和水温都保持在设定范围内。
经过三个月的培养后，研究人员收集了十二根淋浴软管中的生物膜（biofilm，即微生物群体的栖息地）。
扫描电镜（SEM）观察显示，生物膜在管道表面分布不均，有的像散布在管道表面的薄膜，而有的则像小山一样聚集。
生物膜的形态和微观结构
宏蛋白组+宏基因组：微生物圈大揭秘
研究人员使用了宏基因组学（Metagenomics，MG）和宏蛋白质组学（Metaproteomics，MP）来分析淋浴软管生物膜中的微生物群落及其功能。
宏基因组学检测到91,861个基因，宏蛋白质组学鉴定出3,805种蛋白质。MG揭示了更高的物种多样性（包括活跃、死亡和休眠的微生物），而MP更侧重于检测活跃的微生物。
两种方法均表明变形菌门（Proteobacteria）在生物膜中占据主导地位（MG：99.7%，MP：99.9%）。此外，MG还检测到0.3%的真核生物以及极少量的古菌（0.002%）和病毒（0.02%）。
对于人类（机会性）病原菌，在通过宏基因组学鉴定出的43种病原菌中，只有5种病原菌的水平足以被宏蛋白组学方法检测到。这表明，与蛋白质组学方法相比，基因组研究在病原菌的检测率上可能更高，而宏蛋白组学则更能反映活跃病原菌的情况。
宏基因组学和宏蛋白质组学揭示的生物膜微生物群落
劳逸结合
生物膜里的居民并不是在温暖舒适的地方混日子，它们有自己的工作。
研究人员通过基因组和蛋白质组分析发现，这些微生物主要靠代谢活动维持生计，尤其是氨基酸代谢、碳水化合物代谢和能量代谢。这些代谢活动占所有表达功能的20.2%-30.3%，不仅帮助它们获取养分、产生能量，还为形成更复杂的生物膜提供了支持。
进可攻，退可守。这些微生物还擅长建造保护壳。通过分析与生物膜形成相关的基因（如鞭毛和附着因子），研究人员发现非菌毛附着因子（如CadF和EF-Tu）在生物膜的形成中起到了关键作用。此外，与胞外结构蛋白相关的基因（如碳水化合物结合蛋白和eDNA结合蛋白）也表现出高表达，这些成分共同构建了坚固的生物膜结构。
勤恳的打工人也具有相当强的抗压能力。研究发现，微生物通过谷胱甘肽代谢通路抵抗氯等常见消毒剂的攻击。其中，谷胱甘肽转移酶（GST）的活性显著高于过氧化物酶（GPX），表明非氧化还原耐受模式更为重要。而且，这些微生物并不是单打独斗，而是通过多个抗氧化系统（如SoxRS、OxyR和RpoS）的协同作用，全面提升了生物膜的抗性。
水温对生物膜的影响
研究分析了不同水温对淋浴软管生物膜中微生物活性、生物量、群落结构及功能的影响。
研究表明，随着水温升高，生物膜中的ATP*浓度逐渐下降，且在45°C时达到最低，活性最弱；此时，病原菌的种类和相对丰度也最少（仅为0.03%）。研究人员认为，45°C是一个黄金温度：不仅能显著减少活跃的病原菌，还能节省能源。
相比之下，在更高的温度（如58°C）下，尽管病原菌的种类减少了，但某些种类的相对丰度却有所增加，这可能与冷水的混入带来的新居民有关。
*ATP（Adenosine triphosphate）是微生物代谢活动的标志物。通过测量其浓度，研究人员能快速了解生物膜中的活跃生物量。
不同水温下的生物膜
温度的升高显著影响了基因的多样性，尤其是在从39°C到45°C之间，unique genes 从32,279个急剧减少至3,297个；然而，蛋白质表达的变化相对较小，这表明蛋白质组数据更稳定，主要反映了活跃微生物的功能。
尽管不同温度下微生物群落结构有所变化，但温度变化对消毒剂抗性和生物膜形成相关功能的表达影响较小，表明微生物在不同温度下维持着相似的生存机制。
总结
通过宏基因组学和宏蛋白组学分析，研究人员探索了不同加热温度下淋浴软管生物膜中的微生物多样性、遗传潜力和蛋白质表达。
研究人员指出，仅依赖基因分析可能会高估淋浴生物膜中病原菌的风险，进而导致误导性的管理策略，因为不同的病原菌可能需要不同的处理方法。
幸运的是，多组学的综合方法为我们提供了对细菌群落动态反应和功能机制的深刻理解，这对于科学研究和实际解决方案的制定都具有重要意义。
下次踏进浴室的时候，请想象一下：无数的微生物正在淋浴软管内开派对，浑身沐浴泡泡的你也是它们play中的一环，因为你掌控着水温的变化！
参考文献：
1.https://www.mdpi.com/2076-2607/10/3/536
2.https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/drinking-water
3. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135424016038?via%3Dihub=#bib0060
