噬菌体技术：水处理领域的环保新希望

       1. 传统方法的困境与噬菌体的潜力

当前，水处理系统主要依赖化学消毒剂（如氯、臭氧）抑制有害微生物。然而，这些非选择性杀菌剂不仅成本高昂，还会加速膜材料老化，并产生致癌的消毒副产物（DBPs）。相比之下，噬菌体通过特异性感染宿主细菌并裂解其细胞，既能精准消除目标病原体，又避免破坏有益微生物群落，且不产生有害残留。研究显示，在海水淡化反渗透（RO）膜和废水膜生物反应器（MBR）中，噬菌体可有效抑制生物膜形成，从而降低能耗和维护成本。

图1 与海水淡化膜生物膜中的核心细菌宿主相关的噬菌体

2.从实验室到工程应用：关键挑战

尽管噬菌体在医学和食品工业已有成熟应用，但其在水处理中的推广仍面临多重挑战。首要难题是噬菌体与宿主细菌的精准匹配。水环境中微生物种类复杂，且目标细菌（如导致污泥膨胀的丝状菌或引发膜污染的军团菌）可能动态变化。为此，研究团队提出结合生物信息学工具与生态模型，例如通过分析CRISPR间隔序列，追溯噬菌体与宿主的历史互作关系，筛选出高效噬菌体组合。此外，大规模水处理系统需投加海量噬菌体，如何低成本量产并保持其活性，是工程化应用的另一瓶颈。

3.对抗细菌抗性：策略与创新

细菌对噬菌体产生抗性是自然演化结果，但这也可能削弱长期控制效果。文献指出，通过“进化训练”可延缓抗性出现。例如，将噬菌体与宿主细菌共培养多代，促使噬菌体适应宿主的防御机制（如CRISPR系统）。实验表明，经过训练的噬菌体可通过突变尾部蛋白结构，重新识别宿主表面受体，恢复感染能力。此外，结合紫外线、氯等辅助手段，可协同增强噬菌体的杀菌效率。例如，低剂量紫外线能破坏生物膜结构，帮助噬菌体渗透至深层细菌群落。

4.经济性与规模化：被动与主动治疗的权衡

噬菌体应用策略分为“被动”与“主动”两种模式。被动治疗需一次性投加高浓度噬菌体，适合快速杀菌场景，但成本极高。以一座容积1万立方米的活性污泥池为例，若需在1小时内减少99.99%的目标细菌（密度10^7 cells/mL），需投加约10^18个噬菌体，生产成本可能超过百万美元。相比之下，主动治疗利用噬菌体在宿主内自我复制的特性，初始投加量少，成本大幅降低。模型预测，即使初始感染比例仅10%，噬菌体在数小时内即可扩增百倍，最终实现高效清除。然而，主动治疗对细菌密度和系统停留时间有较高要求，需结合具体场景优化设计。

5.RNA噬菌体：未被充分开发的资源

除传统DNA噬菌体外，RNA噬菌体的应用潜力逐渐受到关注。尽管其稳定性一度被质疑，但近年研究发现，RNA噬菌体广泛存在于活性污泥、自然水体等复杂环境中。例如，MS2噬菌体已被用作水体粪便污染的指示生物。由于细菌对RNA噬菌体的防御机制（如RNA靶向CRISPR系统）研究较少，这类噬菌体可能具备更强的穿透力。此外，某些RNA噬菌体可诱导细菌进入休眠状态，从而间接抑制其危害，这为控制耐药菌提供了新思路。

6.未来展望：从研究到产业化

尽管噬菌体技术前景广阔，其实际应用仍需攻克多个环节。首先，需建立针对水处理场景的噬菌体数据库，并开发快速筛选与量产工艺。其次，需通过中试验证不同策略（如交替使用噬菌体鸡尾酒疗法）的长期有效性。最后，监管框架和公众接受度也是推广的关键。学者呼吁，跨学科合作与政策支持将加速这一绿色技术从实验室走向工程实践，为全球水资源可持续管理提供创新方案。

参考文献：Kim J, Liao X, Zhang S, Ding T, Ahn J. Application of phage-derived enzymes for enhancing food safety. Food Res Int. 2025 May;  209:116318. doi: 10.1016/j.foodres.2025.116318