نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

کاربرد باکتریوفاژها در کنترل باکتری‌های عامل خوردگی و بیوفیلم آن‌ها در سیستم‌های آبی

نوع مقاله : مروری

نویسندگان
1 گروه میکروبیولوژی، دانشکده علوم زیستی، دانشگاه الزهرا، تهران، ایران
2 گروه زیست شناسی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
3 انجمن خوردگی ایران، تهران، ایران
چکیده
خوردگی تحت تأثیر میکروب‌ها نتیجه برهم‌کنش پیچیده گونه‌های گوناگون میکروارگانیسم‌ها، به‌ویژه در قالب بیوفیلم‌ها است که در محیط‌ های آبی از جمله سیستم‌های مهندسی‌شده مانند سامانه‌های آب آشامیدنی و فاضلاب به‌وجود می‌آیند. پایداری بیوفیلم‌ها در برابر بیوسایدها و سایر روش‌های متداول، چالش اصلی در مدیریت مؤثر خوردگی زیستی محسوب می‌شود. از این رو مطالعه حاضر به بررسی کاربرد باکتریوفاژها به‌عنوان یک روش زیستی نوین و اختصاصی برای مقابله با باکتری‌های خورنده و حذف بیوفیلم آن‌ها و چالش‌ها، راهکارها و چشم‌اندازهای آینده آن می‌پردازد. یافته‌ها نشان می‌دهد که فاژها از طریق لیز انتخابی سلول‌های باکتری، تولید آنزیم‌هایی نظیر دپلیمراز و اندولیزین و تداخل در سامانه‌های کوئروم سنسینگ، قادر به تخریب ساختار بیوفیلم هستند. ویژگی‌هایی چون زیست‌سازگاری، خودتقویتی در محل، قابلیت مهندسی ژنتیکی و سازگاری با روش‌های فیزیکی و شیمیایی، موقعیت ویژه‌ای برای فاژها در کنترل خوردگی فراهم کرده‌اند. راهکارهایی مانند استفاده از فاژهای چندظرفیتی، فاژهای تغییر یافته ژنتیکی، مخلوطی از فاژها، فاژهای پوشش‌دار یا تثبیت‌شده، همچنین تیمار ترکیبی با روش‌های شیمیایی و فیزیکی و نانوذرات، به‌عنوان رویکردهای تقویت‌کننده اثربخشی مطرح شده‌اند. نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که استفاده از باکتریوفاژها، به‌ویژه در قالب درمان‌های ترکیبی و هدفمند، می‌تواند به‌عنوان جایگزین یا مکمل روش‌های سنتی، در مدیریت خوردگی زیستی و حفظ پایداری سیستم‌های آبی طبیعی و صنعتی ایفای نقش کند. ایجاد زیرساخت‌های تولید صنعتی، استانداردسازی روش‌های کاربردی و تدوین چارچوب‌های نظارتی برای ارزیابی ایمنی زیستی و اثرات زیست‌محیطی، از جمله نیازهای حیاتی برای عبور از مرحله تحقیقاتی به بهره‌برداری صنعتی می‌باشد. اگرچه تحقیقات زیادی پیش از تجاری شدن و کاربرد گسترده از فناوری فاژ می‌بایست تکمیل شود، آینده این روش‌ها بسیار امیدوارکننده به نظر می‌رسد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] کسرای کرمانشاهی، ر؛ حشمت دهکردی، ا؛ بهرامی بوانی، م؛ علی‌مددی، ن؛ صبائی‌فرد، پ؛ خوردگی میکروبی جلد اول: خصوصیات باکتری‌ها و مکانیسم خوردگی آن‌ها، انجمن خوردگی ایران (1402).
[2] Little B.J., Lee J.S., Microbiologically Influenced Corrosion: An Update. Int. Mater. Rev., 59(7): 384-393 (2014).
[3] Puentes-Cala E., Tapia-Perdomo V., Espinosa-Valbuena D., Reyes-Reyes M., Quintero-Santander D., Vasquez-Dallos S., Salazar H., Santamaría-Galvis P., Silva-Rodríguez R., Castillo-Villamizar G., Microbiologically Influenced Corrosion: The Gap in the Field. Front. Environ. Sci., 10: 924842 (2022).
[4] Dou W., Xu D., Gu T., Biocorrosion Caused by Microbial Biofilms Is Ubiquitous Around Us. Microb. Biotechnol., 14(3): 803-805 (2021).
[5] کسری کرمانشاهی، روحا؛ قشقایی، طاهره، بررسی روش‌های جدید تشخیص و شمارش باکتری‌های احیاکننده سولفات و ویژگی‌های فیزیولوژیک مؤثر در شناسایی آنها، نشریه علوم و مهندسی خوردگی، 2(1): 23 (1391).
[6] Telegdi J., Shaban A., Trif L., Review on the Microbiologically Influenced Corrosion and the Function of Biofilms. Int. J. Corros. Scale Inhib., 9(1): 1-33 (2020).
[7] Kumar A.S., Sivakumar L., Rajadesingu S., Sathish S., Malik T., Parthipan P., Sustainable Corrosion Inhibition Approaches for the Mitigation of Microbiologically Influenced Corrosion-A Systematic Review. Front. Mater., 12 (2025).
[8] قهرمان افشار، مجید؛ قاسمی‌نژاد، حسین؛ اسماعیل‌پور، محسن؛ بررسی خوردگی میکروبی در آب چرخه خنک‌کن نیروگاه شهید بهشتی لوشان، مجله مواد نوین، 13(49): 15 تا 26 (1401).
[9] قهرمان افشار، مجید؛ اسماعیل‌پور، محسن؛ قاسمی‌نژاد، حسین؛ اسماعیلی، نرگس، سنجش و تعیین مشخصه خوردگی متأثر از عوامل میکروبی در آب چرخه خنک‌کن نیروگاه شهید مفتح، مجله مواد نوین، 13(50): 46 تا 59 (1401).
[10] قهرمان افشار، مجید؛ اسماعیل‌پور، محسن؛ قاسمی‌نژاد، حسین، خوردگی میکروبی متاثر از عوامل محیط زیستی در آب چرخه خنک‌کن نیروگاه حرارتی بندرعباس. نشریه محیط شناسی، 49(4): 389 تا 400 (1402).
[12] Little B., Wagner P., Mansfeld F., An Overview of Microbiologically Influenced Corrosion. Electrochim. Acta., 37(12): 2185-2194 (1992).
[13] Costerton J.W., Lewandowski Z., Caldwell D.E., Korber D.R., Lappin-Scott H.M. Microbial Biofilms. Annu. Rev. Microbiol., 49: 711-745 (1995).
[14] مهدوی، منیژه؛ کسری کرمانشاهی، روحا؛ جلالی، م، تشکیل بیوفیلم Salmonella enteritidis روی سطوح گوناگون در صنایع غذایی، علوم تغذیه و صنایع غذایی ایران، 3(2): 81 تا 84 (1387).
[15] Mah T.F.C., O'Toole G.A. Mechanisms of Biofilm Resistance to Antimicrobial Agents. Trends in Microbiol., 9(1): 34-39 (2001).
[16] Shakeri S., Kermanshahi R.K., Moghaddam M.M., Emtiazi G., Assessment of Biofilm Cell Removal and Killing and Biocide Efficacy Using the Microtiter Plate Test. Biofouling., 23(2): 79-86 (2007).
[17] Chang C., Yu X., Guo W., Guo C., Guo X., Li Q., Zhu Y., Bacteriophage-Mediated Control of Biofilm: A Promising New Dawn for the Future. Front. Microbiol., 13: 825828 (2022).
[18] Waters C.M., Bassler B.L., Quorum Sensing: Cell-to-Cell Communication in Bacteria. Annu. Rev. Cell Dev. Biol., 21(1): 319-346 (2005).
[19] Davies D.G., Parsek M.R., Pearson J.P., Iglewski B.H., Costerton J.W., Greenberg E.P., The Involvement of Cell-to-Cell Signals in the Development of a Bacterial Biofilm. Science., 280(5361): 295-298 (1998).
[20] De Kievit T.R., Gillis R., Marx S., Brown C., Iglewski B.H., Quorum-Sensing Genes in Pseudomonas aeruginosa Biofilms: Their Role and Expression Patterns. Appl. Environ. Microbiol., 67(4): 1865-1873 (2001).
[21] O'Toole G., Kaplan H.B., Kolter R., Biofilm Formation as Microbial Development. Annu. Rev. Microbiol., 54(1): 49-79 (2000).
[22] Coquant G., Aguanno D., Pham S., Grellier N., Thenet S., Carrière V., Grill J.P. Seksik P., Gossip in the Gut: Quorum Sensing, a New Player in the Host-Microbiota Interactions. World J. Gastroenterol., 27(42): 7247 (2021).
[23] Behzadnia A., Moosavi-Nasab M., Oliyaei N., Anti-Biofilm Activity of Marine Algae-Derived Bioactive Compounds. Front. Microbiol., 15: 1270174 (2024).
[24] Angell P., Understanding Microbially Influenced Corrosion as Biofilm-Mediated Changes in Surface Chemistry. Curr. Opin. Biotechnol., 10(3): 269-272 (1999).
[25] Lou Y., Chang W., Cui T., Wang J., Qian H., Ma L., Hao X., Zhang D., Microbiologically Influenced Corrosion Inhibition Mechanisms in Corrosion Protection: A Review. Bioelectrochemistry., 141: 107883 (2021).
[26] Qi P., Zeng Y., Zhang D., Sun Y., Wang P., The Biofilm-Metal Interface: A Hotspot for Microbiologically Influenced Corrosion. Cell Rep. Phys. Sci., 6: 102500 (2025).
[27] Pires D.P., Melo L.D., Azeredo J., Understanding the Complex Phage-Host Interactions in Biofilm Communities. Annu. Rev. Virol., 8(1): 73-94 (2021).
[28] Xu D., Jia R., Li Y., Gu T., Advances in the Treatment of Problematic Industrial Biofilms. World J. Microbiol. Biotechnol., 33: 1-10 (2017).
[29] Harper D.R., Parracho H.M., Walker J., Sharp R., Hughes G., Werthén M., Lehman S., Morales S., Bacteriophages and Biofilms. Antibiotics., 3(3): 270-284 (2014).
[30] Motlagh A.M., Bhattacharjee A.S., Goel R., Biofilm Control with Natural and Genetically-Modified Phages. World J. Microbiol. Biotechnol., 32: 67 (2016).
[31] Dion M.B., Oechslin F., Moineau S., Phage Diversity, Genomics and Phylogeny. Nat. Rev. Microbiol., 18(3): 125-138 (2020).
[32] Amankwah S., Abdella K., Kassa T., Bacterial Biofilm Destruction: A Focused Review on the Recent Use of Phage-Based Strategies with Other Antibiofilm Agents. Nanotechnol. Sci. Appl., 14: 161-177 (2021).
[33] Reyneke B., Havenga B., Waso-Reyneke M., Khan S., Khan W., Benefits and Challenges of Applying Bacteriophage Biocontrol in the Consumer Water Cycle. Microorganisms., 12(6): 1163 (2024).
[34] Mathieu J., Yu P., Zuo P., Da Silva M.L., Alvarez P.J., Going Viral: Emerging Opportunities for Phage-Based Bacterial Control in Water Treatment and Reuse. Acc. Chem. Res., 52(4): 849-857 (2019).
[35] Kim S.M., Heo H.R., Kim C.S., Shin H.H., Genetically Engineered Bacteriophages as Novel Nanomaterials: Applications Beyond Antimicrobial Agents. Front. Bioeng. Biotechnol., 12: 1319830 (2024).
[36] Kushkevych I., Dordević D., Vítězová M., Rittmann S.K.M., Environmental Impact of Sulfate-Reducing Bacteria, Their Role in Intestinal Bowel Diseases, and Possible Control by Bacteriophages. Appl. Sci., 11(2): 735 (2021).
[37] Eghbalpoor F., Gorji M., Alavigeh M.Z., Moghadam M.T., Genetically Engineered Phages and Engineered Phage-Derived Enzymes to Destroy Biofilms of Antibiotics Resistance Bacteria. Heliyon., 10(15): e35666 (2024).
[38] Rajabi Z., Kermanshahi R., Dallal M.M.S., Erfani Y., Ranjbar R., Isolation of the Bacteriophages Inhibiting the Expression of the Genes Involved in Biofilm Formation by Streptococcus mutans. Jundishapur J. Microbiol., 14(1): 7 (2021).
[39] Rajabi Z., Soltan Dallal M.M., Afradi M.R., Erfani Y., Alinejad D., Ranjbar R., Kasra-Kermanshahi R., Comparison of the Effect of Extracted Bacteriocin and Lytic Bacteriophage on the Expression of Biofilm Associated Genes in Streptococcus mutans. Adv. Mater. Sci. Eng., 2022(1): 5035280 (2022).
[40] Harada L.K., Silva E.C., Campos W.F., Del Fiol F.S., Vila M., Dąbrowska K., Krylov V.N., Balcão V.M., Biotechnological Applications of Bacteriophages: State of the Art. Microbiol. Res., 212: 38-58 (2018).
[41] Gliźniewicz M., Miłek D., Olszewska P., Czajkowski A., Serwin N., Cecerska-Heryć E., Dołęgowska B., Grygorcewicz B., Advances in Bacteriophage-Mediated Strategies for Combating Polymicrobial Biofilms. Fron. Microbiol., 14: 1320345 (2024).
[42] Hanlon G.W., Denyer S.P., Olliff C.J., Ibrahim L.J., Reduction in Exopolysaccharide Viscosity as an Aid to Bacteriophage Penetration through Pseudomonas aeruginosa Biofilms. Appl. Environ. Microbiol., 67(6): 2746-2753 (2001).
[43] Corbin B.D., McLean R.J., Aron G.M., Bacteriophage T4 Multiplication in a Glucose-Limited Escherichia coli Biofilm. Can. J. Microbiol., 47(7): 680-684 (2001).
[44] Zhang G., Guo Z., Liu S., Yang Q., Yuan Y., Guo K., Wang W., Wang H., Feng J., Chen W., Sun Y., Wang S., Bacteriophage Application in Inhibiting Corrosion-Producing Bacteria. BMC Microbiol., 25(1): 241 (2025).
[45] Summer E.J., Liu M., Summer N.S., Gill J.J., Janes C., Young R., Phage of Sulfate Reducing Bacteria Isolated from High Saline Environment. NACE CORROSION, NACE-11222 (2011).
[46] Afshar M.G., Azimi M., Habibi N., Masihi H., Esameilpour M., Batch and Continuous Bleaching Regimen in the Cooling Tower of Montazer Ghaem Power Plant. J. Hazard. Mater. Adv., 11: 100339 (2023).
[47] Eydal H. S., Jägevall S., Hermansson M., Pedersen K., Bacteriophage Lytic to Desulfovibrio aespoeensis Isolated from Deep Groundwater. ISME J., 3(10): 1139-1147 (2009).
[49] Summer N.S., Summer E.J., Process for Remediating Biofouling in Water Systems with Virulent Bacteriophage. Patent number: US8241498B2 (2012).
[50] do Carmo Santos A.J., Dias R.S., Silva J.D., de Paula Sousa M., Clarindo W.R., da Silva C.C., de Paula S.O., Two Marine Sulfur-Reducing Bacteria Co-Culture is Essential for Productive Infection by a T4-Like Escherichia coli-Infecting Phage. Heliyon., 10(18): e37934 (2024).
[51] Sanchez-Rosario R., Garcia J., Rodriguez V., Schug K.A., Hildenbrand Z.L., Bernal R.A., Using Bacteriophages to Treat Resilient Bacteria Found in Produced Water. Water., 16(6): 797 (2024).
[52] Sarat N., Salim A., Pal S., Subhash S., Prasad M., Nair B.G., Madhavan A., Mitigation of Biogenic Methanethiol Using Bacteriophages in Synthetic Wastewater Augmented with Pseudomonas putida. Sci. Rep., 13(1): 19480 (2023).
[53] Pedramfar A., Beheshti Maal K., Mirdamadian S.H., Phage Therapy of Corrosion-Producing Bacterium Stenotrophomonas maltophilia Using Isolated Lytic Bacteriophages. Anti-Corros. Methods Mater., 64(6): 607-612 (2017).
[54] Gino E., Starosvetsky J., Kurzbaum E., Armon R. Combined Chemical-Biological Treatment for Prevention/Rehabilitation of Clogged Wells by an Iron-Oxidizing Bacterium. Environ. Sci. Technol., 44(8): 3123-3129 (2010).
[55] Goldman G., Starosvetsky J., Armon R., Inhibition of Biofilm Formation on UF Membrane by Use of Specific Bacteriophages. J. Membr. Sci., 342(1-2): 145-152 (2009).
[56] Ma W., Panecka M., Tufenkji N., Rahaman M.S., Bacteriophage-Based Strategies for Biofouling Control in Ultrafiltration: In Situ Biofouling Mitigation, Biocidal Additives and Biofilm Cleanser. J. Colloid Interface Sci., 523: 254-265 (2018).
[57] Bhattacharjee A.S., Choi J., Motlagh A.M., Mukherji S.T., Goel R., Bacteriophage Therapy for Membrane Biofouling in Membrane Bioreactors and Antibiotic‐Resistant Bacterial Biofilms. Biotechnol. Bioeng., 112(8): 1644-1654 (2015).
[58] Maji K., Lavanya M., Microbiologically Influenced Corrosion in Stainless Steel by Pseudomonas aeruginosa: An Overview. J. Bio- Tribo-Corros., 10(1): 16 (2024).
[59] Scarascia G., Yap S.A., Kaksonen A.H., Hong P.Y., Bacteriophage Infectivity Against Pseudomonas aeruginosa in Saline Conditions. Front. Microbiol., 9: 875 (2018).
[61] Ji M., Liu Z., Sun K., Li Z., Fan X., Li Q., Bacteriophages in Water Pollution Control: Advantages and Limitations. Front. Environ. Sci. Eng., 15: 1-15 (2021).
[62] Withey S., Cartmell E., Avery L.M., Stephenson T., Bacteriophages—Potential for Application in Wastewater Treatment Processes. Sci. Total Environ., 339(1-3): 1-18 (2005).
[63] Javaherdashti R., Alasvand K., “Biological Treatment of Microbial Corrosion, Opportunities and Challenges”. Elsevier Science (2019).
[64] Ferriol-González C., Domingo-Calap P., Phages for Biofilm Removal. Antibiotics., 9(5): 268 (2020).
[65] Lu T.K., Collins J.J., Dispersing Biofilms with Engineered Enzymatic Bacteriophage. Proc. Natl. Acad. Sci., 104(27): 11197-11202 (2007).
[66] Pei R., Lamas-Samanamud G.R., Inhibition of Biofilm Formation by T7 Bacteriophages Producing Quorum-Quenching Enzymes. Appl. Environ. Microbiol., 80(17): 5340-5348 (2014).
[67] Zhang Y., Hu Z., Combined Treatment of Pseudomonas aeruginosa Biofilms with Bacteriophages and Chlorine. Biotechnol. Bioeng., 110(1): 286-295 (2013).
[69] Yu P., Wang Z., Marcos-Hernandez M., Zuo P., Zhang D., Powell C., Pan A.Y., Villagrán D., Wong M.S. Alvarez P.J., Bottom-Up Biofilm Eradication Using Bacteriophage-Loaded Magnetic Nanocomposites: A Computational and Experimental Study. Environ. Sci.: Nano, 6(12): 3539-3550 (2019).
[70] Jurač K., Nabergoj D., Podgornik A., Bacteriophage Production Processes. Appl. Microbiol. Biotechnol., 103: 685-694 (2019).
[71] Li J., Zhao F., Zhan W., Li Z., Zou L., Zhao Q., Challenges for the Application of Bacteriophages as Effective Antibacterial Agents in the Food Industry. J. Sci. Food Agric., 102(2): 461-471 (2021).
[72] Zuo P., Metz J., Yu P., Alvarez P.J., Biofilm-Responsive Encapsulated-Phage Coating for Autonomous Biofouling Mitigation in Water Storage Systems. Water Res., 224: 119070 (2022).
[73] Anany H., Chen W., Pelton R., Griffiths M.W., Biocontrol of Listeria monocytogenes and Escherichia coli O157: H7 in Meat by Using Phages Immobilized on Modified Cellulose Membranes. Appl. Environ. Microbiol., 77(18): 6379-6387 (2011).
[74] کسرای کرمانشاهی، ر؛ بهرامی بوانی، م؛ علی‌مددی، ن؛ حشمت دهکردی، ا؛ صبائی‌فرد، پ؛ خوردگی میکروبی جلد دوم: نقش باکتری‌های عامل خوردگی در محیط‌های گوناگون، بدن انسان (ایمپلنت‌ها)، محیط زیست (آلاینده‌ها) و کنترل آن‌ها، انجمن خوردگی ایران، (1402).
[75] خانی، مجتبی؛ بهرامی، علی؛ مومنی، وحید، خوردگی میکروبی و روش‌های پیشگیری و کنترل آن با استفاده از پوشش‌ها و عوامل زیستی، مطالعات در دنیای رنگ، 4(4): 3 تا 20 (1393).
[76] Knisz J., Eckert R., Gieg L.M., Koerdt A., Lee J.S., Silva E.R., Skovhus T.L., An Stepec B.A., Wade S.A., Microbiologically Influenced Corrosion—More than Just Microorganisms. FEMS Microbiol. Rev., 47(5): fuad041 (2023).
[77] Zhang H., Zhu S., Yang J., Ma A., Advancing Strategies of Biofouling Control in Water-Treated Polymeric Membranes. Polymers., 14(6): 1167 (2022).
[78] Wang D., Zhou E., Xu D., Lovley D.R., Burning Question: Are There Sustainable Strategies to Prevent Microbial Metal Corrosion? Microb. Biotechnol., 16(11): 2026-2035 (2023).
[79] Agún S., Fernández L., Rodríguez A., García P., Phage Lytic Proteins: A Natural Approach to Agro-Food Safety. Food Sci. Hum. Well., 14 (2024).
[80] Jia Y., Qi B., Zhao J., Guo X., Dong W., Lv X., Dai Z., Yuan Y., Recent Challenges and Research Progress in Microbiologically Influenced Corrosion in Drinking Water Distribution Systems. Environ. Technol. Innov., 38: 104054 (2025).
[81] Dalmora G.P.V., Borges Filho E.P., Conterato A.A.M., Roso W.S., Pereira C.E., Dettmer A., Methods of Corrosion Prevention for Steel in Marine Environments: A Review. Results Surf. Interfaces., 18: 100430 (2025).
[82] Lv X., Wang C., Liu J., Sand W., Nabuk Etim I.I., Zhang Y., Xu A., Duan J., Zhang R., The Microbiologically Influenced Corrosion and Protection of Pipelines: A Detailed Review. Materials., 17(20): 4996 (2024).
[83] Johnstone J.R., Shema S.M., Mitigation of Microbiologically Influenced Corrosion in the Presence of Electromagnetic Field. SPE International Conference on Oilfield Chemistry, Galveston, Texas, USA, April 9-10, D011S002R004 (2025).
[84] Geredew Kifelew L., Mitchell J.G., Speck P., Mini-Review: Efficacy of Lytic Bacteriophages on Multispecies Biofilms. Biofouling., 35(4): 472-481 (2019).
[85] Carneiro C.R., Leite N.N., de Abreu Oliveira A.V., dos Santos Oliveira M., Wischral D., Eller M.R., Machado S.G., de Oliveira E.B., Pena W.E.L., Mathematical Modeling for the Prediction of Biofilm Formation and Removal in the Food Industry as Strategy to Control Microbiological Resistance. Food Res. Int., 2024: 115248 (2024).