本方案描述了使用切向流中空纤维超滤样品浓缩系统和热解离步骤,作为采用美国环保署方法1623检测水中隐孢子虫(Cryptosporidium)和贾第虫(Giardia)物种的替代方法。
方法文章
本方案描述了使用切向流中空纤维超滤样品浓缩系统和热解离步骤,作为采用美国环保署方法1623检测水中隐孢子虫(Cryptosporidium)和贾第虫(Giardia)物种的替代方法。
Cryptosporidium 和 Giardia 是全球引起水源性腹泻疾病暴发的两种最常见原生动物。为了更准确地评估这些病原体的流行情况,美国环保署(EPA)开发了方法 1623,并用于监测美国饮用水供应中这些生物体的水平12。该方法包括三个主要步骤:第一步为样品浓缩,需至少过滤 10 L 的原始地表水;随后将滤膜上截留的生物体和杂质洗脱,并通过离心进一步浓缩样品。第二步采用免疫磁分离程序,将浓缩后的水样加入免疫磁珠中,这些磁珠可特异性结合 Cryptosporidium 卵囊和 Giardia 包囊,从而从浓缩的杂质中特异性分离出寄生虫。接着通过酸解过程将这些(卵)囊从磁珠上解离下来。方法的最后一步是免疫荧光染色与计数,即将(卵)囊滴加到载玻片上,染色后在显微镜下进行观察和计数。
方法1623列出了四种样品浓缩系统用于捕获 隐孢子虫 卵囊和 贾第虫 水中的包囊:Envirochek 滤器(Pall Corporation,Ann Arbor,MI)、Envirochek HV 滤器(Pall Corporation)、Filta-Max 滤器(IDEXX,Westbrook,MA)或连续流动离心法(Haemonetics,Braintree,MA)。然而 隐孢子虫 和 贾第虫 (oo)囊孢子的回收率因水源基质和所用滤膜的不同而存在显著差异1,14一种新型切向流中空纤维超滤(HFUF)系统最近被证明在回收方面更高效、更稳定 隐孢子虫 卵囊 和 贾第虫 来自不同水体基质的包囊;此外,它比其他胶囊滤器更经济,并可同时浓缩多种病原体1-3,5-8,10,11此外,Hill 及其同事先前的研究表明,HFUF 显著改善了 隐孢子虫 卵囊回收率与Envirochek HV滤膜直接比较4此外,已有研究报道对现有方法进行其他改进以提升方法性能。用热解离替代酸解离步骤被证明在分离效果上更佳 隐孢子虫 从某些基质的磁珠中9,13 .
本方案描述了一种改进的1623方法,该方法采用新型HFUF过滤系统并结合加热解离步骤。与当前美国环保署方法1623的过滤选项相比,此改进方法中使用HFUF成本更低,且通过允许同时浓缩多种生物体而提供了更大的灵活性。
1. 切向流中空纤维超滤步骤
2. 免疫磁珠分离步骤
3. 染色与观察
注意:有关原始步骤的更多信息可参见2005年12月版的美国环保署方法162312。本文所述的切向流中空纤维超滤步骤用于替代EPA方法1623的第12.0节。热解离步骤对EPA方法1623的第13.3.3节进行了修改。本方法还描述了在免疫磁性分离(IMS)过程中增加一次PBS冲洗步骤,该步骤可插入2005年12月版方法1623的第13.3.2.16节之后。包含上述修改内容在内的EPA方法1623所用全部耗材、试剂和设备清单见设备列表。
4. 典型结果
Cryptosporidium 卵囊和通过过滤与免疫磁分离过程回收的Giardia 囊肿通过显微镜分析进行检测。在总放大倍数200倍下,对每种呈现典型染色模式、大小和形状的生物体(如图2所示)应进一步使用油浸镜在总放大倍数1000倍下观察。这将有助于测量并识别典型特征或可排除阳性鉴定的非典型特征。Cryptosporidium 为椭圆形至球形结构,直径为4至6 μm,呈现明亮的苹果绿色FITC荧光,边缘显著发亮(图3A)。使用DAPI紫外荧光时,卵囊会表现出以下典型特征类别之一:内部呈浅蓝色染色并带有绿色边缘但无明显细胞核(DAPI阴性)、内部呈强蓝色染色,或具有最多四个清晰的天蓝色细胞核(DAPI阳性——图3B)。非典型特征包括颜色、结构或DAPI荧光的异常(例如,染色细胞核过多,内部结构呈红色荧光)。若荧光物体符合典型的FITC和DAPI染色标准,则需通过微分干涉差(DIC)显微镜进一步检查。检查该物体是否存在非典型的外部或内部形态学特征,例如细胞壁装饰结构,或一个或两个大细胞核充满整个细胞。若未观察到非典型结构,则将该物体计入总IFA计数,并归类为空的无定形结构,或含有一个至四个子孢子的结构(图3C)。类似地,对疑似Giardia 的物体也需依据其FITC和DAPI染色特性以及DIC特征(如轴丝、中体和细胞核)进行检查。Giardia 囊肿为圆形至椭圆形、明亮苹果绿色的物体,长8–18 μm,宽5–15 μm,边缘显著发亮(图3D)。使用DAPI紫外荧光时,Giardia 囊肿可表现为DAPI阴性染色或DAPI阳性特征(图3E)。该荧光物体以与Cryptosporidium 相同的方式通过DIC检查其典型与非典型特征。若未观察到非典型特征,则将该物体计入总IFA计数,并归类为含有无定形结构的空囊,或含有一个或多种内部结构的囊(图3F)。
观察到具有非典型特征的任何生物体均不应计为(卵)囊。环境样品的显微镜分析可能具有挑战性,因为某些生物体会自发荧光,或与FITC标记的抗Cryptosporidium和/或抗Giardia抗体发生交叉反应1。建议分析人员熟悉水生微生物,并通过观察数十张载玻片积累识别Cryptosporidium和Giardia的经验。每次显微镜操作前,应先对阳性染色对照片上的至少三个(卵)囊进行特征鉴定。
可通过向质量控制样品中添加(卵)囊肿,利用以下计算公式确定每种原生动物的回收率百分比:
(卵)囊肿回收率百分比 = ((QC 样品计数 - 未添加样品计数)/ 添加量)× 100。

图 1. 切向流中空纤维超滤系统的示意图。管道采用颜色编码,以辅助系统组装。

图2. Cryptosporidium 和 Giardia (卵)囊合子的代表性荧光图像。Cryptosporidium 卵囊和 Giardia 囊合子使用FITC标记的抗Cryptosporidium/Giardia 抗体进行染色。箭头所示为Giardia 囊合子;箭头尖端所示为Cryptosporidium 卵囊。在焦平面共观察到四个Cryptosporidium 卵囊和六个Giardia 囊合子。样品在200倍放大倍数下观察。

图3. 用于表征的Cryptosporidium卵囊和Giardia包囊的代表性显微图像。Cryptosporidium卵囊(A - C)。直径为4至6 μm的球形结构呈现明亮的苹果绿色FITC荧光,边缘显著亮染(A),内含最多四个 distinct 的天蓝色DAPI染色细胞核(B),以及每个卵囊内含有一至四个子孢子(S)(C)。Giardia包囊(D - F)。呈圆形至卵圆形、大小为长8 - 18 μm、宽5 - 15 μm的结构呈现明亮的苹果绿色FITC荧光,边缘显著亮染(D),内含最多四个天蓝色DAPI染色细胞核(E),并具有一种或多种可辨别的内部结构,如细胞核(N)、中体(M)和/或轴丝(A)(F)。白色箭头:显示Cryptosporidium卵囊和Giardia包囊壁的明亮苹果绿色荧光染色;白色箭头头:DAPI阳性细胞核。样品在1000倍放大倍数下观察。
切向流中空纤维超滤是一种从水中初步浓缩Cryptosporidium oocysts和Giardia包囊的有效替代技术。中空纤维超滤的成本低于传统滤器。由于该方法能够从多种不同类型的水基质中浓缩Cryptosporidium卵囊和Giardia包囊,因此可作为美国环保署方法1623现行过滤技术的一种有效替代方案。与其他大多数过滤方法一样,中空纤维超滤在处理极高浊度样品时容易发生膜污染。滤膜污染会导致水压升高,因此建议在过滤过程中持续监测压力。除Cryptosporidium卵囊和Giardia包囊外,研究已表明中空纤维超滤还能够浓缩细菌和病毒1-3,5,8。本方法所述的中空纤维超滤可用于在单个样品中同时浓缩多种微生物。值得注意的是,在浓缩过程中获得200至250 ml之间的终体积是关键的最后步骤,以避免因额外离心步骤而导致(卵)囊丢失(步骤2.2)。然而,若允许瓶中液体体积过低,则可能对回收率产生不利影响,因为液体量不足将无法将所有卵囊或包囊完全压入截留液收集瓶中。因此,建议将终体积维持在200至250 ml之间。
热解离是方法1623中酸解离步骤的替代方案。研究表明,该替代步骤在从河流水或试剂水中分离时,可提高隐孢子虫(Cryptosporidium)卵囊的回收率,并降低方法的变异程度9。酸解离与热解离方法的并行比较显示,使用热解离将生物体从免疫磁珠上解离下来,可使隐孢子虫(Cryptosporidium)和贾第虫(Giardia)的平均回收率更高。此外,采用热解离处理的样品在隐孢子虫(Cryptosporidium)和贾第虫(Giardia)回收方面的精密度优于酸解离9。
采用HFUF作为浓缩步骤,能够浓缩多种生物体,因而提供了更大的灵活性。此外,与当前方法1623的过滤选项相比,它是一种成本较低的替代方案。
本研究由美国环境保护署(United States Environmental Protection Agency)通过其研究与发展办公室,与地下水与饮用水办公室的技术支持中心合作资助。所有工作均在美国环保署位于俄亥俄州辛辛那提的现场完成。尽管本文所描述的信息全部或部分由美国环境保护署根据与肖环境与基础设施公司(Shaw Environmental and Infrastructure, Inc)签订的合同(合同编号 EP-C-06-031)资助,但其内容不一定反映该机构的观点,不应推断出任何官方认可。本文已经过该机构审查并批准发表。
我们感谢Ann Grimm和Michael Zimmerman对本文稿的审阅,以及Doug Hamilton提供的技术支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
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| 离心机瓶架 | Fisher Scientific | 05-663-103 | |
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| 一次性漏斗 | Cole-Parmer | U-6122-10 | |
| 洗瓶 | Cole-Parmer | U-06252-40 | |
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| 水平转子 | 贝克曼库尔特公司 | ARIES SX4750 | |
| 用于250 ml锥形管的离心机转子适配器 | 贝克曼库尔特公司 | 349849 | |
| 200 μ大口径移液器吸头 | Fisher Scientific | 02-707-134 | |
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| 计时器 | VWR 国际公司 | 23609-202 | |
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| 1 ml 移液管 | VWR 国际公司 | 53283-700 | |
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| 1000 μ移液器 &和相应的屏障吸头 | Gilson, Inc. | P1000/DF1000ST | |
| 100 μ移液器 &和相应的屏障提示 | Gilson, Inc. | P100/DF100ST | |
| 9 英寸巴斯德吸管 | VWR 国际公司 | 14672-412 | |
| Dynal MPC-S 磁力架 | IDEXX | 12020D | |
| 涡旋混合 | VWR 国际公司 | 14216-188 | |
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| 加热块 | Fisher Scientific | 11-718-2 | |
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| 10 μ移液器 &和相应的屏障吸头 | Gilson, Inc. | P10 & DF10ST | |
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