复合杀菌剂对水基切削液抗菌性能影响的研究*

李广宇，李春惠，张芒芒，庄 园

（1.沈阳理工大学，辽宁 沈阳110159;2.沈阳鹿森润滑技术有限责任公司，辽宁 沈阳110015）

复合杀菌剂对水基切削液抗菌性能影响的研究*

李广宇1，李春惠1，张芒芒1，庄 园2

（1.沈阳理工大学，辽宁 沈阳110159;2.沈阳鹿森润滑技术有限责任公司，辽宁 沈阳110015）

根据ASTMD3946-92方法，采用实验室通气装置模拟现场使用条件，考察了硼酸铵A、三嗪类B和低毒酚C三种杀菌剂及其复配组合对水基切削液抗菌性能的影响。结果表明，单一杀菌剂难以对真菌和细菌同时起到很好的抑制作用，而复合杀菌剂可以对细菌和真菌同时起到抑制作用，其中5%硼酸铵A和1%低毒酚C复合时即具有显著的抗细菌和抗真菌性能，可明显延长水基切削液的使用寿命。

水基切削液；杀菌剂；抗菌性能；杀菌机制

前言

水基切削液因具有廉价、安全、冷却性好等优点而得到广泛的应用，但是它也存在易腐败、使用寿命短等问题[1]。这是由于水基切削液中含有矿物油、脂肪酸皂、胺、磺酸盐和水等可被微生物所利用的成分，因而易遭受微生物（如细菌和真菌）的分解，同时造成切削液的防锈、润滑等性能降低，最终导致切削液腐败变臭[2]。一般情况下，因切削液量减少或因加水后浓度降低都可以用补加新液的方法恢复其质量要求，但是如果由于微生物的繁殖造成切削液质量下降则是不可恢复的，必须更换新液[3]。我国切削液的年使用量约为80万吨，每年至少产出几百万吨的废液，这些含有多种添加剂的废切削液大多数未经处置就以各种渠道直接排放入自然界中，从而对环境造成污染[4,5]。若要减少废液对环境造成的污染，那么提高水基切削液的抗菌性能，延长其使用寿命，减少更换次数，降低排放量，是目前最有效的方法。为防止水基切削液腐败变质，一般需要在切削液配方组成或其稀释液中加入合适的杀菌剂，以控制微生物的生长繁殖[6]。在实际应用中长期使用同种杀菌剂，微生物会产生抗药性，但开发一种新型杀菌剂，投入太大，而且很快出现抗药性，目前提高杀菌剂的抗菌性能的有效途径是将现有杀菌剂进行复配使用。

本文根据ASTMD3946-92方法，考察了硼酸铵A、三嗪类B、低毒酚C三种不同杀菌剂及其复配组合对水基切削液的抗菌性能的影响。

1 试验部分

1.1 试验材料

1.1.1 基础切削液

本试验所使用的基础切削液配方如表1。其理化性能见表2。

表1 基础切削液配方Table 1 The formula of basic cutting fluid

表2 基础切削液的理化性能Table 2 The physical and chemical properties of basic cutting fluid

以此浓缩液为基础试验液，加入不同浓度的杀菌剂调成母液，再用母液分别配制成3%的稀释液，用于后序试验。

1.1.2 所选用的杀菌剂

硼酸铵A：无毒、无腐蚀性，具有阻燃性、杀菌性；

三嗪类B：在碱性溶液中可稳定存在，不含任何硝酸盐、有机氯，能缓慢释放出甲醛；

低毒酚C：白色晶体，安全高效、无刺激、低毒、化学稳定性好。

1.1.3 仪器

PHS-3B型精密酸度计、E-201-C型PH复合电极、DHP781型电热恒温培养箱、HHSY21-Ni型电热恒温水浴锅、CX-0088型增氧泵、OLYMPUS BX51型显微镜。

1.2 试验方法

根据ASTMD3946-92《Standard Test Methods for Evaluating the Bacteria Resistance of Water-Dilutable Metalworking Fluids》，即水基金属加工液抗菌性能评价方法，在实验室内建立水基切削液抗菌性能测试平台。首先向1L的烧杯中加入900mL含有不同杀菌剂的水基切削液，再加入100mL培养好的菌种以及10g铁屑、玉米淀粉、干酪素等微生物所需的营养物质，搅拌均匀。将烧杯置于30℃恒温水浴锅内，通空气于试样中。以7d为1个周期，每周期通气5d，停气2d，在此过程中补加无菌水以补充因蒸发而引起的损失。定期测定pH值并记录外观变化，同时采用美国SANI-CHECK测菌片检测试样中的细菌和真菌菌落总数。试验中所用菌种的细菌菌落总数应达到107cfu/mL以上，真菌菌落总数应达到103cfu/mL以上。样品变质指标为：细菌总数>107cfu/mL，真菌总数>103cfu/mL。

2 结果与讨论

2.1 单一杀菌剂对水基切削液抗菌性能的影响

图1～9分别为不同浓度的硼酸铵A、三嗪类B、低毒酚C在切削液中的抗菌性能试验结果。

图1 不同浓度硼酸铵A的pH值变化曲线Fig.1 The pH values of cutting fluid with different concentrations of amine borate A

图2 不同浓度硼酸铵A的细菌菌落总数Fig.2 The total bacterial count in cutting fluid with different concentrations of amine borate A

图3 不同浓度硼酸铵A的真菌菌落总数Fig.3 The total fungicidal count in cutting fluid with different concentrations of amine borate A

图4 不同浓度三嗪类B的pH值变化曲线Fig.4 The pH values of cutting fluid with different concentrations of triazine B

从图1～图3可以看出，随着硼酸铵A浓度的增加，切削液的抗菌性能也逐渐提高。硼酸铵A的浓度小于5%时，对细菌和真菌的抑制作用都较小，溶液pH值迅速降低；当浓度达到5%时，抑制细菌的效果明显提高，能在较长时间内控制细菌的数量，抗细菌性能较好，但起效较慢。通气一段时间后，溶液中出现黏液，说明溶液中存在较多的真菌；浓度增至7%时，其抗细菌性和抗真菌性较5%时都略有提高，但对真菌的抑制作用仍不理想。综上所述，硼酸铵A对细菌的抑制作用明显优于对真菌的抑制作用。

图5 不同浓度三嗪类B的细菌菌落总数Fig.5 The total bacterial count in cutting fluid with different concentrations of triazine B

图6 不同浓度三嗪类B的真菌菌落总数Fig.6 The total fungicidal count in cutting fluid with different concentrations of triazine B

从图4、图5和图6中可以发现，切削液的抗菌性能与三嗪类B的浓度成正比。同时不难看出，三嗪类B杀菌起效快，试验初期每个试样的细菌和真菌数量都迅速降低，对细菌的作用尤其明显。它能在一定的时间内抑制细菌的生长，但持效性较差。通气培养过程中真菌数量很快增至103cfu/mL，切削液中出现黏液。由此得出，三嗪类B的抗细菌性优于其抗真菌性。

图7 不同浓度低毒酚C的pH值变化曲线Fig.7 The pH values of cutting fluid with different concentrations of low-toxic phenol C

图8 不同浓度低毒酚C的细菌菌落总数Fig.8 The total bacterial count in cutting fluid with different concentrations of low-toxic phenol C

图9 不同浓度低毒酚C的真菌菌落总数Fig.9 The total fungicidal count in cutting fluid with different concentrations of low-toxic phenol C

由图7、图8和图9可见，切削液的抗菌性能随低毒酚C浓度的增大而提高。当低毒酚C的浓度小于2%时，对细菌的抑制作用较小，通气2周后细菌数量便超过107cfu/mL，同时伴随着pH值降低，但对真菌的抑制作用良好。当浓度达到2.5%时可同时抑制细菌和真菌的生长，但若在实际应用中采用此浓度，则会大大提高切削液的成本。

2.2 复合杀菌剂对水基切削液抗菌性能的影响

由上述试验得出，三种具有不同抗菌性能的杀菌剂单独使用时，一般不能完全控制细菌和真菌的生长，因此可以将这三种杀菌剂复合使用，研究其对切削液抗菌性能的影响。图10～18分别为上述三种杀菌剂复合使用时的抗菌性能试验结果。

图10 硼酸铵A和三嗪类B复合时的pH值变化曲线Fig.10 The pH values of cutting fluid with different concentrations of amine borate A and triazine B compound

图11 硼酸铵A和三嗪类B复合时的细菌菌落总数Fig.11 The total bacterial count in cutting fluid with different concentrations of amine borate A and triazine B compound

图12 硼酸铵A和三嗪类B复合时的真菌菌落总数Fig.12 The total fungicidal count in cutting fluid with different concentrations of amine borate A and triazine B

图13 硼酸铵A和低毒酚C复合时的pH值变化曲线Fig.13 The pH values of cutting fluid with different compound concentrations of amine borate A and low-toxic phenol C compound

通过对图10、图11和图12的分析可得，硼酸铵A和三嗪类B复合使用时，随着A浓度的增加，切削液的抗菌性能逐渐提高。与单独使用硼酸铵A和三嗪类B时相比，抗细菌能力显著提高。当硼酸铵A浓度达到3%时即能使细菌总数维持在103cfu/mL以下，但对真菌的抑制作用仍不理想，溶液中出现黏液，pH值降低。由此可见，硼酸铵A和三嗪类B复合后抗细菌性明显提高，但抗真菌性仍不理想。

图14 硼酸铵A和低毒酚C复合时的细菌菌落总数Fig.14 The total bacterial count in cutting fluid with different concentrations of amine borate A and low-toxic phenol C compound

图15 硼酸铵A和低毒酚C复合时的真菌菌落总数Fig.15 The total fungicidal count in cutting fluid with different concentrations of amine borate A and low-toxicity phenol C compound

由图13、图14和图15可以发现，硼酸铵A和低毒酚C复合使用比单独使用的切削液的抗菌性能要高，同时表现出良好的抗真菌性能。当硼酸铵A浓度为5%时即能在较长时间内抑制细菌的生长，明显延长了切削液的使用寿命，说明硼酸铵A和低毒酚C起到了较好的协同效应。

图16 三嗪类B和低毒酚C复合时的pH值变化曲线Fig.16 The pH values of cutting fluid with different concentration of triazine B and low-toxic phenol C compound

图17 三嗪类B和低毒酚C复合时的细菌菌落总数Fig.17 The total bacterial count in cutting fluid with different concentrations of triazine B and low-toxic phenol C compound

图18 三嗪类B和低毒酚C复合时的真菌菌落总数Fig.18 The total fungicidal count in cutting fluid with different concentrations of triazine B and low-toxic phenol C compound

从图16、图17和图18中不难看出，三嗪类B和低毒酚C复合使用时，不能在较长时间内抑制细菌的生长，但对真菌的抑制作用良好。

2.3 杀菌机制探讨

通过对水基切削液中的微生物进行苏木精-伊红染色（HE染色）和革兰氏染色与分离培养，发现水基切削液中主要含有肺炎球菌、金黄色葡萄糖球菌、大肠埃希氏菌等细菌以及曲霉、酵母等真菌，说明水基切削液中存在细菌和真菌构成了共生体系。在杀菌剂对切削液抗菌性能影响的试验研究中发现，不同类型的杀菌剂，其抗菌特性也不尽相同，这可能与杀菌剂自身的化学结构有着一定的关系。为进一步研究杀菌剂的抗菌特性，采用OLYMPUS BX51型显微镜观察了切削液中微生物的状态。

图19为未经杀菌剂处理的水基切削液中微生物的显微镜照片，图20～图25所示分别为经过硼酸铵A、三嗪类B、低毒酚C以及硼酸铵A和三嗪类B、三嗪类B和低毒酚C、硼酸铵A和低毒酚C处理后的切削液中微生物的显微镜照片。

图19 未经杀菌剂处理的微生物显微镜照片（×400）Fig.19 The microscope photos of microorganism untreated by bactericide（×400）

图20 经硼酸铵A（5%）处理后的微生物显微镜照片（×400）Fig.20 The microscope photos of microorganism treated by amine borate A（5%）（×400）

图21 经三嗪类B（2%）处理后的微生物显微镜照片（×400）Fig.21 The microscope photos of microorganism treated by triazine B（2%）（×400）

图22 经低毒酚C（2%）处理后的微生物显微镜照片（×400）Fig.22 The microscope photos of microorganism treated by low-toxic phenol C（2%）（×400）

图23 经硼酸铵A（3%）与三嗪类B（1%）处理后的微生物显微镜照片（×400）Fig.23 The microscope photos of microorganism treated by amine borate A（3%）and triazine B（1%)compound（×400）

图24 经三嗪类B（2%）与低毒酚C（1%）处理后的微生物显微镜照片（×400）Fig.24 The microscope photos of microorganism treated by triazine B（2%）and low-toxic phenol C（1%）compound（×400）

图25 经硼酸铵A（5%）与低毒酚C（1%）处理后的微生物显微镜照片（×400）Fig.25 The microscope photos of microorganism treated by amine borate A（5%）and low-toxic phenol C（1%）compound（×400）

比较图19～25可以发现，未经过和经过不同杀菌剂处理后的微生物死亡数量是不同的。其中，图20显示，经过硼酸铵A处理的微生物依然有一些存活，表明硼酸铵A杀菌性不强，同时说明A起效较慢。由图21和图22可见，分别经过三嗪类B和低毒酚C处理后的微生物存活数量少于硼酸铵A，说明两者的杀菌性较硼酸铵A强。从图23、图24和图25中不难看出，经过复合杀菌剂处理后的微生物存活数量均减少，且大部分死亡。其中，经过硼酸铵A和低毒酚C处理后的微生物死亡速度较慢，有一部分微生物细胞处于溶胀状态，还没有完全死亡。虽然硼酸铵A和低毒酚C复合时起效不是很快，但是在切削液中具有较持久的抑制微生物的作用，对于实际应用具有重要的意义。

由上述试验可以得出，不同杀菌剂对微生物的抑制作用有所不同，这可能与其自身的结构有关。其中，硼酸铵A中含有的硼是缺电子元素，可以接受外界电子[7]，因此能够吸附到带有负电荷的细胞表面，改变细胞壁的渗透性，使菌体破裂[8]。三嗪类B属于甲醛缩合类化合物，所释放出的甲醛具有还原作用，易与细胞中蛋白质的氨基结合而使蛋白质变性，破坏菌体的细胞质[9]，导致细胞死亡。而低毒酚C可以吸附在微生物细胞壁上，然后扩散到细胞结构中，在细胞内生成胶态溶液，使蛋白质沉淀，从而破坏蛋白质使得细胞死亡[10]。

水基切削液中细菌和真菌的生长受到抑制，除与杀菌剂自身性质密切相关外，还与它们生长在同一个体系中而发生生存竞争有关。当其中一种数量较少时，会促使另一种获到优势生长而大量繁殖。因此，单独使用硼酸铵A和三嗪类B时，切削液中的真菌可能因细菌生长受到较大抑制而过度繁殖，而单独使用低毒酚C时，切削液中的细菌却因真菌受到抑制而大量繁殖。然而，当具有不同抑菌谱的杀菌剂复合时，可能对细菌和真菌同时起到抑制作用，因此都不能占到生长优势，这时它们将在较低数量水平上达到平衡。但若其中一种杀菌剂对细菌的抑制作用降低或者完全失效，那么真菌又会得到优势生长的机会而过度繁殖。反之，细菌则大量繁殖。在三嗪类B与低毒酚C的复合试验前期，细菌和真菌同时受到抑制，数量都很少，随着三嗪类B逐渐分解失效，细菌数量大增，真菌的生长将继续受到抑制。同理，硼酸铵A和三嗪类B复合时对细菌的抑制作用较好，这便会促进真菌的过度繁殖。

在硼酸铵A与低毒酚C复合时，由于这两种具有不同抗菌特性的杀菌剂可以对细菌和真菌同时起到抑制作用，而且两种杀菌剂的持效性较好，因此细菌和真菌均不能在短期内获得优势生长，也就不会大量繁殖。

3 结论

（1）试验表明，不同类型和不同浓度的杀菌剂对细菌和真菌的抑制效果不同。其中，硼酸铵A浓度为5%时即能具有较好的抗细菌性能，但抗真菌性能不理想。三嗪类B的抗细菌性优于抗真菌性。而低毒酚C的抗真菌性能明显优于抗细菌性能。

（2）三种杀菌剂复合时水基切削液的抗菌性能有不同程度的提高。硼酸铵A和三嗪类B复合时抗细菌性能明显提高，但对真菌的抑制作用不理想；三嗪类B和低毒酚C复合时不能在较长时间内同时对细菌和真菌同时起到抑制作用；5%硼酸铵A和1%低毒酚C复合时可以在较长时间内抑制细菌和真菌的生长，明显延长了切削液的使用寿命。

（3）水基切削液中细菌和真菌的生长受到抑制，除了与杀菌剂自身的化学性质有关外，还与切削液体系中细菌和真菌构成的共生体系有关，当其中一种大量繁殖时便会影响到另一种的生长。若切削液中含有不同抑菌谱的杀菌剂，就可能同时对细菌和真菌起到抑制作用，两者将在低数量水平上达到均衡。

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Research on the Effects of Compound Bactericides on Anti-microbial Performance of Water-based Cutting Fluid

LI Guang-yu1,LI Chun-hui1,ZHANG Mang-mang1and ZHUANG Yuan2
（1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Shenyang Lusan Lubrication Technology Co.,Ltd.,Shenyang 110015,China）

According to ASTM D3946-92,the air breather which could simulate the user's scene was set up in laboratory in order to investigate the effect of anti-microbial performance of amine borate A,triazine B and low-toxic phenol C and theirs composition on the water-based cutting fluid. The results showed that it was difficult for a single bactericide to suppress bacteria and fungi,while the composite bactericides could suppress both bacteria and fungi.When 5%amine borate A and 1%low-toxic phenol C were combined,the anti-fungal and anti-bacterial performances of cutting fluid were excellent and its working life could be prolonged obviously.

Water-based cutting fluid;bactericide;anti-microbial performance;action mechanisms of bactericide

R 978.5

A

1001-0017（2015）02-0085-07

2014-12-03 *基金项目：国家重点基础研究发展计划973项目（编号：2007CB210305）

李广宇(1971-)，男，吉林吉林人，博士，副教授，主要从事润滑剂及相关精细化学品的研究。E-mail:lgych@163.com