地球上绝大多数微生物以生物膜形式存在,它们附着在固相颗粒、植物根际、海洋沉积物等表面。土壤中微生物丰度高,是生物膜形成的潜在区域,土壤生物膜在作物生产、土壤改良、环境保护等方面表现出巨大潜力。然而自然土壤成分复杂,异质性高,这对开展土壤生物膜研究造成了诸多挑战。在本研究中,设计了微流控芯片以模拟土壤物理孔隙结构,其中以50μm直径大小的微柱代表土壤颗粒,借助激光共聚焦显微镜、荧光染色技术、数字图像分析技术,研究了土壤生物膜形貌及胞外聚合物(EPS)组分的动态变化过程;结合16S r RNA测序技术、生物信息学分析方法,获取了培养过程中土壤生物膜群落变化规律等信息。主要研究结果如下:激光共聚焦显微镜观测结果表明,土壤生物膜形成过程包括四个阶段,分别是初始吸附期(0-36 h),生物膜形成初期(36-48 h),生物膜发育期(48-96 h),生物膜成熟期(96-108 h)。定量结果分析表明,土壤生物膜厚度及粗糙度随培养时间增加而增加。在四个观察时间下,土壤生物膜厚度为3.35±0.34μm、3.68±0.36μm、5.43±0.68μm、12.00±1.97μm。生物膜粗糙度的变化规律与厚度变化规律相一致,培养108 h后的生物膜粗糙度达到最大。不同EPS组分在生物膜形成过程中具有不同贡献程度。在生物膜培养早期,EPS组分以多糖和e DNA作用较为紧密,至后期则转变为蛋白质和多糖。上述结果表明,土壤生物膜在形成过程中结构和基质组分处于动态变化以适应孔隙环境。为了探究孔隙环境下生物膜形成过程中细菌群落结构变化规律,我们对不同培养阶段的生物膜进行了16S r RNA分析。测序结果表明,土壤生物膜在孔隙结构中经过培养,其群落结构发生了显著变化。培养至12 h时,Simpson指数、Shannon指数和均匀度指数均最大,分别达到0.84±0.08、5.91±1.74和0.55±0.10;培养至72 h时,上述三个指数值均最低,分别为0.17±0.09、1.10±0.65和0.12±0.06。生物膜群落结构在培养早期波动较大,而后期趋于稳定。生物膜的形貌特征与群落多样性无明显关联。变形菌门、放线菌门、厚壁菌门和拟杆菌门是生物膜细菌群落的优势门类。其中,变形菌门在培养前期的丰度小于培养后期,而随着培养时间增加,变形菌门相对丰度增加了31.9%;放线菌门占初始接种细菌的比率为24.62%±1.84%,而培养至108 h时其比率下降至5.59%±3.22%,整个培养周期内,丰度下降了77.29%。Pseudomonas为群落中最丰富的细菌属,培养早期其数量变化幅度较大,当培养至72 h时,其丰度达到整个培养周期内的最大值,为95.76%±1.89%。Ochrobactrum、Herbaspirillum、Vibrionimonas、Dyella、Pseudarthrobacter、Terrabacter为其余丰富度较高的细菌属。Ochrobactrum、Vibrionimonas、Herbaspirillum和Pseudarthrobacter丰度在培养周期内一直处于变化之中;Dyella在0-36 h期间内丰度差异不大,36 h后丰度逐渐增加;Terrabacter丰度随培养时间增加而下降,取样末期的丰度比初始接种液丰度下降了近一倍。