生物科学文献综述

纳米光催化颗粒对病原菌的杀灭效果研究

【文献综述】

纳米光催化颗粒对病原菌的杀灭效果研究

摘要：纳米光催化颗粒在可见光下对病原菌微生物的繁殖具有很好的杀灭效果，本文对光催化抗菌材料的现状和前景，优点和不足，损伤机理分析进行综述。

关键词：纳米光催化颗粒；病原菌；杀灭效果；损伤机理

引言

纳米光催化颗粒是具有杀灭或抑制病原微生物繁殖能力的一类光催化剂，当用可见光照射纳米颗粒时，通过一系列的作用，可产生具有强氧化能力的氧负离子（.O2-）和氢氧根负离子（.OH）。由于.O2-，.OH具有强氧化能力，可以氧化分解构成细菌微生物的主要成分的各种有机物质，干扰细菌蛋白质的合成[1]，从而有效的的抑制细菌的繁殖生长，可以引发绝大多数有机物分子发生氧化还原反应，因此具有很好的消毒杀菌功能[2]。

1光催化抗菌材料的现状和前景

光催化抗菌材料是近些年来专家研究的热门领域之一,近年来，以二氧化钛为代表的光催化抗菌材料因其稳定性好、成本低、催化效率高等突出优点而备受人们的关注[3，4]。但是 ,二氧化钛光催化抗菌剂对太阳能的利用率低相对比较低 ,且对紫外线的要求比较严格，,从而无法有效的利用廉价的太阳能源,以致于对太阳能的应用受到了很大的限制 ,因此是否能够开发出能在可见光照射下而具有高效抗菌性能的新型光催化抗菌剂越来越受到人们的关心和重视。

纳米( nm )为长度单位, 1 nm相当于十亿分之一米。而光催化抗菌材料的纳米微粒的直径在1 nm ~ 100 nm之间。微小的颗粒能使纳米材料拥有量子尺寸的表面效应和量子隧道效应, 从而展现出多种其独特的性质,，所以光催化抗菌材料在滤光、催化、光吸收以及抗菌消毒等方面都有很高的科技价值以及广泛的应用前景[5]。

2光催化抗菌材料的优点和不足

因为半导体光催化剂具有良好的禁带宽度、催活性、氧化能力、无毒以及稳定性高等诸多优点，所以关于污水处理,气体净化以及灭菌消毒等诸多领域都广泛的应用了这一技术，

但是由于目前研究出的光催化抗菌材料大多数都是单一光的催化[6]。还有的就是要么是催化活性不高，要么就是在杀灭有害的细菌的同时，也把对我们身体有益细菌也一起抹杀了，就是所谓的伤敌一千自损八百；而且这些光催化抗菌材料对光响应的范围非常窄，所以研究出能克服单一光催化剂这一缺点的复合型光催化剂对于当时来说是势在必行的。

2.1 催化抗菌材料的优点

自Matsunaga等[7]发现由二氧化钛在紫外光照射下具有良好的杀菌作用以来，光催化剂的杀菌作用，成为人们的研究热点。近年来的研究表明纳米尺寸的二氧化钛具有较好的催化活性[8~10]。纳米二氧化钛与传统的化学消毒剂和抗菌剂相比，它们拥有比表面积大、热导性好、磁性强、表面活性大、光吸收性好、分散性好等独特的性能。同时由于纳米二氧化钛的催化效率比较高而且氧化能力强无毒无害更难能可贵的事在实际应用中使用催化抗菌材料工艺流程比较简单、操作条件易于控制，还不存在二次污染等诸多优点[11]。使得纳米二氧化钛在大气净化、废水处理、城市垃圾处理以及除臭杀菌等环保领域得到了广泛研究和应用。

2.2 催化抗菌材料的不足

纳米二氧化钛由于颗粒表面极性强，表面能高，极易发生团聚，从而在应用中不能充分发挥纳米功能性[12]。纳米二氧化钛作为抗菌剂在其应用方面也有一定的局限性。关于纳米TiO2抗菌性能的研究虽然在理论取得了较大的成果，但是关于纳米二氧化硅的实践多半还处于实验室阶段，还有许多问题需要我们研究和解决。纳米TiO2的催化杀菌性能主要由紫外光激发产生, 光利用率比较低, 催化效果差强人意, TiO2光催化杀菌材料与其他材料复合也存在很大的问题，纳米TiO2抗菌剂在空气中比较极易氧化、团聚、吸湿、性能不是很稳定[13]。而且目前也有一些研究显示，纳米二氧化钛一旦进入病人机体后可能会导致各个脏器不同程度的损伤, 对肺部的损伤表现比较明显，甚至会导致肿瘤发生[14]；纳米二氧化钛还可能导致血管内皮细胞的损伤!脑组织的脂肪变性，肝脏水肿甚至肝小叶坏死，肾小球肿胀等[15]。二氧化钛进入细胞后,细胞它的清除能力会随着二氧化钛粒径缩小而下降, 并且会对细胞膜造成破坏, 而且还有可能会对 DNA 造成损伤和断裂甚至能改变蛋白质的含量，影响酶活性的变化[16]。以上这些都是催化抗菌材料的不足之处，需要我们做进一步的研究，研究出更好的光催化抗菌材料。

3光催化抗菌材料的杀菌作用机理和杀菌效果

3.1细菌细胞损伤机理分析

Wei等人[9]在研究中推测，氢氧自由基能破坏细菌的DNA,而对纳米二氧化钛光催化剂导致大肠杆菌DNA双链损伤的研究却很少见报道[16]。这些研究表明，光催化剂还可以通过影响钾离子浓度的变化来使细胞损伤。钾离子广泛存在于细菌细胞中，它在蛋白质的合成和多核糖体的循环中起到非常重要的作用，钾离子的释放程度可用来观察细菌细胞膜的渗透性变化还可以用来检测细菌细胞的损坏程度，而从钾离子释放的变化情况可以来看出，细菌细胞的细胞膜在光催化过程中受到了损伤，进而达到灭菌效果。

3.2 催化剂的杀菌效果

在现代众多的抗菌剂中，以纳米二氧化钛作为催化抗菌剂因为其独特性而逐渐被人们重视与发展利用，二氧化硅具有其他抗菌剂无法比拟的优点。传统的抗菌剂大体上可以分为无机系抗菌剂，有机系抗菌剂和天然生物系抗菌剂，它们各有各自的优缺点。比如有机系抗菌剂的抗菌效果好而且成本低廉，但是其耐久性非常差而且毒性强。而以天然生物材料制成的抗菌剂，它们虽然毒性小而且对环境污染少，但由于受到安全性和加工条件的制约，所以天然生物材料制成的抗菌剂目前还不能实现规模化，市场化。由于化学消毒剂和抗菌剂在使用中或多或少会有残留，会对环境产生一定的污染, 甚至会危害人体健康。而生物消毒法就是指用某种微生物与细菌或病毒培养在一起从而达到消除或杀灭病原微生物的一种方法，比如用厌氧微生物处理污水，利用超级细菌来清除海面上泄露的石油，还有就是利用嗜热菌产生的热杀死粪便中的病原微生物，等等……这种方法基本上不会产生污染，但是这种消毒方法过程比较缓慢，而且效果不是十分可靠，对细菌芽孢一般也不能杀灭。而且有的可能产生耐药性[13]。

通过暗反应和可见光照下的对比来观察单斜晶型钒酸铋杀菌试验结果表明，可以知道在可见光照没有加入催化剂的溶液中，大肠杆菌的存活率并没有随光照时间的延长而明显下降，这就说明仅仅具有可见光这单一条件对细菌并没有灭菌特性。同理在暗反应条件下，虽然在实验体系中加入了500 mg/L单斜晶型钒酸铋催化剂，但是没有光照，大肠杆菌存活率也没有随着反应时间的延长而发生明显下降，也就表明仅仅在催化材料的作用下，没有可见光的照射，对细菌也基本没有杀菌作用。而如果同时具有以上两种条件，既在体系中加入了500 mg/L单斜晶型钒酸铋催化剂后又将实验在可见光的照射下进行，可以发现溶液中大肠杆菌的存活率随光照时间的不断延长明显下降，当实验进行到60 min时，其存活率下降了81% ,，而大约90 min后大肠杆菌基本上全部都被杀灭，通过以上三个实验对比我们可以知