细菌-噬菌体相互作用在膜过滤生物污染中的新发现

在水处理领域，膜过滤技术无疑是关键的一环。然而，生物污染一直是困扰其高效运行的难题。近期发表于Environmental Science & Technology的论文Bacterium-Phage Interactions Enhance Biofilm Resilience during Membrane Filtration Biofouling under Oxidative and Hydraulic Stresses为我们揭开了细菌 - 噬菌体相互作用在这一问题中的神秘面纱，为攻克膜生物污染提供了全新的视角与思路。

该研究聚焦于膜过滤过程中，细菌与噬菌体相互作用对生物膜韧性和过滤性能的影响机制。生物膜，是由微生物及其分泌的胞外聚合物共同构成的结构复杂、功能多样的微生物群落，在膜表面的形成是引发生物污染的罪魁祸首。而噬菌体，作为自然界中广泛存在的病毒，可特异性地侵染细菌，二者之间的相互作用关系复杂而微妙。

研究团队精心设计了一系列模拟膜过滤实验，在氧化和水力冲击双重典型应力条件下，深入探究了细菌-噬菌体的动态博弈过程。氧化应激，如氯等氧化剂的使用，常用于控制生物污染，但其效果并非尽如人意；水力冲击则模拟实际运行中水流对膜表面的冲刷作用。实验过程中，研究人员精确监测生物膜的形成、发展、结构变化以及过滤阻力的增长情况，同时对细菌群体数量、种类组成、噬菌体的种类与数量及其侵染活性等关键参数进行了准确测定与分析。

研究结果显示，在未添加噬菌体的对照组中，当面临氧化和水力冲击时，生物膜的结构逐渐变得松散，过滤阻力的增长速率相对平稳，表明生物污染在一定程度上受到控制。但在添加噬菌体的实验组中，却呈现出截然不同的景象：生物膜的韧性显著增强，在氧化剂和水力冲击的双重夹击下，依然能维持较为完整的结构。这一切归因于噬菌体对细菌群落结构与功能的深刻改造。

噬菌体侵染宿主细菌后，引发了细菌的裂解与重组。一方面，裂解释放出的胞内物质，如胞外聚合物前体物质等，为生物膜的修复与重塑提供了丰富的原料，增强了生物膜的自我修复能力；另一方面，噬菌体的存在改变了细菌群落的组成与多样性，使得那些对氧化和水力冲击更具耐受性的细菌种类得以富集，优化了生物膜的群落结构，使其在恶劣环境下更具韧性。同时，噬菌体与细菌之间的相互作用还促进了生物膜内物质与能量的交换，提高了生物膜整体的代谢活性与稳定性。

这一发现颠覆了以往认为噬菌体可单纯通过裂解细菌减少生物膜量从而降低生物污染的传统认知，揭示了细菌-噬菌体相互作用在生物膜形成与演化过程中的复杂性与双重性。它提醒我们在生物污染控制策略的制定上，不能仅仅着眼于简单地杀灭细菌或抑制生物膜生长，而应深入考虑微生物群落内部复杂的相互作用关系，以及这些相互作用如何响应外界环境压力，从而影响生物膜的整体特性和功能。

从实际应用角度看，该研究成果为优化膜过滤工艺中的生物污染控制措施提供了理论依据与新的思路。例如，在实际水处理过程中，若能精准调控噬菌体的种类与数量，使其在合适的时间、地点发挥对生物膜韧性的调控作用或许，可达到在不显著增加能耗与成本的前提下，延长膜的使用寿命、提高过滤效率的目的。同时，也为深入理解自然水体中微生物群落的动态变化及其生态功能提供了重要的参考案例，有助于拓展我们对微生物生态学的认知边界。

参考文献：doi: 10.1021/acs.est.5c00490