噬菌体MS2生物学特性研究
2022-04-17
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第18卷第3期 2 0 1 1年 5月 工安全与环境 程 Vo1.18 No.3 May 20 1 1 Safety and Environmental Engineering 噬菌体MS2生物学特性研究 胡琼之 (陕西省环境科学研究设计院,西安710054) 摘要:本文分析了噬菌体MS2在水质监测中作为水中肠道病毒指示生物的可行性与优势,并通过试验测定了 噬菌体MS2的热稳定性、pH值稳定性、最佳感染复数和一步生长曲线等生物学参数,结果表明:噬菌体MS2的热 稳定性较弱,在7O℃时5 min内即会全部失活;在pH值4~10的范围内噬菌体MS2均可稳定存在;噬菌体MS2 感染其宿主大肠杆菌的最佳感染复数为1.0;噬菌体一步生长曲线的潜伏期约20 min,裂解期约30 min,裂解量为 85。该研究结果可为运用噬菌体MS2对水质进行高效而准确的监测及评价提供科学依据。 关键词:噬菌体MS2;指示微生物;生物学特性 中图分类号:X832 文献标识码:A 文章编号:1671—1556(2011)03-0055—04 Study on the Biolo cal Characteristics 0f Bacteri0phage MS2 HU Qiong-zhi (Shaanxi Institute of Environmental Sciences,Xi’an 710054,China) Abstract:This paper introduced the feasibility and advantages of bacteriophage MS2 as enteroviruses in water quality monitoring.Its biological characteristics of thermo—stability,pH—stability,optimal multiplici— ty of infection and one—step growth curve were analyzed.The results showed that the thermo—stability of MS2 was weak and beating for 5 minutes at the temperature of 70℃could inactivate it completely.MS2 had relatively high stability at pH value of 4~10.The optimal multiplicity of infection was 1.The one- step growth curve of the phage showed that the latent period and the burst period were about 20 and 30 mi— nutes respectively,and the average burst size was about 85 phage particles per infected bacterium.It is hoped that this study can provide a scientific basis for efficient and accurate water quality monitoring with bacteriophage MS2 in the future. Key words:bacteri0phage MS2;indicator microbe;biological characteristics 染时,必须使用不会致病的指示病毒代替。 0 引 言 我国环境水体多数已经受到致病微生物的污 目前,常规水处理过程中传统的指示微生物是 总大肠杆菌或粪大肠杆菌。总大肠杆菌在环境中的 出现,尤其是粪大肠杆菌的出现,意味着水体受到粪 染。由于病毒比细菌或原生动物更能抵御消毒处 理,所以对饮用水安全危险更大。然而,由于病毒的 感染剂量很低,因此测定环境水样中的病毒含量非 常麻烦,通常是先采取大量样品,然后经过多次浓缩 后才有可能利用诸如RT-PCR之类的高新技术进 行测定。这种测定方法有可能受环境背景病毒的干 扰,耗时、价格昂贵,还有可能污染环境,甚至有的病 便的污染或有相关病原体存在,总大肠菌群数的降 低程度可间接反映致病菌相应数量级的减少。在对 消毒剂如氯的抗性上,肠道病毒的非细胞属性使其 对环境压力的耐受性大于细菌,比大肠杆菌具有更 强的稳定性。在细菌学指标合格的饮用水中检出肠 道病毒的报道不断出现,这表明仅以大肠菌群无法 完全指示肠道病毒的去除,以此作为卫生安全控制 毒根本不能培养。鉴于此,在研究病毒对水体的污 收稿日期:2010-12—15 修回日期:2011-04—15 指标不能很好地评价水体的病毒学安全性。因此, 作者简介:胡琼之(1986一),女,硕士,助理工程师,主要从事水处理技术及应用方面的研究。E-mail:kkkbff@163.corn 56 安全与环境工程 第18卷 笔者通过对噬菌体MS2的生物学特性的研究,以期 缓冲液(PBS 0.3 mol/L,pH7.2),按照《消毒技术规 范》[6 规定,称取无水磷酸氢二钠(Na2HPO4)2.83 为水体病毒监测提供更加可靠、安全的选择。 g,磷酸二氢钾(KH。PO )1.36 g,加入蒸馏水待完 1噬菌体MS2作为肠道病毒指示物 的可行性与优势 1.1可行性分析 全溶解后,调pH值至7.2~7.4,定容于100 mL容 量瓶,121℃高压蒸气灭菌2O min,备用。 2.1.3试验仪器 主要试验仪器有:①净化工作台(型号SW—CJ一 2FD,上海博讯实业有限公司);②ALP高压蒸汽灭 菌器[型号CL-32LDP,EHSY西域科技(中国)有限 噬菌体MS2属于非细胞原生物的细菌病毒[13, 专性感染和寄生于相应的活细菌体内,具有作为水 体中肠道病毒指示物的基本条件[2 ]:对人没有致 病性,且在有肠道病毒污染的水环境中普遍存在;可 以进行高浓度接种和现场试验;数量高于肠道病毒, 在形态特征、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;检测操作具有简便快 速、安全可靠、受环境影响小和设备简单等优点。 1.2优势分析 与其他病毒的宿主如人类、动物和植物等相比, 噬菌体MS2具有如下优势: (1)在实验室里,噬菌体MS2易于快速培养, 对实验室的空间、设施和设备没有特别要求,并且能 够高浓度制备(可达10 ~10”PFU/mL)。 (2)与肠道病毒的传统指示生物如大肠菌群、 粪链球菌等相比,噬菌体MS2的生物结构、组成成 分、复制方式和消毒抗性等与肠道病毒更加相似。 B.Benoit等[5]对不同类型水样的检测表明,可培养 的肠道病毒和噬菌体MS2在数量上存在很好的对 应关系。 (3)噬菌体在有肠道病毒污染的水体中普遍存 在,且数量甚多,对水体净化和消毒处理的抵抗力至 少与肠道病毒相当;同时其不会在水中繁殖,不具有 致病性,可以通过简单、快速、低廉的方法检测。 2噬菌体MS2生物学特性研究试验 2.1试验材料及仪器 2.1.1 茵种及噬茵体 试验所用噬菌体MS2(ATCC i5597)及其宿 主大肠杆菌(ATCC 13706)由中山大学环境工程学 院实验室提供。 2.1.2试验试触 主要试验试剂有:①LB肉汤液体培养基;②LB 琼脂固体培养基;③半固体培养基,以液体培养基为 基础加入0.6N琼脂;④CaCI2溶液(O.1 mol/L),称 取CaCl2 1.1 g溶于蒸馏水中,定容至100 mL容量 瓶,于121℃高压蒸气灭菌20 min,备用;⑤磷酸盐 公司];③紫外可见分光光度计(型号棱光752N,上 海精密科学仪器有限公司);④电热鼓风干燥箱(型 号GZX-9140MBE,上海博迅实业有限公司);⑤自 动温控冰箱[型号BCD-233,伊莱克斯(中国)电器有 限公司];⑥台式离心机(型号UNIVERSAL32/ 32R,德国Hettich公司);⑦恒温培养箱(型号ZH- WY-C211C,上海智城分析仪器制造有限公司);⑧ 恒温培养振荡器(型号NSKY一200B,上海苏坤实业 有限公司);⑨电子天平(型号FA2104S,上海天平 仪器厂);⑩微量加样枪;①恒温水浴箱;@移液管、 锥形瓶若干;⑩培养皿、比色皿、试管、烧杯、pH计及 pH试纸等,若于。 2.2试验方法 2.2.1 热处理对噬菌体MS2活性影响的测定 噬菌体的效价测定是测定噬菌体的浓度,1 mL 培养液中含有噬菌体的数量称为噬菌体的效价。噬 菌体的效价在一定程度上反映了噬菌体的存活率, 效价与存活率成正比。 取噬菌体原液1.5 mL与1.5 mLPBS缓冲液 混合,分别于5O℃、6O℃、7O℃水浴条件下恒温处理 5 rain、10 min、15 min、20 min,间或摇动,之后各样 品立即置入冰浴中冷却至相同温度。以4℃的噬菌 体悬液为对照,测定噬菌体效价。 2.2.2 pH值对噬茵体MS2活性影响的测定 取不同pH值的无菌LB肉汤液体培养基4.5 mL分别加入试管中,置于25℃恒温水浴至温度完 全平衡,各加入0.5 mL噬菌体MS2悬液,计时处 理1 h后,测定噬菌体效价。测定pH值范围为 2.0~12.0,pH值梯度为1.0。 2.2.3噬茵体MS2最佳感染复数的测定 感染复数(MOI)是指初始感染时加入噬菌体 MS2的数量与宿主菌数量的比值。用紫外分光光 度计测定对数生长期的宿主菌液OD600值,根据标 准曲线计算细菌浓度。按照感染复数MO1 0.01、 0.1、1、10的比例,分别加入噬菌体MS2纯培养液 和宿主菌,加入无菌LB肉汤培养基使各培养体系 第3期 胡琼之:噬茵体MS2生物学特性研究 57 的总体积相同。在37℃摇床中160 r/rain大振幅条 件下培养6 h,以5 000 r/min离心15 min,双层平 板法测定上清液中噬菌体MS2效价。作双份复管 培养取平均值,同时以不加噬菌体MS2的宿主菌和 逐渐丧失;在7O℃时,5 min内噬菌体MS2即全部 失活。因此,噬菌体MS2对高温敏感,抗热能力较 5 ¨加 5 弱。 2.3.2 pH值对噬菌体MS2活性的影响 不加宿主菌的噬菌体MS2为对照,使噬菌体MS2 效价最高的MOI作为最佳感染复数。 2.2.4 噬茵体MS2一步生长曲线的测定 噬菌体MS2在不同pH值的培养条件下测定 效价,其结果见表2。 表2不同pH值条件下噬菌体MS2(ATCC 15597)的效价 Table 2 Concentration of bacteriophage MS2(ATCC 15597) 取噬菌体MS2及对数期生长宿主菌使MOI= ¨叭 侣∞ ¨ 3 0 0 1,混合后37℃温育吸附5 min,在4℃条件下以 3 000 r/min离心30 S,弃上清液;取5 mL预热的无 菌LB液体培养基与沉淀充分混匀,迅速置于37℃ 大振幅摇床中培养(160 r/min),开始计时;于0时 刻和每隔10 rain取样50 L,在4℃条件下以5 000 r/min离心30 S,吸取上清液测定噬菌体MS2效 价。各时间点均作双份复管取平均值,同时以不加 噬菌体MS2的宿主菌和不加宿主菌的噬菌体MS2 为对照,绘制一步生长曲线。 2.3试验结果及分析 2.3.1 热处理对噬茵体MS2活性的影响 采用噬菌体MS2在不同温度热处理不同时问 后,测定效价来评定其热稳定性,其结果见表1。 表1不同温度加热处理下噬菌体MS2(ATCC 15597)的效价 Table 1 Concentration of bacteriophage MS2(ATCC 15597) by the heat treatment under different temperatures 处理温度处理时间 噬菌体Ms2效价 /℃ /min /(×10。PFU・mL一 ) 5O 60 由表1可见,噬菌体MS2经不同温度处理不同 时间后,其效价不同。噬菌体MS2在宿主菌外存在 时,只保留着在适宜条件下感染宿主的潜在能力,这 种潜在的感染能力很容易变性失活;同时高温可能 破坏热敏感营养物质和生长因子等,不利于噬菌体 MS2的生长。 由试验结果还可知,噬菌体MS2活病毒残存量 随着温度的增加而减少;在5O℃、6O℃和7O℃高温 条件下,随着处理时间的延长,噬菌体MS2的活性 under different pH conditions pH值 噬菌体MS2效价/(×10 PFU・mL一 ) 2.O 0 3。0 0 4.O O.135 5.O 1.O2 6.0 1.35 7.0 1.50 8.0 1.38 9.0 1.065 10.0 0.405 1I.0 O 12.0 O 由表2可见,噬菌体MS2在不同pH值培养基 中的效价也不同。噬菌体MS2的最适pH值为中 性,在pH值5~9范围内均具有60 以上的存活 率;随着酸性或碱性程度的增强,噬菌体MS2的存 活率随之降低。 由试验结果还可以看出,噬菌体MS2效价与 pH值之间的关系呈钟型分布;且噬菌体MS2的存 活率有较宽的pH值范围,在pH值为4和pH值为 1O时,仍保有一定的存活率,但pH值在4~10范 围以外,存活率明显降低,几乎接近于零。 2.3.3 噬菌体MS2最佳感染复数 将噬菌体MS2溶液和培养至对数期的宿主细 菌溶液按不同感染复数比例混合,双层平板法测定 子代噬菌体MS2的效价,其结果见表3。 表3噬菌体Ms2(ATCC 15597)的最佳感染复数 Table 3 Optimal multiplicity of the infection of bacteriophage MS2(ATCC 15597) 由表3可知:在一定的培养条件和培养时间内, 当MOI=1.0时,噬菌体MS2感染其宿主大肠杆菌 产生的子代噬菌体效价为5.5O×10。PFU/mL,在4 个感染复数中,该产出率是最高的,因此确定噬菌体 58 安全与环境工程 第18卷 MS2感染其宿主大肠杆菌的最佳感染复数为1.0。 菌体平均效价/感染初期宿主菌浓度,计算噬菌体 MS2感染宿主菌的裂解量为:5.10×10。/(3.0× 试验结果还表明,高感染复数对噬菌体MSZ的增殖 及代谢确有促进作用,但过高或过低的感染复数均 会对噬菌体生长产生抑制影响。因此,试验选择噬 1O。÷5):85,即每个被感染的细菌释放子代噬菌体 的平均数为85。因此,噬菌体MS2对大肠杆菌的 裂解性较强。 菌体MS2与宿主大肠杆菌的混合比例1:1作为统 一操作比例。 2.3.4噬茼体MS2一步生长曲线 3 结论 在噬菌体MS2吸附宿主大肠杆菌后的培养过 程中,每隔15 rain取样测定效价,以噬菌体MS2效 (1)随着噬菌体MS2研究技术的发展和污水 价的对数值为纵坐标,感染时间为横坐标,绘制病毒 特征性的一步生长曲线,其结果见图1。 感染时间/rain 图l 噬菌体MS2(ATCC 15597)一步生长曲线 Fig.1 One-step growth curve of bacteriophage MS2(ATCC 15597) 由图1可知:噬菌体MS2的一步生长曲线分为 潜伏期、裂解期和平稳期,其中潜伏期约20 min,裂 解期约30 min;在吸附开始后的潜伏期内(5~20 rain),噬菌斑数不见增加,说明噬菌体MS2尚未完 成复制和组装;紧接着在潜伏期后的裂解期(感染后 Z0~5a rain),噬菌斑数突然直线上升,表示噬菌体 MS2已从寄主细胞中裂解释放出来;到达平稳期 时,宿主细菌全部被裂解,溶液中噬菌体MS2的效 价达到最高点。 根据裂廨量计算公式[7]:裂解量===裂解末期噬 回用安全性要求的提高,噬菌体MS2作为水体中肠 道病毒指示物的技术将成为一个具有应用价值和良 好前景的新课题,并在水中病原体的监测方面发挥 重要作用。 (2)噬菌体MSZ的活性受高温因素影响明显, 在70℃时,5 min内噬菌体MS2即可全部失活;噬 菌体MS2对一定范围内的酸碱处理则具有较强的 耐受性,最适pH值为7,pH值适应范围为4~1O。 (3)噬菌体MS2感染其宿主大肠杆菌的最佳 感染复数为1.0。噬菌体MS2一步生长曲线的潜 伏期约20 min,裂解期约30 min,感染宿主菌的裂 解量为85。 参考文献: [1]谢天恩.普通病毒学[M].北京。科学出版社,2002. 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