噬菌蛭弧菌的裂解机制及其在水体监控上的应用

郑美林 ，李璟 *，周雪 ，王利 ，魏勇 ，蒲又新

（1.成都理工大学环境学院，四川 成都 610059；2.西南民族大学生命科学与技术学院，四川 成都 610041；3.四川省畜牧科学研究院，四川 成都 610066）

噬菌蛭弧菌（Bdellovibrio bacteriovorus）是寄生于其他细菌并能导致其裂解的一类革兰氏阴性细菌。噬菌蛭弧菌以弧状、杆状为主，其菌体长度为0.8～1.2μm，宽度为 0.25～0.40μm。首次由 Stolp和 Petzhold从菜豆叶烧病假单胞菌ATCC11355中发现[1]。噬菌蛭弧菌以捕食其他革兰氏阴性菌为生，具有类似于噬菌体噬菌作用的一类寄生菌[2]，具有“寄生”和“裂解”这两种独特的生物学特性，能够裂解许多致病菌。因此，在抗生素滥用存在一系列安全隐患的今天，将噬菌蛭弧菌研发为一种新型的安全、高效、环保的抗菌类药物已经成为近年来国内外学者的研究热点。

1 噬菌蛭弧菌对宿主菌的裂解机制

1.1 识别 攻击阶段（无复制发生）的噬菌蛭弧菌[3]在鞭毛波形运动下靠辨别宿主群产生的丝氨酸内酯高速向宿主菌富集区域前进，无鞭毛端与宿主菌接触。噬菌蛭弧菌基因组中有6个成簇的运动与鞭毛合成基因。

1.2 吸附与穿入 单个噬菌蛭弧菌接触并吸附宿主菌后，其他噬菌蛭弧菌便不能再吸附。吸附作用通常维持数分钟，侵入只需几秒钟。噬菌蛭弧菌吸附宿主细胞后几分钟内就可破坏细胞壁，穿入宿主细胞，此时鞭毛消失，整个过程最长为60min。特殊的鞭毛结构提供主要动力，使得噬菌蛭弧菌以100r/s以上的高转速在宿主菌细胞壁上机械钻孔，穿入细胞壁，头部与宿主菌原生质体连在一起，形成渗透孔，细胞内外渗透压平衡失调，原生质体膨胀，于是噬菌蛭弧菌被动进入膨胀的细胞。

1.3 复制 丝状的噬菌蛭弧菌细胞会长到几个普通噬菌蛭弧菌细胞的尺寸，后期形成膈将丝状细胞分成奇数个同样大小的子代细胞。噬菌蛭弧菌利用宿主DNA合成自身DNA，但宿主DNA总量通常小于噬菌蛭弧菌子代细胞的DNA总量，即噬菌蛭弧菌会合成大量核苷酸。

1.4 增殖与释放 宿主细胞质耗尽后，噬菌蛭弧菌分裂成子细胞并合成鞭毛，待生长成熟后合成一种新的具有完全裂解修饰肽聚糖功能的酶，作用于肽聚糖中的氨基糖连接键。从而释放子代蛭弧菌，寻找新宿主。单个噬菌蛭弧菌的生活周期会持续4～6h。噬菌蛭弧菌的水解酶在其进入宿主细胞壁、降解宿主生物大分子聚合物以及裂解蛭质体这3个阶段都是至关重要的[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 在水体检测方面的应用

2.1 噬菌蛭弧菌作为水体检测指标 水体检测的指标多种多样，不同水源有不同的检测指标，比如地表水监测内容可以是pH、粪大肠菌群、石油类、硫化物等；地下水可以是pH、总硬度、溶解性总固体、阴离子表面活性剂、细菌总数及矿化度等。噬菌蛭弧菌普遍存在于土壤、污水、湖水、河水、井水及海水等环境中。目前许多研究并未在洁净的水中发现噬菌蛭弧菌，反而在污染的水体中发现，且其数量随着污染程度增加而增多。因此，许多学者提出可将噬菌蛭弧菌作为一个水体检测指标。

2.2 噬菌蛭弧菌作为河水污染指示菌 根据统计结果，污染程度不同的河流段其噬菌蛭弧菌含量也有显著差异（P＜0.05），噬菌蛭弧菌含量与污染程度呈正相关，噬菌蛭弧菌可以作为指示菌来检测水体污染情况[5]。毕新萍等[6]采集了水库、水塘、冰川、排污口、生活区、自来水厂等地的16份水样，通过对噬菌斑的鉴定和水质各项理化指标的检测，得出噬菌蛭弧菌的含量与水质的洁净程度有高度的正比关系。因此，可以用噬菌蛭弧菌的含量来判断水体污染程度及生活饮用水是否符合卫生标准。另一方面，秦生巨[7]试验表明，添加了噬菌蛭弧菌的河水第5 d出现澄清趋势，到48d时河水显著澄清透明，而对照组仍处于浑浊状态；进一步检查发现，相同时间内加噬菌蛭弧菌的河水的浊度单位和生物耗氧量均比未加噬菌蛭弧菌的对照组下降显著，且整个试验过程中pH、氧化物、总硬度、钙、镁的含量都发生了一系列改变，推测其与噬菌蛭弧菌净化宿主菌的活动有密切关系，故作者认为噬菌蛭弧菌可作为水体检测指标。

3 在水体控制方面的应用

3.1 对污水的净化 研究表明，在水产养殖的早期使用噬菌蛭弧菌微生态制剂，能够使池塘水体保持良好的生态环境，维持水体生态相对平衡，还能够抑制蓝藻生长，防止水体恶化。四川大学生命科学学院[8]对实验污水原液和加了噬菌蛭弧菌与灭活噬菌蛭弧菌的对照污水进行连续培养，3d后，有噬菌蛭弧菌作用的污水中的细菌数比含灭活噬菌蛭弧菌的污水低。噬菌蛭弧菌对灭菌自来水、湖水及模拟自然条件下的河水中的沙门氏菌、大肠杆菌、霍乱弧菌、痢疾杆菌等病菌的清除作用很明显，清除效率达90%以上，甚至100%。由此可见，噬菌蛭弧菌对高浓度的污染菌具有清除作用，说明该菌对污水有一定的净化作用。

3.2 调控水体pH值 pH值可以综合反映水体的理化状况。熊英等[9]选取两个池塘连续3d泼洒噬菌蛭弧菌，之后每隔15d泼洒1次，对照塘不加噬菌蛭弧菌，然后在不同时间点测定试验塘的pH值。结果表明，向水中泼洒噬菌蛭弧菌后第3d，对照塘的pH值略有升高，之后随着向试验塘周期性地泼洒噬菌蛭弧菌，试验塘的pH值变化不大且趋于稳定，但对照塘的pH值较试验塘变化幅度大。同样，陈家长[10]研究表明，在水产养殖池塘中添加噬菌蛭弧菌，能有效稳定pH值。通过使用噬菌蛭弧菌来稳定水体pH值，并在较短时间内裂解弧菌、气单胞菌、假单胞菌、沙门氏菌、志贺菌等常见病原菌，将这些细菌限制在较低的数量水平，可达到净化水体、控制水质的目的，具有十分重要的研究前景。

4 噬菌蛭弧菌的应用展望

4.1 食品保鲜与防腐 在新鲜水果的杀菌和产品质量提高方面，传统的清洗杀菌手段不能保证食品安全。控制新鲜水果微生物污染目前最主要的方法仍是使用化学杀菌剂，但大多数化学杀菌剂有较高的残留毒性，且降解期长，具有致癌、致畸性，因此研究开发毒性小、无污染、对人体无毒副作用的新型杀菌剂已是当务之急，而噬菌蛭弧菌在这方面有着无限的应用潜力。目前的理论都显示噬菌蛭弧菌对动物及人体无害，在大量的动物毒性试验数据支撑下，可以将噬菌蛭弧菌制品真正广泛应用于食品加工领域，以代替防腐剂。

4.2 医疗领域的应用 研究表明，噬菌蛭弧菌对真核细胞无裂解作用，许多致病菌是原核细胞，在医疗领域用噬菌蛭弧菌替代一些抗生素，可以缓解抗生素的滥用。Iebba等[11]研究表明，噬菌蛭弧菌在健康人肠道中的数量众多，维持着肠道微生态系平衡，而在患炎症性肠病、乳糜泻和囊性纤维化病人肠道中的数量严重减少甚至消失，进而导致肠道微生态系失衡。Loozen等[12]研究表明，噬菌蛭弧菌HD100可作为抑制口腔革兰氏阴性菌的益生菌来预防牙周病。以上结果表明，噬菌蛭弧菌减少与人类患病有关，该菌在调控人类口腔、肠道等微生物类群、维持生态平衡方面有重要作用。

4.3 水体治理 噬菌蛭弧菌能够裂解水体中的有害细菌，对水体有一定的净化作用。在水产养殖业中使用噬菌蛭弧菌可保持塘水的稳定，从而提高苗种的成活率和鱼虾的生长速度。

5 噬菌蛭弧菌研究中存在的问题

5.1 自然水体影响 自然条件下常看到噬菌蛭弧菌含量与细菌污染程度呈正相关，但其水体状态比模拟条件下的水体状态复杂而多变，其中噬菌蛭弧菌和宿主菌的相互关系取决于宿主菌群的组成、生理状态、生长速率以及温度、胶体颗粒、水流速度等多种因素。

5.2 起效时间长 噬菌蛭弧菌是一种细菌，需要一定的生长周期，不能像抗生素或者其他类化学药物一样迅速发挥效果。当致病菌数量增长到一定程度时，才有明显而可观的裂解效果。

5.3 清除不完全 有研究表明，即使噬菌蛭弧菌与宿主菌的浓度比例较高，也不易完全清除宿主菌，如何增强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决的问题。

5.4 协同机制尚未明确 噬菌蛭弧菌种类繁多，不同的噬菌蛭弧菌具有不同的裂解作用，在裂解致病宿主菌时，它们之间如何协同作用的具体机制尚不清楚。

5.5 噬菌蛭弧菌对抗生素的耐受性 目前世界范围内的抗生素滥用给自然界造成了严重污染，噬菌蛭弧菌同样也受到影响，广泛使用噬菌蛭弧菌裂解宿主菌时还应该考虑提高其对抗生素的耐受性。