基于噬菌体的生物传感器用于检测污水中的致病微生物

基于噬菌体的生物传感器用于检测污水中的致病微生物

随着环境污染问题日益严峻，如何快速准确地检测废水中的致病微生物成为了一个亟待解决的问题。基于噬菌体的生物传感器作为一种新型检测技术，因其高灵敏度、准确性和可靠性而备受关注。本文将为您详细介绍这种生物传感器的工作原理及其在废水监测中的应用前景。

废水污染源头包括工业、畜牧业、施肥和市政废物等，如果废水未经处理直接排放到环境中，其中的致病微生物和有毒化学物质将在排放区域积累，并进入地表水体，形成水污染。每年因水传播污染导致数以千计人死亡，这凸显了对废水中有害微生物和物质进行及时处理的迫切性。为提高对这些问题的识别和处理速度，需要采取必要措施。

生物传感器是一种能够在短时间内提供定量信息的设备，已经开发出多种用于测量特定参数和微生物的生物传感器。这些生物传感器可用于检测废水中的纯培养物和混合微生物菌株。通过深入了解特定条件和环境中微生物组织和相互作用，可以进一步开发适用于特定条件和环境的生物传感器。

在这方面，基于噬菌体的生物传感器已经成为在感染环境中识别特定活菌的可能性。因此，通过使用生物传感器来监测和识别废水中的微生物和有毒物质，可以帮助及时采取有效的处理措施，从而减少水污染对人类健康和环境的危害。生物传感器是一种由生物识别元素和转换器组成的检测设备，可以利用电、热、光等信号进行检测。生物识别元素可以包括噬菌体、酶、细胞等，其中核酸和抗体被广泛应用。相对于传统方法，生物传感器不需要复杂的样品处理步骤，适用于一次性和便携式设备。测量方法可以采用液滴或连续流系统，并配备流体处理系统。

与传统的生物传感器相比，基于噬菌体的生物传感器提供了经济快捷的替代方案。下一个发展阶段将是商业化生产这些生物传感器，以提高可用水质量，并利用我们对噬菌体-细菌相互作用的了解来进一步发展生物传感器技术。 基于细菌噬菌体的生物传感器可分为光学生物传感器（表面等离子共振传感器、生物发光传感器和荧光传感器）和电化学生物传感器（安培生物传感器和电化学阻抗）。拥有基于细菌噬菌体的生物传感器的主要优势包括检测的敏感性、准确性和可靠性。细菌噬菌体易于扩增，生产成本低廉，并且具有耐受温度、pH值降解和有机溶剂的特性。

图1. 生物传感器(可量化的分析、生物识别元件、转导机制，以及生物传感器在不同领域的应用)

细菌噬菌体对宿主的特异性取决于细胞壁组成，因为受体依赖于细胞壁的类型和性质。革兰氏阳性和阴性细菌细胞壁的差异是噬菌体感染的关键因素。溶原噬菌体在宿主获得同源免疫时可能存在，携带的原噬菌体会受到保护，避免被裂解噬菌体感染。另一种状态是噬菌体携带者状态，病毒进入假溶原体状态，通常发生在营养匮乏环境下，当环境条件有利时，裂解周期可能重新开始。通过了解噬菌体的循环过程，可以更好地利用溶原体噬菌体，必要时采取措施应对宿主细菌的过度生长。

利用噬菌体基础的生物传感器检测和区分致病细菌的过程中，首要关键步骤是分离感染特定致病菌株的噬菌体。获得特定致病菌株的噬菌体可设计和生产可识别该致病菌的生物传感器。噬菌体基础的生物传感器对特定菌株具狭窄特异性，选择噬菌体需谨慎确保准确区分目标菌株与其他细菌。关键工具包括噬菌体受体结合蛋白（RBP）和噬菌体展示技术，用于检测细菌的存在及生理状态变化。通过展示肽以筛选高亲和力的噬菌体克隆，形成理想的生物探针。噬菌体生物传感器具有快速、可靠、易用等优势，尤其适用于环境修复项目。改良噬菌体扩大宿主范围可实现目标细菌监测。监测方法包括噬菌体计数、ELISA、ATP发光、氧化还原反应等多种手段。这些研究为噬菌体在生物传感器及环境修复领域应用提供参考，奠定技术基础。

近年来，噬菌体应用于污水处理，作为控制特定致病微生物的有效策略。其中仍存在挑战，包括噬菌体产品商业化稳定性、耐药性问题，以及生物传感器宿主范围局限、水平基因转移风险。建议采用多价噬菌体或基因改造，并研究微生物复杂性和相互作用。设计噬菌体生物传感器需降低水平基因转移风险，关注非目标物种减少。透过研究实践，噬菌体生物传感器应用领域拓展，为环境监测、食品安全等提供更多可能性。

参考文献：Bacteriophage-based biosensors for detection of pathogenic microbes in wastewater. Doi:https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.165859.