用于治理微生物诱导的腐蚀和环境损害及用于改进废水处理工艺的方法和组合物的制作方法
【专利摘要】一种用于治理工业生产过程中的细菌诱导的腐蚀、环境损害和/或工艺低效的方法，所述方法包括鉴定其中靶细菌不利地影响腐蚀、环境影响和/或工艺效率的工业生产过程。所述方法还包括鉴定靶细菌的菌株，获得针对一种或多种靶细菌的菌株有毒力的噬菌体，并将靶细菌暴露于噬菌体。该方法可利用包含噬菌体的水性组合物，所述噬菌体包封在选自脂质体、泡沫和凝胶的至少一种之内。
【专利说明】用于治理微生物诱导的腐蚀和环境损害及用于改进废水处理工艺的方法和组合物
发明领域
[0001]本发明的领域涉及用于治理水和非水应用中的微生物诱导的腐蚀和环境损害以及改进废水处理工艺的方法和组合物。更具体地讲，本发明涉及噬菌体在治理由细菌诱导的腐蚀、污染和废水处理低效中的用途。
[0002]发明背景
已知细菌在各种水和非水应用中诱导腐蚀，以及在某些情况下催化酸的产生。通常使用化学杀生物剂(“杀生物剂”)来进行这类细菌的控制。然而，由于这类化学品排放到环境中，因此这可产生不良的环境影响，而且这类化学品在排放时可能攻击有益细菌和其它生物。此外，可能需要大量化学品以有效地消除细菌，这可能增加成本。此外，这类化学品在处理靶细菌时可能无效。因此，存在对优选以合理成本控制细菌生长的环境友好的方法的需要，其有效用于特定的靶细菌，却将不会伤害其它细菌。本发明通过使用噬菌体(bacteriophage)(除此之外亦称为“phage”)满足这类需要。
[0003]为了更好地理解噬菌体的来源和用途，提供下列背景信息。
[0004]病毒(源于拉丁文，意指“毒物”)跨越生命的定义。它们位于大分子复合物与非常简单的生物实体之间的某处。病毒包括有机生命共有的一些结构，并显示有机生命共有的一些活性，但也缺乏许多其他的结构和活性。一般来说，病毒完全由装在蛋白质囊内的单链的遗传信息组成。病毒缺少以“生命”为特征的内部结构和系统(machinery)，其包括非寄生性繁殖所必需的生物合成系统。病毒为了繁殖，必须感染合适的宿主细胞。
[0005]病毒以两种截然不同的状态存在。当不与宿主细胞接触时，病毒保持完全休眠。在此期间，没有内部生物活性出现在病毒内，而且实质上病毒只不过是静态的有机粒子。在这种简单状态中，病毒被称为“病毒粒子”。病毒粒子可保持在这种休眠状态中持续一段时间，直到有机会使其与合适的宿主接触。当病毒粒子与合适的宿主接触时，它变得活跃，因此被称为病毒。此时它显示出代表活的有机体的性质，例如与其环境反应，引导其向自我复制努力。
[0006]噬菌体(源于希腊语phagein，意指“吃”)是一种只感染细菌的病毒。它作为无活性的病毒粒子存在，直到其伸出的“腿”中的一个与合适细菌的表面接触。在噬菌体“腿”末端上的感受器识别特定宿主细胞表面上的结合部位，并与该表面结合。然后病毒用其注入管刺穿细胞，并注入其自身的遗传蓝图。该遗传信息破坏宿主细胞的正常运作，并将细胞的生物合成系统设置为引起病毒的复制。这些新产生的病毒引起细菌膨胀和破裂。如此进行的同时，它们释放出新的噬菌体，新的噬菌体然后休眠地漂浮，直到一个碰巧与新的宿主细胞接触。
[0007]噬菌体只感染细菌，因此只攻击原核生物。即使在原核生物的情况下，噬菌体也必须能够感染和破坏宿主细胞。因此在噬菌体和细菌之间有天然的特异性。噬菌体不能感染真核生物，因此不会有噬菌体能攻击动物或人细胞的机会，因此噬菌体是安全和环境友好的，更不用说如果获得自环境本身则是天然的。[0008]发明概沭
本发明涉及用于治理工业生产过程中细菌诱导的腐蚀、环境损害和/或工艺低效的方法。这类方法包括鉴定其中靶细菌不利地影响腐蚀、环境影响和/或工艺效率的工业过程，鉴定靶细菌的菌株，获得针对一种或多种靶细菌的菌株有毒力的噬菌体，并将靶细菌暴露于曬菌体。工业过程包括采矿、水力压裂(hydraulic fracturing)、冷却塔作业、管道输送烃和废水处理。该方法可利用包含噬菌体的水性组合物，所述噬菌体包封在选自脂质体、泡沫和凝胶的至少一种之内。[0009]在本公开内容随附的且构成本公开内容的组成部分的权利要求书中，详细指出了表征本发明的新颖性的各种特征。当然可对本发明的组分进行改变和替换。本发明还在于所述要素的子组合和子系统以及使用它们的方法。
[0010]附图简沭
图1显示使用针对浮游细菌的噬菌体的结果。
[0011]图2显示以比图1更低的噬菌体浓度使用针对浮游细菌的噬菌体的结果。
[0012]图3显示以比图2更低的噬菌体浓度使用针对浮游细菌的噬菌体的结果。
[0013]图4显示以比图1更高的噬菌体浓度使用针对浮游细菌的噬菌体的结果。
[0014]图5显示以比图4更高的噬菌体浓度使用针对浮游细菌的噬菌体的结果。
[0015]图6显不使用针对固着细囷的嗤囷体的结果。
[0016]发明详沭
在整个说明书和权利要求书中，本文所用的近似用语可在不会导致与其有关的基本功能改变的情况下应用于修饰可获准改变的任何数量表示法。因此，被一个或多个术语(例如“约”)修饰的值不限于所指定的精确值。在至少某些情况下，近似用语可相当于用于测量该值的仪器的精密度。范围限度可组合和/或互换，并且这种范围是确立的，并包括其中所包括的全部子范围，除非上下文或用语另有说明，而且被视作为其中所包括的全部子范围提供支持。除了在操作实施例中或其中另有说明以外，涉及在说明书和权利要求书中使用的成分的量、反应条件等的所有数值或表述，都理解为在所有情况下均被术语“约”修饰。
[0017]本文所用“包含”、“包括”、“具有”或其任何其他变化意指包括非独占性包含。例如，包括要素列表的过程、方法、物品或装置不必仅限于那些要素，而且还可包括未明确列出的或这类过程、方法、物品或设备固有的其它要素。
[0018]在本公开内容中，术语ppm定义为重量基础上的百万分之几(例如微克/克)。术语“噬菌体”应解释为复数词(即多于一个噬菌体)，除非本公开内容另有说明或上下文另有要求。术语浮游细菌应解释为悬浮或漂浮在流体环境中的细菌。术语固着细菌应解释为在固体表面例如表面上的生物膜上的菌落中所形成的细菌。对于相同种类的细菌，可能以浮游细菌(如果是悬浮的)和/或固着细菌(如果在表面上)存在。
[0019]本发明提供用于水应用的化学杀生物剂的备选物。这种备选物是环境友好的，对待受控制的细菌是特异性的，可以是有成本效益的，并且针对难以用化学杀生物剂处理的细菌是有效的。有若干种本发明所预期的应用，下文将更详细地描述。
[0020]存在特别成问题的多种细菌，且噬菌体针对其是特别有用的。一个实例是硫酸盐还原菌，它可产生硫化氢，可引起硫化物应力开裂。嗜酸硫杆菌属(Acidithiobacillus)细菌产生硫酸。氧化硫嗜酸硫杆菌iAcidithiobacillus thiooxidans), 一种嗜酸硫杆菌属细菌的亚属，常常毁坏污水管。氧化亚铁亚铁杆菌(Ferrobacillus ferrooxidans)直接将铁氧化成氧化铁和氢氧化铁。其它细菌产生各种酸(有机和无机酸两种)或氨。
[0021]在氧气存在下，需氧细菌比如全部3种广泛存在于环境中的氧化硫硫杆菌{ThiobaciIlus thiooxidans)、排硫硫杆菌 ijhiobaciIlus thioparus)和蚀固硫杆菌{Thiobacillus concretivorus),是引起生物起源的硫化物腐蚀的常见致腐蚀因子。
[0022]在没有氧气存在的情况下,厌氧细菌,尤其脱硫弧菌属{Desulfovibrio)和脱硫肠状菌属 Q)esulfotomacuIuni)是常见的。需盐脱硫弧菌{Pesulfovibrio salixigens)需要至少2.5%浓度的氯化钠，但普通脱硫弧菌Φ.vulgaris)和脱硫脱硫弧菌ij).desulfuricans)可生长在淡水和盐水中。非洲脱硫弧菌(P.africanus)是另一种常见的致腐蚀微生物。脱硫肠状菌属包括硫酸盐还原产芽孢细菌。东方脱硫肠状菌Q)tm.0rient is)和致黑脱硫肠状菌iptm.nigrificans)参与腐蚀过程。硫酸盐还原菌需要还原环境，而且对于其健壮生长需要至少-100 mV的电极电势。然而，即使少量产生的硫化氢都可达到这种转变，因此生长一旦开始，便趋于加快。
[0023]厌氧细菌层可存在于腐蚀沉积物的内部，而需氧细菌栖居于外部。一些细菌能够利用阴极腐蚀过程中所形成的氢。
[0024]细菌菌落和沉积物可形成浓差电池，引起并加快电化腐蚀。细菌腐蚀可出现比如孔蚀。厌氧腐蚀是明显的，因为金属硫化物层和硫化氢的气味。在生铁上，结果可能是留碳腐蚀选择性浸出，随着铁被细菌消耗，在适当位置上留下机械强度低的石墨基质。
[0025]微生物腐蚀还可应用于塑料、混凝土和许多其它材料。一个这样的实例是吃尼龙的细菌。本发明涉及使用噬菌体以控制微生物诱导的腐蚀，减轻环境损害，并促进废水处理。具体地讲，本发明涉及在添加或不添加一种或多种杀生物剂或生物分散剂的情况下利用一种或多种类型的噬菌体控 制细菌。噬菌体可包含或不包含在脂质体或其它延时释放技术中，其将噬菌体递送至其中发生微生物诱导的腐蚀或环境损害的靶细菌生物膜。噬菌体是极有特异性的，因此对宽泛型防护，有用的是需要混合物，但可补充其它杀生物剂或生物分散剂以提供有效的溶液。如果噬菌体与化学杀生物剂联用，则这可降低所需的化学杀生物剂的量。此外，这可扩大可用所述处理来控制的潜在细菌，因为许多不同种类细菌的混合物将需要许多匹配的不同类型噬菌体的混合物。因此，噬菌体可用来攻击主要的细菌和/或最不易被杀生物剂攻击的细菌，而其余细菌可被其它杀生物剂攻击。细菌的控制将优选包括杀灭细菌以确保细菌数不增加，且优选减少。
[0026]在上述具体实施方案涉及由硫酸盐还原菌引起的微生物诱导的腐蚀的问题时，使用噬菌体的方法是极其普遍的，并且它为目前用于冷却塔和需要微生物控制的其它水和非水用途的那些杀生物剂提供可选择的“绿色”杀生物剂。要认识到，噬菌体的特异性可能使它们不能实现用于存在许多类型细菌的场所以消除所有的这类细菌。然而，在指定的应用中，对最常见或最主要的细菌具有重复“杀灭”特异性的构思可能是有吸引力的。此外，如上所述，这类噬菌体可与杀菌剂联用以拓宽应用范围。实际上，在生物膜的情况下，即使所用攻击生物膜的噬菌体“混合物”不足以杀灭生物膜中所包含的全部细菌，但是破坏生物膜中的主要细菌可使分散剂更易于洗掉生物膜并利于其它杀生物剂的穿透和活性。此外，通过噬菌体破坏生物膜中的上部需氧细菌层将厌氧细菌暴露在氧气下，这将不利于所述厌氧细菌。因此，使用噬菌体可以多种方式对生物膜产生不良影响。[0027]噬菌体必须能够吸附、穿透、繁殖和释放。对于吸附，噬菌体必须能够识别宿主细菌表面上的特异性受体以吸附在细胞表面上。对于穿透，噬菌体必须能够穿过细菌的细胞壁和膜将其DNA注入内部。要认识到，噬菌体DNA在变成多于一段的插入DNA且被拆散之前，必须被宿主细胞的复制和转录系统识别(因此为特异性)。对于繁殖，噬菌体必须能够复制其DNA，合成新的衣壳蛋白、尾丝蛋白等，以及将噬菌体DNA包装入衣壳内所需的任何蛋白质。对于释放，一旦装配，噬菌体必须能够离开宿主细胞以找寻新的宿主细胞与之吸附?等等。
[0028]为了靶向特定的细菌，应鉴定靶细菌。在生物膜的情况下，这类生物膜的样品应有助于鉴定存在的细菌。在含有有害细菌的水性系统的情况下，流体的样品可提供细菌的来源。在一些情况下，存在于某些环境中的细菌类型(例如一些硫酸盐还原菌)是众所周知的，并且取样可能不是必需的，因为众所周知的细菌可能早已是市售可获得的。因此，有多种方法鉴定待控制(即其群体待保持恒定，或者优选其群体显著降低或消失)的细菌。获取、鉴定细菌和培养细菌的方法是本领域众所周知的，不必在本说明书中作全面解释。
[0029]下一步是获得对被鉴定的靶细菌有足够特异性的噬菌体。有多种获得这类噬菌体的方法。例如，可获得来自其中存在靶细菌的周围环境(例如来自土壤样品、水样品、地下样品和靶细菌本身)的噬菌体。噬菌体被认为是广泛分布的，且在其中存在特定细菌的区域，针对该细菌的噬菌体也可能存在。优选为了获得存在的噬菌体与待攻击的细菌之间的匹配，待被用于得到噬菌体的土壤、水等应与靶细菌所定位的位置和/或它们来源的位置(在用泵长距离抽取水或其它物质和来源远离由细菌引起的腐蚀和环境问题的情况下)紧密靠近。例如，冷却塔或矿或有害细菌的其它位置附近的土壤样品可为有关噬菌体的来源。来自冷却塔的流出水也可含有噬菌体，所述噬菌体具有与保持在其中的一些细菌相互作用的机会。获取噬菌体的方法是本领域众所周知的，在本说明书中无需全面解释。
[0030]一旦鉴定出可含有所需噬菌体的样品，例如土壤，则可将这类样品暴露于含有靶细菌和针对靶细菌的营养物的介质中。就噬菌体样品中存在对细菌有特异性的任何噬菌体而言，这类噬菌体将攻击靶细菌且在细菌内繁殖。因此，对靶细菌有特异性的噬菌体可生长，并且如果需要更多噬菌体 ，则可只加入更多靶细菌作为噬菌体的“食物”以继续繁殖。然后可将噬菌体过滤，例如通过孔径为0.2微米的真空过滤。培养噬菌体的方法是本领域众所周知的，在本说明书中无需全面解释。
[0031]获取噬菌体的另一种潜在方法是来自销售噬菌体的公司，假定可获得针对特定靶细菌的卩遼菌体。俄罗斯联邦卫生部免疫医学(Immunological Medicines of the Ministryof Health of the Russian Federation)所属的联邦国家科学实业公司(Federal StateScientific-1ndustrial Company) MICROGEN是销售针对多种细菌的曬菌体的公司的一个实例。获得针对靶细菌的特定噬菌体的另一种方法是以针对该特定细菌可能无效的噬菌体开始，并使大量噬菌体与大量靶细菌混合。自然选择的过程可允许噬菌体自然进化成能够攻击靶细菌。在这个方面，噬菌体的进化可通过化学方法或其它方法加速。例如，可将诱变剂(例如自由基)加入含有噬菌体的介质中。此外,可将噬菌体暴露于紫外线辐射。还可能利用遗传工程产生有效针对特定细菌的噬菌体。
[0032]题名为“Compositions and Methods for the Treatment, Mitigation andRemediation of Biocorrosion (用于生物腐蚀的处理、减轻和治理的组合物和方法)”的美国专利申请公布号 2009/0180992、题名为 “Process for Remediating Biofouling inWater Systems with Virulent Bacteriophage (用毒力的卩遼菌体治理水系统中的生物游积的方法)”的美国专利申请公布号2010/0243563和题名为“Control of FilamentousBacteria Induced Foaming in Wastewater Systems (控制废水体系中的丝状细菌诱导的起泡)”的美国专利申请公布号2011/0215050，阐明了如何获得有效针对靶细菌的噬菌体。美国专利申请公布号2009/0180992、2010/0243563和2011/0215050的公开内容通过引用以其整体结合到本文中。
[0033]存在本发明所预期的特定应用以减少与细菌有关的腐蚀。下文描述的应用并非意指限制本发明的观点，仅说明噬菌体可如何用于控制细菌诱导的腐蚀和减少环境污染。
[0034]酸件矿棑水和压裂应用 酸性矿排水
在酸性矿排水中，细菌生长可增加环境中的酸度。在酸性矿排水中，对于酸产生和因此潜在的环境损害存在一个反应流程。酸性矿排水的问题被全世界公认为严重的环境问题。酸性矿排水的起源是黄铁矿和其它含硫矿物通过以下所示化学法被风化和氧化:
【权利要求】
1.一种用于治理工业生产过程中的细菌诱导的腐蚀、环境损害和/或工艺低效的方法，所述方法包括: 鉴定工业生产过程，在所述工业生产过程中靶细菌不利地影响腐蚀、环境影响和/或工艺效率； 鉴定所述靶细菌的菌株； 获得针对一种或多种所述靶细菌的菌株有毒力的噬菌体；和 将所述靶细菌暴露于所述噬菌体。
2.权利要求1的方法，其中将所述靶细菌暴露于有效量的噬菌体中，以减少存在于工业生产过程中的靶细菌的量。
3.权利要求1的方法，其中所述工业生产过程包括选自以下的至少一种:采矿、水力压裂、冷却塔作业、管道运输烃和废水处理。
4.权利要求2的方法，其中所述工业生产过程包括采矿，并且将所述噬菌体作为水性溶液的一部分喷洒到含有靶细菌的矿内部的表面。
5.权利要求2的方法，其中所述工业生产过程包括水力压裂，并且将所述噬菌体作为水性溶液的一部分喷洒到水力 压裂的表面或与之连接的表面，所述表面含有所述靶细菌。
6.权利要求2的方法，其中所述工业生产过程包括冷却塔作业，并且将所述噬菌体加入到含有靶细菌的冷却塔中的冷却水中。
7.权利要求2的方法，其中所述工业用水生产过程包括管道输送烃，并且将所述噬菌体加入含有烃的管道内部的流体中。
8.权利要求2的方法，其中所述工业生产过程包括废水处理，并且将所述噬菌体加入含有靶细菌的来自废水处理厂的含水排放物中。
9.权利要求4、5、6、7和8中任一项的方法,其中所述曬菌体的至少一些被包封在脂质体中。
10.权利要求4、5、6和7中任一项的方法，其中还将所述靶细菌暴露于杀生物剂。
11.权利要求2的方法，其中所述工业生产过程包括采矿或水力压裂，并且所述噬菌体作为泡沫或凝胶的一部分被喷洒。
12.权利要求4或5的方法，其中所述水性溶液包含IX IO3-1 X IO12噬斑形成单位的噬菌体/毫升水性溶液。
13.权利要求6的方法，其中将所述噬菌体以足以在所述冷却水中获得以下噬菌体浓度的量加入到冷却水中:1 X IO3-1 X IO12噬斑形成单位/毫升冷却水。
14.权利要求7的方法，其中将所述噬菌体以足以在所述流体中获得以下噬菌体浓度的量加入到管道内的流体中:1 X IO3-1 X IO12噬斑形成单位/毫升流体。
15.权利要求8的方法，其中将所述噬菌体以足以在所述含水排放物中获得以下噬菌体浓度的量加入到含水排放物中:I X IO1-1 X IO8噬斑形成单位/毫升含水排放物。
16.一种包含噬菌体的水性组合物，所述噬菌体包封在选自脂质体、泡沫和凝胶的至少一种之内。
17.权利要求16的水性组合物，其还包含杀生物剂。
【文档编号】C02F3/34GK103458694SQ201280016611
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年3月29日 优先权日:2011年4月1日
【发明者】D.M.波利佐蒂, C.R.麦克丹尼尔, C.C.皮尔斯, S.R.巴斯孔塞略斯 申请人:通用电气公司