用於治理微生物誘導的腐蝕和環境損害及用於改進廢水處理工藝的方法和組合物的製作方法

2023-11-04 23:20:52 1

用於治理微生物誘導的腐蝕和環境損害及用於改進廢水處理工藝的方法和組合物的製作方法
【專利摘要】一種用於治理工業生產過程中的細菌誘導的腐蝕、環境損害和/或工藝低效的方法，所述方法包括鑑定其中靶細菌不利地影響腐蝕、環境影響和/或工藝效率的工業生產過程。所述方法還包括鑑定靶細菌的菌株，獲得針對一種或多種靶細菌的菌株有毒力的噬菌體，並將靶細菌暴露於噬菌體。該方法可利用包含噬菌體的水性組合物，所述噬菌體包封在選自脂質體、泡沫和凝膠的至少一種之內。
【專利說明】用於治理微生物誘導的腐蝕和環境損害及用於改進廢水處理工藝的方法和組合物
發明領域
[0001]本發明的領域涉及用於治理水和非水應用中的微生物誘導的腐蝕和環境損害以及改進廢水處理工藝的方法和組合物。更具體地講，本發明涉及噬菌體在治理由細菌誘導的腐蝕、汙染和廢水處理低效中的用途。
[0002]發明背景
已知細菌在各種水和非水應用中誘導腐蝕，以及在某些情況下催化酸的產生。通常使用化學殺生物劑(「殺生物劑」)來進行這類細菌的控制。然而，由於這類化學品排放到環境中，因此這可產生不良的環境影響，而且這類化學品在排放時可能攻擊有益細菌和其它生物。此外，可能需要大量化學品以有效地消除細菌，這可能增加成本。此外，這類化學品在處理靶細菌時可能無效。因此，存在對優選以合理成本控制細菌生長的環境友好的方法的需要，其有效用於特定的靶細菌，卻將不會傷害其它細菌。本發明通過使用噬菌體(bacteriophage)(除此之外亦稱為「phage」)滿足這類需要。
[0003]為了更好地理解噬菌體的來源和用途，提供下列背景信息。
[0004]病毒(源於拉丁文，意指「毒物」)跨越生命的定義。它們位於大分子複合物與非常簡單的生物實體之間的某處。病毒包括有機生命共有的一些結構，並顯示有機生命共有的一些活性，但也缺乏許多其他的結構和活性。一般來說，病毒完全由裝在蛋白質囊內的單鏈的遺傳信息組成。病毒缺少以「生命」為特徵的內部結構和系統(machinery)，其包括非寄生性繁殖所必需的生物合成系統。病毒為了繁殖，必須感染合適的宿主細胞。
[0005]病毒以兩種截然不同的狀態存在。當不與宿主細胞接觸時，病毒保持完全休眠。在此期間，沒有內部生物活性出現在病毒內，而且實質上病毒只不過是靜態的有機粒子。在這種簡單狀態中，病毒被稱為「病毒粒子」。病毒粒子可保持在這種休眠狀態中持續一段時間，直到有機會使其與合適的宿主接觸。當病毒粒子與合適的宿主接觸時，它變得活躍，因此被稱為病毒。此時它顯示出代表活的有機體的性質，例如與其環境反應，引導其向自我複製努力。
[0006]噬菌體(源於希臘語phagein，意指「吃」)是一種只感染細菌的病毒。它作為無活性的病毒粒子存在，直到其伸出的「腿」中的一個與合適細菌的表面接觸。在噬菌體「腿」末端上的感受器識別特定宿主細胞表面上的結合部位，並與該表面結合。然後病毒用其注入管刺穿細胞，並注入其自身的遺傳藍圖。該遺傳信息破壞宿主細胞的正常運作，並將細胞的生物合成系統設置為引起病毒的複製。這些新產生的病毒引起細菌膨脹和破裂。如此進行的同時，它們釋放出新的噬菌體，新的噬菌體然後休眠地漂浮，直到一個碰巧與新的宿主細胞接觸。
[0007]噬菌體只感染細菌，因此只攻擊原核生物。即使在原核生物的情況下，噬菌體也必須能夠感染和破壞宿主細胞。因此在噬菌體和細菌之間有天然的特異性。噬菌體不能感染真核生物，因此不會有噬菌體能攻擊動物或人細胞的機會，因此噬菌體是安全和環境友好的，更不用說如果獲得自環境本身則是天然的。[0008]發明概沭
本發明涉及用於治理工業生產過程中細菌誘導的腐蝕、環境損害和/或工藝低效的方法。這類方法包括鑑定其中靶細菌不利地影響腐蝕、環境影響和/或工藝效率的工業過程，鑑定靶細菌的菌株，獲得針對一種或多種靶細菌的菌株有毒力的噬菌體，並將靶細菌暴露於曬菌體。工業過程包括採礦、水力壓裂(hydraulic fracturing)、冷卻塔作業、管道輸送烴和廢水處理。該方法可利用包含噬菌體的水性組合物，所述噬菌體包封在選自脂質體、泡沫和凝膠的至少一種之內。[0009]在本公開內容隨附的且構成本公開內容的組成部分的權利要求書中，詳細指出了表徵本發明的新穎性的各種特徵。當然可對本發明的組分進行改變和替換。本發明還在於所述要素的子組合和子系統以及使用它們的方法。
[0010]附圖簡沭
圖1顯示使用針對浮遊細菌的噬菌體的結果。
[0011]圖2顯示以比圖1更低的噬菌體濃度使用針對浮遊細菌的噬菌體的結果。
[0012]圖3顯示以比圖2更低的噬菌體濃度使用針對浮遊細菌的噬菌體的結果。
[0013]圖4顯示以比圖1更高的噬菌體濃度使用針對浮遊細菌的噬菌體的結果。
[0014]圖5顯示以比圖4更高的噬菌體濃度使用針對浮遊細菌的噬菌體的結果。
[0015]圖6顯不使用針對固著細囷的嗤囷體的結果。
[0016]發明詳沭
在整個說明書和權利要求書中，本文所用的近似用語可在不會導致與其有關的基本功能改變的情況下應用於修飾可獲準改變的任何數量表示法。因此，被一個或多個術語(例如「約」)修飾的值不限於所指定的精確值。在至少某些情況下，近似用語可相當於用於測量該值的儀器的精密度。範圍限度可組合和/或互換，並且這種範圍是確立的，並包括其中所包括的全部子範圍，除非上下文或用語另有說明，而且被視作為其中所包括的全部子範圍提供支持。除了在操作實施例中或其中另有說明以外，涉及在說明書和權利要求書中使用的成分的量、反應條件等的所有數值或表述，都理解為在所有情況下均被術語「約」修飾。
[0017]本文所用「包含」、「包括」、「具有」或其任何其他變化意指包括非獨佔性包含。例如，包括要素列表的過程、方法、物品或裝置不必僅限於那些要素，而且還可包括未明確列出的或這類過程、方法、物品或設備固有的其它要素。
[0018]在本公開內容中，術語ppm定義為重量基礎上的百萬分之幾(例如微克/克)。術語「噬菌體」應解釋為複數詞(即多於一個噬菌體)，除非本公開內容另有說明或上下文另有要求。術語浮遊細菌應解釋為懸浮或漂浮在流體環境中的細菌。術語固著細菌應解釋為在固體表面例如表面上的生物膜上的菌落中所形成的細菌。對於相同種類的細菌，可能以浮遊細菌(如果是懸浮的)和/或固著細菌(如果在表面上)存在。
[0019]本發明提供用於水應用的化學殺生物劑的備選物。這種備選物是環境友好的，對待受控制的細菌是特異性的，可以是有成本效益的，並且針對難以用化學殺生物劑處理的細菌是有效的。有若干種本發明所預期的應用，下文將更詳細地描述。
[0020]存在特別成問題的多種細菌，且噬菌體針對其是特別有用的。一個實例是硫酸鹽還原菌，它可產生硫化氫，可引起硫化物應力開裂。嗜酸硫桿菌屬(Acidithiobacillus)細菌產生硫酸。氧化硫嗜酸硫桿菌iAcidithiobacillus thiooxidans), 一種嗜酸硫桿菌屬細菌的亞屬，常常毀壞汙水管。氧化亞鐵亞鐵桿菌(Ferrobacillus ferrooxidans)直接將鐵氧化成氧化鐵和氫氧化鐵。其它細菌產生各種酸(有機和無機酸兩種)或氨。
[0021]在氧氣存在下，需氧細菌比如全部3種廣泛存在於環境中的氧化硫硫桿菌{ThiobaciIlus thiooxidans)、排硫硫桿菌 ijhiobaciIlus thioparus)和蝕固硫桿菌{Thiobacillus concretivorus),是引起生物起源的硫化物腐蝕的常見致腐蝕因子。
[0022]在沒有氧氣存在的情況下,厭氧細菌,尤其脫硫弧菌屬{Desulfovibrio)和脫硫腸狀菌屬 Q)esulfotomacuIuni)是常見的。需鹽脫硫弧菌{Pesulfovibrio salixigens)需要至少2.5%濃度的氯化鈉，但普通脫硫弧菌Φ.vulgaris)和脫硫脫硫弧菌ij).desulfuricans)可生長在淡水和鹽水中。非洲脫硫弧菌(P.africanus)是另一種常見的致腐蝕微生物。脫硫腸狀菌屬包括硫酸鹽還原產芽孢細菌。東方脫硫腸狀菌Q)tm.0rient is)和致黑脫硫腸狀菌iptm.nigrificans)參與腐蝕過程。硫酸鹽還原菌需要還原環境，而且對於其健壯生長需要至少-100 mV的電極電勢。然而，即使少量產生的硫化氫都可達到這種轉變，因此生長一旦開始，便趨於加快。
[0023]厭氧細菌層可存在於腐蝕沉積物的內部，而需氧細菌棲居於外部。一些細菌能夠利用陰極腐蝕過程中所形成的氫。
[0024]細菌菌落和沉積物可形成濃差電池，引起並加快電化腐蝕。細菌腐蝕可出現比如孔蝕。厭氧腐蝕是明顯的，因為金屬硫化物層和硫化氫的氣味。在生鐵上，結果可能是留碳腐蝕選擇性浸出，隨著鐵被細菌消耗，在適當位置上留下機械強度低的石墨基質。
[0025]微生物腐蝕還可應用於塑料、混凝土和許多其它材料。一個這樣的實例是吃尼龍的細菌。本發明涉及使用噬菌體以控制微生物誘導的腐蝕，減輕環境損害，並促進廢水處理。具體地講，本發明涉及在添加或不添加一種或多種殺生物劑或生物分散劑的情況下利用一種或多種類型的噬菌體控 制細菌。噬菌體可包含或不包含在脂質體或其它延時釋放技術中，其將噬菌體遞送至其中發生微生物誘導的腐蝕或環境損害的靶細菌生物膜。噬菌體是極有特異性的，因此對寬泛型防護，有用的是需要混合物，但可補充其它殺生物劑或生物分散劑以提供有效的溶液。如果噬菌體與化學殺生物劑聯用，則這可降低所需的化學殺生物劑的量。此外，這可擴大可用所述處理來控制的潛在細菌，因為許多不同種類細菌的混合物將需要許多匹配的不同類型噬菌體的混合物。因此，噬菌體可用來攻擊主要的細菌和/或最不易被殺生物劑攻擊的細菌，而其餘細菌可被其它殺生物劑攻擊。細菌的控制將優選包括殺滅細菌以確保細菌數不增加，且優選減少。
[0026]在上述具體實施方案涉及由硫酸鹽還原菌引起的微生物誘導的腐蝕的問題時，使用噬菌體的方法是極其普遍的，並且它為目前用於冷卻塔和需要微生物控制的其它水和非水用途的那些殺生物劑提供可選擇的「綠色」殺生物劑。要認識到，噬菌體的特異性可能使它們不能實現用於存在許多類型細菌的場所以消除所有的這類細菌。然而，在指定的應用中，對最常見或最主要的細菌具有重複「殺滅」特異性的構思可能是有吸引力的。此外，如上所述，這類噬菌體可與殺菌劑聯用以拓寬應用範圍。實際上，在生物膜的情況下，即使所用攻擊生物膜的噬菌體「混合物」不足以殺滅生物膜中所包含的全部細菌，但是破壞生物膜中的主要細菌可使分散劑更易於洗掉生物膜並利於其它殺生物劑的穿透和活性。此外，通過噬菌體破壞生物膜中的上部需氧細菌層將厭氧細菌暴露在氧氣下，這將不利於所述厭氧細菌。因此，使用噬菌體可以多種方式對生物膜產生不良影響。[0027]噬菌體必須能夠吸附、穿透、繁殖和釋放。對於吸附，噬菌體必須能夠識別宿主細菌表面上的特異性受體以吸附在細胞表面上。對於穿透，噬菌體必須能夠穿過細菌的細胞壁和膜將其DNA注入內部。要認識到，噬菌體DNA在變成多於一段的插入DNA且被拆散之前，必須被宿主細胞的複製和轉錄系統識別(因此為特異性)。對於繁殖，噬菌體必須能夠複製其DNA，合成新的衣殼蛋白、尾絲蛋白等，以及將噬菌體DNA包裝入衣殼內所需的任何蛋白質。對於釋放，一旦裝配，噬菌體必須能夠離開宿主細胞以找尋新的宿主細胞與之吸附?等等。
[0028]為了靶向特定的細菌，應鑑定靶細菌。在生物膜的情況下，這類生物膜的樣品應有助於鑑定存在的細菌。在含有有害細菌的水性系統的情況下，流體的樣品可提供細菌的來源。在一些情況下，存在於某些環境中的細菌類型(例如一些硫酸鹽還原菌)是眾所周知的，並且取樣可能不是必需的，因為眾所周知的細菌可能早已是市售可獲得的。因此，有多種方法鑑定待控制(即其群體待保持恆定，或者優選其群體顯著降低或消失)的細菌。獲取、鑑定細菌和培養細菌的方法是本領域眾所周知的，不必在本說明書中作全面解釋。
[0029]下一步是獲得對被鑑定的靶細菌有足夠特異性的噬菌體。有多種獲得這類噬菌體的方法。例如，可獲得來自其中存在靶細菌的周圍環境(例如來自土壤樣品、水樣品、地下樣品和靶細菌本身)的噬菌體。噬菌體被認為是廣泛分布的，且在其中存在特定細菌的區域，針對該細菌的噬菌體也可能存在。優選為了獲得存在的噬菌體與待攻擊的細菌之間的匹配，待被用於得到噬菌體的土壤、水等應與靶細菌所定位的位置和/或它們來源的位置(在用泵長距離抽取水或其它物質和來源遠離由細菌引起的腐蝕和環境問題的情況下)緊密靠近。例如，冷卻塔或礦或有害細菌的其它位置附近的土壤樣品可為有關噬菌體的來源。來自冷卻塔的流出水也可含有噬菌體，所述噬菌體具有與保持在其中的一些細菌相互作用的機會。獲取噬菌體的方法是本領域眾所周知的，在本說明書中無需全面解釋。
[0030]一旦鑑定出可含有所需噬菌體的樣品，例如土壤，則可將這類樣品暴露於含有靶細菌和針對靶細菌的營養物的介質中。就噬菌體樣品中存在對細菌有特異性的任何噬菌體而言，這類噬菌體將攻擊靶細菌且在細菌內繁殖。因此，對靶細菌有特異性的噬菌體可生長，並且如果需要更多噬菌體 ，則可只加入更多靶細菌作為噬菌體的「食物」以繼續繁殖。然後可將噬菌體過濾，例如通過孔徑為0.2微米的真空過濾。培養噬菌體的方法是本領域眾所周知的，在本說明書中無需全面解釋。
[0031]獲取噬菌體的另一種潛在方法是來自銷售噬菌體的公司，假定可獲得針對特定靶細菌的卩遼菌體。俄羅斯聯邦衛生部免疫醫學(Immunological Medicines of the Ministryof Health of the Russian Federation)所屬的聯邦國家科學實業公司(Federal StateScientific-1ndustrial Company) MICROGEN是銷售針對多種細菌的曬菌體的公司的一個實例。獲得針對靶細菌的特定噬菌體的另一種方法是以針對該特定細菌可能無效的噬菌體開始，並使大量噬菌體與大量靶細菌混合。自然選擇的過程可允許噬菌體自然進化成能夠攻擊靶細菌。在這個方面，噬菌體的進化可通過化學方法或其它方法加速。例如，可將誘變劑(例如自由基)加入含有噬菌體的介質中。此外,可將噬菌體暴露於紫外線輻射。還可能利用遺傳工程產生有效針對特定細菌的噬菌體。
[0032]題名為「Compositions and Methods for the Treatment, Mitigation andRemediation of Biocorrosion (用於生物腐蝕的處理、減輕和治理的組合物和方法)」的美國專利申請公布號 2009/0180992、題名為 「Process for Remediating Biofouling inWater Systems with Virulent Bacteriophage (用毒力的卩遼菌體治理水系統中的生物遊積的方法)」的美國專利申請公布號2010/0243563和題名為「Control of FilamentousBacteria Induced Foaming in Wastewater Systems (控制廢水體系中的絲狀細菌誘導的起泡)」的美國專利申請公布號2011/0215050，闡明了如何獲得有效針對靶細菌的噬菌體。美國專利申請公布號2009/0180992、2010/0243563和2011/0215050的公開內容通過引用以其整體結合到本文中。
[0033]存在本發明所預期的特定應用以減少與細菌有關的腐蝕。下文描述的應用並非意指限制本發明的觀點，僅說明噬菌體可如何用於控制細菌誘導的腐蝕和減少環境汙染。
[0034]酸件礦棑水和壓裂應用 酸性礦排水
在酸性礦排水中，細菌生長可增加環境中的酸度。在酸性礦排水中，對於酸產生和因此潛在的環境損害存在一個反應流程。酸性礦排水的問題被全世界公認為嚴重的環境問題。酸性礦排水的起源是黃鐵礦和其它含硫礦物通過以下所示化學法被風化和氧化:
【權利要求】
1.一種用於治理工業生產過程中的細菌誘導的腐蝕、環境損害和/或工藝低效的方法，所述方法包括: 鑑定工業生產過程，在所述工業生產過程中靶細菌不利地影響腐蝕、環境影響和/或工藝效率； 鑑定所述靶細菌的菌株； 獲得針對一種或多種所述靶細菌的菌株有毒力的噬菌體；和 將所述靶細菌暴露於所述噬菌體。
2.權利要求1的方法，其中將所述靶細菌暴露於有效量的噬菌體中，以減少存在於工業生產過程中的靶細菌的量。
3.權利要求1的方法，其中所述工業生產過程包括選自以下的至少一種:採礦、水力壓裂、冷卻塔作業、管道運輸烴和廢水處理。
4.權利要求2的方法，其中所述工業生產過程包括採礦，並且將所述噬菌體作為水性溶液的一部分噴灑到含有靶細菌的礦內部的表面。
5.權利要求2的方法，其中所述工業生產過程包括水力壓裂，並且將所述噬菌體作為水性溶液的一部分噴灑到水力 壓裂的表面或與之連接的表面，所述表面含有所述靶細菌。
6.權利要求2的方法，其中所述工業生產過程包括冷卻塔作業，並且將所述噬菌體加入到含有靶細菌的冷卻塔中的冷卻水中。
7.權利要求2的方法，其中所述工業用水生產過程包括管道輸送烴，並且將所述噬菌體加入含有烴的管道內部的流體中。
8.權利要求2的方法，其中所述工業生產過程包括廢水處理，並且將所述噬菌體加入含有靶細菌的來自廢水處理廠的含水排放物中。
9.權利要求4、5、6、7和8中任一項的方法,其中所述曬菌體的至少一些被包封在脂質體中。
10.權利要求4、5、6和7中任一項的方法，其中還將所述靶細菌暴露於殺生物劑。
11.權利要求2的方法，其中所述工業生產過程包括採礦或水力壓裂，並且所述噬菌體作為泡沫或凝膠的一部分被噴灑。
12.權利要求4或5的方法，其中所述水性溶液包含IX IO3-1 X IO12噬斑形成單位的噬菌體/毫升水性溶液。
13.權利要求6的方法，其中將所述噬菌體以足以在所述冷卻水中獲得以下噬菌體濃度的量加入到冷卻水中:1 X IO3-1 X IO12噬斑形成單位/毫升冷卻水。
14.權利要求7的方法，其中將所述噬菌體以足以在所述流體中獲得以下噬菌體濃度的量加入到管道內的流體中:1 X IO3-1 X IO12噬斑形成單位/毫升流體。
15.權利要求8的方法，其中將所述噬菌體以足以在所述含水排放物中獲得以下噬菌體濃度的量加入到含水排放物中:I X IO1-1 X IO8噬斑形成單位/毫升含水排放物。
16.一種包含噬菌體的水性組合物，所述噬菌體包封在選自脂質體、泡沫和凝膠的至少一種之內。
17.權利要求16的水性組合物，其還包含殺生物劑。
【文檔編號】C02F3/34GK103458694SQ201280016611
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年3月29日 優先權日:2011年4月1日
【發明者】D.M.波利佐蒂, C.R.麥克丹尼爾, C.C.皮爾斯, S.R.巴斯孔塞略斯 申請人:通用電氣公司