噬菌体疗法在土壤环境系统中靶向灭活致病细菌的研究进展

由致病细菌导致的新型问题，已给人体健康和生态环境造成了较严重的安全隐患，开展针对性的致病菌污染土壤成因机制、风险管控技术和治理修复方法的研究十分必要。噬菌体是指能感染细菌、真菌或放线菌等宿主微生物的特殊生物体，由蛋白衣壳和核酸组成，严格依赖于活体宿主完成增殖。噬菌体在土壤、水、空气乃至人/动物体表、口腔、肠道内都有大量定殖，据估算环境中噬菌体总数量约在1031数量级，总质量约109吨，每秒噬菌体侵染宿主细菌的数目约在1023~1025 CFU。根据其形态结构特点，可将其划分为有尾噬菌体、无尾噬菌体和丝状噬菌体3种类型（图1）。

图1噬菌体类型

土壤噬菌体疗法（phage therapy）是指通过筛选、纯化和富集特定宿主细菌专属烈性噬菌体，向目标细菌污染土壤环境体系接种噬菌体，定向侵染裂解宿主细菌的技术方式。其主要机理是烈性噬菌体在环境迁移过程中，识别宿主细菌表面特异性受体，随后吸附态的噬菌体将自身遗传物质注入细菌体内，利用宿主体内核酸等物质，快速完成自身复制和蛋白质合成，进而在细菌体内装配出大量子代噬菌体，并表达溶壁酶，使宿主细菌破裂死亡，完成裂解释放过程（图2）。

图2烈性噬菌体生活史示意图

近来年在土壤-植物（作物/蔬菜/果树）体系中引入“农业噬菌体疗法”（agricultural phage therapy）的概念来灭活致病细菌的研究也得到了长足发展（图3）。

图3噬菌体追踪裂解土壤-植物系统中病原菌示意图

此外，使用噬菌体疗法在土壤-动物体系和土壤-地下水体系中靶向灭活致病细菌也逐渐成为新的研究热点（图4）

图4 噬菌体靶向灭活土壤-地下水系统中致病菌示意图

由于噬菌体疗法可以在土壤生态环境系统中靶向追踪灭活特定种类的宿主细菌，因而具有较为广泛的应用前景，同时也很有必要从全局角度了解噬菌体疗法对土壤微生物生态系统功能的综合影响（图5）。

噬菌体作为土壤丰度最高的生物体，噬菌体疗法在土壤生态环境系统中应用研究的热点将集中于以下几方面：

①研发和筛选更加环境友好、成本低廉和广宿主型的噬菌体作为治疗制剂，或进行多种专一型噬菌体混合“鸡尾酒”疗法的研制，从而保证噬菌体在土壤中对宿主致病细菌高效灭活的持久效率；

②探明噬菌体疗法对于土壤微生物群落结构、功能及养分循环的影响，保障噬菌体疗法应用过程中对土壤生态系统的安全性，维持土壤微生物群落结构的稳定性与多样性；

③建立噬菌体疗法在土壤环境中应用的风险评估模型及评价方式，建立高效无害化土壤环境噬菌体疗法的运行监管机制。

图5噬菌体治疗对土壤功能的影响