利用生物加权函数评估包膜和非包膜噬菌体在自然与模拟水体中的太阳光灭活作用

《Water Research》：Evaluating the solar inactivation of enveloped and non-enveloped bacteriophage using biological weighting functions in natural and simulated waters

本研究针对目前缺乏对包膜和非包膜病毒太阳光灭活效率系统性比较的问题，研究人员开展了利用生物加权函数（BWF）评估包膜噬菌体phi6和非包膜噬菌体MS2在自然与模拟水体中太阳光灭活的研究。结果表明，phi6的内源性灭活速率显著快于MS2（1.88-3.1倍），且在腐殖酸存在下，phi6的外源性灭活速率提升更为显著（4-13倍）。该研究首次报道了包膜病毒替代物的BWF，揭示了phi6对外源性灭活的高度敏感性，为理解包膜病毒在环境中的持久性及太阳能消毒（SODIS）应用提供了重要依据。

　　

阳光是大自然最有效的消毒剂之一，尤其在处理水体中的人类病原体方面发挥着至关重要的作用。然而，尽管阳光的杀菌特性已被广泛认知，科学界对于不同类型病毒，特别是结构迥异的包膜病毒和非包膜病毒，在阳光下的灭活效率和机制是否相同，仍缺乏系统性的理解和比较。这一问题对于评估水环境中病原体的存留风险以及优化太阳能消毒技术至关重要。人类活动导致的生活污水排放，常常使病原体进入湖泊、河流等水体，这些污染区域又往往靠近娱乐水域或饮用水取水口，构成了潜在的公共健康威胁。因此，深入理解阳光对不同结构病毒的灭活能力，对于保障水安全具有重要意义。为了回答这一科学问题，发表在《Water Research》上的一项研究，首次针对包膜病毒替代物开展了系统的太阳光灭活机制研究。

研究人员综合运用了实验室模拟和野外实验两种途径。关键技术方法包括：1）使用配备不同波长截止滤光片（280, 295, 305, 320, 395 nm）的太阳模拟器，在无光敏剂的磷酸盐缓冲液（PBS）中进行内源性灭活实验，以计算生物加权函数（BWF）；2）在实验室条件下，通过添加不同浓度（10, 20, 40 mg/L）的苏万尼河腐殖酸（SRHA）作为模型外源性光敏剂，研究外源性灭活机制；3）在加拿大魁北克省蒙特圣伊莱尔Hertel湖进行水生介观实验，评估病毒在自然阳光和湖水条件下的灭活情况；4）采用噬菌斑测定法对病毒进行定量，并对phi6建立了聚乙二醇沉淀回收流程以应对其在含腐殖酸基质中检测困难的问题；5）应用BWF模型量化内源性和外源性灭活的贡献，并分析水深、天气等环境因素的影响。

3.1. 水体基质和光源特性

研究涉及的基质包括无光敏剂的PBS（用于研究内源性灭活）、添加SRHA的PBS以及天然湖水。太阳模拟器被校准至280-780 nm光谱范围内总太阳强度为400 W/m2，并应用了f280、f295、f305、f320和f395等长通滤光片以选择性地透过不同波段的紫外和可见光。与自然阳光参考光谱（NREL AM1.5G）相比，太阳模拟器在UV波段具有更高的辐照度。天然阳光的辐照度在实验期间被实时监测。

3.2. BWF的确定

通过在无光敏剂条件下使用不同滤光片进行灭活实验，研究人员成功计算出了MS2和phi6的BWF。结果表明，在所有光照条件下，phi6的灭活速率均显著高于MS2。BWF分析显示，两种病毒的灭活主要由UVB波段驱动，但phi6对UVA波段表现出比MS2更高的敏感性，这可能暗示其包膜上的蛋白质可能作为内源性光敏剂发挥作用。这是首次报道包膜病毒或其替代物的BWF。

3.3. SRHA介导的MS2和phi6灭活

当存在SRHA作为外源性光敏剂时，phi6的灭活速率急剧增加，并且在所有测试条件下均显著快于MS2。phi6在含SRHA的基质中会迅速吸附到天然有机物上，导致其噬菌斑无法直接检测，需要通过聚乙二醇沉淀法进行回收。研究发现，SRHA浓度对灭活速率有显著影响，但存在非线性关系。高浓度SRHA在促进活性氧（ROS）产生的同时，也会通过光屏蔽效应减弱UVB的穿透，从而影响内源性灭活。

3.4. 内源性与外源性灭活的贡献

通过应用BWF模型分离内源性和外源性灭活的贡献，研究发现，在含有SRHA的基质中，外源性灭活机制占主导地位，对两种病毒的贡献均超过70%。尤其值得注意的是，phi6的外源性灭活速率远超其内源性灭活速率（超过30倍），表明包膜病毒对外源性灭活机制极为敏感。在Hertel湖的天然水体实验中，尽管水体相对清澈、天然有机物含量较低，外源性灭活仍然是主要机制，但内源性灭活的贡献相较于实验室高浓度SRHA条件有所增加。

3.5. 不同自然光照条件对内源性灭活速率的影响

研究还模拟了不同水深和天气条件（晴朗/多云）对基于BWF预测的内源性灭活速率的影响。结果表明，随着水深增加和天气转为多云，UV波段（尤其是UVB）的比例下降，导致内源性灭活速率降低。虽然phi6对UVA相对更敏感，但在所研究的自然条件下，UVB仍然是驱动内源性灭活的最主要因素。然而，在浊度更高或溶解性有机物含量更高的水体中，UVA的作用可能会更加凸显，特别是对于phi6。

本研究首次成功建立了包膜噬菌体phi6的生物加权函数（BWF），为量化包膜病毒在太阳光下的波长依赖性灭活提供了关键工具。研究明确揭示了包膜病毒（phi6）与非包膜病毒（MS2）在太阳光灭活机制上的显著差异：phi6不仅内源性灭活速率更快，而且对外源性灭活机制表现出极高的敏感性。在含有光敏剂（如腐殖酸）的水体中，外源性灭活成为绝对主导因素，这主要归因于phi6的脂质包膜对活性氧（ROS）攻击的脆弱性以及其与天然有机物（NOM）的强烈吸附作用。环境因素如水深、云层覆盖等通过改变水下光场，特别是UVB的衰减，显著影响内源性灭活的效果。这些发现深刻表明，在评估包膜病毒（如流感病毒、冠状病毒等）在水环境中的持久性以及设计太阳能消毒（SODIS）等应用时，必须充分考虑水体基质的光化学特性（如NOM的浓度和组成）以及具体的光照环境。该研究将实验室控制的机理研究与野外自然条件下的验证相结合，极大地增进了我们对太阳能灭活病毒复杂过程的理解，对水环境安全风险评估和水处理技术开发具有重要的指导意义。