空气微生物净化材料研究进展

＊王丰 杨晓波 凌云 邱志刚*

（1.上海海洋大学海洋生态与环境学院 上海 201306 2.军事科学院军事医学研究院环境医学与作业医学研究所 天津 300050）

前言

微生物作为自然界中不可或缺的生物群体与人类的生产活动、生命健康息息相关，它既可以维持人体肠道菌群提高自身抵抗力，又能提高土壤肥力促进粮食增产，广泛存在于农业、医学、食品、环境等多个领域。自然界中微生物多种多样，一些带有致病性和腐败性的微生物污染会对环境造成持久性危害[1]，严重威胁人类的生命健康。截至目前，已有50 多种传染病主要通过空气传播。

传统的细菌灭活方法（如氯化消毒[2]和紫外线照射消毒）存在着许多弊端。例如氯化消毒过程会产生有机副产物三氯甲烷和卤乙酸，具有很强的致癌性。此外，紫外线也对人体健康有害。短时间在紫外线灯下消毒会导致皮肤干燥、瘙痒等问题，长期暴露在紫外线下容易诱发皮肤癌症。因此寻找一种能够便捷、高效抑制空气微生物的抗菌材料迫在眉睫。本文综合阐述了目前不同类别抗菌材料的抗菌机理，并针对空气微生物总结了抗菌材料的应用现状和发展前景。

1.空气微生物

(1)空气微生物的种类及危害

人们大约85%的时间在封闭空间中度过，而室内空气中的微生物主要为革兰氏阳性菌，其中以芽孢杆菌属最多[1]。它们以粉尘、飞沫核等气溶胶的形态扩散，并且人体在封闭环境中会反复接触这些病原体气溶胶，经呼吸道进入人体，引起呼吸道感染。这些病原体会导致患者出现头痛、干咳、胸痛、腹泻等不适症状。真菌污染可导致变应性鼻炎、哮喘和呼吸道感染等疾病。许多致病微生物即使在非常低的浓度下也构成高风险。

(2)空气中微生物常见的抑制方法

目前常见的空气微生物抑制方法可分为高温灭菌、化学消毒剂灭菌、紫外线灭菌、过滤灭菌四大类。高温灭菌是通过高温引起菌体蛋白质核酸、酶系统等活性大分子氧化或变性失活来灭活空气微生物，虽然能杀灭包括芽胞在内的所有微生物，但却伴随着高温危险；化学消毒剂是通过破坏细菌蛋白质、干扰细菌酶系统和新陈代谢以及改变细胞膜的渗透性起作用[3]，主要通过喷雾方式对空气微生物进行灭菌，虽然操作简便、有良好的杀灭效果，但是对人体皮肤具有毒性；紫外线灭菌是通过诱导胸腺嘧啶二聚体的形成和DNA 链的交联来抑制DNA 复制[4]，进而影响空气微生物的繁殖，具有高效、广谱和无二次污染的优秀特性，但病原体在光合作用或者“暗修复”的机制下能够自我修复，不具有持久杀菌能力；过滤杀菌是指在空气流过滤网时，粒子在离心场中沉降，通过惯性的撞击，使粒子与介质接触后，被直接切断[5]，其本身不具有抗菌性能。因此在面对复杂的需求和环境时，常见的抑制方法已经无法有效的杀灭及抑制空气微生物。

2.无机抗菌材料

目前应用最广泛的无机抗菌材料是以银系为代表的金属型抗菌材料。Ekarat Detsri 等人[6]通过高能紫外线还原成功地合成了用阴离子聚合物聚电解质稳定的银纳米颗粒，使用PMA、PAA 和CoPSS 作为稳定剂，将银纳米颗粒沉积到聚酯空气滤清器上可去除92.18%、84.32%和71.19%的金黄色葡萄球菌。Baolei Shen[7]在掺银的角蛋白/PA6 复合纳米纤维膜合成过程中加入Ag 纳米颗粒（AgNPs），使复合膜对金黄色葡萄球菌（99.62%）和大肠杆菌（99.10%）具有很强的抗菌活性，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的细菌过滤效率（BFE）分别高达96.8%和95.6%。所有结果表明粗羊毛中的角蛋白提取物在空气过滤领域具有很大的应用潜力。

无机抗菌材料的作用机理主要通过裂解细胞壁，使内容物流出，金属离子或者金属纳米颗粒进入细胞内，破坏蛋白质、酶等其他物质，最终导致细胞死亡。

3.有机抗菌材料

在人工合成的有机抗菌材料中，季铵盐类抗菌剂主要是通过静电作用吸附并穿透细菌的细胞壁，与细胞膜的脂质或蛋白质发生反应，导致结构混乱和低分子量成分泄漏，从而导致细胞裂解死亡。Shaobo Zhang 等人[8]通过浸入、浸轧、干燥使两性离子磺基丙基甜菜碱（ISB）和具有活性异氰酸酯基（NCO）的季铵盐（IQAS）共价结合到棉织物表面上，不仅保证了良好的透气性，而且对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌拥有99.8%的抗菌活性，此外其还表现出优异的抗菌黏附性。

天然抗菌材料因其良好的生物安全性而逐渐被人们关注，壳聚糖（Chitosan，CS）是目前广泛使用的一种天然抗菌剂，其主要通过静电作用吸附于细菌表面或进入细菌内部，干扰细菌的正常生理活动，起到杀菌的作用[9]。刘亭亭[10]在小型风道式净化性能测试实验系统中,以白色葡萄球菌作为目标微生物，发现壳聚糖的复合滤料具备了壳聚糖自身所具有的抗菌性,呈现出良好的抗菌效果，复合滤料的除菌效率随着风速的增大而降低。

Wang Zhen 等人[11]通过非溶剂诱导相分离（NIPS）方法制备了一种抗菌环保的壳聚糖（CS）/聚乙烯醇（PVA）共混膜，用于空气过滤，共混膜的抗菌率对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌分别高达94.8%和91.3%。

有机抗菌材料的抗菌机理主要是通过抑制外膜生物合成、代谢活动和膜相关信号通路，从而抑制细菌的生长。

4.复合型抗菌材料

复合抗菌剂是无机抗菌添加剂和有机抗菌添加剂的组合，具有良好的耐热性和安全性。相比单一的抗菌材料，复合抗菌材料可以兼备不同抗菌组分的功能。

在目前的复合抗菌材料中，将壳聚糖与金属离子复合是最常见的组合，Muhammad Iqbal Hidayat 等人[12]通过在绿色合成和固定壳聚糖稳定银胶体纳米粒子来达到在空气过滤器中依旧保持原有抗菌活性，固定化后的银颗粒和壳聚糖稳定的胶体银颗粒对革兰氏阳性（金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性（大肠杆菌）有很强的抑制效果，其中固定化后的银颗粒对空气中的枯草芽孢杆菌表现出很高的抗菌活性。I-Jen Wang 等人[13]通过应用零价纳米银/二氧化钛-壳聚糖的过滤床，在与过滤器接触20 min 后，超过95% 的MS2 噬菌体失活，空气传播感染的概率从99%降低到34.6%，并且在过滤器连续工作509 周后仍可保持在原有抗病毒效率的1%，也证明了空气传播的可行性。

离子液体（ILs）是一类在室温下保持液态的盐。稳定的物理化学特性和极低的蒸气压使其广泛应用。A.Nicosia 等人[14]用不同量的季铵化合物（QAC）的铵基离子液体（IL）进行功能化，从而获得具有抗菌特性的纤维垫，用于气溶胶颗粒过滤，这不仅具有良好的机械强度、可生物降解和优异的空气过滤等巨大优势，而且与杀菌纳米材料结合后依旧能保持其原有的抗菌活性。Mengni Zhu 等人[15]利用复合醋酸纤维素和聚离子液体组成一种对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有良好抗菌性能的新型空气过滤器，该过滤器对PM10和PM2.5颗粒的去除率分别达到99.65%和97.94%，并且在多次循环使用后仍能保持其原有的抗菌性能和纤维形态。

5.光催化型抗菌材料

光催化型抗菌材料中二氧化钛、氧化锌等复合型材料是目前空气微生物净化的研究热点。Chanwoo Park 等人[16]采用超音速喷涂方法制备氧化铜二氧化钛纳米线，其复合之后不仅具有其原先的超亲水性，还可以吸引空气中含有细菌的气溶胶，从而减少空气污染，其对大肠杆菌的抑制率为100%，具有超强的光灭活性。Yongyi Luo 等人[17]通过原位将还原石墨烯（rGO）和氧化锌负载在具有三维网络结构的超细玻璃纤维（s-GF）上，制备了一种多功能空气过滤器，在可见光2 h 内对大肠杆菌的抑菌率达到100%，在可见光4 h 内空气过滤效率也可以保持在99%，具有优异的过滤和抗菌性能。

光催化型抗菌材料作为特殊的抗菌材料，其抗菌机理主要通过活性氧（ROS）来破坏细胞膜、抑制能量代谢、破坏抗氧化防御系统和损害 DNA 完整性来攻击细菌细胞。

6.总结与展望

引起传染病的空气微生物（例如细菌、病毒和真菌孢子）会影响人体健康，至今已经研究了多种抗菌材料来灭活和抑制空气微生物的传播。目前抗菌材料多以颗粒、膜和凝胶等形式用于空气过滤器，具有优异的抗菌性和过滤性，此外生物敷料也是未来重点研究的方向。

在拥有很好发展前景的同时，抗菌材料仍面临着许多挑战。例如，银系与TiO2无机抗菌材料具有生物毒性和受光照等缺陷；壳聚糖与季铵盐有机抗菌材料具有制备繁琐和力学性能差等缺陷。材料的生物安全性和毒性将成为不可忽视的问题。

此外，在细菌被灭活之后，其细胞内容物能被释放到空气中，依旧能感染其他细菌，因此未来的研究不仅要开发新型抗菌材料，还要考虑细胞内容物降解等问题。

如今无机和有机抗菌材料研究早已成熟，但生物安全性和利用性差等问题频频出现。相较而言，以离子液体等复合型抗菌材料具有更优异的抗菌性和生物安全性，也是未来研究是重点。