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品中占主導地位,廣泛應用于塑料、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、減緩有機質的腐敗變質的抗菌劑,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酶或其他活性物質;三是作用于遺傳物質或遺傳微粒結構。季銨鹽類可吸附帶負電細菌,引起胞壁結構損害,使內容物漏出。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,使胞質內容物漏出;濃度高時使菌體蛋白質凝固。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不飽和羰基結構;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抑制DNA旋轉酶,這種酶能保持DNA的超螺旋結構[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)先結合到黃嘌呤類型分子上,在黃嘌呤中,與GMP結合比與AMP結合更容易。因此,在質粒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物硝吡咯菌素,是非內吸性的廣譜抗菌劑。其作用機理是通過抑制葡萄糖磷酰化有關的轉移酶,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,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,鏈長增加,殺菌活性降低,但戊二醛的殺菌機理例外[20],被認為是蛋白質的交聯作用。這種交聯主要是醛基與氨基反應,其他活性基如巰基、亞胺基也可參與交聯。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,于1999年5月在美國上市。該藥是核苷類逆轉錄酶抑制劑,通過抑制HIV逆轉錄酶,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。由于大多數有機抗菌劑能夠干擾細胞的基因表達及相關酶系統(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。就當前研究與應用,人們在尋求低毒的有機抗菌劑的同時,應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。