噬菌体与杂菌的防治教学内容

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1、噬菌体与杂菌的防治5.1 谷氨酸发酵中噬菌体的污染与防治 噬菌体是侵染细菌、放线菌等微生物并使其细胞裂解死亡的一类病毒。它个体微小，必须用电子显微镜才能观察到。噬菌体无细胞结构，但具有一定的形态结构。其基本形态为蝌蚪状、微球状和丝状，多数呈蝌蚪形，由头部和尾部两部分组成。 5.1.1 噬菌体的化学组成l核 酸 绝大部分是DNA，少数是RNA.l蛋白质 外壳l核酸和蛋白质占总质量的90%以上5.1.2 噬菌体的形态噬菌体的形态从形态学上可将噬菌体分为六群 噬菌体的形态和构造噬菌体的形态和构造 在电子显微镜下可以观察到在电子显微镜下可以观察到噬菌体的形态，其形态有蝌噬菌体的形态，其形态有蝌蚪形、微

2、球形和纤维形等六蚪形、微球形和纤维形等六种，以蝌蚪形为大多数。谷种，以蝌蚪形为大多数。谷氨酸产生菌的噬菌体基本上氨酸产生菌的噬菌体基本上是蝌蚪形。已发现的谷氨酸是蝌蚪形。已发现的谷氨酸产生菌如乳糖发酵短杆菌和产生菌如乳糖发酵短杆菌和产氨小杆菌所感染的噬菌体产氨小杆菌所感染的噬菌体都是多面体头部和不短的尾都是多面体头部和不短的尾部。头部长部。头部长50200nm50200nm，宽，宽50200nm50200nm，尾部长，尾部长250600nm250600nm。噬菌体直径为。噬菌体直径为0.1m0.1m，为细菌大小的，为细菌大小的1/101/10；体积是细菌的；体积是细菌的1/10001/1000

3、。表表表表5-1 5-1 噬菌体的形态噬菌体的形态噬菌体的形态噬菌体的形态类型类型 形形 状状 结结 构构核酸核酸噬菌体噬菌体1 1蝌蚪形蝌蚪形六角形头部可收缩性尾部六角形头部可收缩性尾部dsDNAdsDNAT2,TT2,T4 4,T,T6 62 2蝌蚪形蝌蚪形六角形头部非收缩性长尾六角形头部非收缩性长尾dsDNAdsDNAT T1 1,T,T5 5,3 3蝌蚪形蝌蚪形六角形头部非收缩性短尾六角形头部非收缩性短尾dsDNAdsDNAT T3 3,T,T7 74 4微球形微球形六角形头部六角形头部1212个顶角各有个顶角各有一个较大壳粒一个较大壳粒ssDNAssDNAX174X174S13S13

4、5 5微球形微球形六角形头部六角形头部1212个顶角各有个顶角各有一个较小壳粒一个较小壳粒ssRNAssRNAf f2 2, Q, Q , ,MS2MS26 6丝丝 状状丝状丝状( (线状线状) )ssDNAssDNAM13M13细胞壁5.1.3 谷氨酸发酵中的噬菌体 目前我国谷氨酸发酵中所发现的噬菌体，均属蝌蚪形。5.1.4 噬菌体的生活史吸附 侵入 复制成熟 释放 噬菌体缺乏独立代谢的酶系，不能脱离寄主而自行生长噬菌体缺乏独立代谢的酶系，不能脱离寄主而自行生长繁殖；缺乏细胞结构，是非细胞类型。它的生长繁殖包括吸繁殖；缺乏细胞结构，是非细胞类型。它的生长繁殖包括吸附、侵入、复制和成熟四个阶段

5、。附、侵入、复制和成熟四个阶段。5.1.4.1 吸附l噬菌体的吸附器官与受体细胞特殊位点的接触。对于T类噬菌体的吸附器官是尾丝和尾钉，尾丝首先触及寄主细胞表面，然后尾钉固定。l寄主的专一性和吸附位点的专一性。吸附吸附 敏感的细菌细胞壁上具有吸附噬菌体的特异性受点，噬敏感的细菌细胞壁上具有吸附噬菌体的特异性受点，噬菌体尾部由此吸附侵入。在吸附时，一般必须存在菌体尾部由此吸附侵入。在吸附时，一般必须存在CaCa2+2+、MgMg2+2+等阳离子。等阳离子。 Ca Ca2+2+、MgMg2+2+是噬菌体的激活剂和吸附剂，促进噬菌是噬菌体的激活剂和吸附剂，促进噬菌体的吸附作用，而体的吸附作用，而FeF

6、e2+2+、CuCu2+2+对吸附有抑制作用。对吸附有抑制作用。5.1.4.2 5.1.4.2 侵入侵入l噬菌体核酸物质进入受体细胞。l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。 侵入 噬菌体尾部的前端含有溶菌酶类，当吸附后尾髓贯通细胞壁，尾鞘收缩，将头部的DNA（或RNA）射入细胞内。从吸附到侵入时间很短，一般只要几分钟。5.1.4.3 复制噬菌体核酸物质及蛋白质在寄主细胞内的合成噬菌体核酸物质及蛋白质在寄主细胞内的合成噬菌体的DNA进入细胞后，起着支配的作用，大量复制子代噬菌体的DNA以

7、及噬菌体的蛋白质，并形成完整的噬菌体。5.1.4.4 成熟(装配)l在增殖期合成的噬菌体的核酸和蛋白质按一定的顺序装配成噬菌体颗粒。成熟 噬菌体DNA的合成从感染后57min开始，其速率竟为细菌本身DNA合成的510倍。810min时头部蛋白质、尾髓、尾鞘、尾丝等合成依次开始，1012min在细胞内开始出现成熟的噬菌体。5.1.4.5 释放l噬菌体繁殖的最后阶段是裂解释放出子代噬菌体。裂解细胞要涉及两个或更多基因的作用,一个作用于细胞膜，另一个分解细胞壁,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。 从吸附到放出时间叫潜伏期，一般为30120min。每个细胞放出的噬菌体的平均数约为

8、8150个。5.1.5 典型的噬菌体一步生长曲线5.1.6 潜伏期、潜隐期、裂解期、裂解量潜伏期 从噬菌体吸附细菌从噬菌体吸附细菌细胞至细菌细胞释放出细胞至细菌细胞释放出新的噬菌体的最短时间。新的噬菌体的最短时间。潜隐期 从噬菌体吸附细菌从噬菌体吸附细菌细胞到细胞内从新出现细胞到细胞内从新出现噬菌体的颗粒的最短时噬菌体的颗粒的最短时间。间。l 裂解期 从被感染的第一个细胞裂解至最后一个细胞裂解完毕所经历的时间。l 裂解量 每种噬菌体侵入敏感细胞，平均每个细胞最后能装配完成和释放出的噬菌体数称为裂解量，它是相对固定的。5.1.7 裂解量的计算公式 a 裂解期末平均噬菌斑数 b 潜伏期平均噬菌斑数

9、裂解量=a/b5.1.8 噬菌体的检测方法单层平板法双层平板法液体培养检查法平板交叉划线法载玻片快速法增殖检查法快速检测法小剂量剌激检查法噬菌斑 在细菌菌苔平板上，由于噬菌体感染，使寄主细胞不断裂解而形成的肉眼可见的空斑。空斑中的细菌被全部或部分裂解。 噬菌体具有非常专一的寄生性，而且噬菌体的繁殖必须依赖于寄主细胞的繁殖，只能在活的、正在繁殖阶段的细胞中繁殖；而在死的、衰老的、处于休眠状态的细胞中，或在代谢产物或培养基上均不能繁殖。利用双层琼脂法形成噬菌斑利用双层琼脂法形成噬菌斑 噬菌体的纯化和噬菌斑的形状噬菌体的纯化和噬菌斑的形状5.1.9 溶源性细菌与温和性噬菌体烈性噬菌体 噬菌体侵入细菌

10、细胞后，增殖很快，在较短时间内使细菌裂解。一般称这种噬菌体为烈性噬菌体。在谷氨酸发酵生产中遇到的多数为烈性噬菌体。 溶源性细菌和溶源性检查溶源性细菌和溶源性检查溶源性细菌溶源性细菌 有些细菌遭受噬菌体侵入后，并不立即裂解有些细菌遭受噬菌体侵入后，并不立即裂解死亡。噬菌体侵入细胞后和寄主的遗传物质紧密死亡。噬菌体侵入细胞后和寄主的遗传物质紧密结合一起，在没有再度感染的条件下，能随着细结合一起，在没有再度感染的条件下，能随着细胞的繁殖，在子代细菌中代代相传，不断延续，胞的繁殖，在子代细菌中代代相传，不断延续，这种细菌称为溶源性细菌。溶源性细菌通常可以这种细菌称为溶源性细菌。溶源性细菌通常可以自发地

11、释放噬菌体，每一代有自发地释放噬菌体，每一代有1010-2-21010-5-5细胞发生细胞发生裂解，释放出具有感染能力的噬菌体。裂解，释放出具有感染能力的噬菌体。溶源性检查溶源性检查 溶源性检查溶源性检查 在琼脂平板培养基上涂布指示在琼脂平板培养基上涂布指示菌，干燥后用接种环点菌，干燥后用接种环点20252025个被检菌培养液，个被检菌培养液，经经UVUV照射后培养，检查溶菌斑。照射后培养，检查溶菌斑。温和性噬菌体温和性噬菌体 产生噬菌体的潜在能力称作为溶源性，将具产生噬菌体的潜在能力称作为溶源性，将具有溶源性的细菌称作为溶源性细菌，它所产生的有溶源性的细菌称作为溶源性细菌，它所产生的噬菌体称

12、温和性噬菌体，也称溶源性噬菌体。温噬菌体称温和性噬菌体，也称溶源性噬菌体。温和性噬菌体形成的噬菌斑是浑浊的，因为中央有和性噬菌体形成的噬菌斑是浑浊的，因为中央有溶源性细胞生成。反之，某些突变所形成的噬菌溶源性细胞生成。反之，某些突变所形成的噬菌斑是清晰透明的。一般常规平板法很难把温和性斑是清晰透明的。一般常规平板法很难把温和性噬菌体检查出来，只有在适当条件下转化为烈性噬菌体检查出来，只有在适当条件下转化为烈性噬菌体才易查出。噬菌体才易查出。5.1.10 谷氨酸发酵噬菌体的主要特性具有非常专一的寄生性 谷氨酸产生菌噬菌体必须在专一的寄主细胞中生长繁殖，不能脱离寄主而自行生长繁殖，也不能在培养基上

13、增殖，只有在活的、处于繁殖阶段的寄主细胞中生长繁殖。不耐热 不同噬菌体对热稳定性是不同的，但一般噬菌体都是不耐热的，会受热变性死亡。一般谷氨酸产生菌在6065下10min全部致死，其噬菌体在70510min全部致死。 对pH 的稳定性 在pH7.09.0时稳定，在pH6.0以下和pH10.0以上时不稳定，容易失活，小于pH4.0时，完全失活。嗜氧性 在低溶氧的条件下，其活性被抑制。干燥条件下的稳定性 在非常干燥的状态下，5个月以上仍然稳定。噬菌体在干燥状态（相对湿度10%、30）比在湿润状态（相对湿度90%、30）稳定。不耐药性 对药物很敏感，0.5%甲醛、0.5%苯酚、1.5%漂白粉、1%石

14、灰、1%双氧水、0.5%高锰酸钾、1%新洁而灭，都可使谷氨酸产生菌噬菌体失活。传播性 由于噬菌体极小，质量很轻，存活期长，所以地面上一旦存在噬菌体，则在一定范围的空气中必有噬菌体，空气流动使噬菌体得以传播。在UV照射下失活 在液层5mm，距UV-15W灯15cm，照射2min，噬菌体完全失活。5.1.11 噬菌体的感染途径和感染规律 噬菌体在自然界中分布很广，在土壤、污水、腐烂的有机物和大气中均有存在，凡是有寄主细胞的地方一般都存有它们的噬菌体，发酵车间、提取车间及周围更有机会积累噬菌体。造成噬菌体污染必须具备三个条件：有噬菌体；有活菌体；有使噬菌体与活菌体接触的机会和适宜条件。 感染噬菌体的

15、最初发源点：一是菌株携带噬菌体或菌株本身就是溶源性菌株。生产上使用的原始菌株本来就是由自然界筛选得到的，由于一部分溶源性细胞诱发成温和噬菌体，再经过变异就有可能成为烈性噬菌体，导致使用菌株感染，引起危害。更主要的原因是把活菌体排放到环境中，使生产环境中存在的噬菌体有寄主而不断增殖，结果使环境中噬菌体的密度增高而形成污染源。此外，活菌体与其有关的其它溶源性菌株接触，经过变异、杂交，最终发生使生产菌株溶菌成烈性噬菌体，逐渐增殖，污染环境。 一般来说，当环境中噬菌体浓度达到102103PFU/mL，种子罐的噬菌体浓度达到104PFU/mL，主发酵罐的噬菌体浓度可达到106107 PFU/mL；严重溶

16、菌时，其浓度甚至可达1010PFU/mL以上。5.1.12 谷氨酸发酵感染噬菌体时出现的主要症状发酵液光密度（OD）在初期不上升或回降pH逐渐上升且不再下降耗糖缓慢或停止，周期延长，提取困难产生大量泡沫、发酵液粘度大、发红、发灰谷氨酸产量甚少，或者增长极为缓慢镜检革兰氏染色呈红色碎片，找不到完整细胞平板检查有噬菌斑菌种对营养要求增大，但培养时间仍然延长发酵后期感染时，有时产酸反而提高，这可能因噬菌体使菌体破坏而释放出细胞内谷氨酸的缘故提取时难中和，谷氨酸呈糊状或泥状，分离困难，收率低。5.1.13 噬菌体的防治措施净化生产环境、消灭污染源严格控制活菌体排放搞好环境的监测预报彻底搞好全厂性卫生，

17、加强环境消毒车间合理布局铺设厂区道路，路面光滑搞好厂区绿化。改进提高对空气的净化能力高空采风，空压机的采风口应设在30m以上采用高效空气过滤器，如英国DH公司、美国Poll或Milipore公司的高效空气过滤器，可以净化0.01m杂质（含0.3m的细菌和0.04m的噬菌体），过滤效率达99.9999%。保证纯菌培养、做到种子本身不带噬菌体对保存的生产菌种要定期分纯，防止菌种退化。分纯的优良菌种可用真空冻干法保存。对菌种进行诱发处理，如果属溶源性菌株，经过诱发处理，使其释放出噬菌体。严格隔离措施。菌种室、无菌室与发酵车间隔离；减少菌种室与外界的接触。菌种室要经常进行噬菌体检测。加强对各级种子噬菌

18、体检测。轮换使用不同类型的菌种 噬菌体对寄主菌有专一性，某一菌种停止使用一段时间后，由于阳光、干湿度的影响，再加上药物消毒，会减少环境中噬菌体的密度，甚至完全消灭。因此可能轮换不同类型的菌种。 使用抗噬菌体的菌种 选育出来的抗噬菌体菌种应经常检查抗性，防止再度感染新噬菌体而丧失抗性。 改进设备装置、消灭死角5.1.14 感染噬菌体的挽救 并罐法 利用噬菌体只能在处于生长繁殖细胞中增殖的特点，当发现发酵罐初期污染噬菌体时，可采用并罐法，即将其它罐批发酵1618h左右的发酵液，以等体积混合后分别发酵，利用其活力旺盛的种子，不进行加热灭菌，亦不须另行补种，便可正常发酵。 轮换菌种或使用抗性菌种 发现

19、噬菌体后，停止搅拌，小通风，降低pH，立即培养要轮换的菌种或抗性种子，培养好后接入发酵罐，并补加1/3正常量的玉米浆（不调pH）、磷酸盐和镁盐。 放罐重消法 发现噬菌体后，放罐，用盐酸或硫酸调pH 不能用磷酸，补加1/2正常量的玉米浆和1/3正常量的水解糖，适当降低温度重新灭菌，接入2%种子继续发酵。 罐内灭噬菌体法 发现噬菌体后，停止搅拌，小通风，降低pH，间接加热到7080，并自罐顶接种管道或加消泡剂管道内通入蒸汽，自排气口排出。因噬菌体不耐热，加热可杀死发酵液内的噬菌体，通蒸汽杀死发酵罐上部空间及管道内的噬菌体。冷却后如pH过高，停止搅拌，小通风，降低pH，接入2倍量以上的原菌种，至pH

20、正常后开始搅拌。 当噬菌体污染情况严重，上述方法无法解决时，应调换菌种或停产全面消毒，待环境噬菌体密度下降后，再恢复生产。5.2 谷氨酸发酵中杂菌的检查与防治谷氨酸发酵中杂菌的检查与防治 所谓杂菌污染，是指在发酵过程中生产菌以外的其它微生物侵入了发酵培养液。几乎所有的发酵工业，特别是通风发酵，都有可能遭受杂菌的污染。染菌结果，轻则产酸下降，重则导致倒罐。谷氨酸发酵要求纯种发酵，在整个发酵过程中必须防止杂菌的侵入。尽管谷氨酸周期不长，但是由于培养基营养比较丰富，产物又无抑菌能力，因此各个环节均须加强控制，严格无菌操作。5.2.1 染菌原因分析从染菌的时间分析 早期染菌：可能是由于种子带菌，接种操

21、作不当或培养基灭菌不彻底，环境污染和设备因素所致。中、后期染菌：多数是空气过滤不严或泡沫顶盖、设备渗漏、补料操作不当引起。从污染的杂菌类型分析污染耐热芽孢杆菌：多数是由于培养基灭菌不透或设备存在死角所造成。污染球菌、细杆菌等：主要来自空气系统净化效率低或由于阀门渗漏。感染霉菌：多数是由于无菌室灭菌不彻底或无菌操作不当造成。感染酵母：主要来自糖液灭菌不彻底，特别是放置时间较长的稀糖液。从染菌的幅度分析 多数发酵罐大面积染菌：早期染菌，可能是种子带菌或连消设备存在问题；中、后期染同一菌，很可能是空气过滤器除菌不净，空气带菌。个别发酵罐连续染菌：多数是由于设备问题造成的，如阀门渗漏、盘管穿孔等。5.

22、2.2 检查杂菌的常用方法 显微镜检查 按照革兰氏染色法涂片镜检，如发现有非谷氨酸产生菌形态特征其它菌存在，说明污染了杂菌。 平板划线培养检查 将要检查的样品在平板上划线，然后置于37培养箱中培养24h后进行镜检。 肉汤培养检查 主要用于检查空气系统及培养基是否带菌。先将营养丰富的培养液装入抽滤瓶内，经严格灭菌后置于37培养箱中培养24h，如无浑浊，即可用于空气无菌检查。在无菌条件下，将空气引入也可连续通气，然后保温培养，观察有无浑浊现象发生，如呈现浑浊，说明空气带菌。5.2.3 防止染菌的措施严格无菌操作制度，严防种子带菌 各级种子、培养基都必须经过严格无菌检查，杜绝种子带菌。应用超净工作台

23、 超净工作台能在工作室内产生一个局部的超净工作区域，保证无菌操作效果。消灭设备死角与隐患 在发酵设备设计、加工和安装过程中，必须避免死角存在。灭菌时由于死角内的杂菌不电易被杀死，会造成连续染菌。提高空气净化能力，防止空气带菌 谷氨酸需要连续不断地通入大量无菌空气，所以空气过滤介质的效能与染菌直接有关。目前，一般采用英国DH公司或美国Poll、Milipore公司产的高效空气过滤器作为空气分过滤器，其过滤效果达到0.01m，效率99.9999%。注意细小环节，严格灭菌操作 接种管道用一次消毒一次。补料罐及补料管道要定期消毒，一般每星期二次。种子罐、发酵罐用后要冲洗干净，防止渣子堆积。在发酵过程中，发酵罐必须始终保持正压，并防止罐压剧烈波动，以免引起污染。保持厂区和车间的环境卫生结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！64