馮程遠(yuǎn),徐 丹,王猷勝,彭姝瑞,莫海珍,李紅波,胡梁斌*
1.陜西科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,陜西 西安 710021 2.江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,江蘇 南京 210019
阪崎腸桿菌是一種革蘭氏陰性、兼性厭氧的條件致病菌,可在人體腸道寄生,使人感染發(fā)病。2002年,國際食品微生物標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)將阪崎腸桿菌列為“嚴(yán)重危害特定人群,危害生命或慢性實(shí)質(zhì)性后遺癥或長期影響”的一種致病菌[1]。阪崎腸桿菌可引起所有年齡段人群感染,其中嬰幼兒為高危人群,有統(tǒng)計(jì)表明嬰兒在阪崎腸桿菌感染后的主要臨床表現(xiàn)有壞死性小腸結(jié)腸炎、嚴(yán)重的腦膜炎和菌血癥,整體感染后死亡率高達(dá)20%~50%[2]。2004年,聯(lián)合國糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織認(rèn)為新生兒阪崎腸桿菌感染與嬰兒配方奶粉密切相關(guān),該菌是導(dǎo)致嬰幼兒感染、發(fā)病和死亡的主要原因[3]。阪崎腸桿菌比大腸桿菌具有更強(qiáng)的耐高滲透壓能力,能產(chǎn)生莢膜和海藻糖酶,可在奶粉中長期存活;此外,該菌還具有很強(qiáng)的繁殖能力,如在23 ℃只需要40 min就可以在嬰兒奶粉中成長起來[4]。因此,即使奶粉中阪崎腸桿菌的污染極微量,也能在一定情況下繁殖,導(dǎo)致感染的發(fā)生。阪崎腸桿菌極易在不銹鋼、塑料等表面黏附,形成生物膜,增強(qiáng)細(xì)菌對(duì)清潔劑和殺菌劑的抵抗力,導(dǎo)致乳制品加工管道中的阪崎腸桿菌難以徹底清除[5]。此外,阪崎腸桿菌所具有的菌毛結(jié)構(gòu)能使菌形成共生集合體,抵抗抗生素[6],若長期大量使用抗生素殺菌不僅會(huì)使微生物產(chǎn)生耐藥性,還會(huì)污染環(huán)境[7]。
近年來對(duì)阪崎腸桿菌的防控研究越來越多,有許多物理與化學(xué)方法被提及,如Harouna等[8]發(fā)現(xiàn)通過功率550 W的微波僅需10 s左右即可殺滅阪崎腸桿菌;Lin等[9]發(fā)現(xiàn)在65 ℃射頻21 h后對(duì)阪崎腸桿菌的殺菌效果顯著增加;郭都等[10]發(fā)現(xiàn)硫辛酸對(duì)阪崎腸桿菌具有較好的抑制效果;Tian等[11]研究發(fā)現(xiàn)百里香酚可以通過誘導(dǎo)細(xì)胞膜的破損殺滅阪崎腸桿菌,降低其胞內(nèi)ATP水平,使pH值下降,從而達(dá)到較好的抗菌能力。
雖然這些物理或者化學(xué)方法都可以起到抑制阪崎腸桿菌的作用,但是相關(guān)物理性的干預(yù)技術(shù)都會(huì)對(duì)乳粉中的熱敏營養(yǎng)部分造成一定的損失,或者由于其成本較高而很難在實(shí)際生產(chǎn)中使用;而所使用的化學(xué)方法中,有機(jī)酸或精油都有相關(guān)安全性和特異性問題,其真正使用在嬰幼兒配方乳粉中的愿景無法實(shí)現(xiàn)。因此,為保障嬰幼兒健康,亟須開發(fā)出能安全、高效殺滅阪崎腸桿菌的殺菌劑。
此前有許多研究發(fā)現(xiàn)鐵螯合物[12]、鐵離子配合物[13]、有機(jī)酸鐵鹽[14-15]等具有較強(qiáng)的抑菌效果。我國衛(wèi)生計(jì)生委此前頒布的《食品營養(yǎng)強(qiáng)化劑使用標(biāo)準(zhǔn)》(GB 14880—2012)、《食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》(GB 2760—2014)中都允許硫酸亞鐵、葡萄糖酸亞鐵、乳酸亞鐵等作為食品營養(yǎng)強(qiáng)化劑及食品添加劑,氯化鐵也可應(yīng)用于食品加工領(lǐng)域[16]補(bǔ)充鐵元素,改善食品品質(zhì)。本研究考察乳酸亞鐵、葡萄糖酸亞鐵、硫酸亞鐵、氯化亞鐵、氯化鐵5種鐵鹽對(duì)阪崎腸桿菌的殺菌作用,從殺菌效果、胞內(nèi)ROS水平、細(xì)胞膜完整性、細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化程度等方面探討鐵鹽對(duì)阪崎腸桿菌的殺菌機(jī)制,以期為鐵鹽在控制食源性致病菌中的應(yīng)用提供理論支持。
1.1.1 試驗(yàn)菌株
阪崎腸桿菌 ATCC 29544購買于美國微生物菌株保藏中心,保存在-80 ℃冰箱中。
1.1.2 培養(yǎng)基
胰蛋白胨大豆肉湯培養(yǎng)基(TSB):稱取30 g TSB干粉培養(yǎng)基溶于1 L超純水,于121 ℃滅菌15 min。
胰蛋白胨大豆瓊脂培養(yǎng)基(TSA):稱取40 g TSA干粉培養(yǎng)基溶于1 L超純水,加熱溶解后于121 ℃滅菌15 min。
1.1.3 試驗(yàn)試劑
乳酸亞鐵、氯化鐵、葡萄糖酸亞鐵、硫酸亞鐵、氯化亞鐵:分析純,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;TSA、TSB:廣東環(huán)凱微生物科技有限公司;碘化丙啶(PI)、活性氧熒光探針DCFH-DA:上海碧云天生物技術(shù)有限公司;脂質(zhì)過氧化探針C11-BODIPY(581/591):美國賽默飛世爾科技公司;Liproxstatin-1(Lip-1):Med Chem Express;N-乙酰-L-半胱氨酸(NAC):上海麥克林生化科技有限公司。
L5分光光度計(jì):上海佑科儀器儀表有限公司;Pico 17高速離心機(jī):美國賽默飛公司;Novo Cyte 300 s流式細(xì)胞儀:艾森生物杭州有限公司;Zeiss Axio Vert A1倒置熒光顯微鏡:德國蔡司集團(tuán);ZWY-1102C臺(tái)式高速離心機(jī):上海智誠分析儀器制造有限公司;BIONOON-200C恒溫金屬浴裝置:上海般諾生物科技有限公司;MSC-100恒溫混勻儀:杭州奧盛儀器有限公司;LHP-160E智能恒溫恒濕培養(yǎng)箱:上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司;HZQ-F160全溫振蕩培養(yǎng)箱:太倉市豪成實(shí)驗(yàn)儀器制造有限公司;PL-303電子天平:上海梅特勒-托利多儀器有限公司;SW-CJ-2FD雙人單面垂直凈化工作臺(tái):中國蘇州智凈凈化有限公司;YM100L高壓滅菌鍋:上海三申醫(yī)療器械有限公司。
1.3.1 菌種活化及菌液制備
將阪崎腸桿菌劃線接種于TSA培養(yǎng)基,于37 ℃恒溫培養(yǎng);然后挑取單克隆接種于TSB培養(yǎng)基,37 ℃、200 r/min培養(yǎng)12 h,將菌液以1∶100的體積比例轉(zhuǎn)接至新鮮TSB培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng),直至OD600為0.8~1.2;最后用TSB培養(yǎng)液稀釋菌液至OD600為0.1,于4 ℃、8 000 r/min離心10 min,收集菌體重懸于0.9% NaCl,備用。
1.3.2 鐵鹽對(duì)阪崎腸桿菌的殺菌效果研究
分別取100 μL(濃度均為3 mmol/L)的乳酸亞鐵、氯化鐵、氯化亞鐵、葡萄糖酸亞鐵和硫酸亞鐵加入3 mL阪崎腸桿菌菌液中,37 ℃、200 r/min培養(yǎng)3 h,然后于4 ℃、8 000 r/min離心5 min,收集菌體重懸于0.9% NaCl,將菌液進(jìn)行梯度稀釋(100、10-1、10-2、10-3、10-4、10-5),每個(gè)稀釋度下的菌液吸取5 μL接種于TSA培養(yǎng)基,于37 ℃靜置培養(yǎng)12 h,觀察阪崎腸桿菌菌落生長情況,同時(shí)以不加鐵鹽的菌液作為空白對(duì)照,分析鐵鹽對(duì)阪崎腸桿菌的殺菌效果。
1.3.3 氯化鐵對(duì)阪崎腸桿菌的最小殺菌濃度(MBC)測定
分別取0、25、50、100、200 μL氯化鐵(濃度為3 mmol/L)加入3 mL阪崎腸桿菌菌液中,37 ℃、200 r/min培養(yǎng)3 h,然后于4 ℃、8 000 r/min離心5 min,收集菌體重懸于0.9% NaCl,將菌液進(jìn)行梯度稀釋(100、10-1、10-2、10-3、10-4、10-5),每個(gè)稀釋度下的菌液吸取5 μL接種于TSA培養(yǎng)基,于37 ℃靜置培養(yǎng)12 h,觀察阪崎腸桿菌菌落生長情況,參考文獻(xiàn)[17]將殺死99%細(xì)菌所需最低濃度確定為氯化鐵對(duì)阪崎腸桿菌的MBC。
1.3.4 氯化鐵對(duì)阪崎腸桿菌細(xì)胞膜完整性的影響
將200 μL濃度為3 mmol/L的氯化鐵加入3 mL阪崎腸桿菌菌液中,37 ℃、200 r/min培養(yǎng)3 h,然后于4 ℃、8 000 r/min離心5 min,收集菌體重懸于0.9% NaCl,向菌液中加入1 μL濃度為10 mmol/L的PI染液,37 ℃孵育20 min,然后于4 ℃、8 000 r/min離心5 min,收集菌體重懸于0.9% NaCl,用流式細(xì)胞儀和熒光顯微鏡觀察菌液的紅色熒光強(qiáng)度,同時(shí)以不加氯化鐵的菌液作為空白對(duì)照,分析氯化鐵對(duì)阪崎腸桿菌細(xì)胞膜完整性的影響。
1.3.5 氯化鐵對(duì)阪崎腸桿菌胞內(nèi)ROS水平的影響
向3 mL阪崎腸桿菌菌液中加入1 μL濃度為10 mmol/L的熒光染料DCFH-DA,37 ℃孵育20 min,然后加入200 μL濃度為3 mmol/L的氯化鐵溶液,37 ℃、200 r/min培養(yǎng)3 h,4 ℃、8 000 r/min離心5 min,收集菌體重懸于0.9% NaCl,用流式細(xì)胞儀和熒光顯微鏡觀察菌液的綠色熒光強(qiáng)度,同時(shí)以不加氯化鐵的菌液作為空白對(duì)照,分析氯化鐵對(duì)阪崎腸桿菌胞內(nèi)ROS水平的影響。
1.3.6 氯化鐵對(duì)阪崎腸桿菌脂質(zhì)過氧化程度的影響
將200 μL濃度為3 mmol/L的氯化鐵加入3 mL阪崎腸桿菌菌液中,37 ℃、200 r/min培養(yǎng)3 h,然后于4 ℃、8 000 r/min離心5 min,收集菌體重懸于0.9% NaCl,向菌液中加入1 μL濃度為10 mmol/L的C11-BODIPY熒光探針,37 ℃孵育20 min,4 ℃、8 000 r/min離心5 min,收集菌體重懸于0.9% NaCl,用流式細(xì)胞儀和熒光顯微鏡觀察菌液的綠色熒光強(qiáng)度,同時(shí)以不加氯化鐵的菌液作為空白對(duì)照,分析氯化鐵對(duì)阪崎腸桿菌脂質(zhì)過氧化程度的影響。
1.3.7 ROS清除劑對(duì)氯化鐵殺菌效果的影響
N-乙酰-L-半胱氨酸(NAC)是ROS清除劑[18]。鐵死亡發(fā)生時(shí)谷胱甘肽(GSH)的消耗會(huì)增多,使谷胱甘肽過氧化物酶(GPX4)失活,導(dǎo)致ROS積累[19]。NAC可以通過合成谷胱甘肽(GSH)增強(qiáng)胞內(nèi)抗氧化能力,或是直接清除ROS[20],達(dá)到緩解鐵死亡的效果。因此本研究選擇通過在氯化鐵處理阪崎腸桿菌前加入NAC,觀察其是否對(duì)細(xì)胞死亡起緩解作用,以此判斷氯化鐵是否誘導(dǎo)阪崎腸桿菌發(fā)生鐵死亡。
將阪崎腸桿菌分成3組:(1)空白對(duì)照組:菌液不做任何處理;(2)氯化鐵處理組:菌液經(jīng)200 μL濃度為3 mmol/L的氯化鐵處理;(3)氯化鐵和NAC處理組:菌液經(jīng)200 μL濃度為3 mmol/L的氯化鐵和30 μL濃度為50 mmol/L的NAC處理。按照1.3.3、1.3.4、1.3.5分別對(duì)上述菌液進(jìn)行菌落生長、細(xì)胞膜完整性、胞內(nèi)ROS水平的研究,分析ROS清除劑NAC對(duì)氯化鐵殺菌效果的影響。
1.3.8 鐵死亡抑制劑對(duì)氯化鐵殺菌效果的影響
liproxstatin-1(Lip-1)作為鐵死亡抑制劑[21]可以阻斷鐵死亡,可以緩解因鐵死亡而發(fā)生的細(xì)胞死亡。本研究在氯化鐵處理阪崎腸桿菌前加入Lip-1,觀察是否對(duì)細(xì)胞死亡起緩解作用。將阪崎腸桿菌分成3組:(1)空白對(duì)照組:菌液不做任何處理;(2)氯化鐵處理組:菌液經(jīng)200 μL濃度為3 mmol/L的氯化鐵處理;(3)氯化鐵和Lip-1處理組:菌液經(jīng)200 μL濃度為3 mmol/L的氯化鐵和30 μL濃度為10 mmol/L的Lip-1處理。按照1.3.3、1.3.4、1.3.6分別對(duì)上述菌液進(jìn)行菌落生長、細(xì)胞膜完整性、脂質(zhì)過氧化程度的研究,分析鐵死亡抑制劑Lip-1對(duì)氯化鐵殺菌效果的影響。
1.3.9 數(shù)據(jù)處理與分析
所有試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次,使用Origin 8.5、FlowJo 7.6 等軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。
鐵鹽對(duì)阪崎腸桿菌的殺菌效果如圖1所示,5種鐵鹽對(duì)阪崎腸桿菌均有不同程度的殺菌作用,經(jīng)葡萄糖酸亞鐵、硫酸亞鐵、乳酸亞鐵和氯化亞鐵處理后,阪崎腸桿菌的存活率為25.47%~89.88%,而氯化鐵處理后菌體存活率僅為0.49%,殺菌活性依次為氯化鐵>葡萄糖酸亞鐵>硫酸亞鐵>乳酸亞鐵>氯化亞鐵。為深入研究鐵鹽對(duì)阪崎腸桿菌的殺菌機(jī)制,后續(xù)試驗(yàn)均以氯化鐵為殺菌劑。
如圖2a所示,氯化鐵對(duì)阪崎腸桿菌的殺菌效果呈濃度依賴,隨著氯化鐵濃度的增大,菌體存活率逐漸下降。由圖2b可知,當(dāng)氯化鐵濃度分別為25、50、100、200 μmol/L時(shí),阪崎腸桿菌的存活率依次為54.76%、40.51%、10.20%和0.019%。加入200 μmol/L氯化鐵時(shí),99.98%的菌體細(xì)胞被殺滅,表明氯化鐵對(duì)阪崎腸桿菌的MBC為200 μmol/L。
盡管PI染料不能通過活細(xì)胞膜,卻能穿過破損的細(xì)胞膜對(duì)其核染色。為進(jìn)一步確證氯化鐵對(duì)阪崎腸桿菌的抗菌能力是殺菌,本研究通過PI染料觀察細(xì)胞。結(jié)果發(fā)現(xiàn):與對(duì)照組相比,處理組中PI陽性群體也發(fā)生了同步右移(圖3a),這與2.2中的結(jié)果符合。研究還通過熒光顯微鏡檢測,與對(duì)照組相比,氯化鐵處理后阪崎腸桿菌的PI陽性群體數(shù)更多(圖3b)。這表明氯化鐵處理后的阪崎腸桿菌發(fā)生細(xì)胞死亡。
由于鐵死亡的特征是胞內(nèi)ROS累積和脂質(zhì)過氧化水平的上升,為了分析氯化鐵是否導(dǎo)致阪崎腸桿菌死亡也伴隨著ROS和脂質(zhì)過氧化的爆發(fā),本研究利用 DCFH-DA 熒光探針和C11-BODIPY 熒光探針檢測活性氧和脂質(zhì)過氧化水平。結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過流式細(xì)胞儀和熒光顯微鏡結(jié)合測定氯化鐵處理后的阪崎腸桿菌,其DCFH-DA陽性群體相比對(duì)照組發(fā)生了右移(圖4a),顯示出的綠色熒光相比對(duì)照組更強(qiáng)(圖4b);與對(duì)照組相比,處理組中C11-BODIPY陽性群體也發(fā)生了右移(圖4c),且菌體的綠色熒光更強(qiáng)(圖4d)。這說明隨著氯化鐵的加入,阪崎腸桿菌在發(fā)生死亡的同時(shí),其胞內(nèi)的活性氧和脂質(zhì)過氧化水平均顯著上升。
如圖5所示,NAC和氯化鐵處理的阪崎腸桿菌,其存活率與單獨(dú)氯化鐵處理組相比,由1.24%緩解到14.98%(圖5a);通過添加PI探針和DCFH-DA 熒光探針進(jìn)行對(duì)細(xì)胞膜完整情況和活性氧水平的檢測,在有NAC加入的氯化鐵處理組中,其PI陽性群體較氯化鐵處理組發(fā)生了左移(如圖5b),且紅色熒光更弱(圖5c);NAC加入的氯化鐵組中,其DCFH-DA陽性群體較氯化鐵處理組發(fā)生了左移(如圖5d),且綠色熒光也更弱(圖5e)。
如圖6所示,與氯化鐵處理組相比,Lip-1能使阪崎腸桿菌的存活率從1.06%上升到8.43%(圖6a);通過添加PI染色和C11-BODIPY 熒光探針分析細(xì)胞膜完整性和胞內(nèi)活性氧水平,在有Lip-1加入的氯化鐵處理組中,其PI陽性群體較氯化鐵處理組發(fā)生了左移(圖6b),且紅色熒光更弱(圖6c);Lip-1加入的氯化鐵組中,其C11-BODIPY陽性群體較氯化鐵處理組發(fā)生了左移(圖6d),且綠色熒光也更弱(圖6e)。結(jié)合圖5與圖6的結(jié)果,說明NAC和Lip-1可以緩解細(xì)胞死亡的發(fā)生,這進(jìn)一步表明了氯化鐵的加入誘導(dǎo)阪崎腸桿菌發(fā)生了鐵死亡。
本研究發(fā)現(xiàn)了乳酸亞鐵、葡萄糖酸亞鐵、硫酸亞鐵、氯化亞鐵、氯化鐵等鐵鹽對(duì)阪崎腸桿菌均有殺菌作用,其中氯化鐵的效果最強(qiáng),當(dāng)氯化鐵濃度為200 μmol/L時(shí),能殺滅99.98%的菌體細(xì)胞。此前已有關(guān)于鐵對(duì)革蘭氏陰性菌有抗菌能力的報(bào)道,楊靜等[14]發(fā)現(xiàn)乳酸亞鐵、葡萄糖酸亞鐵和檸檬酸亞鐵均可對(duì)變形桿菌、沙門氏菌、銅綠假單胞菌和大腸桿菌均具有抑制作用,且在pH≤4時(shí)抑制效果更好;王忠合等[13]發(fā)現(xiàn)麥芽酚鐵對(duì)大腸桿菌有較好的抑菌效果,且可以透過細(xì)胞壁對(duì)核內(nèi)物質(zhì)產(chǎn)生影響;Gholami等[22]發(fā)現(xiàn)鐵離子在有氧和無氧的條件下均能對(duì)大腸桿菌產(chǎn)生不錯(cuò)的殺菌效果。菌體經(jīng)氯化鐵處理后,細(xì)胞膜發(fā)生破損,細(xì)胞死亡,這與硫酸亞鐵對(duì)金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌的殺菌現(xiàn)象一致。早期研究表明硫酸亞鐵通過改變金黃色葡萄球菌等致病菌細(xì)胞膜通透性,造成細(xì)胞膜破損,引起細(xì)胞內(nèi)核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子泄漏,影響ATP酶活性和能量代謝,加速細(xì)胞的死亡,并提出該殺菌機(jī)制可能涉及細(xì)胞膜上羥自由基反應(yīng)[15]。本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)氯化鐵使阪崎腸桿菌胞內(nèi)ROS和脂質(zhì)過氧化水平顯著上升,而添加ROS清除劑NAC和鐵死亡抑制劑Lip-1可以降低氯化鐵對(duì)細(xì)胞的殺菌效果,說明氯化鐵對(duì)阪崎腸桿菌的殺菌作用為鐵死亡現(xiàn)象。
關(guān)于鐵死亡的研究,以其作為一種新型腫瘤的治療手段越來越受到人們的關(guān)注[23]。鐵死亡是一種新型的細(xì)胞死亡形式,其中鐵的積累是鐵死亡發(fā)生的關(guān)鍵因素之一[24],這是一種鐵依賴性的非凋亡式細(xì)胞壞死,體外鐵過載或體內(nèi)鐵代謝調(diào)控異常就會(huì)導(dǎo)致鐵死亡。鐵死亡在形態(tài)學(xué)、生化和遺傳學(xué)上均與細(xì)胞凋亡、壞死和自噬不同,主要特征是大量的鐵離子依賴性脂質(zhì)過氧化物累積[19]。鐵死亡的發(fā)生涉及多種信號(hào)通路的參與,包括系統(tǒng)Xc-的抑制、GPX4的抑制、VDACs的激活、FSP1的抑制、鐵代謝調(diào)控途徑、脂質(zhì)代謝調(diào)控途徑等[25-28]。
由于病原細(xì)菌、病原真菌與哺乳動(dòng)物同源性較低,外源性鐵誘導(dǎo)病原菌發(fā)生鐵死亡的分子機(jī)制與哺乳動(dòng)物不同。如黃曲霉外源性鐵死亡就不依賴于芬頓反應(yīng)(哺乳動(dòng)物鐵死亡機(jī)制),而是外源Fe2+進(jìn)入黃曲霉胞內(nèi),激活NoxA,造成胞內(nèi)ROS爆發(fā),通過脂質(zhì)過氧化引發(fā)膜損傷,導(dǎo)致黃曲霉孢子的壞死[29]。因此,下一步應(yīng)以阪崎腸桿菌脂質(zhì)過氧化的發(fā)生為切入點(diǎn),深入解析氯化鐵等鐵鹽誘導(dǎo)阪崎腸桿菌發(fā)生外源性鐵死亡的分子機(jī)制,為開發(fā)新型殺菌劑奠定理論基礎(chǔ)。