生物膜（Biofilm）是由微生物及其自身分泌的胞外聚合物（Extracellular polymeric substance,EPS）构成的微生态系统。EPS不但是生物膜的主要组成部分,还起着保持生物膜微观结构和功能完整性的重要作用,是影响生物膜稳定的关键因素。生物膜特殊的结构使其对不利环境有较强的耐受性和抗冲击性,因而在水处理领域中有着广泛的应用。生物膜的快速形成对于启动生物膜反应器及维持稳定运行有重要作用。但是生物膜形成时间过长以及生物膜结构松散、容易脱落等问题困扰着实际的生产效率和运行成本。研究表明,Ca²⁺、Mg²⁺不仅对微生物的多种生理活动有显著的影响,还对于生物膜的形成有强化作用。对Ca²⁺、Mg²⁺促进生物膜形成的机理进行深入研究,将有助于生物膜快速形成,并为发展生物膜水处理工艺提供理论指导。本论文以一株具有生物膜形成能力的施氏假单胞菌XL-2（Pesudomonoas stutzeri XL-2）为研究对象,考察Ca²⁺、Mg²⁺对于菌株XL-2生物膜的成膜量及空间结构的强化作用,并进一步探讨Ca²⁺、Mg²⁺强化生物膜形成的生物机理和物化机理,为菌株XL-2在生物膜形成中的强化应用提供一定的理论基础。在Ca²⁺、Mg²⁺浓度为0.5 mM、1 mM、5 mM、10 mM、50 mM的条件下,考察Ca²⁺、Mg²⁺对菌株XL-2生物膜成膜量的影响。当Ca²⁺浓度低于10 mM时,菌株XL-2的成膜量有不同程度的增加,Ca²⁺浓度为1 mM时,菌株生物膜的成膜量最大。当Mg²⁺浓度低于50 mM时,菌株XL-2的成膜量有不同程度的增加,Mg²⁺浓度为10 mM时,菌株的成膜量最大。激光共聚焦显微镜（Confocal Laser Microscopy,CLSM）观察到:外加1 mM Ca²⁺时,菌株XL-2的生物膜变得致密,有细胞堆积现象;外加10 mM Mg²⁺时,生物膜同样变得密实,多糖分布变得均匀。外加1 mM Ca²⁺、10 mM Mg²⁺不仅能明显促进生物膜产生量,还可以使生物膜变得紧密。在1 mM Ca²⁺、10 mM Mg²⁺的条件下,探讨了Ca²⁺、Mg²⁺强化菌株XL-2生物膜形成的生物机理。Ca²⁺、Mg²⁺都可以明显促进菌株XL-2的EPS分泌:1 mM Ca²⁺促进了溶解型EPS（Soluble EPS,SEPS）和紧密结合型EPS（Tightly Bound EPS,TB-EPS）中蛋白含量;10 mM Mg²⁺能不同程度地促进松散结合型EPS（Loosely Bound EPS,LB-EPS）及TB-EPS中多糖的含量。外加1 mM Ca²⁺时,蛋白酶对生物膜的酶解率增大了15%;外加10 mM Mg²⁺时,α-淀粉酶和β-淀粉酶对生物膜的酶解率之和增大了12%左右。酶解试验的结果进一步证明了Ca²⁺、Mg²⁺是通过促进菌株XL-2的EPS中特定组分含量而使成膜量增加的。在1 mM Ca²⁺、10 mM Mg²⁺条件下,探讨了Ca²⁺、Mg²⁺强化生物膜形成的物化机理。首先,Ca²⁺可以通过压缩双电层和吸附-电性中和的方式降低菌株XL-2的Zeta电位;Mg²⁺只能以压缩双电层的方式降低菌株的Zeta电位。但Ca²⁺、Mg²⁺存在时,菌株的Zeta电位依旧在-18 mV左右,所以Zeta电位绝对值降低并不是引起细胞聚集成膜的主要原因。其次,利用傅立叶红外（Fourier Transform Infrared,FTIR）光谱法对去除EPS的细胞及EPS进行分析。结果显示:1 mM Ca²⁺存在时,细胞表面蛋白质的特征峰和EPS的蛋白质特征峰出现移动,但是EPS中蛋白质的位移较大;10 mM Mg²⁺存在时,EPS中的蛋白质、多糖以及核酸的吸收峰位移也大于细胞表面对应物质的吸收峰。Ca²⁺主要和EPS中蛋白质结合,这是生物膜中出现细胞堆积现象的原因;而Mg²⁺和EPS中蛋白质、多糖以及核酸都可以结合,因而此时的生物膜中多糖的分布很均匀。结合EPS中C1s、N1s和O1s的X-射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS）结合能,得到了Ca²⁺、Mg²⁺与EPS结合的规律:Ca²⁺和蛋白质中C=O和C-（O/N）都有相互作用;Mg²⁺与蛋白质和多糖中的C=O、O-C-O和C-（C/H）有相互作用。Ca²⁺、Mg²⁺通过与特定的化学键结合,从而在EPS之间起到架桥作用,促进EPS的黏附和聚集,并改变了EPS自发黏附时形成的松散蓬勃的结构,使生物膜结构更加紧密。这是1 mM Ca²⁺、10 mM Mg²⁺使生物膜变得致密厚实的主要原因。