基于泥炭蘚/硅藻土復合調濕材料的抑霉菌改性研究*

2022-01-14 12:30:46胡明玉胡裕倩

功能材料 2021年12期

胡明玉，鄢升，胡裕倩

(南昌大學建筑工程學院，江西省超低能耗建筑重點試驗室，南昌 330031)

0 引言

隨著社會發展和生活水平提高，人民對室內空氣環境的要求也在提高。室內空氣環境包括室內熱濕環境和室內空氣質量[1]。在我國南方濕熱氣候地區，較高的室內相對濕度不僅使居住者不舒適，室內還容易滋生霉菌等微生物。室內霉菌不僅影響美觀、墻體的耐久性，霉菌孢子還會在空氣中飄蕩影響室內空氣質量，引發居住者哮喘、鼻炎、肺炎等嚴重呼吸系統疾病[1-2],因此，室內空氣環境對居住者健康關系重大。常見調節室內濕度的方法是使用新風系統、空調等設備，需消耗大量能源。調濕材料能通過自身吸放濕特性實現對室內空氣濕度的自動調節，近年來受到廣大研究者的重視。但在南方濕熱地區，由于吸濕可能使調濕材料較長時間處于高濕狀態，這又為霉菌提供良好的滋生環境。因此，研發抑霉菌調濕材料對室內空氣環境和建筑節能意義重大。

目前對抑霉菌調濕材料研究較少。王紅英等[3]對泥炭蘚/硅藻土復合調濕材料及其各組成對室內主要霉菌(桔青霉、黃曲霉和黑曲霉)的抑制作用及其機理進行了研究。研究表明該調濕材料對桔青霉和黑曲霉具有良好的抑制作用，但對黃曲霉菌抑制作用不夠明顯。黃曲霉具有很強的毒性，被認為有致癌性、致突變、致畸性及會抑制免疫力，并引起肝部損傷[4]。黃曲霉也是一種過敏原，可導致過敏性支氣管肺曲霉病[5]。由于黃曲霉菌的抑制難度大，且對人體的危害也大，故抑制室內黃曲霉菌的萌發對保證居住者健康至關重要。

自1995年Sawei[6]等人研究發現MgO粉體在和金黃色葡萄球菌和大腸桿菌接觸時表現出很強的抑菌性，它的抑菌性已受到廣泛關注。胡裕龍[7]等采用液相沉淀法合成納米MgO粉體，試驗發現其能產生明顯的抑菌圈，4 h內對金葡萄球菌的殺菌率達89.23%。Zhu[8]等通過濕化學法和溶膠凝膠法將Ag顆粒負載于MgO粉體表面，制備不同摻雜量的Ag-MgO納米復合材料，其比MgO對大腸桿菌有更好地抑制作用。Kudzin[9]等用碘化鉀對非織造布進行改性后，對黑曲霉有較好抑制作用。Jacumazo[10]等制備含丁香酚的十二烷基硫酸鈉-多糖膠囊對木霉屬、黑曲霉和白色念珠菌都有較好抑制作用。張小華[11]等制備異噻唑啉酮型微膠囊對加脂坯革上的霉菌有顯著防治效果。盧鴻[12]等自配新型防霉劑BIT可以用于處理墻體霉變。盧君[13]等將納米TiO2、納米ZnO加入基礎涂料中制成抗菌防霉涂料，對黃曲霉、黑曲霉等混合霉菌有較好抑制作用。周振宇[14]用改性后的納米ZnO配制的調濕涂料對金黃葡萄球菌、大腸桿菌和黑曲霉有良好抑制作用?？傮w上，目前的研究多采用有機和無機抑菌劑作為添加劑來抑菌，抑菌研究主要針對醫療、食品，用于建筑領域抑制霉菌的研究較少，且MgO的抑霉菌機理也需要進一步研究。有機抗菌劑制作過程復雜、易產生耐藥性且分解產物有毒，而抑霉菌調濕材料用于室內，要求其無毒無害并具有優異的抑菌性、較好的調濕性、較高的強度等綜合性能。

本研究在團隊前期研究[3,15]基礎上，探究調濕材料對室內另外兩種主要霉菌(宛氏擬青霉和出芽短梗霉)的抑菌性，并通過復合MgO或納米MgO改善調濕材料對黃曲霉的抑制作用。通過活性氧自由基分析、菌絲核酸滲漏分析、菌絲TEM分析和孢子ESEM、EDS分析探究抑霉菌機理。并可對抑霉菌調濕材料的研究提供試驗和理論基礎。

1 實驗

1.1 原材料

主要原材料有泥炭蘚、硅藻土、釩鐵渣、MgO和納米MgO。泥炭蘚購于市場，使用前烘干并磨至0.1 mm左右。硅藻土取自江西省廣昌縣，主要為圓盤藻，粒徑8～12 μm，使用前將其烘干并磨至200目左右。釩鐵渣取自江西省新余市某鋼鐵廠，呈白灰色粉末狀，由XRD分析可知其主要礦物組成為γ-C2S、少量α-C2S和MgO(見圖1)。MgO和納米MgO(粒徑20 nm)購于天津市化學試劑廠。

圖1 釩鐵渣的XRD圖譜

1.2 培養基及其它材料

試驗所用培養基有察氏培養基、改良察氏培養基(不含瓊脂的察氏培養基)和馬鈴薯-蔗糖培養基(PDA培養基)。此外，還需吐溫80、無菌水、酸堿緩沖液(0.5 mol/L HCL、NaOH)等化學試劑、Φ90 mm培養皿、接種環、濾紙等。除化學試劑外，各試驗物品使用前均放入滅菌鍋中在121 ℃、(0.10～0.11)MPa條件下滅菌30 min。

1.3 菌種選擇及菌懸液配備

1.3.1 菌種選擇

根據文獻[16]得到的室內常見優勢菌種種類及Klaus[17]提出的菌種危險等級，結合本團隊前期研究基礎，本試驗選取室內常見優勢菌種宛氏擬青霉(Paecilomyces varioti)、出芽短梗霉(Aureobasidium pullulans)和黃曲霉(Aspergillus flavus)作為試驗菌種，菌種均購于廣東省微生物菌種保藏中心。

1.3.2 菌懸液配備

將無菌水倒入斜面菌種中，用無菌接種環輕刮菌種表面以洗出孢子，并用濾紙過濾去除菌絲碎片、瓊脂塊和孢子團。所得孢子懸液以4 000 r/min速度離心10 min，去掉上層清液，用30 mL無菌水沖洗懸浮物，再離心。用此方法清洗孢子3次，制得孢子濃度為8×105～1.2×106cfu/mL的孢子懸液。

1.4 抑菌性試驗

1.4.1 察氏培養基抑霉菌試驗

以前期研究[15]為基礎，確定調濕材料質量配比為m(硅藻土)∶m(釩鐵渣)∶m(泥炭蘚)=75∶25∶15。為確定調濕材料及其組成對霉菌的作用，分別將調濕材料、硅藻土、釩鐵渣、泥炭蘚、MgO、納米MgO以1.15∶100 g/mL、0.75∶100 g/mL、0.25∶100 g/mL、0.15∶100 g/mL、0.25∶100 g/mL、0.25∶100 g/mL的固液比摻入察氏培養基溶液中。滅菌后分別向培養皿中倒入30 mL摻有不同材料的培養基。每種材料做3個平行試驗，對照組為不加任何抑菌物質的察氏培養基。待培養基凝固后，用移液槍分別在每個培養皿中接種1 mL宛氏擬青霉、出芽短梗霉和黃曲霉孢子懸液，并用涂抹棒涂抹均勻，晾干后用封口膜封好，放入霉菌培養箱中在28 ℃、相對濕度90%條件下培養28 d。每天觀察一次，并記錄孢子萌發狀態，采用霉菌孢子萌發時間T(d)評價抑菌效果。

1.4.2 抑制菌絲生長試驗

首先制備PDA培養基，再將400 mL PDA培養基平均分裝于4個錐形瓶中，之后將調濕材料、釩鐵渣、納米MgO分別加入到各個錐形瓶中，使試驗組最后濃度為0.06∶100 g/mL，對照組為不加任何抑菌物質的PDA培養基。培養基倒入培養皿冷卻凝固后，取宛氏擬青霉、出芽短梗霉和黃曲霉孢子懸液2 μL分別接至各培養皿中央，每組做3個平行。水平放置10 min后貼上封口膜，轉移至霉菌培養箱中在28 ℃、相對濕度90%條件下倒置培養。每隔24 h用十字交叉法測量各霉菌菌落生長直徑，并記錄菌絲萌發情況。

1.5 抑霉菌機理研究

2 結果與分析

2.1 抑菌性

2.1.1 察氏培養基抑霉菌

按上述方法進行察氏培養基試驗。含有調濕材料、硅藻土、釩鐵渣、泥炭蘚、MgO、納米MgO的培養基上不同霉菌萌發時間見圖2。由圖2可見，對照組、泥炭蘚和硅藻土組的宛氏擬青霉和出芽短梗霉的萌發時間均為1 d，黃曲霉的萌發時間均為2 d，說明泥炭蘚和硅藻土對3種霉菌均無抑制作用。調濕材料組的宛氏擬青霉、出芽短梗霉、黃曲霉萌發時間分別為21、2和5 d，它比泥炭蘚和硅藻土的抑菌性好；釩鐵渣組的萌發時間分別為25、28和6 d，即其霉菌萌發時間比調濕材料組更長，抑菌性更好。3種霉菌中黃曲霉菌的抑制難度最大。由于調濕材料的組成有硅藻土、釩鐵渣和泥炭蘚，因此從各組霉菌萌發時間可初步推斷調濕材料中起主要抑菌作用的組分為釩鐵渣。MgO和納米MgO組的宛氏擬青霉、出芽短梗霉萌發時間都超過28 d，黃曲霉萌發時間分別為8、12 d，均超過調濕材料組和釩鐵渣組的萌發時間，抑菌性比釩鐵渣更好。由以上試驗分析可知釩鐵渣具有較好的抑菌性，而MgO和納米MgO的抑菌性比釩鐵渣更好。釩鐵渣的主要組成為γ-C2S、少量α-C2S和MgO，由此可以推斷釩鐵渣的抑菌性應源于其中的MgO。由于釩鐵渣中MgO含量只有7%左右，故其抑菌性比純MgO弱。粒徑為20 nm的納米MgO比普通MgO對霉菌的抑制時間更長，應該是納米效應的作用。

圖2 調濕材料及其各組成、MgO和納米MgO培養基上不同霉菌萌發時間

2.1.2 抑制菌絲生長

本試驗研究菌絲生長階段調濕材料及其組成對霉菌的抑制作用。各組霉菌菌落生長直徑隨時間的變化如圖3。由圖3可知，釩鐵渣和納米MgO對宛氏擬青霉菌絲的抑制效果最好，至第4 d無菌絲產生；對出芽短梗霉菌絲的抑制稍差，釩鐵渣和納米MgO組分別在1和2 d后菌絲開始緩慢生長，至第4 d菌落直徑分別為1.6和0.7 m，而對照組的菌落直徑達到2.2 m；3種霉菌中黃曲霉菌的抑制難度最大，釩鐵渣和納米MgO組在1 d后菌絲均開始緩慢生長，至第4 d釩鐵渣和納米MgO組黃曲霉菌菌落直徑分別為對照組的70%和49%，說明納米MgO對黃曲霉菌菌絲生長的抑制作用比釩鐵渣更強。圖4為培養4 d時各組宛氏擬青霉、出芽短梗霉和黃曲霉菌絲生長情況。可以看出，對于宛氏擬青霉，培養至第4 d釩鐵渣和納米MgO組均未萌發菌絲。對照組和調濕材料組均有菌落生長，菌絲向外擴展，菌落中心產生孢子，但調濕材料組的菌絲和孢子數量明顯比對照組小，說明調濕材料對菌絲生長存在一定的抑制作用。對于出芽短梗霉，各組均出現菌落，菌落大小及孢子數量為對照組>調濕材料組>釩鐵渣組>納米MgO組，說明納米MgO對出芽短梗霉菌絲的抑制作用最好。對于黃曲霉，對照組比調濕材料組菌落直徑更大，且中心產生的孢子量也更多；而釩鐵渣組和納米MgO組菌落擴展面積較小，也沒有產生孢子，說明釩鐵渣和納米MgO對黃曲霉菌絲均具有抑制作用，且納米MgO的抑制作用好于釩鐵渣。

圖3 菌落生長直徑隨時間的變化(圖中D、H、F、N分別代表對照、調濕材料、釩鐵渣和納米MgO)

圖4 各組菌絲培養4 d后的生長情況

綜上可得，調濕材料、釩鐵渣和納米MgO對3種霉菌都具有不同程度的抑制作用，其抑制規律為：納米MgO>釩鐵渣>調濕材料；3種霉菌中，宛氏擬青霉菌絲的生長最容易被抑制，而黃曲霉最難被抑制。即便如此，納米MgO對黃曲霉仍有更好的抑制作用。

2.1.3 抑黃曲霉菌

為驗證調濕材料復合MgO后對黃曲霉的抑制改進作用，設計了對比試驗。將1 g調濕材料分別復合0.1、0.3、0.5和0.7 g MgO，其編號依次為a、b、c、d。對照組1(D1)為察氏培養基，對照組2(D2)為未復合MgO的調濕材料。將制備好的黃曲霉菌懸液接種于各組培養皿中，每個培養皿接種1 mL，待稍干后貼上封口膜，放入霉菌培養箱中以28 ℃、90%的相對濕度培養28 d，每天進行觀察。采用霉菌孢子萌發時間T(d)評價抑菌效果。

圖5為各組霉菌孢子的萌發時間。由圖5可知，對照組察氏培養基D1和未復合MgO的原調濕材料D2黃曲霉孢子的萌發時間分別為1和5 d，a、b組的萌發時間分別為6和26 d，而c、d組28 d均未萌發黃曲霉孢子。由此可知，調濕材料對黃曲霉菌有一定抑制作用，而復合MgO后調濕材料的抑制黃曲霉菌作用大大增強，復合0.3 g及以上MgO后調濕材料對黃曲霉即具有很好的抑制作用。

圖5 各組霉菌孢子的萌發時間

2.2 抑霉菌機理研究

圖6 經顯色處理的上清液和吸收曲線(a)各組的顯色反應情況(b)各組在不同波長下的吸光值

圖7 各霉菌溶液中核酸OD260隨時間的變化

為進一步證明釩鐵渣和MgO對霉菌孢子萌發的抑制作用，采用ESEM觀察經釩鐵渣處理前后宛氏擬青霉孢子的形態變化，見圖8。由圖8可以看出，對照組孢子表面光滑，圓潤飽滿，形態完整。而經釩鐵渣處理后的孢子表面形態發生異變，大部分孢子表面出現褶皺凹陷，有的還出現破損，說明釩鐵渣破壞了宛氏擬青霉孢子的細胞壁、細胞膜，導致細胞失活，從而達到抑菌效果。

圖8 宛氏擬青霉孢子的ESEM圖

經釩鐵渣處理前后宛式擬青霉孢子EDS分析見圖9。對比圖9(a)與(b)可知，試驗組比對照組增加了P和S元素。真菌細胞壁主要成分是由C、H、O等元素組成的幾丁質、纖維素、葡聚糖等多糖。對照組中能檢測到細胞表層的C、H、O以及在滲透壓作用下正常進出細胞的K+等元素，因此細胞結構完整無損傷。試驗組中出現了P、S元素，由于細胞膜主要由磷脂和蛋白質組成，可能因為經釩鐵渣處理后，霉菌孢子的細胞壁被破壞導致含P細胞膜外露，故可推斷霉菌孢子細胞壁被破壞。