大肠菌群检测方法及研究进展

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  摘要:大肠菌群常常被当作食品、水体中肠道病原体污染的指征,寻求建立快速、敏感的大肠菌群检测方法一直是关注的问题。本文主要归纳了检测大肠菌群发酵法、滤膜法、酶底物法、纸片法、聚合酶链式反应技术、荧光原位杂交技术、试剂盒法、自动化检测方法等的各自优缺点及研究进展。
  关键词:大肠菌群;检测方法;研究进展
  大肠菌群是指一群能发酵乳糖、产酸、产气、需氧和兼性厌氧的革兰氏阴性无芽孢杆菌,包括埃希氏菌属(大肠杆菌)、肺炎克雷伯菌属、柠檬酸杆菌属和肠杆菌属。多年来,国内外都以大肠菌群作为食品、水体污染的常用指示菌之一,并评价和判断食品被粪便污染的程度和有无肠道致病菌污染的可能。肠道病原体是最为常见的污染食品、水体的病原微生物,动物(包括人类)的排泄物是其主要来源,每年因肠道病原体污染水或食物造成人类食物中毒的例子很多。由于大肠菌群在肠道菌群中所占比例最大,在污染食品、水体中的含量远远高于其他肠道病原体,因此大肠菌群常常被当作食品、水体中可能存在肠道病原体的指征。大肠菌群数量越多,表示受到粪便污染的程度越大,也就是肠道病原体侵入的可能性越大,在大肠菌群中又以检测大肠杆菌(Escherichia coli,E coli)最为常用。因此,人们对大肠菌群检测技术的研究越来越多,要求越来越高。目前国内外现行的检测技术主要有以下几种:
  1 传统方法
  传统方法主要包括多管发酵(multiple—tube fermentation,MTF)技术和膜过滤(membrane filter,MF)技术。这两种技术普遍得到世界各国的批准应用,例如具有代表性的美国环保局(EPA)和法国标准化联合会(FSA)分别在2O世纪9O年代批准在本国实施,并制定了相应的判别标准。
  1.1 多管发酵技术
  试管发酵技术被用作大肠菌群检测至今已有8O年的历史,其原理是依据大肠菌群能够发酵乳糖、产酸、产气的特点。将样品进行系列10倍稀释,分别接种到含有乳糖培养液的试管中,在36±1℃培养24 h,观察产酸、产气情况,完成初发酵试验阳性样本还需进行确认试验[1]。其优点是不需昂贵设备,经过基本微生物学培训的技术员即可操作,特别适用于膜过滤技术不便进行的有色和混浊水体的检测。
  1.2 膜过滤技术
  MF技术已在许多国家作为水体微生物检测的标准方法,核心是使用 O.45m的过滤膜过滤水样,将细菌截留在膜上,然后把膜放在选择性培养基中培养,计数膜上生长出的典型细菌集落。不同国家和地区使用的选择性培养基有所不同,例如北美的m—Endo型和欧洲的Tergito1—TTC等,大肠菌群在含有乳糖的m—Endo型上生长出带有金属光泽的红色菌落,而在Tergito1—TTC中则为橙黄色菌落。为了增加MF技术检出的敏感性,美国公共卫生协会(APHA)提议将截留了细菌的过滤膜先在含有乳糖的培养基中于44.5℃下培养24h。MF技术比MTF技术最明显的优越性是非常便于检测较大体积的水样,这样就能增加检出的敏感性和可靠性。
  2 酶活性检测法
  与前述两种传统方法相比,微生物酶谱分析法具有更好的特异性,根据所检测酶类的不同,可以分辨出大肠菌群的群(group)、属(genus)、种(species),反应也更加快速、敏感,因此关于此技术能否用于大肠菌群的检测已有多年的探索。
  酶底物法采用大肠菌群细菌能产生β-半乳糖苷酶(β-D-galaetosidase)分解 PG(Orthonitropheny1-β-Dgalactopyranoside)使培养液呈黄色,以及大肠埃希氏菌产生葡萄糖 醛酸酶(13-glueuronidase)分解MUG(4-methY1-umbelllfery-B-D-glucuronide)使培养液在波长366nm紫外光下产生荧光的原理,来定量分析水样中粪大肠菌群数。酶活性检测法比传统方法省时省力(18~24h),而且特异性更高。
  3 纸片法
  纸片法是以大肠菌群细菌生长发育时分解乳糖产酸,同时产生脱氢酶脱氢,氢与无色氯化三苯四氮唑(TTC)作用形成红色化合物使菌落(菌苔)变红的原理。将一定量的乳糖、指示剂(TTC)溴甲酚紫、蛋白胨等吸附在特定面积的无菌滤纸上,大肠菌群细菌通过上述2种指示剂显示出发酵乳糖产酸,纸片变黄和形成红色斑点(红晕)的固有特性,以此特性作为阳性结果的唯一判定标准。
  4 分子生物学方法
  大多数分子生物学方法不需要培养步骤,因此可以在几个小时内完成,目前常用的检测饮用水大肠菌群的分子生物学方法主要有聚合酶链反应(PCR)法和原位杂交(ISH)法。
  4.1 PCR法
  最常用的PCR法是与MF法结合在一起的,首先将膜上截留的细菌用化学方法裂解,释放出DNA,再在相应的引物引导下用Taq酶扩增出产物,通过电泳条带染色或再与相应探针杂交判定结果。PCR法已有多年用于食物、泥土等样品微生物检测的历史,但最近才有用于饮用水检测的报道[2]。尽管PCR法具有高敏感性,但 PCR法很难对大肠杆菌进行定量,实时定量 PCR可能是未来研究方向之一,但目前尚未广泛用于食品等的微生物检测。
  4.2 ISH法
  合成与特定病原体DNA或RNA序列相互补的探针,然后与病原体进行原位杂交,可以非常特异地检出特定的大肠菌群。最常用的探针是与rRNA互补的,因为rRNA在细菌中丰度非常高,它与核糖体相连,而核糖体数目在单个细菌中达到103~105个,其中16S和23SrRNA探针应用最为广泛,并被作为菌种鉴别的标准试剂。探针长度以15~30个碱基为宜,序列中至少有2~3个独特的碱基以区别于其它菌种。
  5 试剂盒法
  试剂盒法是按照国家食品、水质标准检测方法—试管发酵方法研制而成。其原理是将液体乳糖培养基经固化加工后,置于特制透明塑料盒中,两者合二而一组成试剂盒。试剂盒一般分为组合式和分体式2种。组合式一般针对某一类样品,形式固定。分体式检测样品多样化,形式灵活,自由组合。2003年哈尔滨市卫生防疫站王世平等人,根据国内外研究大肠菌群检测进展和研究成果,结合20多年的检验经验和体会,研制并开发了大肠菌群快速检测试剂盒,现已批量生产,并于2006年获国家技术专利。大肠菌群快速检测试剂盒是以GB/TI14789.3—2003、GB/T5750.12—2006 中2.1和 2.3标准为依据,集多种方法和优点于一身,弥补了其他方法的不足。该试剂盒为分体式,选用无毒无味、透明度好的塑料材质制成大(10m1)和小(1ml)发酵盒为载体,取代了传统的玻璃试管。发酵盒底部中央设有气窗,供气体储存和观察,发酵盒正面印有加样刻度线,便于加样操作。将乳糖胆盐培养基经科学计算烘干包备在发酵盒内,量小、干燥便于储存和携带。这样的设计既替代了玻璃试管、产气管和液体乳糖胆盐培养基,又满足了功能上的需要,且适用于食品、水质的大肠菌群检测,一盒多用。实现了专业技术人员多年设想的检测大肠菌群拥有一个简单、快速、准确和价格低廉技术方法的愿望,填补了国内外技术空白,是大肠菌群检测技术新的创新和重大突破。   6 自动化检测方法(Automatization)
  目前世界上检测粪大肠菌群最快的设备当属法国专利产品水质细菌自动在线分析仪,可在6 h自动出次测量,有数据库存储等功能,是一种功能强、经济实用的全自动菌落分析仪[3]。该分析仪拍摄的微生物菌落图像非常清晰,可观察菌落最小为0.08 mm,并获得菌落直径,可以利用该功能进行简单的抑菌圈测量,也可根据统计的日期、编号或备注等对以往统计进行搜索查询,免除了繁琐的人工记录和人为差错。
  7 几种技术的优缺点比较分析
  一个好的用于水质大肠菌群检测的方法必须具备以下几个要素:简便、快速、低成本、省时、较好的稳定性、特异性高和灵敏度高。各检测方法的优缺点比较见表1。
  表 1大肠菌群各检测方法优缺点比较
  Tab.1 Comparison of merits and demerits among the test methods on fecal coliforms
  检测方法 技术难易 步骤繁杂 确认实验 检测时间 准确度 检测费用
  发酵法 易 繁琐 需要 48-72h 较准确 较便宜
  滤膜法 易 繁琐 需要 48-72h 较准确 较便宜
  酶底物法 难 简易 不需要 18-24h 精确 昂贵
  纸片法 易 繁琐 不需要 18-24h 较准确 较贵
  PCR法 难 繁琐 不需要 6-8h 较准确 昂贵
  原位杂交法 难 繁琐 不需要 6-8h 精确 十分昂贵
  试剂盒法 易 简易 不需要 18-24h 较准确 较便宜
  自动化检测方法 难 简易 不需要 6-15h 较准确 十分昂贵
  发酵管或膜过滤法以其简便、廉价的优势作为饮用水中大肠菌群检测方法仍然被广泛采用,但其缺点也很明显,如操作步骤繁杂、干扰因素多,专一性差,耗时(初步检测需要培养过夜,进一步确认需要24—72h),不适于大量样品的分析,而且容易漏检那些受损的细菌,极大地限制了大肠菌群检测的应用前景。
  酶活性检测法使用的β-葡萄糖醛酸酶和β-半乳糖苷酶以及显色底物和荧光底物都有商品化产品,可以较好地弥补传统方法的不足,总体上说操作简便、敏感、特异,无需确认试验,且可以同时检测水中大肠菌群和大肠埃希氏菌的污染状况,能够较精确地判断水样的微生物污染状况,可以作为传统方法的替代方法,并且此种方法已经被世界各国国家及地方实验室和世界各组织机构认可[45]。但该法作为水质常规检测成本较大,难以推广,而且尽管检测时间已经缩短为18h~24h或更短,但仍然不能满足快速检测的要求。
  纸片法与多管发酵法相比具有使用方便,测定周期短,不需要配置培养基,节省了人力和物力。但操作相对也较繁琐,需要将样品进行系列10倍稀释,而且价格也不便宜。
  PCR法的最大问题是能否适应于自然界复杂水样的检测还需要验证,PCR 技术用于大肠菌群的检测仍然处于研究阶段,技术的复杂性和检测费用较高等原因使此方法目前还不能广泛用于大肠菌群的日常检测。PCR是种具有高度专一性的检测和鉴定方法,但应用于实际环境样品分析,尤其是对不可培养的、活的或具有代谢活性的微生物进行检测时,存在一些限制[5]。虽然这种方法已经成功地应用于大肠菌群和大肠杆菌的检测,需要指出的是,大多数研究者是将其用于加入人工培养的微生物菌株水样的实验分析,而用于实际环境样品的分析较少。但该法快速、敏感、简便的特点无疑值得今后在饮用水大肠菌群的检测方面深入研究。
  原位杂交法敏感、特异,但尚未广泛应用。原位杂交法在水体检测中的另一个问题是该法的敏感性与细菌的生理状态密切相关,对于营养匮乏状态下的细菌以及消毒剂损伤细菌的检测敏感性下降,因此FISH技术没有广泛用于大肠菌群的常规监测。FISH目前的灵敏度已经接近或达到PCR的水平,FISH技术有极低的假阳性、假阴性的比例,可以很好地弥补PCR技术的局限。但其操作步骤较烦琐,技术复杂,目前仅可以对水样中低浓度菌群进行计数,不利于大规模推广。
  试剂盒法是试管发酵法的改良,免去了基层单位配制培养基的过程,便于进行质量控制。进一步简化了设备和人员的要求,成本也相对较低,方便基层实验室使用。
  自动化检测方法操作简单、检测快速、准确,但购买仪器一次投入过大,也不利于推广普及。
  8 前景与展望
  随着分子生物学的发展及原理的利用,微生物的检测方法发生了质的更新,使微生物的检测技术向更快速、更精确、更简便的方向发展。但虽然有些新的检测技术在理论上是可靠的,而实际操作中可能会受诸如检测环境条件、微生物的状态以及人为因素等的限制,因此要实现实际操作应用与普及还需要经历一个长期的反复验证完善过程,需要在验证的过程中不断改进操作细节,使新技术的精确度得到认可。
  饮用水样本中大肠菌群的数量通常很少,因此发展特异、敏感的检测方法至关重要。新的实时检测体系可能会满足这一要求,但技术上的复杂性以及检测成本的昂贵无疑是这些新技术成为饮用水检测标准方法的瓶颈。新检测技术的应用普及,不仅与操作技术的简易程度和精确度有关,也与检测设备和试剂的费用高低、对环境的影响等方面有关。随着科技进步,一些对环境副作用小、廉价的试剂将会在新技术中应用,虽然在今后一段时间内,传统方法与新技术将并存的局面还难于改变,但自动化检测方法将是监测工作的发展方向,在新技术支持下,精确、快速、可靠、环保、低廉的检测仪器将会被研发和得到应用与普及。
  参考文献:
  [1]金银龙,陈西平,周淑玉,等.生活饮用水标准检验方法[S].2006.
  [2]Tsen HY,ljn CK,Chi WR.Development and use of l6S rRNA gene targeted PCR primers for the identification of Escheriehia coli cells in water[J].J Appl Microbiol,1998.85(3):554-560.
  [3]宋铭航,张静.海水浴场环境自动监测系统研究[J].海洋技术,2003,22(4),12-13.
  [4]高瑞坤.美国环保署的大肠菌群检测技术[J].福建分析测试,2006,15(2),36-37.
  [5]王建龙.PCR技术检测水体中大肠菌群的研究 [J].中国生物工程杂志,2004,24(7),60-64.
  作者简介:沈燕飞(1979-)女,硕士,工程师,研究方向为环境生物。
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