1、生态环境 2005, 14(4): 585-589 http:/ Ecology and Environment E-mail: 基金项目 国家自然科学基金项目 20477021 建设部重点科技项目 2004-2005 作者简介 李 梅 1972 女 博士 主要从事环境微生物学研究 E-mail: li_ *通讯联系人 E-mail: 收稿日期 2005-03-21 F-RNA 噬菌体及其作为水中肠道病毒指示物的研究进展 李 梅 胡洪营*清华大学环境科学与工程系 /环境模拟与污染控制国家重点联合实验室 北京 100084 摘要 城市污水的再生利用是缓解水资源紧张 减少水污染和改善生态环境的
2、有效途径 污水及其回用水中的肠道病毒对人体健康的风险日益受到关注 直接检测水中肠道病毒的操作复杂 安全性差 时间长 需要专门的技术和设备 因此需要寻找合适的指示生物 以实现对水中肠道病毒的及时检测和风险评价 F-RNA 噬菌体是 通过性菌毛感染雄性大肠杆菌的 一类RNA 细菌病毒 在污水 中普遍存在 在大小 形态结构及对环境条件和水处理过程的抗性与肠道病毒相似 被认为是水中肠道病毒的合适的指示生物 文章介绍了 F-RNA 噬菌体在环境及污水中的 分布 存活和去除特性 检测方法及作为水中肠道病毒指示生物的研究进展 关键词 F-RNA 噬菌体 肠道病毒 指示生物 污水回用 病原微生物 中图分类号
3、X172 文献标识码 A 文章编号 1672-2175 2005 04-0585-05城市污水再生利用是解决城市缺水的有效途径 再生水中 病毒的存在情况及其对人体健康的风险日益受到重视 某些肠道病毒 在水中比较稳定对自然环境条件和消毒剂的耐力比一般的细菌强因此经过处理后的水中有时虽已不能检出大肠菌群细菌 或大肠菌群已符合水质标准的要求 仍可能检出有病毒的存在 检测病毒的方法费时费力要求专门的操作技术 不适用于日常检测 因此寻找合适的指示生物具有重要的意义1F-RNA 噬菌体在理化特性 对自然环境条件和消毒剂的抗性等方面与肠道病毒类似 近年来被作为肠道病毒的指示生物 用于水的病毒学安全评价 阐明
4、病毒灭活机理以及改进病毒检测方法等领域的研究 1 F-RNA噬菌体及其在污水和自然条件下的存在情况 F-RNA 噬菌体 属于雄性特异性噬菌体 F-噬菌体 F-specific bacteriophages F-噬菌体包括轻小噬菌体科 (leviviridae) 的单链 RNA 噬菌体即F-RNA 噬菌体 和丝杆状噬菌体科 inoviridae 的单链 DNA 噬菌体 即 F-DNA 噬菌体 上述两类噬菌体特异性地吸附在细菌的性菌毛 即 F-菌毛 上这个性菌毛由 E. coli K12 的 F 质粒或其它 incF 不相容群质粒编码 当大肠杆菌的 F 因子传递到沙门氏菌 志贺氏菌或变型杆菌 则受
5、体菌也具有了对F-大肠杆菌噬菌体的敏感性 F-RNA 噬菌体是一类通过性菌毛感染雄性大肠杆菌的 RNA 细菌病毒据 Havelaar 等的研究显示 F-RNA 噬菌体于人和动物粪便及其污染水体中普遍 存在 表 1 和表 22, 3所有的 F-RNA 噬菌体的病毒粒子和基因组大小均相似 根据血清型的不同 F-RNA 噬菌体可分为 4 个类群 每一类群的常见代表分别是 MS2类群 GA 类群 类群 和 SP 类群 类群和 类群 类群和 类群噬菌体的核酸序列有很高的保守性 其主要区别为前者的基因组缺少通读蛋白 图 1 显示了 类群和 类群的表 1 人和动物粪便中 F-RNA 噬菌体的含量 Table
6、 1 Contents of F-specific RNA bacteriophages in human and animal faecals 粪便来源 F-RNA 噬菌体数 /(pfu g-1) 10 pfu g-1的检出率 /% 猪 2.810360 Broiler chicken 1.2106100 狗 10110 母牛 1010 马 10110 羊 1.910350 小牛 5.8104100 人 10130 表 2 污水中 F-RNA 噬菌体的含量 Table 2 Contents of F-specific RNA bacteriophages in wastewaters 污水种
7、类 F-RNA 噬菌体含量范围 /(pfu mL-1) 家庭生活污水 102104医院废水 103105屠宰场废水 101104万方数据586 生态环境 第 14 卷第 4 期 2005 年 7 月 基因图 I 和 类群主要来自动物粪便 II 和 III 类群主要来自于人类粪便 测定显示 被人粪便污染水样中 II 和 III 类群占优势 动物粪便污染水样中 I和 类群占优势 这种优势在刚刚受到污染的水中比污染源下游水中更为明显 因此从理论上讲 根据 F-RNA 噬菌体类群的基因型分布分析各类群的存在情况 可以判断污染源 但有一些研究表明受到不同程度粪便污染的河水和海水中 F-RNA 噬菌体的含
8、量与污染程度没有直接的关系 4 只有在跟踪新近受到粪便污染的污染源时才有用 5, 6 一些水处理厂和河水样品中 I 和 II 类群占优势 这与各类群噬菌体的稳定性不同有关 其中 类群的稳定性最高 类群的稳定性最差 6 2 F - RNA 噬菌体 作为肠道病毒指示生物的可行性 一般来说 作为评价水质的指示生物应具备以下标准 指示生物存在于待测定的病原体的原水中 在干净的未被污染水中不存在 指示生物在数量上应高于待测定的病原体 指示生物和病原体对自然条件和水或污水处理过程的抗性相似 应易于分离 鉴定和计数 噬菌体作为指示生物 与细菌指示物相比 受环境的影响小 操作简便快速 结果可靠 噬菌体样品可以
9、保存后再检测 7, 8 指示噬菌体 最早被 作为污水受到粪便污染的指示生物 包括 SC 噬菌体somatic coliphages 脆弱拟杆菌噬菌体 Bacteroides fragilis bacteriophages F-RNA 噬菌体的血清型分布特性 金黄色葡萄球菌的噬菌体分型等 F-RNA 噬菌体在性质上接近肠道病毒 其 MS2亚群 I 类群 的 MS2 和 f2 噬菌体 具有几乎相同的基因结构 与肠道病毒的传统指示生物脊髓灰质炎病毒相比较 均是 20 面体结构的单链线性 RNA病毒 在许多物理 化学特性方面相类似 表 3在 多种水 体中 F-RNA 噬菌体的 含量 与可培养肠道病毒有
10、数量上的对应关系 9 对紫外消毒的抗性与肠道病毒类似 据统计 F-RNA 噬菌体对紫外消毒的抗性是脊髓灰质炎病毒 柯萨奇病毒 呼肠孤病毒的 0.961.43 倍 10 其检测方法与肠道病毒相比具有操作快速简便 安全 不需要复杂的设备 能够高 含量 接种等优点 因此 F-RNA 噬菌体是最常用的肠道病毒的指示生物 3 F - RNA 噬菌体的宿主和检测方法 F-RNA 噬菌体的检测多采用传统的双层琼脂平板法 其首 要的因素是选择合适的宿主菌Havelaar 和 Hogeboom 构建了一株 Salmonella ty-phimurium WG49 具有萘啶酮酸抗性 (Nalr) 和一个 F 质粒
11、 F 42 lac Tn5 是最常用的 F-RNA噬菌体宿主菌 该菌受到噬菌体感染所形成的噬菌斑 几乎都是由 F-噬菌体感染而成 并且其中 90%以上的噬菌斑是由 F-RNA 噬菌体引起的 11 因此许多研究中直接将检测结果记为 F-RNA 噬菌体E. coli HS(pFamp)R 是另一株常用的宿主菌 12 该菌具有青霉素抗性 (Ampr) 链霉素抗性 Smr 和萘啶酮酸抗性 (Nalr) 13 其中青霉素抗性基因由Famp 质粒编码 后两者的编码基因均在基因组上 F-RNA 噬菌体感染宿主菌首先要吸附到宿主菌 F-菌毛上 因此 F-菌毛的存在状况直接关系到检测结果 细菌 F-菌毛的形成是
12、一个复杂的过程主要包括菌毛素亚基的合成和组装两个步骤 这两个步骤受到温度的严格限制 分别要求的最低温度是 30 和 25 只有当细胞生长于 30 以上时 才会形成菌毛 因此 F-RNA 噬菌体的复制只有在 30 以上时才会发生 在操作时 要注意避免宿主菌 F-菌毛的丢失 采用对数生长早期的宿主菌 并立 即在冰浴中冷却菌液 有利于防止F-菌毛丢失 这一方法在许多国家使用 得到了满意的结果 F-RNA 噬菌体可以分为与 4 个血清型对应的 4种基因型 每种基因型可直接用探针平板杂交 用图 1 大肠杆菌噬菌体 MS2(f2, R17)和 Q 的 基因图 Fig. 1 Gene map of bact
13、eriophages MS2, f2, R17 and Q 表 3 噬菌体 f2与脊髓灰质炎病毒的比较 Table 3 Comparation of poliovirus and F-special RNA Bacteriophages 特征 噬菌体 f2和 MS2 脊髓灰质炎病毒 核酸 RNA RNA 毒粒 衣壳对称性 立方形 立方形 被膜 无 无 衣壳直径 nm 2025 2730 pH稳定性 310 310 核酸 链数 1 1 形状 线形 线形 核苷酸 3 300 6 000 蛋白质 多肽数 2 4 复制类型 正链侵染性复制 正链侵染性复制 MS2(f2,R1溶解蛋白 1 130 130
14、6 1335 1678 1724 1761 1902 3395 3569 A 蛋白 外壳 RNA 聚合酶1 62 1322 1345 1744 2332 2353 4120 4220 Q A2 蛋白 外壳 RNA 聚合酶 A1 蛋白 万方数据李 梅等 F-RNA 噬菌体及其作为水中肠道病毒指示物的研究进展 587 于测定样品中 F-RNA 噬菌体的 4 个亚群的分布 14 MS2 和 f2 噬菌体是常用的 F-RNA 噬菌体代表株 其中 MS2 噬菌体常以 E. coli HS(pFamp)R S. typhimurium WG49 作为宿主菌 f2 噬菌体常以E.coli 285 作为宿主菌
15、 4 F - RNA 噬菌体的浓缩 保存和运输 自然水体中的噬菌体 含量 差异很大 对于高噬菌体 含量 的水样 可以直接或梯度稀释后测定 有时噬菌体含量很少 则需对水样进行浓缩处理 15许多用于肠道病毒浓缩的方法也可用来浓缩噬菌体 国内外对此有很多报道 归纳起来包括透析或离心脱水 沉淀 吸附和膜过滤等几种方式 国外的研究对 MS2 的保存和标准物制备的报道较多 Erb 报道了大体积水样中回收 MS2 噬菌体当将水的 pH 值调至 3.5 可以回收 100 的噬菌体水中腐植酸的存在能够干扰噬菌体与滤膜的吸附16 通过硝酸纤维滤膜 吸附 - 沉淀 用 10 甘油保存的噬菌体样品 可在 5 3 下避
16、光保存 72小时 在 -70 和 -20 条件下稳定保存 2 个月国内针对噬菌体 f2 的浓缩报道较多 包括采 用阳电荷滤材 17 金葡菌固相抗体吸附 18等方法 噬菌体样品可于干冰中运输 不会影响滴度变化 19 5 F - RNA 噬菌体作为肠道病毒指示生物的研究应用现状 5.1 研究病毒吸附去除作用效果 污水中的噬菌体和病毒可以通过自然因素如温度 光照 吸附于水中的细菌或污泥固体上而失活和去除 20, 21 海洋和河流中的颗粒物可吸附相当量的肠道病毒 因此在污水流经土壤 沙土层时随着病毒的吸附及颗粒物的沉积 使病毒被截留在土壤和泥沙中 伴随着病毒的失活得以去除 在 研究病毒在不同水体和土壤
17、中的吸附 碰撞 迁移等特性时 研究者们多采用 MS2 和 f2 作为模式生物但也有研究者认为 上述 F-RNA 噬菌体非常稳定不易吸附到土壤颗粒上 22, 23 似乎不适于作为肠道病毒吸附类型研究的模型 以 F-RNA 噬菌体作为模式病毒 可用于 研究病毒吸附去除的效果 Schijven 等研究 显示 病毒初始 含量 为 107108 pfu/L 的污水流经 30 m 的砂土层 噬菌体 MS2 能被去除 8 log10 即去除率为99.999999% 实验 条件下 脊髓灰质炎病毒 去除量为 MS2 的 30 倍 柯萨奇 B4 病毒 的去除量与 MS2相当 24 化粪池污水流经 浮砂蓄水层时 其
18、中的 细菌主要通过过滤 (87%88%)去除 病毒通过死亡(45%)和过滤 (55%)去除 细菌和 F-RNA 噬菌体的初始 含量 为 106 108 cfu 或 pfu/L 当 海滨地下水流速 7m/day 时 化粪池污水 流过 16 m 的浮砂蓄水层时 E. coli 1 260 cfu/L 流过 48 m 时肠道病毒 10 pfu/L 分别满足 New Zealand 娱乐用水和饮用水标准 25 由 于病毒的吸附特性 水处理工艺中的过滤对病毒有较好的去除作用 26 Farahbakhsh 采用 MS2噬菌体研究了二级出水中 采用微滤膜过滤处理对病毒的去除效果和机制 病毒首先吸附于滤膜上膜
19、上污垢可增加噬菌体的停留时间 压缩污垢层并形成高剪切速度 有利于病毒的去除 27 5.2 消毒工艺对病毒的去除作用 污水的深度处理能够进一步去除水中的病毒其中消毒工艺对噬菌体和病毒的去除效果明显 由于肠道病毒和其它病原性病毒在水中 含量 低 难以研究他们在水处理过程中的去除效率 因此一般采用噬菌体作为替代物进行研究 Jofre 报道 污水处理的氯化 - 絮凝处理阶段对噬菌体和肠道病毒的去除最有效 这可能是由于氯化处理的失活作用与吸附去除的联合作用的结果 28 F-RNA噬菌体还用于研究各种消毒方法对水和污水中病毒的去除效果和机理的研究 国内的报道以 f2噬菌体 国外的报道多以 MS2作为模式病
20、毒如 Tyrrell的研究结果显示 臭氧比氯化处理能更加有效地杀灭病毒 29 电化学消毒中 噬菌体 MS2比大肠杆菌 能够耐受更高的电场强度 30 但 对 射线照射和电子束辐射处理比 大肠杆菌敏感 31 紫外消毒对噬菌体 MS2的失活遵循一 级反应动力学 32 将不同的消毒剂和消毒方式结合使用 能提高对水和血液中病毒的去除效果 如 Cl2和 ClO2协同作用 33氯胺和 CuCl2协同作用 34 铜离子加银离子与游离氯协同作用 35能够有效去除水中病毒 并减少处理时间和消毒剂使用剂量 油酸钠与短波紫外线UVC 联用 吖啶橙与长波紫外线协同作用均能有效灭活血浆中的病毒 36等 6 结语 F-RN
21、A 噬菌体在形态特征和对环境条件及水处理过程的抗性方面与肠道病毒相似 可作为水中肠道病毒的指示生物 尤其适合作为水处理过程中肠道病毒的指标 一些 发达国家对于 F-RNA噬菌体及其作为水中肠道病毒指示物已开展了大量的研究 并在饮用水 娱乐用水和地下水标准中引入了病毒的有关内容 但对于再生水的微生物学指标 大多仍沿袭传统习惯选择大肠菌群或粪大肠菌群作为指标 国内的研究仅限于 f2 噬菌体在饮用水 血液中的浓缩和对消毒剂的抗性研究 在以噬菌体作为污水和回用水中肠道病毒指示物的研究较少 因此急需开展这方面的研究并提出相应标准 万方数据588 生态环境 第 14 卷第 4 期 2005 年 7 月 参
22、考文献 1 李梅 , 胡洪营 . 噬菌体作为水中病毒指示物的研究进展 J. 中国给水排水 , 2005, 21(2): 23 26. LI M, HU H Y. Review of Bacteriophages as viral indicators in wa-terJ. China Water enteroviruses; indicators; water reuse;microbial pathogen 万方数据F-RNA噬菌体及其作为水中肠道病毒指示物的研究进展作者： 李梅， 胡洪营， LI Mei， HU Hong-ying作者单位： 清华大学环境科学与工程系/环境模拟与污染控制国
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