纳米材料抗菌性能的研究

纳米材料抗菌性能的研究

主要研究纳米材料应用和固体废物处理。

王帆1，2，郑先哲1

(1.东北农业大学农业工程学院，哈尔滨 150030； 2.大连大学环境与化学工程学院，辽宁 大连 116622)

摘要：基于纳米材料的抗菌特性，采用纳米沸石银和纳米沸石锌作为抗菌材料，研究其对垃圾堆肥样品的抑菌效果。研究结果如下：2种纳米材料均具有抗菌作用。从同一菌液浓度的抑菌圈大小看，纳米沸石-Ag对细菌的抑制效果优于纳米沸石-Zn，这2种材料的抑菌圈大小均随着菌液稀释度的增大而增大；纳米沸石-Ag的最小抑菌浓度为3 mg/mL，最大杀菌浓度为28 cfu/mL。而纳米沸石-Zn的最小抑菌浓度为0.5 mg/mL，最大杀菌浓度为0.28 cfu/mL。纳米复合沸石的质量浓度越高，作用时间越长，抑菌效果越好。综合比较，纳米沸石-Ag抑菌效果优于纳米沸石-Zn。

关键词：纳米沸石银；纳米沸石锌；堆肥；抗菌

0引言

纳米抗菌材料是在纳米技术出现后，将抗菌剂通过一定的方法和技术制备成纳米级抗菌剂，再与抗菌载体通过一定的方法和技术制备而成的具有抗菌功能的材料。随着近几年对纳米抗菌剂、载体及制备方法的广泛研究，纳米抗菌材料的种类愈来愈丰富多彩，制备方法趋于成熟，应用领域也愈来愈广[1]。

目前，纳米抗菌材料作为一种新型的抗菌剂，其抗菌的广谱性和高效性等优点被越来越多地认识，市场上已经出现抗菌陶瓷、抗菌涂料及抗菌织物等纳米抗菌产品[2-3]。关于金属离子纳米材料的抑菌机理存在2种假说：酶阻断说、活性氧说[4-6]，尚无定论。而前者是由于金属离子与细菌细胞接触时穿透细胞膜，与细菌中巯基(-SH)反应，使细菌的蛋白凝固，从而破坏细胞合成酶的活性，使细菌失去增殖能力而死亡，这个过程中还存在着一个缓释过程。后者则认为是金属离子激活环境中的氧，产生自由基，氧化菌体从而使其死亡。为观察不同纳米材料的抗菌效果，本实验选取纳米沸石银和纳米沸石锌作抗菌剂，综合性评价其抑菌效果[7]。

1实验材料与方法

1.1实验材料

纳米Y沸石[8-9]和堆肥样品。

1.2实验方法

1.2.1纳米复合沸石的制备

分别称取纳米Y沸石粉末12.5 g，加入一定质量浓度的AgNO3溶液25 mL和ZnCl2溶液50 mL，pH值为6～8，在一定温度下振荡5 h，使其充分进行离子交换，然后离心分离，用蒸馏水洗涤至洗液中无Ag+、Zn2+离子，洗后的沸石在80～90℃条件下烘干[10]。

1.2.2纳米复合沸石的抑菌试验

1)菌液的制备[2]。

2)抑菌圈试验[10]。

3)最小抑菌浓度(MIC)的测定：将不同质量的纳米沸石银和纳米沸石锌及一定量的浓度为280 cfu/mL的菌悬液(稀释度为10-6)混入一定量液体培养基中培养。取培养液0.2 mL，将其涂布到细菌总数平板上培养，以不长菌的最低质量浓度为最小抑菌浓度(MIC)，同时作对照试验。

4)最大杀菌浓度(MBC)的测定：取一定稀释度的堆肥试验样品稀释液，其中分别加入上述实验测定的最小抑菌质量的纳米复合银沸石和纳米复合锌沸石，接种加到一定量的液体培养基中培养，然后取培养液0.2 mL，涂布到营养琼脂平板上培养。以不长菌的最低浓度为最大杀菌浓度(MBC)，同时作对照试验。

5)质量浓度及作用时间与抑菌率的关系。以堆肥试验样品稀释液作为受试菌株，选抑菌纳米材料一定质量浓度的3个质量浓度梯度作为试验质量浓度，在作用2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h、14 h的时间点上，取0.2 mL混合液涂布在相应的固体培养基上，测定作用时间和抑菌率的关系。统计各个平板上的菌落数并计算出各个时间点下不同质量浓度的纳米沸石银和纳米沸石锌的抑菌率。

2试验结果与分析

2.12种纳米材料对堆体中细菌的抑菌圈试验

由表1可以看出，2种纳米复合沸石对堆肥中细菌均产生较为明显的抑菌圈，说明其对堆肥中细菌都有较好的抑菌效果。而仅从纳米复合沸石对同一稀释度菌液的抑菌圈大小看，纳米沸石-Ag对细菌的抑制效果优于纳米沸石-Zn。这2种材料的抑菌圈大小均随着菌液浓度的减小而增大。菌液浓度由2.8×104cfu/mL变为2.8×102cfu/mL时，纳米沸石-Ag抑菌圈由21 mm增加至33 mm，纳米沸石-Zn由16 mm增至23 mm，这一结果同时说明纳米沸石-Ag的抑菌能力较纳米沸石-Zn强。

表1　纳米Y-Ag沸石、纳米Y-Zn沸石抑菌圈试验结果

2.22种纳米复合沸石最小抑菌浓度的确定

由表2可以看出，当菌液浓度为2.8×102cfu/mL时，纳米沸石-Ag对堆肥中细菌的最小抑菌浓度为3 mg/mL，纳米沸石-Zn对堆肥中细菌的最小抑菌浓度为5 mg/mL。表明了纳米沸石-Ag对细菌的抑菌能力强于纳米沸石-Zn。

表2　纳米沸材料对受试菌最小抑菌浓度的测定结果

注：“+”表示有菌落出现，“-”表示无菌落出现。

2.32种纳米复合沸石最大杀菌浓度的确定

根据上述试验得到的最小抑菌浓度，选取纳米沸石(3 mg/mL)及纳米沸石-Zn(5 mg/mL)测定其最大杀菌浓度。结果见表3。

表3　纳米沸石材料对受试菌最大杀菌浓度的测定结果

注：“+”表示有菌落出现，“-”表示无菌落出现

由表3得，纳米沸石-Ag对细菌的最大杀菌浓度为28 cfu/mL(即稀释度为10-7)，当菌液浓度小于28 cfu/mL时，培养基上并没有出现菌落，即培养液中的细菌已经被杀灭。而纳米沸石-Zn对细菌的最大杀菌浓度为0.28 cfu/mL(即稀释度为10-9)。测定结果同样可以表明纳米沸石-Ag对细菌的抑菌能力强于纳米沸石-Zn。

同比类似试验[1]，纳米复合沸石最大杀菌浓度偏小，这可能是由于试验中选取混菌而非特定单一菌作为受试菌种或者所采用的抑菌材料不同而导致的。

2.42种纳米复合沸石的质量浓度及作用时间与抑菌率的关系

在菌液浓度为2.8×102cfu/mL条件下进行的不同质量浓度及作用时间的2种复合沸石与抑菌率关系的试验结果如图1～2所示。

由图1～2可以看出，在同一质量浓度的作用下，随着作用时间的增加，2种纳米沸石的抑菌率都呈现增长的趋势。当纳米沸石-Ag和纳米沸石-Zn质量浓度分别为2 mg/mL、5 mg/mL时抑菌率增幅最大(43%、41%)。同时在2种纳米复合沸石质量浓度相同的情况下，作用时间越长，抑菌率越高。在相同的作用时间下，不同质量浓度的2种纳米沸石抑菌率也是不同的，会随着抑菌剂质量浓度的增加而增加，最大增幅发生都在作用时间为4 h后，分别达到18%、33%。即抑菌剂质量浓度越高、作用时间越长，抑菌率越高，也就是杀菌效果越好。

图1　不同质量浓度及作用时间下纳米沸石-Ag细菌的抑菌率

图2　不同质量浓度及作用时间下纳米沸石-Zn细菌的抑菌率

图1和图2进行比较可知在作用时间为2 h时，各质量浓度的纳米沸石-Ag就表现出比相应质量浓度纳米沸石-Zn明显的抑菌作用。随着作用时间的延长，差距逐渐增大。当纳米沸石-Ag质量浓度为4 mg/mL时，作用10 h后抑菌率即可达到100%，且3个不同作用质量浓度在作用12 h后最终均达到100%左右。而当纳米沸石-Zn质量浓度为4 mg/mL时，作用12 h后的最终抑菌率仍为82%。即表明纳米沸石-Ag的抑菌能力比纳米Y沸石-Zn的抑菌能力强。此结论可以从抑菌理论第一种假设得到支持，尤其是研究抑菌材料与作用时间的试验，由于随着反应时间的增加，2种纳米复合沸石对细胞的破坏能力是明显增强的，理解为在接触过程中抑菌材料在不断地进行缓慢释放，从而使抑菌率随着增加而不是降低。

综上所述可知纳米沸石-Ag比纳米Y沸石-Zn更具有抑菌能力。这是由于纳米沸石-Ag中Ag+的抑菌活性比纳米沸石-Zn中的Zn2+强，但Ag+成本较Zn2+大，因此需在具体试验中综合分析各自的优劣性来选择抑菌材料。

3结论

1)2种材料的抑菌圈大小均随着菌液浓度减小而增大，对同一菌液浓度的抑菌圈，纳米沸石-Ag对细菌的抑制效果优于纳米沸石-Zn；纳米沸石-Ag和纳米沸石-Zn的最小抑菌浓度分别为3 mg/mL、5 mg/mL，最大杀菌浓度分别为28 cfu/mL、0.28 cfu/mL。

2)2种纳米复合沸石的抑菌效果与其质量浓度成正比，与作用时间成正比，纳米复合沸石的质量浓度越高，作用时间越长，抑菌效果越好。综合比较，纳米沸石-Ag抑菌效果比纳米沸石-Zn抑菌效果明显。

参考文献

[1] 孔彬彬.纳米材料抑菌作用及机理的研究[D].山东：山东轻工业学院，2009：4-5.

[2] 陈江魁，孔彬彬，陈丽梅，等.2种纳米材料抗菌性能的研究[J].中国酿造，2010(4)：55-58.

[3] 代小英，许欣，陈昭斌，等.纳米抗菌剂的概况[J].现在预防医学，2008，35(13)：2513-2515.

[4] 曲锋，许恒毅，熊勇华，等，纳米银杀菌机理的研究进展[J].食品科学，2010，17(31)：420-423.

[5] Kim K J，Sung W S，Suhb K，et al.Antifungal activity and mode of action of silver nano-particles on Candida albicans[J].Biometals，2009，22(2)：235-242.

[6] 俞波，王芳.复合金属离子抗菌沸石的制备及研究[J].无机材料学报，2005，4(20)：921-926.

[7] 孔彬彬.纳米抗菌材料抗菌作用及机理的研究进展[J].中国酿造，2008(8)：1-3.

[8] 张健，万东锦，朱云云，等.两种ZSM-5沸石分子筛吸附水中氨氮的研究[J].环境科学与技术，2011，8(34)：104-108.

[9] 李晓韬，祁晓岚，冯刚，等.Na/H交换度对高硅丝光沸石及其吸附二甲苯性能的影响[J].化学反应工程与工艺，2011，27(6)：502-508.

[10] 张婷.纳米沸石对堆肥中氨气吸附技术及相关因素的研究[D].大连：大连大学，2013：20-21.

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.02.032

收稿日期：2015-04-13

基金项目：大连大学博士启动项目(2011年)

作者简介：王帆(1977-)，女(汉)，黑龙江，讲师，博士

中图分类号：X799

文献标志码：A

文章编号：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