模擬高鹽條件下Ag/Al2O3消毒性能研究

張建平，陳雙紅，任小孟，周宏元

微生物是艦艇艙室主要的生物污染因子，微生物達(dá)到一定臨界水平可造成人員感染及過敏，損害健康，部分微生物對(duì)武器裝備及精密儀器可造成腐蝕性破壞，微生物分解代謝的有毒、有害及異味氣體可對(duì)環(huán)境造成二次污染，影響人員健康和設(shè)備安全［1-2］。目前艦艇艙室表面微生物消除手段配置有限，航行期間部分艙室表面、儀器儀表縫隙等部位易霉變且難以清除，部隊(duì)反映強(qiáng)烈。

新型金屬元素消毒劑具有耐熱性好、抗菌譜廣、抗菌有效期長(zhǎng)、毒性低、不揮發(fā)、不產(chǎn)生耐藥性等優(yōu)點(diǎn)［3］，有望應(yīng)用于密閉艙室微生物表面消毒領(lǐng)域。金屬元素消毒劑由載體和抗菌成分組成，即無機(jī)化合物中含有抗菌性金屬離子，抗菌成分為銀離子、鋅離子、銅離子等。與其他金屬離子相比，銀離子對(duì)細(xì)菌的殺菌作用較強(qiáng)、應(yīng)用較多。銀作為一種廣譜性抗菌材料已經(jīng)應(yīng)用于空間站等密閉環(huán)境，銀和釕組成表面涂層已通過國(guó)際空間站的使用測(cè)試。2021 年我國(guó)在空間站開展了使用銀離子進(jìn)行尿液回收轉(zhuǎn)化為再生飲用水的測(cè)試［4-5］。本研究選取Ag/Al2O3微球抗菌材料、Al2O3微球，采用懸液定量殺菌實(shí)驗(yàn)，以海水緩沖液模擬高鹽測(cè)試條件、PBS 緩沖液為正常實(shí)驗(yàn)對(duì)照條件，進(jìn)行Ag/Al2O3殺菌效率測(cè)試和殺菌效率重復(fù)性測(cè)試，在不同的時(shí)間點(diǎn)分別計(jì)算殺菌效率，為海軍艦（潛）艇艙室內(nèi)儀器設(shè)備及艙壁表面材料的選擇提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

Ag/Al2O3微球（直徑2 mm，堆密度0.59 kg/L，含水率約4.55%，吸水率約80%，Ag 質(zhì)量為微球總質(zhì)量的3%。微球內(nèi)部是具有晶格間隙的Al2O3載體，納米Ag 均勻分布在Al2O3載體表面）；Al2O3微球（直徑2 mm，堆密度0.57 kg/L，含水率約4.55%，吸水率約 80%）；金黃色葡萄球菌標(biāo)準(zhǔn)菌株（ATCC25923）；大腸桿菌標(biāo)準(zhǔn)菌株（ATCC25922）；PBS 緩沖液；海水（取自我國(guó)東海海域，鹽度3 500 mg/L）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 殺菌率實(shí)驗(yàn) 參照《消毒技術(shù)規(guī)范》（2002年版）操作要求進(jìn)行懸液定量殺菌試驗(yàn)［6］，金黃色葡萄球菌、大腸桿菌傳代至3～4 代備用，初始使用濃度107～108cfu/ml。設(shè)置不同緩沖液的實(shí)驗(yàn)組：分別為Ag/Al2O3微球加入緩沖液（海水）組和Ag/Al2O3微球加入緩沖液（PBS）組；同步設(shè)置不同緩沖液的對(duì)照組，分別為Al2O3微球加入緩沖液（海水）組和Al2O3微球加入緩沖液（PBS）組。3 g 微球加入含有40 ml 緩沖液的三角燒瓶中，取4 ml 初始菌液加入各測(cè)試組，放置在溫度37 ℃、轉(zhuǎn)速100 r/min 搖床上振蕩。分別于0、1.5 h 取1 ml 培養(yǎng)混合物10 倍比稀釋，平板傾注法計(jì)數(shù)，每次3 個(gè)平行樣本，計(jì)數(shù)取平均值計(jì)算殺菌效率。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次。

1.2.2 殺菌率重復(fù)性實(shí)驗(yàn) Ag/Al2O3微球、Al2O3微球殺菌測(cè)試后，蒸餾水浸泡48 h，洗滌10 次后，自然晾干，測(cè)試其重復(fù)性殺菌效率，實(shí)驗(yàn)方法同1.2.1殺菌率實(shí)驗(yàn)。

1.2.3 Al2O3微球X 射線衍射分析（XRD）用研缽將3 g Al2O3微球研磨成約320 目的粉末，壓片后裝填，進(jìn)行衍射分析。

1.2.4 Ag/Al2O3微球表征分析 Ag/Al2O3微球進(jìn)行掃描電子顯微鏡（SEM）分析，將Ag/Al2O3微球放入臨界點(diǎn)干燥儀內(nèi)進(jìn)行干燥。干燥后將微球緊貼于導(dǎo)電碳膜雙面膠，放入粒子濺射儀樣品臺(tái)，噴金30 s，進(jìn)行樣本導(dǎo)電處理，在鏡下觀察采集圖像。

1.3 殺菌率計(jì)算

殺菌效率計(jì)算公式如下：

ST為微生物殺滅率（%）；BCO為對(duì)照組細(xì)菌總數(shù)；BT為實(shí)驗(yàn)組細(xì)菌總數(shù)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

應(yīng)用SPSS 25.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，計(jì)量數(shù)據(jù)以±s表示，各測(cè)試組殺菌效率數(shù)據(jù)的組間比較采用成對(duì)樣本t檢驗(yàn)。P＜0.05 表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 海水緩沖液對(duì)Ag/Al2O3微球殺菌率影響

Ag/Al2O3抗菌微球1.5h 對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌殺菌效率均＞99.99%，海水緩沖液相對(duì)于PBS 緩沖液對(duì)Ag/Al2O3抗菌微球的殺菌效率差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。見圖1、表1。

圖1 殺菌率實(shí)驗(yàn)圖

2.2 海水緩沖液對(duì)Ag/Al2O3 微球殺菌率重復(fù)性影響

經(jīng)殺菌效率重復(fù)性測(cè)試，Ag/Al2O3抗菌微球1.5 h 對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌殺菌效率均＞99.9%，海水緩沖液相對(duì)于PBS 緩沖液對(duì)Ag/Al2O3抗菌微球的殺菌效率差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。見表2。

表2 Ag/Al2O3微球1.5 h 殺菌率重復(fù)性測(cè)試結(jié)果

2.3 Al2O3微球晶型結(jié)構(gòu)分析

Al2O3晶型結(jié)構(gòu)主要包括α、β、γ、δ、η、θ、κ、ρ、χ9 種類型［7-8］，常用的Al2O3主要以α、γ、θ 晶型為主。本研究對(duì)Al2O3微球進(jìn)行XRD 分析，獲得晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析得出Al2O3微球晶型為γ-Al2O3。見圖2。

圖2 Al2O3微球X 射線衍射分析圖

2.4 海水緩沖液對(duì)Ag/Al2O3微球形貌結(jié)構(gòu)的影響

Ag/Al2O3抗菌微球表面SEM 圖顯示，殺菌試驗(yàn)前，Ag 在微球外層均勻分布，未出現(xiàn)結(jié)晶；殺菌試驗(yàn)后，微球形貌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，經(jīng)蒸餾水浸泡、洗滌、自然晾干后，微球形貌結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯差異。見圖3。

圖3 Ag/Al2O3抗菌微球的掃描電子顯微鏡圖像

3 討論

海軍艦艇艙室密閉或半密閉，常見的消毒方式存在使用局限性。化學(xué)消毒劑多具有刺激性氣味，存在蓄積毒性或二次污染，不適合密閉環(huán)境常態(tài)化應(yīng)用。紫外線消毒方式要在無人情況下使用，一般單次工作時(shí)間不少于半小時(shí)，消毒過程中產(chǎn)生的臭氧具有刺激性氣味，不適用于一直有人工作的艦艇艙室環(huán)境［1］。

Ag/Al2O3抗菌材料直徑約2 mm，以Ag 為負(fù)載元素，以具有晶格間隙的γ-Al2O3為負(fù)載基底。Ag質(zhì)量為微球總質(zhì)量的3%，Ag 在γ-Al2O3晶格間隙中均勻分布。Ag/Al2O3的活性、殺菌性及穩(wěn)定性不僅取決于表面負(fù)載的Ag 的特征，又和Al2O3載體的孔結(jié)構(gòu)有關(guān)。Al2O3的孔結(jié)構(gòu)對(duì)Ag/Al2O3的殺菌性能有重要影響。本研究篩選的Al2O3是γ 晶型，在γ-Al2O3中，只有211/3個(gè)鋁原子分布在晶胞空隙中，還有22/3個(gè)空位［9-10］，氧原子組成的晶格間隙沒有被金屬原子完全填滿，在其中加入Ag，使Ag 結(jié)合得更牢固。γ-Al2O3是一種多孔物質(zhì)，具有較大的表面積，活性高，吸附能力強(qiáng)，Ag 均勻分布在Al2O3表面，可以顯著提高其殺菌性能。

本研究針對(duì)艦艇高鹽環(huán)境，篩選適用于海上載人環(huán)境的表面消毒Ag/Al2O3抗菌新材料。Ag/Al2O3抗菌材料在模擬高鹽條件下，對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有較強(qiáng)的殺菌效果，1.5 h 作用后對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌殺菌效率均＞99.99%，經(jīng)重復(fù)性測(cè)試，1.5 h 作用后對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌殺菌效率均＞99.9%。海水緩沖液相對(duì)于PBS 緩沖液對(duì)Ag/Al2O3抗菌微球的殺菌效率差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且Ag/Al2O3形貌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，試驗(yàn)前后未出現(xiàn)明顯剝脫。Ag/Al2O3抗菌材料在艦艇表面微生物防控領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

本研究對(duì)Ag/Al2O3抗菌新材料在艦艇表面微生物防控領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了探索性試驗(yàn)，為進(jìn)一步解決密閉艙室表面微生物污染控制問題，改善官兵工作居住的艙室環(huán)境，維護(hù)艦員健康和艦艇戰(zhàn)斗力提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。