一種光催化水泥砂漿的抗菌性能研究★

譚 亞 云

(寧夏大學(xué)，寧夏 銀川 750021)

一種光催化水泥砂漿的抗菌性能研究★

譚 亞 云

(寧夏大學(xué)，寧夏 銀川 750021)

選擇大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠球菌作為試驗(yàn)用菌，在自然光照條件下，按照《納米無(wú)機(jī)材料抗菌性能檢測(cè)方法》，對(duì)一種粉末(納米TiO2機(jī)械混晶體)料漿法制備的光催化水泥砂漿和基準(zhǔn)配合比水泥砂漿分別進(jìn)行了抗菌試驗(yàn)，結(jié)果表明:基準(zhǔn)配合比水泥砂漿沒有抗菌效果；隨接觸時(shí)間延長(zhǎng)，光催化水泥砂漿對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抗菌率能達(dá)到95%以上，但對(duì)白色念珠球菌沒有抗菌效果；機(jī)械混晶效應(yīng)存在。

水泥砂漿，光催化，納米TiO2機(jī)械混晶體

1 概述

近年來(lái)，“霧霾”攜帶1 300多種不同類型的微生物侵入了我們的正常生活，成為人們談?wù)摰母哳l詞。霧霾不僅能對(duì)呼吸系統(tǒng)造成威脅，致病細(xì)菌和病毒也會(huì)搭著“順風(fēng)車”進(jìn)入人體，高致病率的報(bào)道在受污染地區(qū)頻頻出現(xiàn)。頻繁的霧霾和高致病率使人們認(rèn)識(shí)到環(huán)境治理的緊迫性，尋找一種新的技術(shù)來(lái)有效治理環(huán)境污染迫在眉睫。

光催化技術(shù)是直接利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的一種深度氧化技術(shù)，可以將有機(jī)物徹底礦化分解，甚至對(duì)高毒性或人工合成有機(jī)物有著良好的去除效果，而且具有除凈度高、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，這是傳統(tǒng)的物化及化學(xué)氧化技術(shù)所無(wú)法比擬的，也是新興的生物處理方法所無(wú)能為力的[1]。在常見的光催化劑中，TiO2以其高活性、低成本、無(wú)毒、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出。

本文選擇大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠球菌作為試驗(yàn)用菌，在自然光照條件下，按照GB/T 21510—2008納米無(wú)機(jī)材料抗菌性能檢測(cè)方法，對(duì)一種粉末(納米TiO2機(jī)械混晶體)料漿法制備的光催化水泥砂漿和基準(zhǔn)配合比水泥砂漿分別進(jìn)行抗菌試驗(yàn)，并對(duì)光催化水泥砂漿的抗菌性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 試驗(yàn)

2.1 材料和設(shè)備

1)實(shí)驗(yàn)室自制銳鈦礦型納米TiO2粉末；金紅石型TiO2粉末平均粒徑400 nm(R215，中核華原鈦白有限公司)。本文試驗(yàn)中采用的光催化功能組分——納米TiO2機(jī)械混晶體，由銳鈦礦型納米TiO2粉末和金紅石型TiO2粉末按質(zhì)量分?jǐn)?shù)1∶4進(jìn)行機(jī)械混合。

2)水泥采用早強(qiáng)硅酸鹽水泥(P.O42.5R，寧夏賽馬實(shí)業(yè)股份有限公司)；砂采用山砂(寧夏鎮(zhèn)北堡)，細(xì)度模數(shù)3.0，中砂，表觀密度2.60 g/cm3，堆積密度1.50 g/cm3，含泥量(1.5%)≤2%；水采用自來(lái)水。

3)試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)菌種。選擇大腸桿菌(escherichia coli)ATCC6538、金黃色葡萄球菌(staphylococcus aureus)ATCC25922、白色念珠球菌(candida albicans)ATCC10231作為試驗(yàn)用菌，其中大腸桿菌屬革蘭氏陰性細(xì)菌，金黃色葡萄球菌屬革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌，白色念珠球菌是一種真菌，三種菌均具有較強(qiáng)的存活力[2]，以上菌種均由寧夏大學(xué)西部特色生物資源保護(hù)與利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供。

4)培養(yǎng)基及試劑。

a.普通營(yíng)養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基(北京陸橋 貨號(hào)BR250G)。蛋白胨10 g，牛肉膏5 g，氯化鈉5 g，蒸餾水1 000 mL，調(diào)pH值至7.2～7.4，以121 ℃高壓蒸汽滅菌20 min。用途：大腸桿菌和金黃色葡萄球菌增菌培養(yǎng)。

b.普通營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基(北京陸橋，貨號(hào)CM107)。蛋白胨10 g，牛肉膏5 g，氯化鈉5 g，瓊脂20 g，蒸餾水1 000 mL，調(diào)pH值至7.2～7.4，以121 ℃高壓蒸汽滅菌20 min。用途：大腸桿菌和金黃色葡萄球菌培養(yǎng)。

c.沙堡氏瓊脂培養(yǎng)基(Difco，貨號(hào)242820)。蛋白胨10 g，葡萄糖40 g，瓊脂20 g，蒸餾水1 000 mL，調(diào)pH值至5.4～5.8，以115 ℃高壓蒸汽滅菌30 min。用途：白色念珠球菌的培養(yǎng)。

d.含0.1%(體積分?jǐn)?shù))吐溫-80的磷酸鹽緩沖液(PBS，0.03 mol/L，pH=7.2～7.4)。磷酸氫二鈉(Na2HPO4，無(wú)水)2.83 g，磷酸二氫鉀(KH2PO4)1.36 g，非離子表面活性劑吐溫-80 1.0 g，蒸餾水1 000 mL，以121 ℃高壓蒸汽滅菌20 min。用途：菌液和試驗(yàn)樣本的稀釋。

5)試驗(yàn)設(shè)備。數(shù)顯磨砂、分散、攪拌多用機(jī)(SFJ-400，上?，F(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)有限公司)；A2型二級(jí)生物安全柜、恒溫振蕩培養(yǎng)箱(THZ-98A，上海一恒科技有限公司，300 r/min)、恒溫培養(yǎng)搖床(KYC-1102C，上海浦東物理光學(xué)儀器廠)、全自動(dòng)高壓蒸汽滅菌鍋(SX-700 TOMY )、電熱恒溫干烤箱(0 ℃～250 ℃)、冷藏冰箱、天平(感量0.001 g)。

6)試驗(yàn)器材。三角燒瓶(容量為500 mL,250 mL,150 mL)、平皿(直徑為90 mm)、試管(18 mm×180 mm)、量筒(100 mL)、吸管(10 mL,5 mL,1 mL)、酒精燈、試管架等。

2.2 試驗(yàn)方法及步驟[3]

根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21510—2008納米無(wú)機(jī)材料抗菌性能檢測(cè)方法附錄C——材料抗菌性能試驗(yàn)方法(貼膜法)進(jìn)行試驗(yàn)。

1)制備菌種斜面。

a.菌種活化。取干菌種管，在無(wú)菌操作下打開，以毛細(xì)吸管加入適量營(yíng)養(yǎng)肉湯，輕柔吹吸數(shù)次，使菌種融化分散。取含5.0 mL～10.0 mL營(yíng)養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基試管，滴入少許菌種懸液，置于(37±1)℃培養(yǎng)18 h～24 h。

b.分離。用接種環(huán)取第一代培養(yǎng)的菌懸液，劃線接種于營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基平板上，置于(37±1)℃培養(yǎng)18 h～24 h。其中，大腸桿菌、金黃色葡萄球菌：用接種環(huán)取第一代培養(yǎng)的菌懸液，劃線(四區(qū))接種于營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基平板上，37 ℃培養(yǎng)18 h～24 h；白色念珠球菌：用接種環(huán)取第一代培養(yǎng)的菌懸液，劃線(四區(qū))接種于沙堡氏培養(yǎng)基平板上，25 ℃培養(yǎng)18 h～24 h。

c.純化。選取上述第二代培養(yǎng)物中的典型菌落，接種于營(yíng)養(yǎng)瓊脂斜面后，置于(37±1)℃培養(yǎng)18 h～24 h，即為第三代培養(yǎng)物。其中，對(duì)于大腸桿菌、金黃色葡萄球菌，選取典型單菌落，接種于營(yíng)養(yǎng)瓊脂斜面上，37 ℃培養(yǎng)18 h～24 h；對(duì)于白色念珠球菌，選取典型單菌落，接種于沙堡氏斜面上，37 ℃培養(yǎng)18 h～24 h。

d.菌種保藏。將菌種接種于營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基斜面上，置于(37±1) ℃培養(yǎng)24 h后，在0 ℃～5 ℃下保藏備用(不超過1個(gè)月)。

2)制備覆蓋膜。覆蓋膜采用聚乙烯薄膜，尺寸為40 mm×40 mm，厚度為0.05 mm～0.10 mm。

3)制備對(duì)照樣本。對(duì)照樣本用衛(wèi)生級(jí)高密度聚乙烯(HDPE)注塑成型，標(biāo)準(zhǔn)尺寸為50 mm×50 mm，厚度不大于5 mm，本身不具有抗菌作用且對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的判定無(wú)影響。

4)制備試驗(yàn)組樣本。

a.配制納米TiO2混晶體漿液。稱量3 g納米TiO2混晶體粉末，與占混晶體粉末0.5%的分散劑溶于1 L水中，并緩慢倒入稱量好的混晶體粉末，利用數(shù)顯磨砂、分散、攪拌多用機(jī)低速(200 r/min)攪拌40 min。

b.制備基準(zhǔn)配合比水泥砂漿和光催化水泥砂漿試驗(yàn)樣本。基準(zhǔn)配合比水泥砂漿：按水灰比0.5，水泥∶砂=1∶3(質(zhì)量分?jǐn)?shù))制備，控制厚度在5 mm以內(nèi)，初凝前用刀將砂漿按50 mm×50 mm切出縫隙，然后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

光催化水泥砂漿：在基準(zhǔn)配合比水泥砂漿試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)，在每塊試驗(yàn)樣本表面噴涂混晶體漿液25 mL，繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后備用。

5)樣本的預(yù)處理。取70%乙醇溶液對(duì)對(duì)照樣本表面進(jìn)行消毒處理，消毒5 min后用無(wú)菌蒸餾水沖洗，自然干燥后用無(wú)菌蒸餾水沖洗，置于超凈工作臺(tái)上，采用紫外燈照射，正反面各滅菌20 min。

6)制備菌懸液。取第三代～第八代菌種的營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基斜面18 h～24 h的新鮮培養(yǎng)物，用吸管吸取3.0 mL～5.0 mL濃度為0.03 mol/L磷酸鹽緩沖液加入斜面試管內(nèi)，反復(fù)吸吹，洗下菌苔，然后，將洗下的菌液移至另一試管，用振蕩器混勻后，用緩沖液稀釋至濃度105cfu/mL，試驗(yàn)時(shí)，細(xì)菌繁殖體懸液應(yīng)在4 ℃冰箱內(nèi)保存?zhèn)溆们也坏贸^4 h。

7)接種菌液并做菌落計(jì)數(shù)。取濃度為105cfu/mL的菌懸液各0.5 mL分別滴加接種于50 mm×50 mm的對(duì)照樣本和試驗(yàn)樣本表面并鋪平，使菌液均勻接觸樣本，每個(gè)樣本做3個(gè)平行樣。用滅菌鑷子將覆蓋膜分別蓋在樣本表面，不得有氣泡，試驗(yàn)溫度為(37±1)℃，相對(duì)濕度為90%，接觸培養(yǎng)4 h后，用9.5 mL稀釋液分別將對(duì)照樣本和試驗(yàn)樣本表面的菌液沖洗到滅菌的平皿中，混合均勻后按1∶10做10倍稀釋，然后選1個(gè)～2個(gè)適宜菌液濃度，各取0.1 mL做菌落數(shù)計(jì)數(shù)，每個(gè)稀釋度接種營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基3個(gè)，于37 ℃恒溫箱中培養(yǎng)24 h觀察結(jié)果，并按下式計(jì)算抗菌率R：

其中,R為抗菌率，%；A為對(duì)照樣本與受試菌接觸一定時(shí)間后平均回收菌數(shù)，cfu/mL；B為試驗(yàn)樣本與受試菌接觸一定時(shí)間后平均回收菌數(shù)，cfu/mL。

8)按照以上方法重復(fù)做3組。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 光催化水泥砂漿抗菌試驗(yàn)結(jié)果

光催化水泥砂漿抗菌試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖可知，在光照條件下，光催化水泥砂漿對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有抗菌效果，但對(duì)白色念珠球菌沒有抗菌效果，菌落數(shù)明顯增加。

按試驗(yàn)步驟重復(fù)試驗(yàn)3組，光催化水泥砂漿對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 光催化水泥砂漿抗菌試驗(yàn)菌落計(jì)數(shù)及抗菌率計(jì)算結(jié)果

3.2 基準(zhǔn)配合比水泥砂漿抗菌試驗(yàn)結(jié)果

基準(zhǔn)配合比水泥砂漿抗菌試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖可知，接觸培養(yǎng)后基準(zhǔn)配合比水泥砂漿菌落數(shù)明顯增加，說明在自然光照條件下，未摻加混晶體的基準(zhǔn)配合比水泥砂漿沒有抗菌效果，

病菌在接觸培養(yǎng)后有明顯的增殖現(xiàn)象，也同樣證明了光催化水泥砂漿具有抗菌性能。

后續(xù)試驗(yàn)中，將接觸樣本挪至光照充足的窗口，并延長(zhǎng)了接觸時(shí)間，結(jié)果表明，在接觸8 h后，光催化水泥砂漿對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率均達(dá)到95%以上。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在自然光照條件下，光催化水泥砂漿對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有抗菌效果，但在短時(shí)間內(nèi)不明顯。

2)在自然光照條件下，光催化水泥砂漿能表現(xiàn)出抗菌效果，說明機(jī)械混晶效應(yīng)能夠提高納米TiO2的光催化性能，機(jī)械混晶體能夠用于光催化建筑材料的制備，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

3)生物學(xué)中的抗菌素對(duì)病菌的殺滅作用是通過“犧牲”自身來(lái)實(shí)現(xiàn)的，就是說，當(dāng)抗菌素與細(xì)菌發(fā)生抗菌反應(yīng)時(shí)，因初始濃度大，在反應(yīng)初期會(huì)表現(xiàn)出明顯的抗菌效果，但是如果在參與反應(yīng)的抗菌素濃度下降過程中抗菌率不能達(dá)到100%，那么細(xì)菌會(huì)迅速繁殖，這時(shí)只有靠增加抗生素用量來(lái)實(shí)現(xiàn)持續(xù)的抗菌效果。對(duì)光催化抗菌反應(yīng)而言，只通過增加光照強(qiáng)度和延長(zhǎng)光照時(shí)間，就可以有效將光催化水泥砂漿的抗菌率提高到95%以上，說明作為催化劑，納米TiO2混晶體沒有參與反應(yīng)，反應(yīng)前后沒有消耗，可以獲得持久的抗菌效果。

[1] 黃顯懷，唐玉朝.TiO2光催化技術(shù)及其在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用[M].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2013：3-7.

[2] 尹曉敏.摻雜型納米二氧化鈦粉體的抗菌性能研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)碩士論文，2006.

[3] GB/T 21510—2008，納米無(wú)機(jī)材料抗菌性能檢測(cè)方法[S].

Study on antibacterial properties of a kind of photocatalytic cement mortar★

Tan Yayun

(NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China)

Escherichia coli, staphylococcus aureus, candida albicans bacteria were used as test bacteria. Under natural light conditions, in accordance with theAntibacterialPropertiesofNanoInorganicMaterialTestMethod, the antibacterial test was done in the photocatalytic cement mortar and the reference cement mortar through nano-TiO2mechanical mixed crystals powder slurry method. Results showed that, the reference concrete had no antibacterial effect. With longer contact culture time, the antibacterial rate of photocatalytic cement mortar could reach more than 95% for escherichia coli and staphylococcus aureus, but it had no antimicrobial effect for candida albicans bacteria, and the mechanical mixed crystal effect was existent.

cement mortar, photocatalytic, nano-TiO2mechanical mixed crystals

1009-6825(2015)30-0107-03

2015-08-18★：寧夏高等學(xué)校科研項(xiàng)目“光催化混凝土的制備及其抗菌性能研究”

譚亞云(1980- )，男，博士，講師

TU521

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