模擬高鹽條件下Ag/Al2O3消毒性能研究

張建平，陳雙紅，任小孟，周宏元

微生物是艦艇艙室主要的生物污染因子，微生物達到一定臨界水平可造成人員感染及過敏，損害健康，部分微生物對武器裝備及精密儀器可造成腐蝕性破壞，微生物分解代謝的有毒、有害及異味氣體可對環(huán)境造成二次污染，影響人員健康和設備安全［1-2］。目前艦艇艙室表面微生物消除手段配置有限，航行期間部分艙室表面、儀器儀表縫隙等部位易霉變且難以清除，部隊反映強烈。

新型金屬元素消毒劑具有耐熱性好、抗菌譜廣、抗菌有效期長、毒性低、不揮發(fā)、不產(chǎn)生耐藥性等優(yōu)點［3］，有望應用于密閉艙室微生物表面消毒領域。金屬元素消毒劑由載體和抗菌成分組成，即無機化合物中含有抗菌性金屬離子，抗菌成分為銀離子、鋅離子、銅離子等。與其他金屬離子相比，銀離子對細菌的殺菌作用較強、應用較多。銀作為一種廣譜性抗菌材料已經(jīng)應用于空間站等密閉環(huán)境，銀和釕組成表面涂層已通過國際空間站的使用測試。2021 年我國在空間站開展了使用銀離子進行尿液回收轉化為再生飲用水的測試［4-5］。本研究選取Ag/Al2O3微球抗菌材料、Al2O3微球，采用懸液定量殺菌實驗，以海水緩沖液模擬高鹽測試條件、PBS 緩沖液為正常實驗對照條件，進行Ag/Al2O3殺菌效率測試和殺菌效率重復性測試，在不同的時間點分別計算殺菌效率，為海軍艦（潛）艇艙室內(nèi)儀器設備及艙壁表面材料的選擇提供實驗基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

Ag/Al2O3微球（直徑2 mm，堆密度0.59 kg/L，含水率約4.55%，吸水率約80%，Ag 質(zhì)量為微球總質(zhì)量的3%。微球內(nèi)部是具有晶格間隙的Al2O3載體，納米Ag 均勻分布在Al2O3載體表面）；Al2O3微球（直徑2 mm，堆密度0.57 kg/L，含水率約4.55%，吸水率約 80%）；金黃色葡萄球菌標準菌株（ATCC25923）；大腸桿菌標準菌株（ATCC25922）；PBS 緩沖液；海水（取自我國東海海域，鹽度3 500 mg/L）。

1.2 實驗方法

1.2.1 殺菌率實驗 參照《消毒技術規(guī)范》（2002年版）操作要求進行懸液定量殺菌試驗［6］，金黃色葡萄球菌、大腸桿菌傳代至3～4 代備用，初始使用濃度107～108cfu/ml。設置不同緩沖液的實驗組：分別為Ag/Al2O3微球加入緩沖液（海水）組和Ag/Al2O3微球加入緩沖液（PBS）組；同步設置不同緩沖液的對照組，分別為Al2O3微球加入緩沖液（海水）組和Al2O3微球加入緩沖液（PBS）組。3 g 微球加入含有40 ml 緩沖液的三角燒瓶中，取4 ml 初始菌液加入各測試組，放置在溫度37 ℃、轉速100 r/min 搖床上振蕩。分別于0、1.5 h 取1 ml 培養(yǎng)混合物10 倍比稀釋，平板傾注法計數(shù)，每次3 個平行樣本，計數(shù)取平均值計算殺菌效率。每組實驗重復3 次。

1.2.2 殺菌率重復性實驗 Ag/Al2O3微球、Al2O3微球殺菌測試后，蒸餾水浸泡48 h，洗滌10 次后，自然晾干，測試其重復性殺菌效率，實驗方法同1.2.1殺菌率實驗。

1.2.3 Al2O3微球X 射線衍射分析（XRD）用研缽將3 g Al2O3微球研磨成約320 目的粉末，壓片后裝填，進行衍射分析。

1.2.4 Ag/Al2O3微球表征分析 Ag/Al2O3微球進行掃描電子顯微鏡（SEM）分析，將Ag/Al2O3微球放入臨界點干燥儀內(nèi)進行干燥。干燥后將微球緊貼于導電碳膜雙面膠，放入粒子濺射儀樣品臺，噴金30 s，進行樣本導電處理，在鏡下觀察采集圖像。

1.3 殺菌率計算

殺菌效率計算公式如下：

ST為微生物殺滅率（%）；BCO為對照組細菌總數(shù)；BT為實驗組細菌總數(shù)。

1.4 統(tǒng)計學處理

應用SPSS 25.0 軟件進行數(shù)據(jù)分析處理，計量數(shù)據(jù)以±s表示，各測試組殺菌效率數(shù)據(jù)的組間比較采用成對樣本t檢驗。P＜0.05 表示差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 海水緩沖液對Ag/Al2O3微球殺菌率影響

Ag/Al2O3抗菌微球1.5h 對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌殺菌效率均＞99.99%，海水緩沖液相對于PBS 緩沖液對Ag/Al2O3抗菌微球的殺菌效率差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。見圖1、表1。

圖1 殺菌率實驗圖

2.2 海水緩沖液對Ag/Al2O3 微球殺菌率重復性影響

經(jīng)殺菌效率重復性測試，Ag/Al2O3抗菌微球1.5 h 對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌殺菌效率均＞99.9%，海水緩沖液相對于PBS 緩沖液對Ag/Al2O3抗菌微球的殺菌效率差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。見表2。

表2 Ag/Al2O3微球1.5 h 殺菌率重復性測試結果

2.3 Al2O3微球晶型結構分析

Al2O3晶型結構主要包括α、β、γ、δ、η、θ、κ、ρ、χ9 種類型［7-8］，常用的Al2O3主要以α、γ、θ 晶型為主。本研究對Al2O3微球進行XRD 分析，獲得晶體結構參數(shù)，分析得出Al2O3微球晶型為γ-Al2O3。見圖2。

圖2 Al2O3微球X 射線衍射分析圖

2.4 海水緩沖液對Ag/Al2O3微球形貌結構的影響

Ag/Al2O3抗菌微球表面SEM 圖顯示，殺菌試驗前，Ag 在微球外層均勻分布，未出現(xiàn)結晶；殺菌試驗后，微球形貌結構穩(wěn)定，經(jīng)蒸餾水浸泡、洗滌、自然晾干后，微球形貌結構未出現(xiàn)明顯差異。見圖3。

圖3 Ag/Al2O3抗菌微球的掃描電子顯微鏡圖像

3 討論

海軍艦艇艙室密閉或半密閉，常見的消毒方式存在使用局限性。化學消毒劑多具有刺激性氣味，存在蓄積毒性或二次污染，不適合密閉環(huán)境常態(tài)化應用。紫外線消毒方式要在無人情況下使用，一般單次工作時間不少于半小時，消毒過程中產(chǎn)生的臭氧具有刺激性氣味，不適用于一直有人工作的艦艇艙室環(huán)境［1］。

Ag/Al2O3抗菌材料直徑約2 mm，以Ag 為負載元素，以具有晶格間隙的γ-Al2O3為負載基底。Ag質(zhì)量為微球總質(zhì)量的3%，Ag 在γ-Al2O3晶格間隙中均勻分布。Ag/Al2O3的活性、殺菌性及穩(wěn)定性不僅取決于表面負載的Ag 的特征，又和Al2O3載體的孔結構有關。Al2O3的孔結構對Ag/Al2O3的殺菌性能有重要影響。本研究篩選的Al2O3是γ 晶型，在γ-Al2O3中，只有211/3個鋁原子分布在晶胞空隙中，還有22/3個空位［9-10］，氧原子組成的晶格間隙沒有被金屬原子完全填滿，在其中加入Ag，使Ag 結合得更牢固。γ-Al2O3是一種多孔物質(zhì)，具有較大的表面積，活性高，吸附能力強，Ag 均勻分布在Al2O3表面，可以顯著提高其殺菌性能。

本研究針對艦艇高鹽環(huán)境，篩選適用于海上載人環(huán)境的表面消毒Ag/Al2O3抗菌新材料。Ag/Al2O3抗菌材料在模擬高鹽條件下，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有較強的殺菌效果，1.5 h 作用后對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌殺菌效率均＞99.99%，經(jīng)重復性測試，1.5 h 作用后對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌殺菌效率均＞99.9%。海水緩沖液相對于PBS 緩沖液對Ag/Al2O3抗菌微球的殺菌效率差異無統(tǒng)計學意義，且Ag/Al2O3形貌結構穩(wěn)定，試驗前后未出現(xiàn)明顯剝脫。Ag/Al2O3抗菌材料在艦艇表面微生物防控領域具有良好的應用前景。

本研究對Ag/Al2O3抗菌新材料在艦艇表面微生物防控領域的應用進行了探索性試驗，為進一步解決密閉艙室表面微生物污染控制問題，改善官兵工作居住的艙室環(huán)境，維護艦員健康和艦艇戰(zhàn)斗力提供了實驗基礎。