空氣微生物凈化材料研究進展

＊王豐 楊曉波 凌云 邱志剛*

（1.上海海洋大學海洋生態與環境學院 上海 201306 2.軍事科學院軍事醫學研究院環境醫學與作業醫學研究所 天津 300050）

前言

微生物作為自然界中不可或缺的生物群體與人類的生產活動、生命健康息息相關，它既可以維持人體腸道菌群提高自身抵抗力，又能提高土壤肥力促進糧食增產，廣泛存在于農業、醫學、食品、環境等多個領域。自然界中微生物多種多樣，一些帶有致病性和腐敗性的微生物污染會對環境造成持久性危害[1]，嚴重威脅人類的生命健康。截至目前，已有50 多種傳染病主要通過空氣傳播。

傳統的細菌滅活方法（如氯化消毒[2]和紫外線照射消毒）存在著許多弊端。例如氯化消毒過程會產生有機副產物三氯甲烷和鹵乙酸，具有很強的致癌性。此外，紫外線也對人體健康有害。短時間在紫外線燈下消毒會導致皮膚干燥、瘙癢等問題，長期暴露在紫外線下容易誘發皮膚癌癥。因此尋找一種能夠便捷、高效抑制空氣微生物的抗菌材料迫在眉睫。本文綜合闡述了目前不同類別抗菌材料的抗菌機理，并針對空氣微生物總結了抗菌材料的應用現狀和發展前景。

1.空氣微生物

(1)空氣微生物的種類及危害

人們大約85%的時間在封閉空間中度過，而室內空氣中的微生物主要為革蘭氏陽性菌，其中以芽孢桿菌屬最多[1]。它們以粉塵、飛沫核等氣溶膠的形態擴散，并且人體在封閉環境中會反復接觸這些病原體氣溶膠，經呼吸道進入人體，引起呼吸道感染。這些病原體會導致患者出現頭痛、干咳、胸痛、腹瀉等不適癥狀。真菌污染可導致變應性鼻炎、哮喘和呼吸道感染等疾病。許多致病微生物即使在非常低的濃度下也構成高風險。

(2)空氣中微生物常見的抑制方法

目前常見的空氣微生物抑制方法可分為高溫滅菌、化學消毒劑滅菌、紫外線滅菌、過濾滅菌四大類。高溫滅菌是通過高溫引起菌體蛋白質核酸、酶系統等活性大分子氧化或變性失活來滅活空氣微生物，雖然能殺滅包括芽胞在內的所有微生物，但卻伴隨著高溫危險；化學消毒劑是通過破壞細菌蛋白質、干擾細菌酶系統和新陳代謝以及改變細胞膜的滲透性起作用[3]，主要通過噴霧方式對空氣微生物進行滅菌，雖然操作簡便、有良好的殺滅效果，但是對人體皮膚具有毒性；紫外線滅菌是通過誘導胸腺嘧啶二聚體的形成和DNA 鏈的交聯來抑制DNA 復制[4]，進而影響空氣微生物的繁殖，具有高效、廣譜和無二次污染的優秀特性，但病原體在光合作用或者“暗修復”的機制下能夠自我修復，不具有持久殺菌能力；過濾殺菌是指在空氣流過濾網時，粒子在離心場中沉降，通過慣性的撞擊，使粒子與介質接觸后，被直接切斷[5]，其本身不具有抗菌性能。因此在面對復雜的需求和環境時，常見的抑制方法已經無法有效的殺滅及抑制空氣微生物。

2.無機抗菌材料

目前應用最廣泛的無機抗菌材料是以銀系為代表的金屬型抗菌材料。Ekarat Detsri 等人[6]通過高能紫外線還原成功地合成了用陰離子聚合物聚電解質穩定的銀納米顆粒，使用PMA、PAA 和CoPSS 作為穩定劑，將銀納米顆粒沉積到聚酯空氣濾清器上可去除92.18%、84.32%和71.19%的金黃色葡萄球菌。Baolei Shen[7]在摻銀的角蛋白/PA6 復合納米纖維膜合成過程中加入Ag 納米顆粒（AgNPs），使復合膜對金黃色葡萄球菌（99.62%）和大腸桿菌（99.10%）具有很強的抗菌活性，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的細菌過濾效率（BFE）分別高達96.8%和95.6%。所有結果表明粗羊毛中的角蛋白提取物在空氣過濾領域具有很大的應用潛力。

無機抗菌材料的作用機理主要通過裂解細胞壁，使內容物流出，金屬離子或者金屬納米顆粒進入細胞內，破壞蛋白質、酶等其他物質，最終導致細胞死亡。

3.有機抗菌材料

在人工合成的有機抗菌材料中，季銨鹽類抗菌劑主要是通過靜電作用吸附并穿透細菌的細胞壁，與細胞膜的脂質或蛋白質發生反應，導致結構混亂和低分子量成分泄漏，從而導致細胞裂解死亡。Shaobo Zhang 等人[8]通過浸入、浸軋、干燥使兩性離子磺基丙基甜菜堿（ISB）和具有活性異氰酸酯基（NCO）的季銨鹽（IQAS）共價結合到棉織物表面上，不僅保證了良好的透氣性，而且對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌擁有99.8%的抗菌活性，此外其還表現出優異的抗菌黏附性。

天然抗菌材料因其良好的生物安全性而逐漸被人們關注，殼聚糖（Chitosan，CS）是目前廣泛使用的一種天然抗菌劑，其主要通過靜電作用吸附于細菌表面或進入細菌內部，干擾細菌的正常生理活動，起到殺菌的作用[9]。劉亭亭[10]在小型風道式凈化性能測試實驗系統中,以白色葡萄球菌作為目標微生物，發現殼聚糖的復合濾料具備了殼聚糖自身所具有的抗菌性,呈現出良好的抗菌效果，復合濾料的除菌效率隨著風速的增大而降低。

Wang Zhen 等人[11]通過非溶劑誘導相分離（NIPS）方法制備了一種抗菌環保的殼聚糖（CS）/聚乙烯醇（PVA）共混膜，用于空氣過濾，共混膜的抗菌率對于大腸桿菌和金黃色葡萄球菌分別高達94.8%和91.3%。

有機抗菌材料的抗菌機理主要是通過抑制外膜生物合成、代謝活動和膜相關信號通路，從而抑制細菌的生長。

4.復合型抗菌材料

復合抗菌劑是無機抗菌添加劑和有機抗菌添加劑的組合，具有良好的耐熱性和安全性。相比單一的抗菌材料，復合抗菌材料可以兼備不同抗菌組分的功能。

在目前的復合抗菌材料中，將殼聚糖與金屬離子復合是最常見的組合，Muhammad Iqbal Hidayat 等人[12]通過在綠色合成和固定殼聚糖穩定銀膠體納米粒子來達到在空氣過濾器中依舊保持原有抗菌活性，固定化后的銀顆粒和殼聚糖穩定的膠體銀顆粒對革蘭氏陽性（金黃色葡萄球菌）和革蘭氏陰性（大腸桿菌）有很強的抑制效果，其中固定化后的銀顆粒對空氣中的枯草芽孢桿菌表現出很高的抗菌活性。I-Jen Wang 等人[13]通過應用零價納米銀/二氧化鈦-殼聚糖的過濾床，在與過濾器接觸20 min 后，超過95% 的MS2 噬菌體失活，空氣傳播感染的概率從99%降低到34.6%，并且在過濾器連續工作509 周后仍可保持在原有抗病毒效率的1%，也證明了空氣傳播的可行性。

離子液體（ILs）是一類在室溫下保持液態的鹽。穩定的物理化學特性和極低的蒸氣壓使其廣泛應用。A.Nicosia 等人[14]用不同量的季銨化合物（QAC）的銨基離子液體（IL）進行功能化，從而獲得具有抗菌特性的纖維墊，用于氣溶膠顆粒過濾，這不僅具有良好的機械強度、可生物降解和優異的空氣過濾等巨大優勢，而且與殺菌納米材料結合后依舊能保持其原有的抗菌活性。Mengni Zhu 等人[15]利用復合醋酸纖維素和聚離子液體組成一種對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有良好抗菌性能的新型空氣過濾器，該過濾器對PM10和PM2.5顆粒的去除率分別達到99.65%和97.94%，并且在多次循環使用后仍能保持其原有的抗菌性能和纖維形態。

5.光催化型抗菌材料

光催化型抗菌材料中二氧化鈦、氧化鋅等復合型材料是目前空氣微生物凈化的研究熱點。Chanwoo Park 等人[16]采用超音速噴涂方法制備氧化銅二氧化鈦納米線，其復合之后不僅具有其原先的超親水性，還可以吸引空氣中含有細菌的氣溶膠，從而減少空氣污染，其對大腸桿菌的抑制率為100%，具有超強的光滅活性。Yongyi Luo 等人[17]通過原位將還原石墨烯（rGO）和氧化鋅負載在具有三維網絡結構的超細玻璃纖維（s-GF）上，制備了一種多功能空氣過濾器，在可見光2 h 內對大腸桿菌的抑菌率達到100%，在可見光4 h 內空氣過濾效率也可以保持在99%，具有優異的過濾和抗菌性能。

光催化型抗菌材料作為特殊的抗菌材料，其抗菌機理主要通過活性氧（ROS）來破壞細胞膜、抑制能量代謝、破壞抗氧化防御系統和損害 DNA 完整性來攻擊細菌細胞。

6.總結與展望

引起傳染病的空氣微生物（例如細菌、病毒和真菌孢子）會影響人體健康，至今已經研究了多種抗菌材料來滅活和抑制空氣微生物的傳播。目前抗菌材料多以顆粒、膜和凝膠等形式用于空氣過濾器，具有優異的抗菌性和過濾性，此外生物敷料也是未來重點研究的方向。

在擁有很好發展前景的同時，抗菌材料仍面臨著許多挑戰。例如，銀系與TiO2無機抗菌材料具有生物毒性和受光照等缺陷；殼聚糖與季銨鹽有機抗菌材料具有制備繁瑣和力學性能差等缺陷。材料的生物安全性和毒性將成為不可忽視的問題。

此外，在細菌被滅活之后，其細胞內容物能被釋放到空氣中，依舊能感染其他細菌，因此未來的研究不僅要開發新型抗菌材料，還要考慮細胞內容物降解等問題。

如今無機和有機抗菌材料研究早已成熟，但生物安全性和利用性差等問題頻頻出現。相較而言，以離子液體等復合型抗菌材料具有更優異的抗菌性和生物安全性，也是未來研究是重點。