噬菌体技术在水污染控制中的现状及应用前景

　　摘要：污水处理过程中伴有大量的微生物, 不但对人类健康造成了巨大的危害, 对污水处理系统的运行也有着严重的影响。多重耐药性细菌在污水中的出现导致了介水传染病的爆发, 物理法、化学法等处理手段存在着着价格昂贵、效果欠佳的问题。噬菌体是自然界中数量最多和分布最广的病毒。噬菌体通过特定的感染和裂解影响细菌群落, 在消灭细菌上具有专一性强、指数增殖等特点, 可作为污水处理中的一种生物控制技术。介绍噬菌体的生物学特性, 并对噬菌体技术在水污染控制中的应用进行了阐述与分析, 论述了噬菌体技术在水污染控制中的现状及应用前景。

　　关键词：噬菌体技术; 水污染控制; 病原体; 胞外聚合物;

　　Application of Bacteriophage Technology in Sewage Treatment

　　ZHONG Yun ZHOU Xin-jingwen LIU Wan-ning YANG Jun-qi XV Ming-zhi

　　School of International Education, Nanchang Hangkong University

　　Abstract：

　　There are a lot of microbes in sewage treatment process, which not only causes great harm to human health, but also has a serious impact on sewage treatment system. The multi-drug resistant bacteria in sewage has led to the outbreak of water-borne communicable diseases. Physical method, chemical method and other methods are expensive and ineffective for treating them. Bacteriophage is the most abundant and widely distributed virus in nature. Bacteriophage can influence the bacterial community through specific infection and lysis.The characteristics of bacteriophage are strong specificity and exponential proliferation in eliminating bacteria, which can be used as a biological control technology in sewage treatment. In this paper, biological characteristics of phage were introduced, and the application of bacteriophage technology in sewage treatment was expounded and analyzed.

　　Keyword：

　　bacteriophage technology; sewage treatment; pathogens; EPS;

　　水资源短缺是人类面临的难题, 全球约有20%的污水没有被利用, 而污水的排放却在不断增加, 处理难度也在不断增大[1]。污水中有着丰富的微生物种群, 其中含有霍乱弧菌、金黄色葡萄球菌等多种危害人类健康的病原菌[2]。抗生素的滥用使其成为一种污染物, 它经过多种途径进入环境水体中, 对污水中的细菌微产生了持久性的选择, 使这些细菌逐渐具有抗药性, 这类抗药性菌群的快速演变和散播, 会对所有物种的健康安全造成不可预料的威胁[3]。同时, 在污水处理的过程中, 微生物会在设备上附着、生长、侵蚀, 既缩短设备的寿命, 也影响处理效果[4]。利用传统的物理、化学方法治理污水中的微生物, 价格昂贵且效果欠佳[5,6]。于是, 各种新颖的生物控制方法被开发, 噬菌体作为天然的细菌杀手有着许多优点, 噬菌体技术处理污水中成为了一种消灭细菌的有效途径[7]。

　　近年来, 分子生物学等学科的迅速发展成为了研究噬菌体技术的基础, 对污水处理过程中微生物群落结构等方面的研究取得了丰富的成果, 人们对污水中生物群落的认识不断加深。本文对噬菌体控制技术在污水处理相关方面取得的主要研究进展进行了总结, 并提出了未来的前进方向, 以期对污水处理中噬菌体技术的完善有所帮助。

　　1 噬菌体

　　噬菌体是一种病毒, 能够感染并杀死细菌。与现存的广谱抗生素相比, 它只针对特定的细菌而不损害人体正常的微生物菌群。噬菌体是地球上最丰富的生物体, 总量高达1030~1032, 在调节各个生态系统中的微生物平衡方面发挥着关键作用[8]。它们与各种各样的宿主的相互作用机制, 使它们成为我们星球上最大量的“有机体”[9]。它们广泛分布在有大量细菌的地方, 如医院、土壤和水环境, 其中噬菌体最密集的天然来源之一是海水, 多达9×108/mL[10]。从人类粪便中分离出各种细菌人类病原体的噬菌体, 如沙门菌、大肠杆菌和脆弱类杆菌, 其噬菌体斑浓度高达105 PFU/mL[10]。在不同功能的地表水体中发现了大量的噬菌体, 在污水中噬菌体对环境的影响最为明显[11]。大量的噬菌体也在各种各样的原始产品中被分离出来, 如牛肉、鸡肉和牡蛎[12]。这些研究都表明噬菌体可以在它们的细菌宿主所在的环境中发现, 而且噬菌体每天都在被人类消耗。

　　前苏联和中欧把噬菌体作为抗生素的替代品来使用已经超过了90年[13]。有研究表明世界上70%的细菌已经对抗生素产生了抗药性, 并且已经污染了水源[14]。许多常见的疾病将难以被药物治愈, 而噬菌体却成为了一种可能的生物控制用于消灭病原体[14]。噬菌体有高度特异性、可以指数增殖、对人体无害、研制成本低等优势, 分为烈性噬菌体和温和噬菌体两种, 其中烈性噬菌体能够快速增殖并并且杀死大量细菌, 但也存在一定的局限性如难以同时治理多种细菌、储存困难、难以掌握最佳时间和用量[15]。

　　2 噬菌体技术在污水处理中的应用

　　2.1 治理污水处理中的病原体

　　粪便、污水和垃圾中的病原体在进入了饮用水源后, 容易引发介水传染病, 因此去除污水处理中病原体意义重大。噬菌体控制技术能够减少灭菌化学药剂的使用[16]。Loc-Carrillo等[17]将噬菌体与化学抗菌药物的进行了杀菌效果对比, 发现噬菌体更加经济高效。Jassim等[13]研究表明噬菌体在杀死病原体时不会破坏正常菌群, 对耐抗生素的细菌同样有效, 并且具有较低的固有毒性。近年来, 随着耐抗生素细菌的出现, 噬菌体作为一种对消灭病原体的现实方法引起了相关学者的兴趣[14]。Bibi等[18]从医院污水中发现了一种噬菌体P.E1, 其有效抑制了在耐药临床实验中分离出的大肠杆菌。Rahimzadeh等[19]在儿童医院的污水中分离出了目前临床中最常见的耐抗生素细菌 (耐甲氧西林金黄色葡萄球菌) 的噬菌体, 发现噬菌体是一种潜在的治疗金黄色葡萄球菌感染的方法。Kumar等[20]从被家禽粪便污染的湖泊中分离出了沙门氏菌的特异性噬菌体, 这一发现可以作为控制沙门氏菌的生物方法。

　　沙门氏菌、伤寒、霍乱弧菌、大肠杆菌等多种胃肠道疾病细菌都可以通过水传播[21]。有研究得到了许多水中病原体的检测方法如聚合酶链反应、焦磷酸测序等, 可以高效监测出霍乱弧菌、沙门氏菌和大肠杆菌等[22], 这些模型将有利于噬菌体控制技术的研发。因此, 在水污染控制中利用噬菌体代替其他方法除去水中的病原体, 将会是预防介水传染病的一种有效手段。

　　2.2 作为污水中的细菌指示剂

　　污水中病原菌的快速检测和鉴定方法的建立对于水质监测部门具有至关重要的作用。精确的检测方法通过预富集步骤来提高灵敏度, 但是需要耗费较长的时间和大量的人力、物力。噬菌体只侵染特异宿主的特性使其成为检测病原菌的理想工具。在一个相对复杂的环境下, 噬菌体的整个感染过程, 从识别特异细菌到裂解细胞释放子代噬菌体仅仅需要1~2 h[23]。

　　Fan等[24]成功将噬菌体作为指标或示踪剂用于检测污水处理系统中的细菌。这些方法可以帮助预测废水中的细菌污染程度, 从而确认用于治疗疾病的方法。1973年, Hilton等[25]率先提出用大肠杆菌噬菌体作为水污染监测的指标。此后, 人们开始尝试利用噬菌体作为指示剂来监测污水中细菌[26]。Roop等[27]利用噬菌体来确认水体是否被人类粪便所污染, 如利用大肠杆菌噬菌体作为微生物指示剂来评价水体被污染的情况及评价污水处理的效果。此外, 体细胞噬菌体与F-RNA噬菌体也能够作为评价水污染情况和评价污水处理效果的微生物指示剂[28]。在污水中, 体细胞噬菌体与F-RNA噬菌体的数量很多且容易测定, 适合当作判断水体污染的微生物指示剂[29,30]。Nkwe等[31]也在研究中利用体细胞噬菌体和F-RNA噬菌体的计数作为当地西北农村地区水源粪便污染的指标。班海群等[32]认为可以将噬菌体等微生物作为验证和监督检测的评价指标, 或作为水源水受到肠道病毒污染的评价指标。

　　现阶段, 大多的研究都是利用噬菌体技术作为评价污水中肠道病毒污染程度的指标。噬菌体也有望作为其他病原体的指示物, 各类传染病将会在通过水体爆发之前被发现。

　　2.3 处理活性污泥的丝状细菌

　　活性污泥法是利用微生物处理城市污水和工业废水的通用好氧处理方法。它能够履行关键的废水处理功能:碳类废物、含氮废物的降解或氧化;细颗粒、重金属的去除。这些功能主要是通过大量的、多样化的、活跃的细菌群的生长和维持来实现的。废水中的有机污染物提供了促进微生物生长所需的碳和能量[33]。与活性污泥法有关的主要问题是污泥膨胀、絮体、发泡等, 主要是由丝状细菌和气泡扩散造成的, 这些气泡在活性污泥池和二次澄清池的表面形成了致密的棕色浮渣层。随着污泥中细菌数量的增加, 丝状细菌往往会形成褐色粘性黏性泡沫, 如菌藻酸产生的丝状细菌在污泥表面形成厚厚的浮渣层导致会水处理设备无法运行[34]。

　　有研究建议使用特定的噬菌体作为一种环境友好的方法来控制生物泡沫和处理活性污泥法中的丝状细菌[35]。在研究噬菌体对活性污泥生物群落影响时, 发现其有潜力作为丝状细菌的生物防治剂, 可能使活性污泥中的泡沫减少[36]。Withey等[37]研究得到结论:噬菌体处理污泥可以提供长期的成本效益, 并且能够控制潜在的致病菌 (如大肠杆菌和沙门氏菌) 。Ewert等[38]列举了活性污泥污水处理装置中的噬菌体群体。在反应器混合液和流出液中, 噬菌体的总浓度显著高于流入污水, 表明在反应器内产生起净化作用的噬菌体。污水、活性污泥混合液和反应器流出物中的最大总噬菌体浓度分别为2.2×107、9.5×107和8.4×107/mL。其中48种主要的细菌, 仅有3种是存在对应噬菌体的, 这表明在活性污泥混合液中负责噬菌体生产的细菌是其中的次要组分或是产生絮凝物的菌株[38]。Khan等[39]从活性污泥中提取了8个噬菌体进行实验研究, 并对它们的宿主范围进行了研究。发现所有被检测的8个噬菌体在1个以上的宿主上形成噬菌斑, 其中4个在革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌分离株上形成噬菌斑。结果表明, 噬菌体是活性污泥微生物生态系统的有效部分, 与宿主菌有非常密切的生态关系, 可以使污泥得到纯化。Choi等[40]通过使用从污水中分离的特定噬菌体, 在投入噬菌体12 h后产生了更清晰的上清液, 并且噬菌体在9个多月内保持稳定和活性, 能耐受活性污泥活动过程中常见的温度和pH波动。

　　一些研究人员认为, 在以活性污泥法为主要生物处理方法的工艺中噬菌体技术有十分大的潜力, 但在实际工程中应用仍需要进一步研究[34,37,41]。

　　2.4 控制污水系统中的生物膜污染

　　噬菌体的另一个重要应用是抑制或破坏细菌的生物膜在固体表面 (如膜生物反应器的膜组件) 。生物膜是细菌附着在物体表面生长, 被胞外聚合物 (EPS) 包围后形成相对独立的特殊结构[42]。病原体形成了生物膜后, 将会对抑菌剂以及宿主免疫系统产生抗性, 对人类造成严重的健康威胁[43]。在废水处理系统中, 只要组件的表面有生物膜形成, 就会被堵塞从而导致通量降低, 废水处理效率也随之下降[44]。在膜法水处理中, 膜表面生物的形成是膜污染的主要因素[45]。在混合细菌的生物膜中对抑菌剂敏感的细菌, 不但有EPS作为屏障, 还有其他抗性细菌的保护[46]。使用传统的化学方法将使得生物膜有较强的耐受性, 而使用物理方法却会对组件造成巨大损耗, 噬菌体技术作为一种生物方法优势显露无疑。

　　早在20世纪90年代, Doolittle等[47,48]成功地使用噬菌体来破坏大肠杆菌和铜绿假单胞菌的生物膜。近年来, Pei等[49]使用T7噬菌体抑制了含有铜绿假单胞菌和大肠杆菌的混种生物膜的形成。众所周知, 铜绿假单胞菌的细菌生物膜通常会堵塞饮用水处理厂的过滤器, 清洗的价格十分昂贵。Zhang等[50]已经从污水中分离出了铜绿假单胞菌噬菌体, 实验发现单独使用氯对铜绿假单胞菌生物膜的去除率为40%, 而在加入107 PFU/mL浓度的噬菌体时去除率为89%。此外, Zhang等[50]还发现, 在较低浓度的105 PFU/mL和氯之后, 噬菌体可清除96%的生物膜。一些综述也提到了噬菌体对生物膜的破坏, 认为噬菌体技术是一种很有前途的控制和去除不同表面细菌生物膜的方法[51,52,53]。

　　但是利用噬菌体来控制污水系统中膜组件的膜污染研究仍处于起步阶段, Goldman等[54]率先使用噬菌体来控制超滤膜上的微生物, 在超滤膜上单独或联合接种了:铜绿假单胞菌、无烟杆菌和枯草芽孢杆菌共三种细菌, 添加了相应的特异性溶菌噬菌体。Goldman等[54]实验的结果表明, 噬菌体可以使膜组件表面的微生物附着率减低40%~60%, MBR系统出水的水质参数显著提高, 并证实了当多个污染细菌存在时, 结合几种噬菌体可用防止生物膜的形成。

　　目前, 利用噬菌体控制膜污染有了新进展。?zkan等[55]用多聚醚砜制成的超滤膜对不同污泥停留时间和水力滞留时间的废水进行了过滤, 再利用蛭弧菌噬菌体的降解能力作为一种清洁膜组件的方法, 并测定了添加蛭弧菌属噬菌体前后膜表面的过滤性能的变化。?zkan等[55]在稳定的条件下将蛭弧菌属噬菌体投入到系统中, 发现膜通量可以稳定的增加, 清洁过后的膜表面细菌数明显减少。Ma等[56]利用T4噬菌体和大肠杆菌模型, 研究了超滤膜过滤污水过程中噬菌体控制膜污染的效果。Ma等[56]将噬菌体固定在膜表面作为灭菌剂, 过滤6 h后, 添加了T4噬菌体官能化膜的膜通量减少了36%, 而未官能化膜的膜通量减少了71%。此外, Ma等[56]还利用O2等离子体对膜表面进行改性, 增加了粘附噬菌体的数量, 增强了超滤膜的生物抗压能力, 与通过物理洗涤过程清洗的膜相比, 在噬菌体辅助清洁后观察到生物膜污染膜的膜通量恢复了约20%。Ma等[56]的结果表明, 噬菌体作为辅助的抗污染方式, 有可能成为一种环境友好的方式缓解超滤膜使用过程中的膜生物污染。Wu等[53]认为将噬菌体直接添加到大规模的MBR污水处理系统中以减轻生物膜污染是一项极具挑战性的工作, 提出将噬菌体与膜功层结合, 将噬菌体与膜材料混合封装, 以期大规模应用噬菌体来控制膜污染。

　　3 结束语

　　在过去的几十年里, 在水污染控制方面的创新比其他有较大利润的方向要少。噬菌体技术有可能改善废水处理、娱乐和饮用水源的水质。将其应用于水污染控制, 需要对污水中微生物群落有更全面的认识, 还必须制定对抗宿主特异性和宿主细胞抗性的策略, 考虑对人类产生的安全性影响。此外, 噬菌体技术在控制活性污泥发泡和生物膜污染方面的潜在应用, 是一种经济环保且有效的方法。根据污水处理设施的需要, 针对任何对人类无益的细菌, 如沙门氏菌、大肠杆菌、志氏菌、霍乱弧菌等, 以防止这些病原菌从污水处理厂进入自然水体。使用噬菌体技术作为处理水污染控制中微生物问题的策略, 与现存的其他方法相比, 这是一种环境友好型的技术, 能为人类健康提供保障并节约大量的资源。

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