有機抗菌材料及其抗菌機理

2.1　有機抗菌劑

目前有機抗菌劑仍在抗菌系列產(chǎn)品中占主導地位,廣泛應(yīng)用于塑料、涂料、纖維、紙張、橡膠、樹脂、木材、建材、醫(yī)療以及水處理等等。其優(yōu)點是殺菌力強,即效好,種類多,缺點是毒性大,耐熱性較差,易遷移、可能產(chǎn)生微生物耐藥性等。近年來無機抗菌劑和天然抗菌劑受到重視,并有大量產(chǎn)品進入市場,而有機抗菌劑的研究開發(fā)差不多處于停頓狀態(tài),市場需求下降。有機抗菌劑種類多達500多種,但常用的只有幾十種。有機抗菌劑主要有[14]:有機金屬類,如五氯酚鋅;有機鹵代物,如五氯酚鈉;醇、酚、醚類,如乙醇、對硝基苯酚、乙二醇2甲基醚等;醛、酮、醌類,如戊二醛、鄰羥基環(huán)戊烯二酮、四氯對醌;酸及鹽類,如山梨酸;酯類,如富馬酸二甲酯;腈類,如百菌清;胍類,如氯已啶;有機硝基化合物類,如呋喃西林;有機磷及有機砷類,如月桂胂。此外,還有呋喃類、吡咯類、咪唑類、噻唑啉類、苯并呋喃類、苯并噻唑類等雜環(huán)類抗菌劑。這些抗菌劑據(jù)其用途,又可分為殺菌劑、防腐劑和防霉防藻劑。殺菌劑是指可效地殺死微生物的抗菌劑,主要有季銨鹽、乙醇、雙胍類化合物等,常用于機器表面和皮膚除菌、食品加工廠和餐館殺菌,水處理等;防腐劑是指可防止、減緩有機質(zhì)的腐敗變質(zhì)的抗菌劑,常見有甲醛、有機鹵素化合物及有機金屬等,常用于家庭用品、水處理及船泊等;防霉防藻劑是指防止材料、物體長霉生藻變質(zhì)的抗菌劑,主要有吡啶、咪唑、鹵代烷及碘化物等,常用于涂料、壁紙、塑料、薄膜及皮革等。

2.2　有機抗菌劑的抗菌機理

一般認為有機抗菌劑的作用機理可歸納以下3個方面:一是作用于細胞壁和細胞膜系統(tǒng);二是作用于生化反應(yīng)酶或其他活性物質(zhì);三是作用于遺傳物質(zhì)或遺傳微粒結(jié)構(gòu)。季銨鹽類可吸附帶負電細菌,引起胞壁結(jié)構(gòu)損害,使內(nèi)容物漏出。醇類殺菌機制是去除細菌胞膜中的脂類,并使菌體蛋白質(zhì)變性,其中乙醇常用,其濃度為70%～75%時殺菌力強,濃度過高時能使菌體表面蛋白質(zhì)迅速凝固,殺菌效力反而下降。雙胍類殺菌劑常用的有氯已啶,其濃度低時破壞菌細胞膜,使胞質(zhì)內(nèi)容物漏出;濃度高時使菌體蛋白質(zhì)凝固。此外,季銨鹽也具有抑制細菌脫氫酶、氧化酶等作用。防腐劑主要通過抑制微生物的能量代謝而起作用。在下述幾種情況時防腐劑能具有較強的抗菌防腐活性:一是抗菌劑分子中具有一定空間自由度的α,β2不飽和羰基結(jié)構(gòu);二是抗菌活性中心與微生物生命分子功能域能發(fā)生直接碰撞接觸;三是抗菌劑具有合適的親疏水性,以作用于細菌表面或滲入細胞內(nèi)特異組織;四是抗菌劑不易被酶促降解,同時對生化過程中酶的抑制譜較寬[15]。防霉、防藻劑的作用機理可歸納為使2SH酸化破壞,代謝受阻,DNA合成受阻[16]。雙乙酸鈉是一種高效、廣譜抗菌防霉劑,尤其對黃曲霉素具有較強的抑制作用,它通過滲透微生物細胞壁,干擾細胞內(nèi)各種酶體系的生成,可以高效抑制十多種霉菌素和多種細菌的滋生和蔓延。吡啶鹽具有利用其吡啶鹽功能基團與細菌之間的靜電相互作用(即生態(tài)捕捉作用)的功能[16]。苯并咪唑類干擾病原菌的有絲分裂中紡綞體的形成,從而影響病原菌的細胞分裂過程。喹諾酮滲進細菌細胞內(nèi)抑制DNA旋轉(zhuǎn)酶,這種酶能保持DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)[17]。C.Miskolci等研究了異苯嗪的抗菌機理[18],表異苯嗪和其他的吩噻嗪優(yōu)先結(jié)合到黃嘌呤類型分子上,在黃嘌呤中,與GMP結(jié)合比與AMP結(jié)合更容易。因此,在質(zhì)粒DNA上富含G2C的區(qū)域比富含A2T的區(qū)域與吩噻嗪類有更大的結(jié)合力。在抗菌方面,這種藥物在這些區(qū)域起著極其重要的作用吡咯類抗菌劑來源于天然產(chǎn)物硝吡咯菌素,是非內(nèi)吸性的廣譜抗菌劑。其作用機理是通過抑制葡萄糖磷酰化有關(guān)的轉(zhuǎn)移酶,并抑制真菌菌絲體的生長,終導致病菌死亡。因其作用機理獨特,故與現(xiàn)有抗菌劑無交互抗菌性。嘧啶胺類具有獨特的作用機理,即抑制病原菌蛋白質(zhì)分泌,包括降低分解酶水平。分析認為這些酶與病原菌進入寄主植物并引起寄主組織的壞死有關(guān),無交互抗性。對于醛類,有人認為其殺菌活性可以用烷基化反應(yīng)解釋,有人認為2個醛基的存在是必要的[19],二醛的殺菌能力與鏈長有關(guān),鏈長增加,殺菌活性降低,但戊二醛的殺菌機理例外[20],被認為是蛋白質(zhì)的交聯(lián)作用。這種交聯(lián)主要是醛基與氨基反應(yīng),其他活性基如巰基、亞胺基也可參與交聯(lián)。戊二醛首先作用于外層胞膜,改變細胞的滲透性,破壞酶系統(tǒng),抑制DNA,RNA和蛋白質(zhì)的合成。嘌呤類,如抗艾滋病藥Abacavir,商品名為Zia2gen,化學名為IS2順2(2’2氨基26’2(環(huán)丙胺)29’H2嘌呤29’2基)222環(huán)戊烯212甲醇,由英國Glaxo2wellcome生產(chǎn),于1999年5月在美國上市。該藥是核苷類逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑,通過抑制HIV逆轉(zhuǎn)錄酶,引起DNA鏈斷裂,從而阻止病毒復制。

含鹵素的抗菌劑按其鹵原子的性質(zhì)和作用可分為活性氧化型和共價穩(wěn)定型2大類。前者在使用時會分解出活性原子,主要以氧化作用殺菌;后者則屬于鹵代化合物,其鹵原子只是起改性作用。由于大多數(shù)有機抗菌劑能夠干擾細胞的基因表達及相關(guān)酶系統(tǒng),因此在抑制有害微生物的同時,對其他生物體細胞也具有毒性。這是阻礙有機抗菌劑材料發(fā)展的主要原因。提高有機菌材料及其廢棄物(即成為環(huán)境友好生態(tài)材料)的安全性比較困難。就當前研究與應(yīng)用,人們在尋求低毒的有機抗菌劑的同時,應(yīng)致力于高效低毒的無機抗菌劑以及可降解的環(huán)境友好性的天然生物抗菌劑的研究。其次,綜合各類抗菌劑的優(yōu)點,研制復合抗菌材料已成為研究的熱點。