抗生素发酵工业中噬菌体污染如何预防和控制？ 

抗生素发酵工业中噬菌体污染如何预防和控制？ 

2023-08-04 11:57

噬菌体（bacteriophage）是一类侵害细菌（包括放线菌）的病毒，又称细菌病毒（bacterialvirus）。

噬菌体具有其他病毒的共同特性：个体小、可通过除菌滤器、没有细胞结构、非常专一的寄生性等，为非细胞生物。其结构主要由蛋白质和核酸（DNA或RNA）组成。在自然界中分布广泛，土壤、空气、水中或生物体内都可存在。

据噬菌体与寄主细胞的关系可分为烈性噬菌体（virulent phage）和温和噬菌体（temperate phage）两类。前者改变寄主的性质，大量产生新的噬菌体，最后导致菌体裂解死亡；后者可因生长条件的不同，即可引起寄主细胞的裂解死亡，又可将其核酸整合到细菌的染色体上，使细菌细胞继续生长繁殖，并被溶原化。

噬菌体的危害主要存在于发酵工业，如乳制品、酶制剂、氨基酸、有机溶剂、抗生素、微生物农药和菌肥生产等。由于它的个体比细菌小数百倍，可以附着于尘埃上随风飘移，因此能长久地扩散和传播到一定的范围，并能脱离寄主而存活。它在寄主细胞内能大量迅速繁殖子代噬菌体，如在十几分钟至一个小时左右，一个细胞感染一个噬菌体后可以释放出数十个至数百个子代噬菌体。一旦发生噬菌体污染，会导致发酵异常、倒罐，使工业生产遭到严重损失。

一旦发酵菌浸染噬菌体后，就要从菌种，培养基，环境，发酵系统管路，地沟，污水池，排风口等进行全面的消毒排查，物理消毒方式通常很难将噬菌体消除，通常需要物理和化学方式相结合处理噬菌体污染。

必要暂停发酵培养工作，对整个发酵环境，管路，器材进行消毒处理，可用紫外灯照射加过氧化氢干雾熏蒸的方式对整个发酵场所进行消毒，在不影响生产的情况，可以停止发酵一个月的时间，让发酵环境的活大肠杆菌消除或减少到最低限度。

一、噬菌体的形态和构造

从形态学上可将噬菌体分为六群，其中1、2、3群有头部、尾部之分，为蝌蚪形：4、5两群没有尾部，是微球形，6群为纤维形噬菌体，是一条略呈弯曲的纤丝。目前我国谷氨酸发酵中所发现的噬菌体，均属蝌蚪形。

侵染棒杆菌的一种噬菌体具有头部和尾部，头部呈明显的六边形，头部大小约为55nm。它是一种非收缩尾噬菌体，尾部呈杆形或弯曲，长约193nm×12nm。尾部末端可看到六个明显的钉状刺突，其中三个在一个平面上，另外三个在另一个平面上，两个平面互相平行，且垂直于尾。六个刺突在垂直投影面上形成六个角。

T奇数噬菌体有多种，已报道的侵染北京棒杆菌的噬菌体有四种，这四种噬菌体是A2、A3、A133和A155。A133是收缩尾，A2、A3和A155是非收缩尾。尚未报道这四种噬菌体的尾端有刺突。

噬菌体的化学成分绝大部分是核酸和蛋白质，它们占粒子重量的90％以上，其中核酸占40％～50％，多数噬菌体的核酸是单链或双链DNA，但近十多年来，发现不少的噬菌体所含的核酸就是RNA。噬菌体的外壳由蛋白质组成。

二、噬菌体的生长和繁殖

噬菌体的生长和繁殖过程包括五个步骤，即吸附（adsorption）、侵入（injection）、增殖（replication）、成熟（maturity）和释放（release）。

（一）吸附

吸附是噬菌体的吸附器官（尾丝、基板和刺突）与敏感寄主细胞的特殊位点的接触（图2-128）。尾丝首先触及寄主细胞表面，然后基板和刺突固定。一般来说，噬菌体对寄主要求专一性很强，比如，产谷氨酸的北京棒杆菌噬菌体就严格地限于侵染北京棒杆菌。但也有些噬菌体也可以感染相近的种或属的菌株，如四环素生产菌的噬菌体。敏感的细胞并非整个细胞各处皆可吸附，须在特殊位点，而且大肠杆菌的受点还依噬菌体而异。T3、T4和T7噬菌体的特殊位点是脂多糖层；T2和T6是脂蛋白质，雄性专一噬菌体是F+细胞的纤毛。当然，噬菌体吸附的寄主细胞和特殊位点的专一性并非一致，程度有差异。

（二）侵入

吸附后，尾丝收缩，感染过程开始，对T类噬菌体就开始收缩尾鞘，结果不仅尾髓插入细胞壁，而且会像注射一样将DNA打入细胞内。蛋白质的外壳仍在壁外，而线状噬菌体fd则全部进入寄主细胞。从吸附到侵入时间很短，如T4仅需15s。

（三）增殖

噬菌体一侵入，增殖即开始，即核酸的复制和蛋白质的合成。先利用寄主的RNA聚合酶转录，噬菌体的mRNA被寄主的蛋白质合成体系翻译，形成一系列新的早期蛋白质。在T类噬菌体中，早期蛋白质包括一种新的DNA聚合酶，分解寄主的DNA的核酸酶，合成5-羟甲基胞嘧啶和它的ATP所必需的酶，以及转录形成后期蛋白质基因所需的蛋白质。然后开始噬菌体核酸的复制。在含有双股DNA的噬菌体中，复制过程与一般DNA复制相似。在含单股DNA的噬菌体如ΦX174中，一条互补的DNA被合成，形成了双股DNA，接着再以此作模板合成RNA和子代DNA。第二步是后期蛋白质开始出现。在T类噬菌体中，合成的后期蛋白质是噬菌体头和尾成分的亚单位，还有噬菌体的溶菌酶。这种酶能分解寄主细胞壁的肽聚糖。

（四）成熟

当所有噬菌体结构成分都已合成时，成熟过程（即“装配”）便开始。在T4中，装配一个成熟噬菌体约需30种不同的蛋白质，而且至少具有47种基因功能。其过程先是DNA的凝聚，头的亚单位被组装成头部，尾和尾丝也各自组成。然后按从头至尾的顺序自我装配，最后将尾丝装上，形成一个完整的噬菌体。

（五）释放

噬菌体繁殖的最后阶段是裂解释放出子代噬菌体。裂解T类噬菌体感染的细胞要涉及两个或更多基因的作用，至少一个作用于细胞膜，另一个具有溶菌酶的作用将分解壁的肽聚糖，线状噬菌体则不裂解寄主细胞，可能是通过挤压而冲出细胞壁。

三、噬菌体的生活史

噬菌体有两类，大多数噬菌体是烈性的，如T4、T7、ΦX174等，它们在生长循环结束时就杀死细胞，其过程就像整个生长繁殖过程。不过，在自然界还存在另一种噬菌体，称为温和性噬菌体。

温和性噬菌体感染一个敏感细菌菌株时，根据各种遗传和生理条件，有两种可能的行为，即一些细胞被噬菌体增殖所裂解，而另一些则被溶原化。

温和性噬菌体侵入寄主细胞后，由于前者的基因组整合到后者的DNA上，并随寄主细胞的复制而进行同步复制，不引起寄主细胞裂解的现象称“溶原化”。能引起溶原化的噬菌体即称温和性噬菌体，已整合到寄主DNA上的噬菌体就称“原噬菌体”，这时的寄主就称“溶原菌”（lysogenic bacteria）。以“原噬菌体”的方式嵌存于寄主的DNA中，可随寄主繁殖，延续传代，“和平共处”，一般不引起细胞裂解。产生溶原化的菌株的命名方法是，在菌株名称后加上括号，括号内是它们所携带的原噬菌体的名称。如E．coli（λ），λ即为大肠杆菌菌株携带的原噬菌体。

四、抗生素发酵中噬菌体污染去除方案

去除噬菌体是生物发酵企业维护无菌环境的重要一环。通过选择合适的去除噬菌体方法，并采取一系列措施维护无菌环境，生物发酵企业可以提高产品的品质和竞争力，保障客户和消费者的健康和安全。