抗生素發(fā)酵工業(yè)中噬菌體污染如何預(yù)防和控制？

2023-12-01 16:31

噬菌體（bacteriophage）是一類侵害細(xì)菌（包括放線菌）的病毒，又稱細(xì)菌病毒（bacterialvirus）。

噬菌體具有其他病毒的共同特性：個體小、可通過除菌濾器、沒有細(xì)胞結(jié)構(gòu)、非常專一的寄生性等，為非細(xì)胞生物。其結(jié)構(gòu)主要由蛋白質(zhì)和核酸（DNA或RNA）組成。在自然界中分布廣泛，土壤、空氣、水中或生物體內(nèi)都可存在。

據(jù)噬菌體與寄主細(xì)胞的關(guān)系可分為烈性噬菌體（virulent phage）和溫和噬菌體（temperate phage）兩類。前者改變寄主的性質(zhì)，大量產(chǎn)生新的噬菌體，最后導(dǎo)致菌體裂解死亡；后者可因生長條件的不同，即可引起寄主細(xì)胞的裂解死亡，又可將其核酸整合到細(xì)菌的染色體上，使細(xì)菌細(xì)胞繼續(xù)生長繁殖，并被溶原化。

噬菌體的危害主要存在于發(fā)酵工業(yè)，如乳制品、酶制劑、氨基酸、有機溶劑、抗生素、微生物農(nóng)藥和菌肥生產(chǎn)等。由于它的個體比細(xì)菌小數(shù)百倍，可以附著于塵埃上隨風(fēng)飄移，因此能長久地擴散和傳播到一定的范圍，并能脫離寄主而存活。它在寄主細(xì)胞內(nèi)能大量迅速繁殖子代噬菌體，如在十幾分鐘至一個小時左右，一個細(xì)胞感染一個噬菌體后可以釋放出數(shù)十個至數(shù)百個子代噬菌體。一旦發(fā)生噬菌體污染，會導(dǎo)致發(fā)酵異常、倒罐，使工業(yè)生產(chǎn)遭到嚴(yán)重?fù)p失。

一旦發(fā)酵菌浸染噬菌體后，就要從菌種，培養(yǎng)基，環(huán)境，發(fā)酵系統(tǒng)管路，地溝，污水池，排風(fēng)口等進行全面的消毒排查，物理消毒方式通常很難將噬菌體消除，通常需要物理和化學(xué)方式相結(jié)合處理噬菌體污染。

必要暫停發(fā)酵培養(yǎng)工作，對整個發(fā)酵環(huán)境，管路，器材進行消毒處理，可用紫外燈照射加過氧化氫干霧熏蒸的方式對整個發(fā)酵場所進行消毒，在不影響生產(chǎn)的情況，可以停止發(fā)酵一個月的時間，讓發(fā)酵環(huán)境的活大腸桿菌消除或減少到最低限度。

一、噬菌體的形態(tài)和構(gòu)造

從形態(tài)學(xué)上可將噬菌體分為六群，其中1、2、3群有頭部、尾部之分，為蝌蚪形：4、5兩群沒有尾部，是微球形，6群為纖維形噬菌體，是一條略呈彎曲的纖絲。目前我國谷氨酸發(fā)酵中所發(fā)現(xiàn)的噬菌體，均屬蝌蚪形。

侵染棒桿菌的一種噬菌體具有頭部和尾部，頭部呈明顯的六邊形，頭部大小約為55nm。它是一種非收縮尾噬菌體，尾部呈桿形或彎曲，長約193nm×12nm。尾部末端可看到六個明顯的釘狀刺突，其中三個在一個平面上，另外三個在另一個平面上，兩個平面互相平行，且垂直于尾。六個刺突在垂直投影面上形成六個角。

T奇數(shù)噬菌體有多種，已報道的侵染北京棒桿菌的噬菌體有四種，這四種噬菌體是A2、A3、A133和A155。A133是收縮尾，A2、A3和A155是非收縮尾。尚未報道這四種噬菌體的尾端有刺突。

噬菌體的化學(xué)成分絕大部分是核酸和蛋白質(zhì)，它們占粒子重量的90％以上，其中核酸占40％～50％，多數(shù)噬菌體的核酸是單鏈或雙鏈DNA，但近十多年來，發(fā)現(xiàn)不少的噬菌體所含的核酸就是RNA。噬菌體的外殼由蛋白質(zhì)組成。

二、噬菌體的生長和繁殖

噬菌體的生長和繁殖過程包括五個步驟，即吸附（adsorption）、侵入（injection）、增殖（replication）、成熟（maturity）和釋放（release）。

（一）吸附

吸附是噬菌體的吸附器官（尾絲、基板和刺突）與敏感寄主細(xì)胞的特殊位點的接觸（圖2-128）。尾絲首先觸及寄主細(xì)胞表面，然后基板和刺突固定。一般來說，噬菌體對寄主要求專一性很強，比如，產(chǎn)谷氨酸的北京棒桿菌噬菌體就嚴(yán)格地限于侵染北京棒桿菌。但也有些噬菌體也可以感染相近的種或?qū)俚木?，如四環(huán)素生產(chǎn)菌的噬菌體。敏感的細(xì)胞并非整個細(xì)胞各處皆可吸附，須在特殊位點，而且大腸桿菌的受點還依噬菌體而異。T3、T4和T7噬菌體的特殊位點是脂多糖層；T2和T6是脂蛋白質(zhì)，雄性專一噬菌體是F+細(xì)胞的纖毛。當(dāng)然，噬菌體吸附的寄主細(xì)胞和特殊位點的專一性并非一致，程度有差異。

（二）侵入

吸附后，尾絲收縮，感染過程開始，對T類噬菌體就開始收縮尾鞘，結(jié)果不僅尾髓插入細(xì)胞壁，而且會像注射一樣將DNA打入細(xì)胞內(nèi)。蛋白質(zhì)的外殼仍在壁外，而線狀噬菌體fd則全部進入寄主細(xì)胞。從吸附到侵入時間很短，如T4僅需15s。

（三）增殖

噬菌體一侵入，增殖即開始，即核酸的復(fù)制和蛋白質(zhì)的合成。先利用寄主的RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄，噬菌體的mRNA被寄主的蛋白質(zhì)合成體系翻譯，形成一系列新的早期蛋白質(zhì)。在T類噬菌體中，早期蛋白質(zhì)包括一種新的DNA聚合酶，分解寄主的DNA的核酸酶，合成5-羥甲基胞嘧啶和它的ATP所必需的酶，以及轉(zhuǎn)錄形成后期蛋白質(zhì)基因所需的蛋白質(zhì)。然后開始噬菌體核酸的復(fù)制。在含有雙股DNA的噬菌體中，復(fù)制過程與一般DNA復(fù)制相似。在含單股DNA的噬菌體如ΦX174中，一條互補的DNA被合成，形成了雙股DNA，接著再以此作模板合成RNA和子代DNA。第二步是后期蛋白質(zhì)開始出現(xiàn)。在T類噬菌體中，合成的后期蛋白質(zhì)是噬菌體頭和尾成分的亞單位，還有噬菌體的溶菌酶。這種酶能分解寄主細(xì)胞壁的肽聚糖。

（四）成熟

當(dāng)所有噬菌體結(jié)構(gòu)成分都已合成時，成熟過程（即“裝配”）便開始。在T4中，裝配一個成熟噬菌體約需30種不同的蛋白質(zhì)，而且至少具有47種基因功能。其過程先是DNA的凝聚，頭的亞單位被組裝成頭部，尾和尾絲也各自組成。然后按從頭至尾的順序自我裝配，最后將尾絲裝上，形成一個完整的噬菌體。

（五）釋放

噬菌體繁殖的最后階段是裂解釋放出子代噬菌體。裂解T類噬菌體感染的細(xì)胞要涉及兩個或更多基因的作用，至少一個作用于細(xì)胞膜，另一個具有溶菌酶的作用將分解壁的肽聚糖，線狀噬菌體則不裂解寄主細(xì)胞，可能是通過擠壓而沖出細(xì)胞壁。

三、噬菌體的生活史

噬菌體有兩類，大多數(shù)噬菌體是烈性的，如T4、T7、ΦX174等，它們在生長循環(huán)結(jié)束時就殺死細(xì)胞，其過程就像整個生長繁殖過程。不過，在自然界還存在另一種噬菌體，稱為溫和性噬菌體。

溫和性噬菌體感染一個敏感細(xì)菌菌株時，根據(jù)各種遺傳和生理條件，有兩種可能的行為，即一些細(xì)胞被噬菌體增殖所裂解，而另一些則被溶原化。

溫和性噬菌體侵入寄主細(xì)胞后，由于前者的基因組整合到后者的DNA上，并隨寄主細(xì)胞的復(fù)制而進行同步復(fù)制，不引起寄主細(xì)胞裂解的現(xiàn)象稱“溶原化”。能引起溶原化的噬菌體即稱溫和性噬菌體，已整合到寄主DNA上的噬菌體就稱“原噬菌體”，這時的寄主就稱“溶原菌”（lysogenic bacteria）。以“原噬菌體”的方式嵌存于寄主的DNA中，可隨寄主繁殖，延續(xù)傳代，“和平共處”，一般不引起細(xì)胞裂解。產(chǎn)生溶原化的菌株的命名方法是，在菌株名稱后加上括號，括號內(nèi)是它們所攜帶的原噬菌體的名稱。如E．coli（λ），λ即為大腸桿菌菌株攜帶的原噬菌體。

四、抗生素發(fā)酵中噬菌體污染去除方案

去除噬菌體是生物發(fā)酵企業(yè)維護無菌環(huán)境的重要一環(huán)。通過選擇合適的去除噬菌體方法，并采取一系列措施維護無菌環(huán)境，生物發(fā)酵企業(yè)可以提高產(chǎn)品的品質(zhì)和競爭力，保障客戶和消費者的健康和安全。

潤聯(lián)從事發(fā)酵生產(chǎn)數(shù)十年，熟悉噬菌體污染的綜合解決方案，具備豐富的一線操作實踐經(jīng)驗，針對這種無孔不入且種類繁多的微生物污染，我們將為您提供專業(yè)的噬菌體污染去除方案和制定專業(yè)化服務(wù)。潤聯(lián)旗下多款噬菌體清除設(shè)備和噬菌體清除劑可為用戶量身定制符合實際條件的低成本噬菌體污染解決方案。