納米材料抗菌性能的研究

納米材料抗菌性能的研究

主要研究納米材料應用和固體廢物處理。

王帆1，2，鄭先哲1

(1.東北農業(yè)大學農業(yè)工程學院，哈爾濱 150030； 2.大連大學環(huán)境與化學工程學院，遼寧 大連 116622)

摘要：基于納米材料的抗菌特性，采用納米沸石銀和納米沸石鋅作為抗菌材料，研究其對垃圾堆肥樣品的抑菌效果。研究結果如下：2種納米材料均具有抗菌作用。從同一菌液濃度的抑菌圈大小看，納米沸石-Ag對細菌的抑制效果優(yōu)于納米沸石-Zn，這2種材料的抑菌圈大小均隨著菌液稀釋度的增大而增大；納米沸石-Ag的最小抑菌濃度為3 mg/mL，最大殺菌濃度為28 cfu/mL。而納米沸石-Zn的最小抑菌濃度為0.5 mg/mL，最大殺菌濃度為0.28 cfu/mL。納米復合沸石的質量濃度越高，作用時間越長，抑菌效果越好。綜合比較，納米沸石-Ag抑菌效果優(yōu)于納米沸石-Zn。

關鍵詞：納米沸石銀；納米沸石鋅；堆肥；抗菌

0引言

納米抗菌材料是在納米技術出現(xiàn)后，將抗菌劑通過一定的方法和技術制備成納米級抗菌劑，再與抗菌載體通過一定的方法和技術制備而成的具有抗菌功能的材料。隨著近幾年對納米抗菌劑、載體及制備方法的廣泛研究，納米抗菌材料的種類愈來愈豐富多彩，制備方法趨于成熟，應用領域也愈來愈廣[1]。

目前，納米抗菌材料作為一種新型的抗菌劑，其抗菌的廣譜性和高效性等優(yōu)點被越來越多地認識，市場上已經(jīng)出現(xiàn)抗菌陶瓷、抗菌涂料及抗菌織物等納米抗菌產品[2-3]。關于金屬離子納米材料的抑菌機理存在2種假說：酶阻斷說、活性氧說[4-6]，尚無定論。而前者是由于金屬離子與細菌細胞接觸時穿透細胞膜，與細菌中巰基(-SH)反應，使細菌的蛋白凝固，從而破壞細胞合成酶的活性，使細菌失去增殖能力而死亡，這個過程中還存在著一個緩釋過程。后者則認為是金屬離子激活環(huán)境中的氧，產生自由基，氧化菌體從而使其死亡。為觀察不同納米材料的抗菌效果，本實驗選取納米沸石銀和納米沸石鋅作抗菌劑，綜合性評價其抑菌效果[7]。

1實驗材料與方法

1.1實驗材料

納米Y沸石[8-9]和堆肥樣品。

1.2實驗方法

1.2.1納米復合沸石的制備

分別稱取納米Y沸石粉末12.5 g，加入一定質量濃度的AgNO3溶液25 mL和ZnCl2溶液50 mL，pH值為6～8，在一定溫度下振蕩5 h，使其充分進行離子交換，然后離心分離，用蒸餾水洗滌至洗液中無Ag+、Zn2+離子，洗后的沸石在80～90℃條件下烘干[10]。

1.2.2納米復合沸石的抑菌試驗

1)菌液的制備[2]。

2)抑菌圈試驗[10]。

3)最小抑菌濃度(MIC)的測定：將不同質量的納米沸石銀和納米沸石鋅及一定量的濃度為280 cfu/mL的菌懸液(稀釋度為10-6)混入一定量液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)。取培養(yǎng)液0.2 mL，將其涂布到細菌總數(shù)平板上培養(yǎng)，以不長菌的最低質量濃度為最小抑菌濃度(MIC)，同時作對照試驗。

4)最大殺菌濃度(MBC)的測定：取一定稀釋度的堆肥試驗樣品稀釋液，其中分別加入上述實驗測定的最小抑菌質量的納米復合銀沸石和納米復合鋅沸石，接種加到一定量的液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)，然后取培養(yǎng)液0.2 mL，涂布到營養(yǎng)瓊脂平板上培養(yǎng)。以不長菌的最低濃度為最大殺菌濃度(MBC)，同時作對照試驗。

5)質量濃度及作用時間與抑菌率的關系。以堆肥試驗樣品稀釋液作為受試菌株，選抑菌納米材料一定質量濃度的3個質量濃度梯度作為試驗質量濃度，在作用2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h、14 h的時間點上，取0.2 mL混合液涂布在相應的固體培養(yǎng)基上，測定作用時間和抑菌率的關系。統(tǒng)計各個平板上的菌落數(shù)并計算出各個時間點下不同質量濃度的納米沸石銀和納米沸石鋅的抑菌率。

2試驗結果與分析

2.12種納米材料對堆體中細菌的抑菌圈試驗

由表1可以看出，2種納米復合沸石對堆肥中細菌均產生較為明顯的抑菌圈，說明其對堆肥中細菌都有較好的抑菌效果。而僅從納米復合沸石對同一稀釋度菌液的抑菌圈大小看，納米沸石-Ag對細菌的抑制效果優(yōu)于納米沸石-Zn。這2種材料的抑菌圈大小均隨著菌液濃度的減小而增大。菌液濃度由2.8×104cfu/mL變?yōu)?.8×102cfu/mL時，納米沸石-Ag抑菌圈由21 mm增加至33 mm，納米沸石-Zn由16 mm增至23 mm，這一結果同時說明納米沸石-Ag的抑菌能力較納米沸石-Zn強。

表1　納米Y-Ag沸石、納米Y-Zn沸石抑菌圈試驗結果

2.22種納米復合沸石最小抑菌濃度的確定

由表2可以看出，當菌液濃度為2.8×102cfu/mL時，納米沸石-Ag對堆肥中細菌的最小抑菌濃度為3 mg/mL，納米沸石-Zn對堆肥中細菌的最小抑菌濃度為5 mg/mL。表明了納米沸石-Ag對細菌的抑菌能力強于納米沸石-Zn。

表2　納米沸材料對受試菌最小抑菌濃度的測定結果

注：“+”表示有菌落出現(xiàn)，“-”表示無菌落出現(xiàn)。

2.32種納米復合沸石最大殺菌濃度的確定

根據(jù)上述試驗得到的最小抑菌濃度，選取納米沸石(3 mg/mL)及納米沸石-Zn(5 mg/mL)測定其最大殺菌濃度。結果見表3。

表3　納米沸石材料對受試菌最大殺菌濃度的測定結果

注：“+”表示有菌落出現(xiàn)，“-”表示無菌落出現(xiàn)

由表3得，納米沸石-Ag對細菌的最大殺菌濃度為28 cfu/mL(即稀釋度為10-7)，當菌液濃度小于28 cfu/mL時，培養(yǎng)基上并沒有出現(xiàn)菌落，即培養(yǎng)液中的細菌已經(jīng)被殺滅。而納米沸石-Zn對細菌的最大殺菌濃度為0.28 cfu/mL(即稀釋度為10-9)。測定結果同樣可以表明納米沸石-Ag對細菌的抑菌能力強于納米沸石-Zn。

同比類似試驗[1]，納米復合沸石最大殺菌濃度偏小，這可能是由于試驗中選取混菌而非特定單一菌作為受試菌種或者所采用的抑菌材料不同而導致的。

2.42種納米復合沸石的質量濃度及作用時間與抑菌率的關系

在菌液濃度為2.8×102cfu/mL條件下進行的不同質量濃度及作用時間的2種復合沸石與抑菌率關系的試驗結果如圖1～2所示。

由圖1～2可以看出，在同一質量濃度的作用下，隨著作用時間的增加，2種納米沸石的抑菌率都呈現(xiàn)增長的趨勢。當納米沸石-Ag和納米沸石-Zn質量濃度分別為2 mg/mL、5 mg/mL時抑菌率增幅最大(43%、41%)。同時在2種納米復合沸石質量濃度相同的情況下，作用時間越長，抑菌率越高。在相同的作用時間下，不同質量濃度的2種納米沸石抑菌率也是不同的，會隨著抑菌劑質量濃度的增加而增加，最大增幅發(fā)生都在作用時間為4 h后，分別達到18%、33%。即抑菌劑質量濃度越高、作用時間越長，抑菌率越高，也就是殺菌效果越好。

圖1　不同質量濃度及作用時間下納米沸石-Ag細菌的抑菌率

圖2　不同質量濃度及作用時間下納米沸石-Zn細菌的抑菌率

圖1和圖2進行比較可知在作用時間為2 h時，各質量濃度的納米沸石-Ag就表現(xiàn)出比相應質量濃度納米沸石-Zn明顯的抑菌作用。隨著作用時間的延長，差距逐漸增大。當納米沸石-Ag質量濃度為4 mg/mL時，作用10 h后抑菌率即可達到100%，且3個不同作用質量濃度在作用12 h后最終均達到100%左右。而當納米沸石-Zn質量濃度為4 mg/mL時，作用12 h后的最終抑菌率仍為82%。即表明納米沸石-Ag的抑菌能力比納米Y沸石-Zn的抑菌能力強。此結論可以從抑菌理論第一種假設得到支持，尤其是研究抑菌材料與作用時間的試驗，由于隨著反應時間的增加，2種納米復合沸石對細胞的破壞能力是明顯增強的，理解為在接觸過程中抑菌材料在不斷地進行緩慢釋放，從而使抑菌率隨著增加而不是降低。

綜上所述可知納米沸石-Ag比納米Y沸石-Zn更具有抑菌能力。這是由于納米沸石-Ag中Ag+的抑菌活性比納米沸石-Zn中的Zn2+強，但Ag+成本較Zn2+大，因此需在具體試驗中綜合分析各自的優(yōu)劣性來選擇抑菌材料。

3結論

1)2種材料的抑菌圈大小均隨著菌液濃度減小而增大，對同一菌液濃度的抑菌圈，納米沸石-Ag對細菌的抑制效果優(yōu)于納米沸石-Zn；納米沸石-Ag和納米沸石-Zn的最小抑菌濃度分別為3 mg/mL、5 mg/mL，最大殺菌濃度分別為28 cfu/mL、0.28 cfu/mL。

2)2種納米復合沸石的抑菌效果與其質量濃度成正比，與作用時間成正比，納米復合沸石的質量濃度越高，作用時間越長，抑菌效果越好。綜合比較，納米沸石-Ag抑菌效果比納米沸石-Zn抑菌效果明顯。

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doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.02.032

收稿日期：2015-04-13

基金項目：大連大學博士啟動項目(2011年)

作者簡介：王帆(1977-)，女(漢)，黑龍江，講師，博士

中圖分類號：X799

文獻標志碼：A

文章編號：1009-8984(2015)02-0122-03

A study on the antibiotic property of nano-materials

WANG Fan，et al.

(CollegeofAgriculturalEngineering，NortheastAgriculturalUniversity，Harbin150030，China)

Abstract：Base on the antibiotic property of nano-materials，this paper studies the antibiotic property on composting samples by nano-zeolites-Ag and nano-zeolites-Zn as the antibiotic materials.The results as following：both of the two nano-materials have the antibiotic property.For the same antibiotic concentration of the antibiotic zone diameter，the antibiotic property of nano-sized-Ag is better than nano-sized-Zn.The size of the antibiotic zone diameters for both materials will increase with the increasing of the bacterial liquid dilution.The minimum inhibitory concentration of nano-sized-Ag is 3 mg/mL，the maximum bactericidal concentration is 28 cfu/mL.The minimum inhibitory concentration of the nano-sized-Zn zeolite is 5mg/mL the maximum bactericidal concentration is 0.28 cfu/mL.What’s more，the minimum inhibitory concentration of nano-sized-Zn is 0.5 mg/mL，the maximum bactericidal concentration is 0.28 cfu/m The higher concentration of the composite nano-zeolite，the longer of the duration，the better of the antibiotic effect.Through the comprehensive comparison，the antibiotic property of nano-sized-Ag is better than nano-sized-Zn.

Key words：nano-zeolites-Ag；nano-zeolites-Zn；composting；antibiotic