近日，中国科学院生态环境研究中心刘刚团队在环境领域著名学术期刊
Water Research
上发表了题为“
Unveiling
the influence of heating temperature on biofilm formation in shower hoses
through multi-omics
”的研究论文
。研究利用宏基因组学和宏蛋白质组学技术揭示了加热温度对淋浴软管生物膜形成及致病菌富集的影响。研究结果不仅加深了我们对淋浴软管生物膜微生物群落及其功能表达的理解，也为淋浴系统在生物安全与节能之间的优化管理提供了科学依据
。
现代社会饮用水的生物安全既至关重要，又面临诸多挑战。淋浴是人类与水和空气中微生物互动的重要界面，研究表明，淋浴系统微生物与公众健康息息相关。为了保障生物安全，世界卫生组织、美国疾病控制与预防中心等监管机构建议将水加热至
55/60℃
以上。而考虑到物理安全和节能，美国能源部建议将热水器温度设定在
46-49℃
。一个被忽视的重要事实是，无论加热温度如何，淋浴水温通常保持在
39℃
左右，这意味着常规的温度控制无法延伸至建筑管道系统的“最后一米”，尤其是淋浴软管。目前，关于加热温度对淋浴软管生物膜的影响，以及是否存在平衡物理安全、能耗与生物安全的最佳加热温度等关键问题仍未解决。此外，以往的研究大多局限于利用
16S rRNA
基因扩增子测序和定量聚合酶链反应（
q-PCR
）对淋浴软管生物膜的微生物群落组成进行解析，缺乏关于活性微生物群落、功能基因及其表达水平的关键信息。因此，本研究在受控的全尺度淋浴系统中，利用宏基因组测序和宏蛋白组学技术探究不同加热温度（
39℃
、
45℃
、
51℃
和
58℃
）对淋浴软管生物膜（最终水温为
39℃
）的影响。研究旨在深入揭示淋浴软管生物膜群落和功能信息，探究淋浴系统最佳设置温度，为公众健康与节能减排之间的平衡提供关键的科学依据
。
图文导读
淋浴软管生物膜形貌特征
图
1.
生物膜的形态和微观结构。
A-C
）分别为薄膜状生物膜的扫描电镜图像、胞外聚合物（
EPS
）组成三维图像和
eDNA
三维图像；
D-F
）分别为土丘状生物膜的扫描电镜图像、
EPS
组成三维图像和
eDNA
三维图像。
淋浴软管生物膜在管壁上分散且不均匀分布，主要呈现为薄膜状（图
1A
）和土丘状微菌落（图
1D
）两种形态。薄膜状生物膜被
β-
多糖和脂质偶联物覆盖，
eDNA
以珊瑚礁状结构存在，其中
B-DNA
的含量远高于
Z-DNA
的含量（
>130
倍）。土丘状生物膜的
EPS
主要由
α-
多糖和蛋白质组成，蛋白质聚集在核心部位，而
α-
多糖则均匀分布在整个微菌落中（图
1E
）。
eDNA
呈簇状和斑块状分布，
Z-DNA
的含量显著增加
。
生物膜微生物群落组成
图
2.
生物膜微生物群落分析。
A
）物种数；
B
）香农多样性；
C
）成对样品微生物群落组成的
Jaccard
距离；
D
）微生物群落物种分类树。
在所有分类等级上，宏基因组学（
MG
）检测到的物种数明显高于宏蛋白质组学（
MP
）检测到的物种数（图
2A
）。这是因为宏蛋白质组关注的是活跃且丰富的微生物群，而宏基因组则描述整体微生物群，包括游离的遗传物质以及活跃、死亡和休眠的微生物。与
MG
的结果相比，
MP
的均匀度显著更高（
P < 0.01
），但香农指数相似（图
2B
）。小提琴图显示，生物膜的活性微生物群落结构与总体微生物群落结构存在显著差异（图
2C
）。在微生物群落组成方面，淋浴软管中的生物膜以细菌为主，尤其是变形菌门。真核生物在样品中广泛存在且种类繁多（
390/1459
个属），但并不活跃（图
2D
）。考虑到人类（条件）致病菌（
OPs
），在
MG
检测到的
43
种致病菌中，仅有
5
种被
MP
检测到，这表明基于基因的研究会产生更高的致病菌检出率（原文中图
S3
）
。
生物膜
微生物
群落功能
图
3
生物膜形成机制。
A)
生物膜形成经典概念模型以及胞外聚合物基质；
B)
不同样本中参与生物膜形成的基因和蛋白的
Log10
转换相对丰度；
C)
生物膜形成相关基因的
Log10
转化相对表达活性（
REA
）。
生物膜形成相关的基因：在淋浴软管生物膜中，检测到大量与鞭毛、侧鞭毛和极鞭毛的形成相关的基因，其中趋化性相关基因（
cheA-Z
）表达活跃，这些基因有助于细胞感知环境中的化学梯度并向营养物质移动。
MG
和
MP
均检测到了丰富的非菌毛粘附素，如
CadF
和
EF-Tu
，这意味着非菌毛粘附素似乎主导了环境生物膜的形成（图
3B
）。此外，细胞外结构蛋白相关的基因也呈现出高丰度和高表达水平，如细胞外碳水化合物结合蛋白（凝集素）和
eDNA
结合蛋白（
DNABII
家族），这与上文可视化表征结果一致
。
图
4.
谷胱甘肽（
GSH
）代谢途径。
A
）重建的谷胱甘肽代谢
KEGG
通路；
B
）与谷胱甘肽代谢相关的已注释酶的相对丰度。
消毒剂抵抗：谷胱甘肽（
GSH
）对饮用水生物膜抵抗残留消毒剂至关重要，在
KEGG
谷胱甘肽代谢途径中，
MG
检测到
39
种酶中的
24
种，而
MP
仅检测到
13
种。已知的三种谷胱甘肽合成酶中，淋浴软管生物膜中检测到了谷胱甘肽还原酶（
GSH-R
）和谷胱甘肽合成酶（
GSH-S
）。后者可能是主要的合成途径，因为其表达量远高于
GSH-R
（图
4B
）。关于
GSH
降解，谷胱甘肽
S-
转移酶的含量和表达水平（
0.2%
和
1.1%
，催化
GSH
和活性氧化物）显著高于谷胱甘肽过氧化物酶（
0.04%
和
0.005%
，催化
GSH
和有机卤化物），这表明生物膜微生物的非氧化还原耐受模式强于氧化还原耐受模式（图
4B
）。此外，
MG
和
MP
还检测到了
SoxRS
、
OxyR
和
RpoS
系统中的多个基因，这表明淋浴软管生物膜通过激活多个氧化应激反应系统而不是依赖单一的保护机制来应对余氯（原文图
S4
）
。
加热温度对生物膜的影响
图
5.
不同热水器设定温度下的生物膜。
A)
淋浴软管生物生物量；
B)
不同样品中宏基因组学（内环）和宏蛋白质组学（外环）检测到的相对丰度前
5
的属；
C)
（条件）致病菌的总相对丰度。
总的来说，热水器设定温度明显影响了淋浴软管生物膜的生物量、微生物群落和功能特征。随着热水器设定温度的升高，
TCC
值呈线性下降，但当加热温度设定为
45 ℃
时，
ATP
浓度最低，这表明
45 ℃
在限制活性生物量方面具有独特优势（图
5A
）。根据
MG
和
MP
数据，不同样品的总基因
/
物种、特有基因
/
物种数量均随着设定温度的升高而急剧减少，而样品间蛋白质数量与活跃物种数随温度变化较小。任何温度设置下都没有出现独特的蛋白质，这表明与基因组学方法相比，蛋白质组学结果显示的不同温度下生物膜之间的差异较小（原文图
S5
）。
在属水平上，样品间物种数的差异是由于低丰度物种的出现或消失导致的（
<0.1%
）
,
主要菌属在所有四种温度下都是相同的，但具有不同的相对丰度。这表明，淋浴软管生物膜中的低丰度微生物对加热温度变化更为敏感，而优势菌属则更为稳健（图
5B
）。随着温度的升高，
MG
检测到的致病菌数量减少（
46
到
28
），但致病菌的总相对丰度并没有降低。
MP
检测到的样品间
OPs
数量相近（
3-5
），而在
45℃
时
OPs
的总相对丰度最低，仅占
0.03%
（图
5C
）。值得注意的是，与消毒剂抗性和生物膜形成相关的基因和酶的富集和表达几乎不受加热温度的影响，这意味着不同的微生物群具有相同的生存和生物膜形成机制（图
3B
和
4B
）。
综上所述，加热温度明显影响了淋浴软管生物膜的生物量、微生物群落和功能特征，同时淋浴软管的总体微生物群与活跃微生物群的表现存在差异。宏基因组分析显示，随着加热温度的升高，总基因数和特有基因数显著减少，微生物群落的复杂性大幅降低。宏蛋白质组学未检测到任何样品特有的蛋白，表明与总体微生物群相比，生物膜活跃微生物群的变化较小。加热温度对消毒剂抗性和生物膜形成相关的基因和酶的影响较小。此外，在宏基因组学检测到的
43
种病原体中，只有
5
种能够通过宏蛋白组学检测到。我们的研究表明，在加热温度为
45℃
时，淋浴软管生物膜活性生物量与致病菌相对丰度达到最低，这意味着存在一个可能的阈值温度，可以平衡生物安全与节能的目标。
本项目得到了国家自然科学基金委的资助。
