离子型表面活性剂改变病毒表面特性及水环境中静电相互作用的研究

本研究针对水环境中病毒与亚抑制浓度表面活性剂的相互作用机制，通过系统评估苯扎氯铵(BAC)和十二烷基硫酸钠(SDS)对包膜病毒(MHV)和非包膜病毒(ADV)的最小抑制浓度(MIC)、等电点(IEP)及水合直径的影响，结合分子动力学模拟揭示SDS通过多价硫酸盐头基与病毒蛋白形成高强度局部相互作用，显著改变病毒表面电性。研究成果为水处理工艺中病毒去除效率的优化提供关键理论依据。

　　

随着工业生产和日用化学品消耗量的急剧增长，表面活性剂在全球范围内的使用量已攀升至每年720万吨，其市场增长率预计在2025年达到20%。这些两亲分子通过生活污水和工业废水进入水环境，在污水处理厂二级出水中的残留浓度通常维持在1-3 mg/L。与此同时，病毒作为水环境中普遍存在的病原体，其在水处理过程中的去除效率直接关系到饮用水安全和水资源回用可行性。

目前的研究多聚焦于高浓度表面活性剂的病毒灭活效果，而对亚抑制浓度（低于最小抑制浓度MIC）下表面活性剂与病毒的相互作用机制认知不足。特别是在实际水环境中，表面活性剂浓度往往低于病毒灭活所需剂量，此时表面活性剂可能通过改变病毒表面特性（如表面电荷、水合直径等），进而影响病毒与过滤介质、消毒剂及其他环境界面的相互作用效率。这一知识缺口对精准预测病毒在水处理系统中的迁移转化行为构成重大挑战。

为系统解析离子型表面活性剂对病毒表面特性的调控机制，美国犹他大学的Makayla Loey等研究人员选取具有典型结构特征的小鼠肝炎病毒（MHV，包膜病毒，ssRNA）和人腺病毒5型（ADV，非包膜病毒，dsDNA）作为模式病毒，以阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）和阳离子表面活性剂苯扎氯铵（BAC）为研究对象，通过多尺度实验与模拟相结合的方法，深入探究了亚抑制浓度表面活性剂对病毒等电点、水合直径及表面蛋白静电环境的影响规律。

本研究主要采用以下关键技术方法：首先通过细胞培养和病毒增殖技术制备高纯度病毒样本；采用动态光散射（DLS）和相分析光散射（PALS）技术测定病毒zeta电位和水合直径；通过稀释法结合qPCR定量分析确定表面活性剂对病毒的最小抑制浓度（MIC）；利用Expasy和EMBOSS生物信息学工具预测病毒表面蛋白等电点；采用CHARMM36m力场进行分子动力学（MD）模拟，解析表面活性剂与病毒 spike 糖蛋白的相互作用模式。

病毒水合直径变化特征

通过动态光散射分析发现，无表面活性剂存在时，MHV和ADV的水合直径分别为150±10 nm和142±8 nm，显著大于文献报道的病毒绝对直径（80-120 nm），这是由于病毒颗粒在溶液中形成双电层导致的典型胶体现象。当加入5-10 mg/L的SDS或BAC后，两种病毒的水合直径均出现显著减小：ADV从142 nm降至109-116 nm（P<0.001），MHV从150 nm降至132-140 nm。这种尺寸缩减现象可能与表面活性剂诱导病毒包膜变薄、表面蛋白剥离或形成更紧凑的熔球态构象有关。

病毒等电点调控规律

zeta电位测定结果显示，无表面活性剂时ADV和MHV的等电点分别为3.8和4.2。加入SDS后，ADV的IEP降至3.0以下，MHV的IEP升至4.16；而BAC使ADV的IEP降至3.3，对MHV的IEP影响则呈现浓度依赖性变化。特别值得注意的是，实验测定的病毒IEP普遍低于基于氨基酸结构的生物信息学预测值（ADV表面蛋白预测IEP为5.1-9.2，MHV为4.4-9.2），这种差异主要源于预测模型未考虑病毒颗粒的三维空间结构对内部电荷基团的屏蔽效应。

最小抑制浓度确定

通过细胞毒性实验和qPCR验证，研究发现SDS和BAC对MHV和ADV的MIC均为1 mg/L（60分钟暴露，室温条件）。这一浓度与污水处理厂出水中的表面活性剂残留浓度相当，表明实际水环境中残留的表面活性剂可能足以抑制病毒增殖。进一步通过DNase/RNase酶解实验证实，该浓度下的表面活性剂不会引起病毒衣壳或包膜的破裂导致核酸释放。

分子相互作用机制解析

分子动力学模拟揭示了SDS和BAC与MHV spike糖蛋白的差异化结合机制：SDS凭借其四价硫酸盐头基与蛋白带正电残基（如R232、R50、R141）形成高强度结合（结合概率最高达63.3%），有效中和蛋白表面正电荷区域；而BAC因苯环位阻效应仅呈现弥散式弱结合（结合概率<1%）。静电势分析显示，SDS使蛋白静电势能从2.39e⁵ kJ/mol降至1.96e⁵ kJ/mol，显著改变病毒蛋白与脂质双层的静电相互作用环境。

本研究通过多尺度实验与模拟相结合的方法，系统阐明了离子型表面活性剂在亚抑制浓度下对病毒表面特性的调控机制。研究发现表面活性剂可通过改变病毒等电点和水合直径，显著影响其在水环境中的界面行为；分子水平上揭示的SDS多价结合优势为设计高效病毒抑制剂提供新思路。研究成果不仅深化了对病毒-表面活性剂相互作用机制的理解，更为水处理工艺优化、环境病毒传播风险评估以及抗病毒材料设计提供了重要的理论依据和数据支撑。特别值得关注的是，研究中发现的生物信息学预测与实验测量值之间的系统性差异，提示未来病毒表面特性研究需更加注重实际环境条件下的实验验证。