由致病細菌導致的新型問題,已給人體健康和生態(tài)環(huán)境造成了較嚴重的安全隱患,開展針對性的致病菌污染土壤成因機制、風險管控技術(shù)和治理修復方法的研究十分必要。噬菌體是指能感染細菌、真菌或放線菌等宿主微生物的特殊生物體,由蛋白衣殼和核酸組成,嚴格依賴于活體宿主完成增殖。噬菌體在土壤、水、空氣乃至人/動物體表、口腔、腸道內(nèi)都有大量定殖,據(jù)估算環(huán)境中噬菌體總數(shù)量約在1031數(shù)量級,總質(zhì)量約109噸,每秒噬菌體侵染宿主細菌的數(shù)目約在1023~1025 CFU。根據(jù)其形態(tài)結(jié)構(gòu)特點,可將其劃分為有尾噬菌體、無尾噬菌體和絲狀噬菌體3種類型(圖1)。
圖1噬菌體類型
土壤噬菌體療法(phage therapy)是指通過篩選、純化和富集特定宿主細菌專屬烈性噬菌體,向目標細菌污染土壤環(huán)境體系接種噬菌體,定向侵染裂解宿主細菌的技術(shù)方式。其主要機理是烈性噬菌體在環(huán)境遷移過程中,識別宿主細菌表面特異性受體,隨后吸附態(tài)的噬菌體將自身遺傳物質(zhì)注入細菌體內(nèi),利用宿主體內(nèi)核酸等物質(zhì),快速完成自身復制和蛋白質(zhì)合成,進而在細菌體內(nèi)裝配出大量子代噬菌體,并表達溶壁酶,使宿主細菌破裂死亡,完成裂解釋放過程(圖2)。
圖2烈性噬菌體生活史示意圖
近來年在土壤-植物(作物/蔬菜/果樹)體系中引入“農(nóng)業(yè)噬菌體療法”(agricultural phage therapy)的概念來滅活致病細菌的研究也得到了長足發(fā)展(圖3)。
圖3噬菌體追蹤裂解土壤-植物系統(tǒng)中病原菌示意圖
此外,使用噬菌體療法在土壤-動物體系和土壤-地下水體系中靶向滅活致病細菌也逐漸成為新的研究熱點(圖4)
圖4 噬菌體靶向滅活土壤-地下水系統(tǒng)中致病菌示意圖
由于噬菌體療法可以在土壤生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中靶向追蹤滅活特定種類的宿主細菌,因而具有較為廣泛的應用前景,同時也很有必要從全局角度了解噬菌體療法對土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)功能的綜合影響(圖5)。
噬菌體作為土壤豐度最高的生物體,噬菌體療法在土壤生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中應用研究的熱點將集中于以下幾方面:
①研發(fā)和篩選更加環(huán)境友好、成本低廉和廣宿主型的噬菌體作為治療制劑,或進行多種專一型噬菌體混合“雞尾酒”療法的研制,從而保證噬菌體在土壤中對宿主致病細菌高效滅活的持久效率;
②探明噬菌體療法對于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、功能及養(yǎng)分循環(huán)的影響,保障噬菌體療法應用過程中對土壤生態(tài)系統(tǒng)的安全性,維持土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與多樣性;
③建立噬菌體療法在土壤環(huán)境中應用的風險評估模型及評價方式,建立高效無害化土壤環(huán)境噬菌體療法的運行監(jiān)管機制。
圖5噬菌體治療對土壤功能的影響