有机抗菌及机理

有机抗菌材料及其抗菌机理

2. 1 　有机抗菌剂

目前有机抗菌剂仍在抗菌系列产品中占主导地位,广泛应用于塑料、涂料、纤维、纸张、橡胶、树脂、木材、建材、医疗以及水处理等等。其优点是杀菌力强,即效好,种类多,缺点是毒性大,耐热性较差,易迁移、可能产生微生物耐药性等。近年来无机抗菌剂和天然抗菌剂受到重视,并有大量产品进入市场,而有机抗菌剂的研究开发差不多处于停顿状态,市场需求下降。有机抗菌剂种类多达500 多种,但常用的只有几十种。有机抗菌剂主要有[14 ] : 有机金属类,如五氯酚锌;有机卤代物,如五氯酚钠;醇、酚、醚类,如乙醇、对硝基苯酚、乙二醇2甲基醚等;醛、酮、醌类,如戊二醛、邻羟基环戊烯二酮、四氯对醌;酸及盐类,如山梨酸;酯类,如富马酸二甲酯;腈类,如百菌清;胍类,如氯已啶;有机硝基化合物类,如呋喃西林;有机磷及有机砷类,如月桂胂。此外,还有呋喃类、吡咯类、咪唑类、噻唑啉类、苯并呋喃类、苯并噻唑类等杂环类抗菌剂。这些抗菌剂据其用途,又可分为杀菌剂、防腐剂和防霉防藻剂。杀菌剂是指可效地杀死微生物的抗菌剂,主要有季铵盐、乙醇、双胍类化合物等,常用于机器表面和皮肤除菌、食品加工厂和餐馆杀菌,水处理等;防腐剂是指可防止、减缓有机质的腐败变质的抗菌剂,常见有甲醛、有机卤素化合物及有机金属等,常用于家庭用品、水处理及船泊等;防霉防藻剂是指防止材料、物体长霉生藻变质的抗菌剂,主要有吡啶、咪唑、卤代烷及碘化物等,常用于涂料、壁纸、塑料、薄膜及皮革等。

2. 2 　有机抗菌剂的抗菌机理

一般认为有机抗菌剂的作用机理可归纳以下3个方面:一是作用于细胞壁和细胞膜系统;二是作用于生化反应酶或其他活性物质;三是作用于遗传物质或遗传微粒结构。季铵盐类可吸附带负电细菌,引起胞壁结构损害,使内容物漏出。醇类杀菌机制是去除细菌胞膜中的脂类,并使菌体蛋白质变性,其中乙醇最常用,其浓度为70 %～75 %时杀菌力最强,浓度过高时能使菌体表面蛋白质迅速凝固,杀菌效力反而下降。双胍类杀菌剂常用的有氯已啶,其浓度低时破坏菌细胞膜,使胞质内容物漏出;浓度高时使菌体蛋白质凝固。此外,季铵盐也具有抑制细菌脱氢酶、氧化酶等作用。防腐剂主要通过抑制微生物的能量代谢而起作用。在下述几种情况时防腐剂能具有较强的抗菌防腐活性:一是抗菌剂分子中具有一定空间自由度的α,β2不饱和羰基结构;二是抗菌活性中心与微生物生命分子功能域能发生直接碰撞接触;三是抗菌剂具有合适的亲疏水性,以作用于细菌表面或渗入细胞内特异组织;四是抗菌剂不易被酶促降解,同时对生化过程中酶的抑制谱较宽[15 ] 。防霉、防藻剂的作用机理可归纳为使2SH 酸化破坏,代谢受阻,DNA 合成受阻[16 ]。双乙酸钠是一种高效、广谱抗菌防霉剂,尤其对黄曲霉素具有较强的抑制作用,它通过渗透微生物细胞壁,干扰细胞内各种酶体系的生成,可以高效抑制十多种霉菌素和多种细菌的滋生和蔓延。吡啶盐具有利用其吡啶盐功能基团与细菌之间的静电相互作用(即生态捕捉作用) 的功能[16 ] 。苯并咪唑类干扰病原菌的有丝分裂中纺缍体的形成,从而影响病原菌的细胞分裂过程。喹诺酮渗进细菌细胞内抑制DNA 旋转酶, 这种酶能保持DNA 的超螺旋结构[17 ] 。C.Miskolci 等研究了异苯嗪的抗菌机理[18 ] ,表异苯嗪和其他的吩噻嗪优先结合到黄嘌呤类型分子上,在黄嘌呤中,与GMP 结合比与AMP 结合更容易。因此,在质粒DNA 上富含G2C 的区域比富含A2T 的区域与吩噻嗪类有更大的结合力。在抗菌方面,这种药物在这些区域起着极其重要的作用吡咯类抗菌剂来源于天然产物硝吡咯菌素,是非内吸性的广谱抗菌剂。其作用机理是通过抑制葡萄糖磷酰化有关的转移酶,并抑制真菌菌丝体的生长,最终导致病菌死亡。因其作用机理独特,故与现有抗菌剂无交互抗菌性。嘧啶胺类具有独特的作用机理,即抑制病原菌蛋白质分泌,包括降低分解酶水平。分析认为这些酶与病原菌进入寄主植物并引起寄主组织的坏死有关,无交互抗性。对于醛类,有人认为其杀菌活性可以用烷基化反应解释,有人认为2 个醛基的存在是必要的[19 ] ,二醛的杀菌能力与链长有关,链长增加,杀菌活性降低,但戊二醛的杀菌机理例外[20 ] ,被认为是蛋白质的交联作用。这种交联主要是醛基与氨基反应,其他活性基如巯基、亚胺基也可参与交联。戊二醛首先作用于外层胞膜,改变细胞的渗透性,破坏酶系统,抑制DNA ,RNA 和蛋白质的合成。嘌呤类,如抗艾滋病药Abacavir ,商品名为Zia2gen ,化学名为IS2顺2(2’2 氨基26’2 (环丙胺)29’H2嘌呤29’2 基)222环戊烯212甲醇,由英国Glaxo2wellcome有限公司生产,于1999 年5 月在美国上市。该药是核苷类逆转录酶抑制剂,通过抑制HIV 逆转录酶,引起DNA 链断裂,从而阻止病毒复制。

含卤素的抗菌剂按其卤原子的性质和作用可分为活性氧化型和共价稳定型2 大类。前者在使用时会分解出活性原子,主要以氧化作用杀菌;后者则属于卤代化合物,其卤原子只是起改性作用。由于大多数有机抗菌剂能够干扰细胞的基因表达及相关酶系统,因此在抑制有害微生物的同时,对其他生物体细胞也具有毒性。这是阻碍有机抗菌剂材料发展的主要原因。提高有机菌材料及其废弃物(即成为环境友好生态材料) 的安全性比较困难。就当前研究与应用,人们在寻求低毒的有机抗菌剂的同时,应致力于高效低毒的无机抗菌剂以及可降解的环境友好性的天然生物抗菌剂的研究。其次,综合各类抗菌剂的优点,研制复合抗菌材料已成为研究的热点。