抗菌劑和抗菌機(jī)理

摘要:抗菌劑包括無(wú)機(jī)、有機(jī)和天然生物抗菌劑三大類(lèi)型。無(wú)機(jī)抗菌劑以新型光催化型和載銀的納米復(fù)合型抗菌材料為主要發(fā)展趨勢(shì), 其中光催化型無(wú)機(jī)抗菌劑依賴光致激發(fā)的強(qiáng)氧化自由基而起殺菌作用; 載銀等金屬離子型抗菌劑通過(guò)與活性基團(tuán)如巰基鍵合或置換金屬離子輔基等方式使微生物的生命活性物質(zhì)失活而起抗菌作用。有機(jī)抗菌劑則以開(kāi)發(fā)專(zhuān)效于生物分子(如微生物代謝酶、膜受體等) 的抗菌劑為其拓展方向,其通過(guò)作用于細(xì)胞壁和細(xì)胞膜系統(tǒng)、生化反應(yīng)酶、遺傳物質(zhì)等達(dá)到抗抑或殺菌作用。天然生物抗菌劑可來(lái)源于所有生物體,主要包括多糖、多肽及糖肽聚合物類(lèi)物質(zhì), 是未來(lái)抗菌材料的主要發(fā)展方向;它們作用于微生物胞外結(jié)構(gòu)層或酶等生物活性物質(zhì),影響微生物的運(yùn)動(dòng)、跨膜物質(zhì)運(yùn)輸或生化反應(yīng)等。不同的抗菌劑對(duì)同一種病原菌有不同的抗菌作用機(jī)理和有效性,同一種抗菌劑對(duì)于不同的病原菌也有不同的抗菌作用機(jī)制和抑制范圍;得到既長(zhǎng)效又廣譜、既高效又安全的抗菌劑,對(duì)其抗菌機(jī)理的研究十分重要。

　　自然界的有害細(xì)菌、真菌和病毒等微生物是使人類(lèi)遭受傳染、誘發(fā)疾病的主要原因。在公元14 世紀(jì)中期引起歐洲三分之一人口死亡的黑死病和20世紀(jì)初致使全世界2000 多萬(wàn)人死亡的流感;在日本全國(guó)范圍內(nèi)的病原性大腸桿菌“O2157”、英國(guó)的“瘋牛病”,“口蹄疫”、美國(guó)的“炭疽病”和2003 年春夏出現(xiàn)的嚴(yán)重急性呼吸道感染綜合癥(SARS) ,這些傳染病都與病原微生物有直接的關(guān)系。

隨著生活水平的提高,人們對(duì)生存環(huán)境的要求也越來(lái)越高。由此,抗菌材料的生產(chǎn)已成為一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè),世界各國(guó)對(duì)抗菌劑的研究更加重視。

抗菌材料是具有殺菌、抑菌性能的新型功能材料。它是通過(guò)加入的抗菌劑而起作用的�？咕鷦┛煞譄o(wú)機(jī)、有機(jī)和天然生物抗菌劑3 種類(lèi)型。由于不同的抗菌劑對(duì)同種病原菌的抗菌作用機(jī)理和有效性的不同,以及同種抗菌劑對(duì)于不同的病原菌的抗菌作用機(jī)制和抑制范圍也不同,因此,要研究出既長(zhǎng)效又廣譜、既高效又安全的抗菌劑,對(duì)抗菌機(jī)理的研究十分重要。

1 　無(wú)機(jī)抗菌劑及其抗菌機(jī)理

無(wú)機(jī)抗菌材料是20 世紀(jì)80 年代中期發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)抗菌材料,具有耐熱性、持久性、連續(xù)性和安全性等優(yōu)點(diǎn),但存在一些缺點(diǎn),如銀系抗菌劑,防霉作用較弱、添加量較大、成本較高、易變色等缺點(diǎn)。目前對(duì)無(wú)機(jī)抗菌材料的應(yīng)用研究主要涉及金屬元素抗菌劑、光催化材料抗菌劑和納米材料抗菌劑,主要應(yīng)用于紡織、塑料、涂料及陶瓷等方面。

1. 1 　金屬元素抗菌材料及其抗菌機(jī)理

1. 1. 1 　金屬元素抗菌劑

此類(lèi)抗菌劑為金屬及其化合物,主要是Ag ,Cu ,Zn 等元素,它們的抗菌性能(針對(duì)廣譜抗菌性) 依次減弱,其中Ag 的抗菌性約為Zn 的抗菌性的1000倍。將這些金屬或其化合物與沸石、玻璃、磷灰石、磷酸鈣、磷酸鋯等無(wú)機(jī)多孔性載體礦物通過(guò)離子交換或吸附作用共同合成抗菌材料, 其中銀系抗菌劑已得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中,無(wú)機(jī)抗菌材料采用多種無(wú)機(jī)金屬?gòu)?fù)合劑。有專(zhuān)利報(bào)道了AB2O4 形式的復(fù)合抗菌劑[1 ] ,其中A 是二價(jià)金屬M(fèi)g , Zn , Mn ,Ni , Co 或Fe 離子,B 是三價(jià)金屬Al , Cr , Mn 或Fe離子,O 是氧元素,這些抗菌劑涂布于多孔蜂窩形的制品(由粘土、氧化硅等混合物組成) ,使其具有良好的抗菌性能。關(guān)于聚亞胺酯膜的抗菌性能[2 ] ,添加的抗菌劑是含Ag + 的交換樹(shù)脂,應(yīng)用結(jié)果表明其具有很強(qiáng)的抗菌作用。銀系抗菌劑使用安全。含銀系抗菌劑15 %的尼龍612 ,可制成抗菌性較強(qiáng)的尼龍牙刷絲[3 ] 。AIM公司研制的商品名為Real Earth 的含銀鰲合物的膠體抗菌劑,在醫(yī)學(xué)上能安全地作為消炎藥而無(wú)副作用。又如氨基酸銀,以蛋白質(zhì)的組成物質(zhì)氨基酸作為載體,具有與有機(jī)高分子聚合物質(zhì)相溶性好、疏水性好的優(yōu)點(diǎn),對(duì)人體安全,對(duì)環(huán)境友好。

1. 1. 2 　金屬元素抗菌機(jī)理

金屬元素以其離子形式起抗菌作用。在金屬離子濃度相對(duì)過(guò)高的環(huán)境中,微生物生存受到的影響是多方面的。首先,微生物膜外存在高濃度的金屬陽(yáng)離子,改變了正常的生物膜內(nèi)外的極化狀態(tài),并引起新的離子濃差,從而阻礙或破壞細(xì)胞維持生理所需的小分子和大分子物質(zhì)的運(yùn)輸,如在Na + / K+2泵的驅(qū)動(dòng)作用下糖和氨基酸的運(yùn)送,一些金屬離子也可以進(jìn)入微生物胞內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,重金屬能使大多數(shù)酶失活,但其失活機(jī)理還不清楚。有人認(rèn)為是正價(jià)的重金屬離子與蛋白質(zhì)的N 和O 元素絡(luò)合后,破壞酶蛋白分子的空間構(gòu)象;也可能是重金屬離子與–SH基反應(yīng),替換出質(zhì)子,甚至破壞或置換維持酶活力所必需的金屬離子,如Mg2 + ,Fe3 + 和Ca2 + 等。酶是一切生物的催化劑,控制著微生物生化反應(yīng),酶一旦失活,引起催化效率降低或性能喪失,從而使其所催化的生化反應(yīng)無(wú)法正常進(jìn)行,并影響相關(guān)的生化反應(yīng),導(dǎo)致微生物的能量代謝和物質(zhì)代謝受阻,從而達(dá)到抗菌的目的。此外,進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的金屬離子也可以與核酸結(jié)合,破壞細(xì)胞的分裂繁殖能力。對(duì)于Ag + 的抗菌機(jī)理,目前主要有2種觀點(diǎn),一種是認(rèn)為Ag + 直接與細(xì)菌接觸,抑制和殺滅細(xì)菌。有報(bào)道認(rèn)為[4 ,5 ]Ag + 的殺菌作用直接與Ag + 從其配體中溶出有關(guān)。張文征等認(rèn)為Ag + 可強(qiáng)烈地結(jié)合酶蛋白的巰基而使酶失活是抗菌的主要原因[6 ] 。肅耀南等提到金屬離子從配位體中緩慢釋放出來(lái)殺菌效果[7 ] ,可是缺乏釋放動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。作者認(rèn)為,在這種情況下,不能排除其表面絡(luò)合狀金屬離子(未離開(kāi)基質(zhì)) 仍有抗菌活性。由于Ag + 未飽和的配位能力與菌體表面的N 或O 作用,破壞菌體表面活性結(jié)構(gòu),導(dǎo)致菌體因生理變化或活動(dòng)受阻而死亡。Y.Onodera等認(rèn)為在水鋁石載體中不溶態(tài)銀發(fā)揮了優(yōu)于沸石銀的抗菌效果[8 ] 。另有研究者認(rèn)為,Ag + 的抗菌活性是間接地通過(guò)在其周?chē)�產(chǎn)生活性氧而發(fā)揮

Y. Inoue 等認(rèn)為[9 ] ,短時(shí)間接觸時(shí),銀沸石的抗菌活性只能在有溶解氧情況下才能發(fā)揮,Ag + 可使氧活化為過(guò)氧離子、過(guò)氧化氫和氫氧自由基而起到殺菌作用。作者認(rèn)為上述關(guān)于Ag + 的抗菌機(jī)理的2種觀點(diǎn)都有道理。1. 2 　光催化抗菌材料及其抗菌機(jī)理1. 2. 1　氧化鈦抗菌劑目前, 光催化抗菌劑主要有TiO2 , ZnO , CdS ,WO3 ,SnO2 和Fe2O3 等N型半導(dǎo)體金屬氧化物,其中TiO2 的氧化活性較高,穩(wěn)定性也較強(qiáng),對(duì)人體無(wú)毒。TiO2 晶體在光線照射下,短時(shí)間內(nèi)就能完全殺死與其接觸的微生物,具有與金屬離子相似的優(yōu)點(diǎn),見(jiàn)效快,耐久,無(wú)二次污染。將具有滅菌作用的銀、銅、鋅等離子,以及其無(wú)機(jī)鹽形式和TiO2一起加入到陶瓷的釉料中制得的陶瓷,是家庭、賓館、醫(yī)院等所用衛(wèi)生設(shè)施的理想陶瓷。在建筑物的屋頂和外墻上,醫(yī)院手術(shù)臺(tái)和墻壁上常附著細(xì)菌,如果涂刷光催化TiO2 涂層或墻磚,在陽(yáng)光或室內(nèi)弱光照射下,細(xì)菌能很快被消滅。

1. 2. 2 　氧化鈦抗菌機(jī)理

TiO2 的禁帶寬為3. 2 eV ,它吸收了波長(zhǎng)小于387. 5 nm 的近紫外光波后,價(jià)帶中的電子就會(huì)被激發(fā)到導(dǎo)帶,形成帶負(fù)電荷的高活性電子,同時(shí)在價(jià)帶上也產(chǎn)生帶有正電荷的空穴。在電場(chǎng)作用下,電子2空穴對(duì)發(fā)生分離而遷移到TiO2 表面上的不同位置。分布在TiO2 表面的空穴與吸附在表面的OH- 和H2O 氧化成•OH 自由基。而高活性電子則具有較強(qiáng)的還原能力,可將TiO2 表面的氧還原成O-2 ,也可將水中的金屬離子還原。•OH 自由基的氧化能力最強(qiáng)可不加選擇地使有機(jī)物全部氧化降解,包括穿透細(xì)胞膜,破壞膜結(jié)構(gòu)使細(xì)菌、病毒和癌癥細(xì)胞分解,又能降解細(xì)胞產(chǎn)生的毒素(這是一般抗菌劑不能比擬的) [10 ] 。由于TiO2可以作用于一切有機(jī)物質(zhì),因此,它的抗菌譜比金屬離子的抗菌譜更廣。

1. 3 　納米抗菌劑及其抗菌機(jī)理

1. 3. 1 　納米抗菌劑

納米粒子是一種介于固體與液體間的亞穩(wěn)定中間態(tài)物質(zhì)。納米材料具有表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等特點(diǎn),呈現(xiàn)出奇特的物理和化學(xué)特性,具有許多新的功能和廣泛的應(yīng)用前景。具有抗菌功能的納米材料,根據(jù)殺菌機(jī)理的不同,可分為2 類(lèi):一類(lèi)為載有Ag + 的納米材料;另一類(lèi)為載有TiO2 等材質(zhì)的納米材料。載銀納米抗菌材料包括載銀硅酸鹽和載銀磷酸鹽等。其中載銀硅酸鹽系抗菌劑主要用于低溫加工的纖維、塑料等產(chǎn)品;載銀酸磷鹽系抗菌劑主要用于高溫加工的陶瓷產(chǎn)品,其制備原理是:利用納米載體材料的多微孔結(jié)構(gòu), 采用特定的陽(yáng)離子交換法將Ag + 交換進(jìn)納米載體的微孔中,然后采用使Ag + 在微孔中低溫脫水和高溫穩(wěn)定等工藝技術(shù),使其成為納米載銀抗菌材料[11 ] 。納米TiO2 無(wú)毒,無(wú)味,無(wú)刺激,熱穩(wěn)定性與耐熱性強(qiáng),不燃燒,自身為白色。納米TiO2 還有以下優(yōu)點(diǎn)[12 ] :一是即效性好,如銀系抗菌劑的效果約需24 h發(fā)生,而TiO2 的抗菌效果僅需1 h ;二是TiO2 是半永久維持抗菌效果的抗菌劑,不像其他抗菌劑會(huì)隨著溶出而效果逐漸下降;三是安全性高,TiO2 可用于食品添加劑中,TiO2 與皮膚接觸對(duì)皮膚無(wú)不良影響。因此,近年來(lái)超微細(xì)TiO2 廣泛用作各行業(yè)的抗菌劑。

1. 3. 2 　納米抗菌材料抗菌機(jī)理

納米載銀抗菌材料(包括載銀硅酸鹽和載銀磷酸鹽等) 的抗菌機(jī)理與無(wú)機(jī)銀系的抗菌抗菌機(jī)理類(lèi)似,主要依賴于銀元素的強(qiáng)抗菌活性。關(guān)于納米級(jí)的載銀抗菌劑具有的特別抗菌機(jī)理的研究, 目前未見(jiàn)報(bào)道,但納米級(jí)載銀材料確實(shí)具有更好的抗菌效果。劉維良報(bào)道[11 ] ,把含微米磷酸三鈣載銀抗菌劑(平均粒徑為1. 3 μm) 的釉料與含納米磷酸鋯載銀抗菌劑(平均粒徑為97. 8 nm) 的釉料(其中抗菌劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都為2 %) 進(jìn)行了抗菌效果比較實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:納米級(jí)抗菌劑的最小抑菌濃度只有微米級(jí)的最小抑菌濃度1/ 4 (實(shí)驗(yàn)菌種選取的是大腸桿菌、葡萄球菌、白色念珠菌) 。由于載體納米化,抗菌材料具有更大表面積, 對(duì)微生物有更強(qiáng)的吸附作用,從而可以有更好的抗菌效果。同載銀抗菌劑類(lèi)似, TiO2納米化后也表現(xiàn)出更高的抑菌活性。汪大林發(fā)現(xiàn)超細(xì)TiO2 能殺滅S. mulans株AHT(血清型) ,同時(shí)還能殺滅倉(cāng)鼠屬鏈球菌SH26、鼠屬鏈菌FA21 和粘性放線菌ATCC219246[13 ] 。此外,TiO2 粒度越細(xì)、分散性越好、比表面積越大,則殺菌效果越好。但是,由于有的細(xì)胞壁對(duì)光催化反應(yīng)敏感,有些細(xì)菌則對(duì)這種反應(yīng)具有防護(hù)作用,超細(xì)TiO2 對(duì)不同的細(xì)菌有不同的殺菌作用。

2 　有機(jī)抗菌材料及其抗菌機(jī)理

2. 1 　有機(jī)抗菌劑

目前有機(jī)抗菌劑仍在抗菌系列產(chǎn)品中占主導(dǎo)地位,廣泛應(yīng)用于塑料、涂料、纖維、紙張、橡膠、樹(shù)脂、木材、建材、醫(yī)療以及水處理等等。其優(yōu)點(diǎn)是殺菌力強(qiáng),即效好,種類(lèi)多,缺點(diǎn)是毒性大,耐熱性較差,易遷移、可能產(chǎn)生微生物耐藥性等。近年來(lái)無(wú)機(jī)抗菌劑和天然抗菌劑受到重視,并有大量產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng),而有機(jī)抗菌劑的研究開(kāi)發(fā)差不多處于停頓狀態(tài),市場(chǎng)需求下降。有機(jī)抗菌劑種類(lèi)多達(dá)500 多種,但常用的只有幾十種。有機(jī)抗菌劑主要有[14 ] : 有機(jī)金屬類(lèi),如五氯酚鋅;有機(jī)鹵代物,如五氯酚鈉;醇、酚、醚類(lèi),如乙醇、對(duì)硝基苯酚、乙二醇2甲基醚等;醛、酮、醌類(lèi),如戊二醛、鄰羥基環(huán)戊烯二酮、四氯對(duì)醌;酸及鹽類(lèi),如山梨酸;酯類(lèi),如富馬酸二甲酯;腈類(lèi),如百菌清;胍類(lèi),如氯已啶;有機(jī)硝基化合物類(lèi),如呋喃西林;有機(jī)磷及有機(jī)砷類(lèi),如月桂胂。此外,還有呋喃類(lèi)、吡咯類(lèi)、咪唑類(lèi)、噻唑啉類(lèi)、苯并呋喃類(lèi)、苯并噻唑類(lèi)等雜環(huán)類(lèi)抗菌劑。這些抗菌劑據(jù)其用途,又可分為殺菌劑、防腐劑和防霉防藻劑。殺菌劑是指可效地殺死微生物的抗菌劑,主要有季銨鹽、乙醇、雙胍類(lèi)化合物等,常用于機(jī)器表面和皮膚除菌、食品加工廠和餐館殺菌,水處理等;防腐劑是指可防止、減緩有機(jī)質(zhì)的腐敗變質(zhì)的抗菌劑,常見(jiàn)有甲醛、有機(jī)鹵素化合物及有機(jī)金屬等,常用于家庭用品、水處理及船泊等;防霉防藻劑是指防止材料、物體長(zhǎng)霉生藻變質(zhì)的抗菌劑,主要有吡啶、咪唑、鹵代烷及碘化物等,常用于涂料、壁紙、塑料、薄膜及皮革等。

2. 2 　有機(jī)抗菌劑的抗菌機(jī)理

一般認(rèn)為有機(jī)抗菌劑的作用機(jī)理可歸納以下3個(gè)方面:一是作用于細(xì)胞壁和細(xì)胞膜系統(tǒng);二是作用于生化反應(yīng)酶或其他活性物質(zhì);三是作用于遺傳物質(zhì)或遺傳微粒結(jié)構(gòu)。季銨鹽類(lèi)可吸附帶負(fù)電細(xì)菌,引起胞壁結(jié)構(gòu)損害,使內(nèi)容物漏出。醇類(lèi)殺菌機(jī)制是去除細(xì)菌胞膜中的脂類(lèi),并使菌體蛋白質(zhì)變性,其中乙醇最常用,其濃度為70 %～75 %時(shí)殺菌力最強(qiáng),濃度過(guò)高時(shí)能使菌體表面蛋白質(zhì)迅速凝固,殺菌效力反而下降。雙胍類(lèi)殺菌劑常用的有氯已啶,其濃度低時(shí)破壞菌細(xì)胞膜,使胞質(zhì)內(nèi)容物漏出;濃度高時(shí)使菌體蛋白質(zhì)凝固。此外,季銨鹽也具有抑制細(xì)菌脫氫酶、氧化酶等作用。防腐劑主要通過(guò)抑制微生物的能量代謝而起作用。在下述幾種情況時(shí)防腐劑能具有較強(qiáng)的抗菌防腐活性:一是抗菌劑分子中具有一定空間自由度的α,β2不飽和羰基結(jié)構(gòu);二是抗菌活性中心與微生物生命分子功能域能發(fā)生直接碰撞接觸;三是抗菌劑具有合適的親疏水性,以作用于細(xì)菌表面或滲入細(xì)胞內(nèi)特異組織;四是抗菌劑不易被酶促降解,同時(shí)對(duì)生化過(guò)程中酶的抑制譜較寬[15 ] 。防霉、防藻劑的作用機(jī)理可歸納為使2SH 酸化破壞,代謝受阻,DNA 合成受阻[16 ] 。雙乙酸鈉是一種高效、廣譜抗菌防霉劑,尤其對(duì)黃曲霉素具有較強(qiáng)的抑制作用,它通過(guò)滲透微生物細(xì)胞壁,干擾細(xì)胞內(nèi)各種酶體系的生成,可以高效抑制十多種霉菌素和多種細(xì)菌的滋生和蔓延。吡啶鹽具有利用其吡啶鹽功能基團(tuán)與細(xì)菌之間的靜電相互作用(即生態(tài)捕捉作用) 的功能[16 ] 。苯并咪唑類(lèi)干擾病原菌的有絲分裂中紡綞體的形成,從而影響病原菌的細(xì)胞分裂過(guò)程。喹諾酮滲進(jìn)細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)抑制DNA 旋轉(zhuǎn)酶, 這種酶能保持DNA 的超螺旋結(jié)構(gòu)[17 ] 。C.Miskolci 等研究了異苯嗪的抗菌機(jī)理[18 ] ,表異苯嗪和其他的吩噻嗪優(yōu)先結(jié)合到黃嘌呤類(lèi)型分子上,在黃嘌呤中,與GMP 結(jié)合比與AMP 結(jié)合更容易。因此,在質(zhì)粒DNA 上富含G2C 的區(qū)域比富含A2T 的區(qū)域與吩噻嗪類(lèi)有更大的結(jié)合力。在抗菌方面,這種藥物在這些區(qū)域起著極其重要的作用吡咯類(lèi)抗菌劑來(lái)源于天然產(chǎn)物硝吡咯菌素,是非內(nèi)吸性的廣譜抗菌劑。其作用機(jī)理是通過(guò)抑制葡萄糖磷�；�有關(guān)的轉(zhuǎn)移酶,并抑制真菌菌絲體的生長(zhǎng),最終導(dǎo)致病菌死亡。因其作用機(jī)理獨(dú)特,故與現(xiàn)有抗菌劑無(wú)交互抗菌性。嘧啶胺類(lèi)具有獨(dú)特的作用機(jī)理,即抑制病原菌蛋白質(zhì)分泌,包括降低分解酶水平。分析認(rèn)為這些酶與病原菌進(jìn)入寄主植物并引起寄主組織的壞死有關(guān),無(wú)交互抗性。對(duì)于醛類(lèi),有人認(rèn)為其殺菌活性可以用烷基化反應(yīng)解釋,有人認(rèn)為2 個(gè)醛基的存在是必要的[19 ] ,二醛的殺菌能力與鏈長(zhǎng)有關(guān),鏈長(zhǎng)增加,殺菌活性降低,但戊二醛的殺菌機(jī)理例外[20 ] ,被認(rèn)為是蛋白質(zhì)的交聯(lián)作用。這種交聯(lián)主要是醛基與氨基反應(yīng),其他活性基如巰基、亞胺基也可參與交聯(lián)。戊二醛首先作用于外層胞膜,改變細(xì)胞的滲透性,破壞酶系統(tǒng),抑制DNA ,RNA 和蛋白質(zhì)的合成。嘌呤類(lèi),如抗艾滋病藥Abacavir ,商品名為Zia2gen ,化學(xué)名為IS2順2(2’2 氨基26’2 (環(huán)丙胺)29’H2嘌呤29’2 基)222環(huán)戊烯212甲醇,由英國(guó)Glaxo2wellcome有限公司生產(chǎn),于1999 年5 月在美國(guó)上市。該藥是核苷類(lèi)逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑,通過(guò)抑制HIV 逆轉(zhuǎn)錄酶,引起DNA 鏈斷裂,從而阻止病毒復(fù)制。

含鹵素的抗菌劑按其鹵原子的性質(zhì)和作用可分為活性氧化型和共價(jià)穩(wěn)定型2 大類(lèi)。前者在使用時(shí)會(huì)分解出活性原子,主要以氧化作用殺菌;后者則屬于鹵代化合物,其鹵原子只是起改性作用。由于大多數(shù)有機(jī)抗菌劑能夠干擾細(xì)胞的基因表達(dá)及相關(guān)酶系統(tǒng),因此在抑制有害微生物的同時(shí),對(duì)其他生物體細(xì)胞也具有毒性。這是阻礙有機(jī)抗菌劑材料發(fā)展的主要原因。提高有機(jī)菌材料及其廢棄物(即成為環(huán)境友好生態(tài)材料) 的安全性比較困難。就當(dāng)前研究與應(yīng)用,人們?cè)趯で蟮投镜挠袡C(jī)抗菌劑的同時(shí),應(yīng)致力于高效低毒的無(wú)機(jī)抗菌劑以及可降解的環(huán)境友好性的天然生物抗菌劑的研究。其次,綜合各類(lèi)抗菌劑的優(yōu)點(diǎn),研制復(fù)合抗菌材料已成為研究的熱點(diǎn)。

3 　天然生物抗菌劑及其抗菌機(jī)理

天然生物抗菌劑來(lái)源于自然界,人們通過(guò)提取、純化獲得,資源極其豐富。天然生物抗菌劑是最早為人們所利用的抗菌劑,古埃及時(shí)期人們就能夠用蜂蠟作抗菌劑來(lái)保存木乃伊。但是,對(duì)天然抗菌劑的開(kāi)發(fā)一直停留在傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)水平上。近年來(lái),隨著環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)及生物技術(shù)研究水平的迅速提高,天然抗菌劑越來(lái)越受到重視。根據(jù)天然生物抗菌劑來(lái)源的不同,可將其分為植物源、動(dòng)物源和微生物源[21 ] 。

3. 1 　植物源天然抗菌劑及其抗菌機(jī)理

目前,植物源抗菌劑是研究最多的一類(lèi)天然抗菌劑。我國(guó)傳統(tǒng)的中草藥有著悠久的歷史,這一類(lèi)抗菌劑資源開(kāi)發(fā)潛力巨大,如穿心蓮、大蒜、金蕎麥、苦木、黃連及黃連素、魚(yú)腥草及魚(yú)腥草素等,都是常用的抗菌藥物。國(guó)外對(duì)植物抗菌劑的相關(guān)研究報(bào)道很多(見(jiàn)表1) 。目前對(duì)植物天然抗菌劑的開(kāi)發(fā)還剛剛起步,對(duì)其抗菌機(jī)理的研究有待深入。

3. 2 　微生物源天然抗菌劑及其抗菌機(jī)理

微生物自身也可用作抗菌劑。其抑菌機(jī)制有如下幾種:一是分泌抗菌素。Y. Ouhdouch等[39 ]報(bào)道了從在摩洛哥分離出的幾種放線菌的菌株中提取的非聚烯抗生素,對(duì)酵母、霉菌和細(xì)菌有很強(qiáng)的抑制作用。G. M. Thorne 等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)鏈霉菌roseosporus 的發(fā)酵產(chǎn)物daptomycin 為脂肽類(lèi)抗生素,幾乎能夠抑制所有的革蘭陽(yáng)性病原菌, 不會(huì)產(chǎn)生交叉抗藥性[40 ] ;M. Morita 等淀粉芽孢桿菌胞內(nèi)溶素的抗革蘭氏陰性菌活性與結(jié)構(gòu)關(guān)系[41 ] ,實(shí)驗(yàn)證實(shí)這種內(nèi)溶素分子鏈的C2端和N2端都與抗菌活性有關(guān)。H.Tsubery 等研究了多菌粘素B ( PMB) 的脫酰氨基衍生物(PMBN) 的抗菌性[42 ] ,雖然PMBN 的抗菌性比PMB 的抗菌性弱,但它可以滲透過(guò)革蘭氏陰性菌的外膜而中和脂多糖(L PS) 毒性。二是參與營(yíng)養(yǎng)和生存空間的競(jìng)爭(zhēng)。通過(guò)占有生表1 　植物源天然生物抗菌劑舉例銀杏[38 ] 種子甲醇葡萄球菌、假單孢菌及大腸桿菌存在活性存空間、消耗氧氣等削弱以至消除同一生存環(huán)境中的某些病原物。三是誘導(dǎo)寄主產(chǎn)生抗病性。微生物可以誘導(dǎo)寄主產(chǎn)生防御反應(yīng)或?qū)Σ≡�菌直接寄生而抑制病原菌。四是�?duì)病原菌直接作用。L. L. Wilson 等發(fā)現(xiàn)木霉和酵母能寄生在病原菌上,并分泌一種能破壞真菌細(xì)胞壁的酶[43 ] 。因此,對(duì)微生物抗菌作用的研究為開(kāi)發(fā)新的天然高分子抗菌劑提供了重要的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。

3. 3 　動(dòng)物源天然抗菌劑及其抗菌機(jī)理

動(dòng)物源抗菌劑有氨基酸類(lèi)、天然肽類(lèi)、高分子糖類(lèi)等,資源十分豐富。陳月開(kāi)等研究了氨基酸的抗菌活性,發(fā)現(xiàn)半胱氨酸對(duì)金黃色葡萄球菌具有較強(qiáng)的抑制作用[44 ] 。半胱氨酸有極強(qiáng)的抗氧化作用,因而推斷其抑菌作用與抗氧化性有關(guān)。天然肽類(lèi)抗菌劑,目前已成為抗菌劑的研究熱點(diǎn)。很早以前人們就知道人奶和牛奶中含有抗菌性的物質(zhì),如溶菌酶、乳過(guò)氧化物酶等。溶菌酶對(duì)人體安全無(wú)副作用,其作用機(jī)制是破壞細(xì)菌細(xì)胞壁肽聚糖中的β21 ,4 糖苷鍵。K. H. Yu 等認(rèn)為來(lái)自3 種鱗翅目昆蟲(chóng)( Galleria mellonella , Bombyx mori , Agrius殼聚糖的抗菌性能已成為研究的熱點(diǎn)。殼聚糖是甲殼質(zhì)的脫乙酰產(chǎn)物,可以溶解在許多稀酸中。殼聚糖相對(duì)分子質(zhì)量越小、脫乙酰度越大,溶解度越大。殼聚糖具有較強(qiáng)的抗菌活性,其對(duì)大腸桿菌、枯草桿菌和金黃色葡萄球菌的MIC 值達(dá)到( 250～500) ×10 - 6 。此外,殼聚糖對(duì)植物病原菌也有抑制作用,如1 %殼聚糖對(duì)尖鐮菌(F. Solani) 和腐皮鐮菌(F. oxysporum cepae) 有完全抑制的作用。殼聚糖的抗菌作用,認(rèn)為有以下2 種機(jī)理:一種是殼聚糖分子中的- NH3 + 帶正電性,吸附在細(xì)胞表面,一方面可能形成一層高分子膜,阻止?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)向細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸,

另一方面使細(xì)胞壁和細(xì)胞膜上的負(fù)電荷分布不均,破壞細(xì)胞壁的合成與溶解平衡,溶解細(xì)胞壁,從而起到抑菌殺菌作用;另一種是通過(guò)滲透進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),吸附細(xì)胞體內(nèi)帶有陰離子的物質(zhì),擾亂細(xì)胞正常的生理活動(dòng),從而殺滅細(xì)菌。對(duì)于細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)不同的革蘭氏陽(yáng)性與革蘭氏陰性細(xì)菌,殼聚糖的作用機(jī)理不同。革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌,有較厚的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu),殼聚糖主要作用于其細(xì)胞表面,因此前一種機(jī)理是殺滅此

類(lèi)細(xì)菌的主導(dǎo)作用;革蘭氏陰性細(xì)菌,細(xì)胞壁較薄,小分子的殼聚糖可以進(jìn)入其細(xì)胞內(nèi)作用,因此后一種機(jī)理起主導(dǎo)作用。研究結(jié)果表明,隨著脫乙酰度和濃度的提高,殼聚糖的抗菌活性增強(qiáng)。而對(duì)于相對(duì)分子質(zhì)量的影響,目前還未有一致的結(jié)論,其原因一方面是對(duì)殼聚糖相對(duì)分子質(zhì)量在生產(chǎn)過(guò)程中不能很好控制,另一方面是因?yàn)椴煌�相�?duì)分子質(zhì)量的殼聚糖對(duì)于不同的菌種有不同的作用效果。一般認(rèn)為,隨著殼聚糖相對(duì)分子質(zhì)量的降低,對(duì)大腸桿菌抑制性增強(qiáng),而對(duì)金黃色葡萄球菌的抑制性減弱。此外,一些生物堿也可用作抗菌劑, 如Y. R.Torres 等發(fā)現(xiàn)從一種海綿無(wú)脊椎動(dòng)物提取的生物堿對(duì)革蘭氏陰性和革蘭氏陽(yáng)性菌都有很強(qiáng)的抗菌效果[47 ] 。

4 　結(jié)　語(yǔ)

作為一種理想的抗菌劑,應(yīng)該具有即效、廣譜、長(zhǎng)效、穩(wěn)定及安全的抗菌效果。然而,現(xiàn)有的抗菌劑,無(wú)論是無(wú)機(jī)的、有機(jī)的,還是天然生物的,都沒(méi)有達(dá)到理想的要求�，F(xiàn)有的各類(lèi)抗菌劑,都具有特有的抗菌機(jī)理,只有在抗菌機(jī)理上作出全面、深層次的研究,綜合各類(lèi)抗菌劑的特點(diǎn),才能進(jìn)一步改善抗菌劑的有效性。目前,抗菌材料研究在我國(guó)正面臨著重大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。1996 年日本病原性大腸桿菌感染事件,引起日本全國(guó)范圍內(nèi)對(duì)抗菌材料研制開(kāi)發(fā)的極大重視,也是目前日本在這一領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的重要原因。2003 年,我國(guó)遭受到了嚴(yán)重的SARS 病毒感染,面對(duì)這樣的災(zāi)害,抗菌材料的研究工作者,從保障人們?nèi)罕姷慕】道�益出發(fā),如何進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出有效的抗菌劑,如何在更廣闊的領(lǐng)域中使抗菌劑得到應(yīng)用,這必將是我國(guó)今后在抗菌材料領(lǐng)域中面臨的2個(gè)最主要的課題。