噬菌蛭弧菌的裂解機制及其在水體監控上的應用

鄭美林 ，李璟 *，周雪 ，王利 ，魏勇 ，蒲又新

（1.成都理工大學環境學院，四川 成都 610059；2.西南民族大學生命科學與技術學院，四川 成都 610041；3.四川省畜牧科學研究院，四川 成都 610066）

噬菌蛭弧菌（Bdellovibrio bacteriovorus）是寄生于其他細菌并能導致其裂解的一類革蘭氏陰性細菌。噬菌蛭弧菌以弧狀、桿狀為主，其菌體長度為0.8～1.2μm，寬度為 0.25～0.40μm。首次由 Stolp和 Petzhold從菜豆葉燒病假單胞菌ATCC11355中發現[1]。噬菌蛭弧菌以捕食其他革蘭氏陰性菌為生，具有類似于噬菌體噬菌作用的一類寄生菌[2]，具有“寄生”和“裂解”這兩種獨特的生物學特性，能夠裂解許多致病菌。因此，在抗生素濫用存在一系列安全隱患的今天，將噬菌蛭弧菌研發為一種新型的安全、高效、環保的抗菌類藥物已經成為近年來國內外學者的研究熱點。

1 噬菌蛭弧菌對宿主菌的裂解機制

1.1 識別 攻擊階段（無復制發生）的噬菌蛭弧菌[3]在鞭毛波形運動下靠辨別宿主群產生的絲氨酸內酯高速向宿主菌富集區域前進，無鞭毛端與宿主菌接觸。噬菌蛭弧菌基因組中有6個成簇的運動與鞭毛合成基因。

1.2 吸附與穿入 單個噬菌蛭弧菌接觸并吸附宿主菌后，其他噬菌蛭弧菌便不能再吸附。吸附作用通常維持數分鐘，侵入只需幾秒鐘。噬菌蛭弧菌吸附宿主細胞后幾分鐘內就可破壞細胞壁，穿入宿主細胞，此時鞭毛消失，整個過程最長為60min。特殊的鞭毛結構提供主要動力，使得噬菌蛭弧菌以100r/s以上的高轉速在宿主菌細胞壁上機械鉆孔，穿入細胞壁，頭部與宿主菌原生質體連在一起，形成滲透孔，細胞內外滲透壓平衡失調，原生質體膨脹，于是噬菌蛭弧菌被動進入膨脹的細胞。

1.3 復制 絲狀的噬菌蛭弧菌細胞會長到幾個普通噬菌蛭弧菌細胞的尺寸，后期形成膈將絲狀細胞分成奇數個同樣大小的子代細胞。噬菌蛭弧菌利用宿主DNA合成自身DNA，但宿主DNA總量通常小于噬菌蛭弧菌子代細胞的DNA總量，即噬菌蛭弧菌會合成大量核苷酸。

1.4 增殖與釋放 宿主細胞質耗盡后，噬菌蛭弧菌分裂成子細胞并合成鞭毛，待生長成熟后合成一種新的具有完全裂解修飾肽聚糖功能的酶，作用于肽聚糖中的氨基糖連接鍵。從而釋放子代蛭弧菌，尋找新宿主。單個噬菌蛭弧菌的生活周期會持續4～6h。噬菌蛭弧菌的水解酶在其進入宿主細胞壁、降解宿主生物大分子聚合物以及裂解蛭質體這3個階段都是至關重要的[3]，而蛋白酶和肽酶在噬菌蛭弧菌的生活周期中也十分重要。

2 在水體檢測方面的應用

2.1 噬菌蛭弧菌作為水體檢測指標 水體檢測的指標多種多樣，不同水源有不同的檢測指標，比如地表水監測內容可以是pH、糞大腸菌群、石油類、硫化物等；地下水可以是pH、總硬度、溶解性總固體、陰離子表面活性劑、細菌總數及礦化度等。噬菌蛭弧菌普遍存在于土壤、污水、湖水、河水、井水及海水等環境中。目前許多研究并未在潔凈的水中發現噬菌蛭弧菌，反而在污染的水體中發現，且其數量隨著污染程度增加而增多。因此，許多學者提出可將噬菌蛭弧菌作為一個水體檢測指標。

2.2 噬菌蛭弧菌作為河水污染指示菌 根據統計結果，污染程度不同的河流段其噬菌蛭弧菌含量也有顯著差異（P＜0.05），噬菌蛭弧菌含量與污染程度呈正相關，噬菌蛭弧菌可以作為指示菌來檢測水體污染情況[5]。畢新萍等[6]采集了水庫、水塘、冰川、排污口、生活區、自來水廠等地的16份水樣，通過對噬菌斑的鑒定和水質各項理化指標的檢測，得出噬菌蛭弧菌的含量與水質的潔凈程度有高度的正比關系。因此，可以用噬菌蛭弧菌的含量來判斷水體污染程度及生活飲用水是否符合衛生標準。另一方面，秦生巨[7]試驗表明，添加了噬菌蛭弧菌的河水第5 d出現澄清趨勢，到48d時河水顯著澄清透明，而對照組仍處于渾濁狀態；進一步檢查發現，相同時間內加噬菌蛭弧菌的河水的濁度單位和生物耗氧量均比未加噬菌蛭弧菌的對照組下降顯著，且整個試驗過程中pH、氧化物、總硬度、鈣、鎂的含量都發生了一系列改變，推測其與噬菌蛭弧菌凈化宿主菌的活動有密切關系，故作者認為噬菌蛭弧菌可作為水體檢測指標。

3 在水體控制方面的應用

3.1 對污水的凈化 研究表明，在水產養殖的早期使用噬菌蛭弧菌微生態制劑，能夠使池塘水體保持良好的生態環境，維持水體生態相對平衡，還能夠抑制藍藻生長，防止水體惡化。四川大學生命科學學院[8]對實驗污水原液和加了噬菌蛭弧菌與滅活噬菌蛭弧菌的對照污水進行連續培養，3d后，有噬菌蛭弧菌作用的污水中的細菌數比含滅活噬菌蛭弧菌的污水低。噬菌蛭弧菌對滅菌自來水、湖水及模擬自然條件下的河水中的沙門氏菌、大腸桿菌、霍亂弧菌、痢疾桿菌等病菌的清除作用很明顯，清除效率達90%以上，甚至100%。由此可見，噬菌蛭弧菌對高濃度的污染菌具有清除作用，說明該菌對污水有一定的凈化作用。

3.2 調控水體pH值 pH值可以綜合反映水體的理化狀況。熊英等[9]選取兩個池塘連續3d潑灑噬菌蛭弧菌，之后每隔15d潑灑1次，對照塘不加噬菌蛭弧菌，然后在不同時間點測定試驗塘的pH值。結果表明，向水中潑灑噬菌蛭弧菌后第3d，對照塘的pH值略有升高，之后隨著向試驗塘周期性地潑灑噬菌蛭弧菌，試驗塘的pH值變化不大且趨于穩定，但對照塘的pH值較試驗塘變化幅度大。同樣，陳家長[10]研究表明，在水產養殖池塘中添加噬菌蛭弧菌，能有效穩定pH值。通過使用噬菌蛭弧菌來穩定水體pH值，并在較短時間內裂解弧菌、氣單胞菌、假單胞菌、沙門氏菌、志賀菌等常見病原菌，將這些細菌限制在較低的數量水平，可達到凈化水體、控制水質的目的，具有十分重要的研究前景。

4 噬菌蛭弧菌的應用展望

4.1 食品保鮮與防腐 在新鮮水果的殺菌和產品質量提高方面，傳統的清洗殺菌手段不能保證食品安全。控制新鮮水果微生物污染目前最主要的方法仍是使用化學殺菌劑，但大多數化學殺菌劑有較高的殘留毒性，且降解期長，具有致癌、致畸性，因此研究開發毒性小、無污染、對人體無毒副作用的新型殺菌劑已是當務之急，而噬菌蛭弧菌在這方面有著無限的應用潛力。目前的理論都顯示噬菌蛭弧菌對動物及人體無害，在大量的動物毒性試驗數據支撐下，可以將噬菌蛭弧菌制品真正廣泛應用于食品加工領域，以代替防腐劑。

4.2 醫療領域的應用 研究表明，噬菌蛭弧菌對真核細胞無裂解作用，許多致病菌是原核細胞，在醫療領域用噬菌蛭弧菌替代一些抗生素，可以緩解抗生素的濫用。Iebba等[11]研究表明，噬菌蛭弧菌在健康人腸道中的數量眾多，維持著腸道微生態系平衡，而在患炎癥性腸病、乳糜瀉和囊性纖維化病人腸道中的數量嚴重減少甚至消失，進而導致腸道微生態系失衡。Loozen等[12]研究表明，噬菌蛭弧菌HD100可作為抑制口腔革蘭氏陰性菌的益生菌來預防牙周病。以上結果表明，噬菌蛭弧菌減少與人類患病有關，該菌在調控人類口腔、腸道等微生物類群、維持生態平衡方面有重要作用。

4.3 水體治理 噬菌蛭弧菌能夠裂解水體中的有害細菌，對水體有一定的凈化作用。在水產養殖業中使用噬菌蛭弧菌可保持塘水的穩定，從而提高苗種的成活率和魚蝦的生長速度。

5 噬菌蛭弧菌研究中存在的問題

5.1 自然水體影響 自然條件下常看到噬菌蛭弧菌含量與細菌污染程度呈正相關，但其水體狀態比模擬條件下的水體狀態復雜而多變，其中噬菌蛭弧菌和宿主菌的相互關系取決于宿主菌群的組成、生理狀態、生長速率以及溫度、膠體顆粒、水流速度等多種因素。

5.2 起效時間長 噬菌蛭弧菌是一種細菌，需要一定的生長周期，不能像抗生素或者其他類化學藥物一樣迅速發揮效果。當致病菌數量增長到一定程度時，才有明顯而可觀的裂解效果。

5.3 清除不完全 有研究表明，即使噬菌蛭弧菌與宿主菌的濃度比例較高，也不易完全清除宿主菌，如何增強其裂解能力并使其在完全裂解宿主菌后再自行消亡也是目前尚未解決的問題。

5.4 協同機制尚未明確 噬菌蛭弧菌種類繁多，不同的噬菌蛭弧菌具有不同的裂解作用，在裂解致病宿主菌時，它們之間如何協同作用的具體機制尚不清楚。

5.5 噬菌蛭弧菌對抗生素的耐受性 目前世界范圍內的抗生素濫用給自然界造成了嚴重污染，噬菌蛭弧菌同樣也受到影響，廣泛使用噬菌蛭弧菌裂解宿主菌時還應該考慮提高其對抗生素的耐受性。