噬菌体编码抗氯基因助力细菌抵御氯消毒：废水处理系统中的关键发现

 在当今环境科学领域，细菌对氯消毒剂产生抗性这一现象引发了广泛关注。氯消毒剂在水和污水处理等众多领域应用广泛，可有效杀灭有害病原体。但细菌抗性的出现，极大地削弱了其消毒效果，对公共卫生和环境安全构成严重威胁。噬菌体作为细菌的天然“伙伴”，与细菌关系紧密，然而在细菌抗氯过程中，噬菌体扮演何种角色、发挥怎样作用，一直是科学界亟待解答的问题。近期，发表于Water Research的一项研究成果，为揭开这一谜团提供了关键线索。

来自华中科技大学的科研团队精心构建了实验室规模的厌氧-缺氧-好氧（A2/O）反应器系统，模拟现实中的污水处理环境。在长达92天的实验周期里，研究被划分为启动、氯化和恢复三个关键阶段。实验期间，研究人员从不同阶段采集生物样本，通过宏基因组学和宏转录组学测序技术，全面分析细菌-噬菌体群落的变化。

研究发现，尽管低浓度的游离氯对细菌和噬菌体群落的相对丰度影响较小，但却显著改变了它们的转录活性。在细菌群落方面，变形菌门（Proteobacteria）等优势菌门的转录活性在氯消毒剂的作用下呈现出明显波动（如图1：a展示了细菌群落门水平的组成，虽优势菌门在氯消毒剂影响下相对丰度有波动，但整体优势地位未变；c展示了细菌群落门水平的转录活性，其中变形菌门在氯化期转录活性显著上升）。以变形菌门为例，其转录活性在氯化期显著上升，而在停用氯消毒剂后的恢复期又逐渐回落至初始水平。在噬菌体群落中，多样性和结构因氯消毒剂的存在发生了明显变化。香农指数在氯化期升高（图3：a显示噬菌体群落香农指数在氯化期从启动期的9.30-9.32升至9.38），这表明噬菌体群落的alpha多样性有所增加。同时，温和噬菌体与裂解性噬菌体平均活性的比值在氯化期也有所上升（图3：d展示了温和噬菌体与裂解性噬菌体平均活性比值在氯化期从1.22-1.51升至1.82-3.20），这意味着温和噬菌体在帮助细菌群落抵抗氯消毒剂的过程中，可能发挥着更为关键的作用。

图1：a为细菌群落门水平的组成；b为细菌群落属水平的组成；c为细菌群落门水平的转录活性；d为细菌群落属水平的转录活性

图3：a为不同采样时间DNA噬菌体alpha多样性差异；b为非氯胁迫和氯胁迫阶段DNA噬菌体群落的beta多样性；c为DNA噬菌体生活方式动态的丰度；d为DNA噬菌体生活方式动态的转录活性 

研究人员还鉴定出了21种携带氯抗性基因（CRGs）的噬菌体，这些基因主要涉及氧化还原平衡调节、细胞壁修复和外排泵等重要抗性机制。结构方程模型分析显示，在氯消毒剂存在的情况下，携带CRGs的噬菌体被激活，它们通过影响噬菌体群落的丰度和活性，进而调节宿主群落的丰度，帮助细菌抵抗氯消毒剂；而在没有氯消毒剂时，这些噬菌体只是普通噬菌体群体的一部分，受噬菌体和细菌群落的影响（图5：a展示在氯消毒剂存在时，携带CRGs的噬菌体活性率先响应，进而影响宿主群落丰度；b展示在无氯消毒剂时，宿主的丰度和活性控制着携带CRGs噬菌体的丰度）。进一步的分析发现，噬菌体在细菌之间直接介导了CRGs的水平转移，形成了细菌-噬菌体-细菌的三元连接模式（图6：a创建的关联二分网络中，清晰展示了这种连接模式），这种模式极大地促进了CRGs在细菌群落中的传播。而且，噬菌体携带的CRGs对宿主的抗氯能力具有潜在的补偿作用。例如，在脂多糖生物合成途径、氧化还原平衡调节和外排泵途径中，噬菌体携带的基因弥补了宿主相关基因的缺失（图6：c详细展示了噬菌体携带的抗氯相关基因在这些途径中的补偿作用）。

图5：a、b分别为在反应器运行过程中，存在和不存在氯消毒剂时，噬菌体调节细菌群落的重要因素的结构方程模型。红色和蓝色箭头分别表示正相关和负相关关系。箭头上的数字是标准化的标准路径系数

图6：a为创建的四个携带CRGs的噬菌体和细菌群落的关联二分网络；b为噬菌体-细菌和细菌-细菌之间的基因转移；c为细菌和噬菌体中抗氯途径及相关辅助基因

该研究成果意义重大，首次揭示了噬菌体在细菌抗氯过程中的重要作用机制。噬菌体通过携带CRGs、介导基因水平转移等方式，增强了细菌群落对氯消毒剂的抗性，推动了微生物对环境压力的适应。不过，该研究也存在一定的局限性。实验是在实验室的A2/O系统中进行的，与复杂的实际环境可能存在差异；虽然鉴定出了部分CRGs，但对这些基因在不同环境条件下的表达调控机制还不清楚。未来的研究可以拓展到更多的实际场景，深入研究CRGs的调控机制，为控制细菌抗氯性、优化消毒策略提供更坚实的理论依据。

参考文献：

WANG J, ZHANG Y, MENG Q, et al. New perspectives on bacterial chlorine resistance: Phages encoding chlorine resistance genes improve bacterial adaptation [J]. Water Research, 2025, 282: 123607.