Trong tự nhiên, màng sinh vật có thể được hình thành trên các bề mặt khác nhau bao gồm cả các mô sống, các thiết bị, dụng cụ y tế, các hệ thống ống nước cấu tạo từ các vật liệu khác nhau. Do vậy, để chuyển từ dạng sống tự do sang dạng cấu trúc màng sinh vật đòi hỏi một loạt những điều kiện nhất định. Trong đó, ba yếu tố chính quy định nên sự hình thành màng sinh vật bao gồm:
Tính chất bề mặt giá thể Điều kiện môi trường
Đặc tính tế bào của các chủng vi sinh vật [45]
1.4.2.1 Tính chất bề mặt giá thể
Đây là yếu tố quyết định đến việc hấp thụ chất hữu cơ và bám dính của tế bào bởi vậy mỗi loài vi khuẩn chỉ hình thành màng sinh vật trên một số loại bề mặt với tính chất nhất định.
Sự phát triển của các tế bào bên trong màng sinh vật đã được chứng minh là có tăng lên khi tăng mức độ thô ráp của bề mặt. Characklis và cộng sự [12] đã ghi nhận mức độ bám dính của khuẩn lạc vi sinh vật gia tăng khi các bề mặt càng ghồ ghề. Điều này được giải thích là do ở bề mặt thô nhám, lực tương tác giữa các tế bào với bề mặt giảm đi và diện tích tiếp xúc được tăng lên đáng kể so với các bề mặt trơn nhẵn.
Tính chất hóa lý của bề mặt vật liệu cũng ảnh hưởng mạnh mẽ đến tốc độ và mức độ bám dính của tế bào lên bề mặt. Hầu hết các nghiên cứu cho thấy rằng các vi sinh vật gắn kết với một bề mặt kị nước, không phân cực như Teflon và nhựa nhanh hơn và tốt hơn so với bề mặt một vật liệu ưa nước như thủy tinh hay kim loại [7].
Bên cạnh đó, diện tích bề mặt là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự phát triển của màng sinh vật. Theo nguyên tắc, diện tích bề mặt càng lớn càng làm tăng khả năng tiếp xúc với tế bào, qua đó tạo điều kiện cho việc bám dính lên bề mặt giá thể. Các hệ thống ống dẫn khác với hầu hết các môi trường tự
nhiên (ao hồ, sông …) là thường có một diện tích bề mặt khá lớn tạo điều kiện cho việc tiếp xúc giữa tế bào vi khuẩn và bề mặt.
1.4.2.2 Điều kiện môi trường
Các đặc trưng hóa lý của môi trường như nhiệt độ, pH, mức độ dinh dưỡng, nồng độ các ion, đóng một vai trò quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ gắn kết của vi sinh vật lên bề mặt.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khả năng bám dính của vi sinh vật và sự hình thành màng sinh vật cũng chịu ảnh hưởng của nhịp điệu mùa ở các lưu vực nước khác nhau [27]. Hiệu ứng này có được là do ảnh hưởng của nhiệt độ nước theo mùa lên các thông số tăng trưởng của vi sinh vật. Fletcher và cộng sự [32] cũng đã chứng minh sự gia tăng nồng độ của một số cation (Na+, Ca2+, Fe3+, La+) ảnh hưởng đến khả năng bám dính của chủng Pseudomonas fluorescens lên bề mặt thủy tinh, bằng cách làm giảm lực tương tác giữa các tế bào vi khuẩn với bề mặt kính. Nghiên cứu của Cowan và cộng sự [17] cho thấy sự gia tăng nồng độ chất dinh dưỡng tỷ lệ thuận với số lượng gắn kết của các tế bào vi khuẩn lên bề mặt.
Việc tạo màng sinh vật có thể coi như là một cách thức tồn tại, phát triển của vi sinh vật trong những điều kiện dinh dưỡng thấp của môi trường. Cơ chế của quá trình này có thể được hiểu như sau: khi lượng chất dinh dưỡng bao gồm nguồn cacbon, nitơ bị giảm sút thì các vi sinh vật sống trôi nổi trong môi trường nước sẽ có xu hướng tập trung đến nơi có nguồn dinh dưỡng tích tụ. Khi các hợp chất hữu cơ tích tụ lại trên bề mặt, chúng sẽ thu hút các vi khuẩn, tảo và động vật nguyên sinh đến, theo thời gian sẽ phát triển thành một màng sinh vật.
1.4.2.3 Đặc tính của tế bào
Mặc dù màng sinh vật là hình thức tồn tại phổ biến của vi sinh vật trong môi trường tự nhiên nhưng không phải vi sinh vật nào cũng có khả năng hình thành màng sinh vật. Các đặc tính của tế bào bao gồm các cấu trúc phụ trợ như lông roi, tiêm mao, khả năng di động, bám dính, khả năng tạo các chất ngoại bào (protein, polysaccarit), cảm biến mật độ (quorum sensing) ảnh hưởng lớn đến việc hình thành
màng sinh vật. Thí nghiệm so sánh giữa hai chủng Pseudomonas fluorescens của Davey và cộng sự [19] đã cho thấy chủng di động có khả năng hình thành màng sinh vật nhanh hơn so với chủng không di động.
Tuy nhiên, một số loài không có phần phụ trợ tế bào nhưng vẫn có khả năng hình thành màng sinh vật mạnh dựa vào khả năng tự tổng hợp các chất ngoại bào như lipopolysaccarit, glycoprotein tạo thành cấu trúc màng giáp (capsule), màng nhày (slime) bao quanh tế bào. Đặc tính này tạo tính tự kết dính cho tế bào và chủ yếu có trong những loài vi sinh vật gây bệnh như Streptococcus mutants, Streptococcus salivarius, Xanthomonas, Bacillus anthracis [15].