AC及AC(Ag)对细菌的吸附及灭菌功能的对比研究

　　测定了活性碳(AC)及载银活性碳(AC(Ag))的比表面积和孔径分布曲线，对比研究了AC及AC(Ag))对大肠杆菌的吸附能力和灭菌性能。结果表明，载银后，虽然AC(Ag)的比表面积下降，但由于银的存在，使其吸附的大肠杆菌数量高于AC，而吸附速率低于AC。灭菌试验表明，AC对大肠杆菌没有杀灭能力，而AC(Ag)对大肠杆菌有较好的灭菌功能。

　　分类号： 　R318.08

COMPARISON OF BACTERIAL ADSORPTION AND

　　ANTIBACTERIAL PROPERTIES BETWEEN AC AND AC(Ag)

Wan Yizao, Wang Yulin, Dong Xianhong Zhou Fugang, Cheng Guoxiang

　　(College of Materials Science and Engineering, Tianjin University,Tianjin 300072)

　　Wen Tingyi

　　(PCR Center, 1st Teaching Hospital of Tianjin Traditional Chinese Medicine College,Tianjin 300193)

　　Han Sen

　　(The State Key Laboratory for C1 Chemical Engineering, College of Chemical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072)

ABSTRACT

　　Specific surface area and pore diameter distribution of activated carbon (AC) and activated carbon supporting silver (AC(Ag)) were determined. The bacterial adsorption capability and antibacterial effect against Escherichia coli of both AC and AC(Ag) were studied for comparison. Results showed that the specific surface area of AC(Ag) was smaller compared with that of AC due to the blockage of pores with diameter of 13nm by silver particles. The bacterial number adsorbed by AC(Ag) was greater by comparison to AC, but bacterial adsorption rate of AC(Ag) was slower than that of AC. Antibacterial tests indicated that AC demonstrated no antibacterial effect, AC(Ag), however, exhibited strong antibacterial property.

　　Key words:　Activated carbon; Silver; Escherichia coli; Antibacterial property; Adsorption

　　0　引 言

　　活性碳(以下简作-AC)比表面积大，吸附性能好，与活性碳纤维相比，其制造工艺比较成熟，价格便宜，因而仍是最广泛使用的工业吸附剂［1］。它可用于废水处理和净化饮用水，作分子筛，制作航天飞机的空气过滤器，用于贵重金属回收等［1～3］。此外，由于AC具有非活性碳相似的结构与性能，也具备一般碳材料的生物相容性和生物化学相容性等［4］，因而也广泛应用于医学领域，如血液过滤等。无论是用于净化水还是用于生物医学工程领域，AC与细菌的生物相容性始终是一个非常重要的参数。在生物医学工程方面，细菌在植入材料上的粘附是导致植入材料伴生感染的主要原因之一［5］，如AC能将粘附其上的细菌杀灭，则可避免此种感染的发生。

　　已有研究表明［6，7］，当活性碳纤维应用于净化饮用水时，被吸附的细菌可在其表面生长、繁殖，造成对饮用水的二次污染，为克服这一弊端，采用了含银的活性碳纤维或表面载银的活性纤维［8］。但对AC与细菌作用机制的研究却不多。由于活性碳纤维与AC的性能有着较大的差别，因此，细菌能否在AC上粘附、生长或繁殖也值得研究。

　　本文以AC及载银活性碳(以下记为-AC(Ag))为研究对象，选择大肠杆菌为代表，并采用“halo”试验法［9］，即抑菌环法对比研究二者对大肠杆菌的作用。由于细菌吸附是细菌与材料作用的第一步［10］，本文首先对二种材料的细菌吸附行为进行了研究。

　　1　实验材料与方法

　　1.1　实验材料

　　本实验所用的AC由山西新华化工厂提供，AC(Ag)由浸渍法获得。

　　1.2　菌种及其培养

　　1.2.1　菌种

　　大肠杆菌JM109(Escherichia coli JM109)。

　　1.2.2　培养基

　　固体培养基(LB培养基)，其组成为(g/L)：蛋白胨10；酵母提取物5；氯化钠10；琼脂粉2。液体培养基的组成为(g/L)：蛋白胨10；酵母粉5；氯化钠10；pH7.4。

　　1.2.3　培养条件

　　在950mL去离子水中加入蛋白胨、酵母提取物、氯化钠，摇动容器直至溶质完全溶解，用5mol/L NaOH(约0.2mL)调pH值至7.0，加入去离子水至总体积为1L，加入2g琼脂粉，高压下蒸气灭菌20min，将已灭菌的琼脂培养基冷却到45℃铺平板，然后接种大肠杆菌于固体培养基中。将试样依次放入接种过大肠杆菌的固体培养基表面。放入恒温箱中，恒温(37℃)培养24h。

　　1.2.4　大肠杆菌菌液的制备

　　将接种过大肠杆菌的液体培养基锥形瓶固定在恒温(37℃)摇床上振荡培养24h，经分离提纯后制成大肠杆菌悬浊液。再用缓冲液(18.2g/L NaCl; 3.1g/L Na2HPO4*12H2O;0.2g/L NaH2PO4*2H2O;pH7.4)配制成1010cfu/ml的细菌溶液。

　　1.3　性能测试与表征

　　1.3.1　比表面积与孔径分布的测定

　　比表面积采用ASAP-2400自动物理吸附仪测定。试样在1.33Pa真空条件下于300℃脱气4h，以高纯N2为载气和吸附质，用BET和Langmuir法计算并经计算机处理得到最终结果。

　　1.3.2　细菌吸附试验

　　将相同体积的不同样品放入缓冲液中浸泡，而后依次放入小烧杯中，将细菌悬浊液摇匀，用消毒过的滴管依次滴注于各试样上，每个烧杯内滴20mL，并使各烧杯中的菌液混匀。每隔1h各取出一块试样，先在20%戊二醛液中浸泡片刻，然后分别在30%、50%和100%的丙酮溶液中脱水。表面喷金处理后，用X-650扫描电镜观察细菌的分布并计算单位面积(mm2)吸附的细菌数量，每个试样随机取6个视场计算细菌数量。

　　1.3.3　灭菌性能

　　灭菌试验采用“halo”试验法。当试样具有灭菌功能时，将在其周围形成透明环，即抑菌环［10］。样品的灭菌性能由抑菌环的宽度评价［11］。用普通摄相机拍摄抑菌环照片，然后采用JC-2型晶粒度测量仪(×50)测出抑菌环的宽度。为保证数据的准确性，每隔60°在不同的方向对每个抑菌环各测量6次，每种试样各取3～5个样品进行“halo”试验，抑菌环宽度为各样品抑菌环宽度的平均值。

　　2　结果分析

　　2.1　细菌的分布特征

　　细菌在AC及AC(Ag)表面的分布形态如图1所示。可见，大肠杆菌在AC表面的分布较均匀；而在AC(Ag)表面，大肠杆菌仅分布于银颗粒之间，未见有细菌分布于银颗粒表面，表现为非均匀分布的特征。

　　比表面积的测定结果显示，AC的比表面积为970m2/g，而载银后比表面积下降了39%,为588m2/g。图2是AC及AC(Ag)的孔径分布曲线。可见，AC具有二个极大孔分布，一个位于2.1nm，另一个位于13nm左右；而载银后，AC(Ag)仍具有二个极大孔分布，一个位于1.8nm，另一个峰也位于13nm附近，但不明显。与AC相比，其极值下降了46%。这表明，AC载银后，孔径为13nm左右的孔大部分为银颗粒所堵塞。

　　2.3　AC与AC(Ag)对大肠杆菌的吸附动力学

　　AC及AC(Ag)细菌吸附实验的结果示于图3。可见，AC及AC(Ag)对细菌的吸附作用差别不大，但吸附速率有所不同。AC的吸附速率显著高于AC(Ag)，AC在吸附1h后，其大肠杆菌吸附量就达到平衡吸附量的80%以上，2h后就达到吸附平衡状态；而AC(Ag)1h后的吸附量为40%左右，2h后还不到70%，3h后才开始趋向平衡。此外，二者的平衡吸附量也存在区别，AC的平衡吸附量约为4.5×105cfu/mm2,而AC(Ag)的平衡吸附量为5.3×105cfu/mm2。

　　固体材料对细菌的吸附与材料的亲水性/疏水性、表面电荷、表面化学成分和表面形态有关［12］。而作为吸附材料，影响最显著的因素是比表面积。AC与AC(Ag)相比，其亲水性、表面成分(不包括Ag)和表面形态相差不大，而且，载银过程也不改变原始AC的结构参数。但AC表面载银后，其比表面积大幅度下降，从孔径分布结果看，载银后，孔径为13nm的孔多数被银颗粒所堵塞，而正是这种尺寸的孔最适于吸附微生物［13］,这似乎意味着，AC所吸附的大肠杆菌数量应多于AC(Ag)(这种吸附可称之为物理吸附，其吸附的细菌数量随比表面积的增大而增加)。实测的结果并非如此，AC(Ag)的平衡吸附量反而高于AC。这是由于AC(Ag)表面带正电，而大肠杆菌带负电［5］，因此，除了物理吸附外，AC(Ag)还存在对大肠杆菌的化学吸附，这样就使其吸附的大肠杆菌数量增加，并超过AC所吸附的细菌数量。此外，二者在吸附动力学上的差别，说明化学吸附比物理吸附需要更长的时间才能达到平衡。

　　灭菌实验结果表明，未载银的AC对大肠杆菌没有杀灭能力，只有当其表面载银以后才具备灭菌功能。银的灭菌性能与它对细胞表面或DNA分子的作用有关，银离子会与细胞膜和细胞壁结合，从而减少或终止DNA、RNA和蛋白质的合成；银离子也可以取代DNA分子中的氢键而导致DNA分子中双螺旋结构的畸变，最终使细菌不能存活［11］。

　　虽然AC也对大肠杆菌有吸附作用，能将大肠杆菌吸附于表面，但因其良好的生物相容性，被吸附在表面的细菌仍然可以正常生长，而不会遭受破坏。由此可知，AC(Ag)的灭菌能力来源于银，确切地说来源于银所释放的银离子，这一点已为许多实验所证实［11，14］。可以认为，AC(Ag)的灭菌机制体现在两个方面。首先，AC(Ag)对细菌有吸附作用(包括物理吸附和化学吸附)，使得大肠杆菌与银直接接触而被杀灭；其次，由于AC(Ag)表面的银释放银离子，而银离子具有很强的渗透能力［15］，因而可向周围扩散，使得与银离子接触的细菌死亡。对AC(Ag)来说，吸附数量的增加将有助于提高其灭菌功能，而AC(Ag)的吸附能力与银含量和原始比表面积等因素有关。因此AC(Ag)最终的灭菌功能也与银含量及AC的原始表面积有关。

　　4　结论

　　(1)AC载银后，其比表面积显著下降，孔径分布发生变化，多数最适于吸附细菌的孔(孔径为13nm左右)被银颗粒所填塞，使AC(Ag)的物理吸附作用下降。

　　(2)AC及AC(Ag)均对大肠杆菌有较强的吸附能力，AC对大肠杆菌的吸附为物理吸附，其吸附速率较快；AC(Ag)对大肠杆菌既有物理吸附又有化学吸附，使其平衡吸附量高于AC。

　　(3)AC对大肠杆菌没有杀灭能力，AC(Ag)对大肠杆菌有较强的灭菌功能。

5　参考文献

　　1，Avom J, Mbadeam KJ, Noubactep C, et al. Adsorption of melthylene blue from an aqueous solution on to activated carbons from plam-tree cobs. Carbon,1997,35(3):365～369

　　2，Huttepain M, Oberlin A. Microtexture of nongraphitizing carbons and TEM studies of some activated samples. Carbon, 1990,28:103～111

　　3，Warhurst AM, Mcconnachie GL, Pollard SJ. Characteristation and applications of activated carbon from Moringa oleifera seed husk by single-step steam pyrolysis. Wat Res, 1997,31(6):759～766

　　4，田本良.碳材料在医药学方面的应用.新型碳材料，1992，7(1)：18～23

　　5，Harkes G, Feijen J, Dankert J. Adhesion of Escherichia coli on to a series of poly(methacrylates) differing in charge and hydrophobicity. Biomaterials, 1991,12:853～859

　　6，Oya A, Yoshida S, Abe Y, et al. Antibacterial activated carbon fiber derived from phenolic resin containing silver nitrate. Carbon, 1993,31(1):71～73

　　7，Oya A, Wakahara T, Yohsida S, et al. Preparation of pitch-based antibacterial activated carbon fiber. Carbon, 1993,31(8):1243～1247

　　8，朱征.具有灭菌功能活性碳纤维的研究.离子交换与吸附，1995，11(3)：200～205

　　9，Oya A, Banse T, Ohashi F, et al. An antimicrobial and antifungal agent derived from montmorillonite. Applied Clay Science, 1991,6:135～142

　　10，Barton AJ, Sagersand RD, Pitt WG. Measurement of bacterial growth rates on polymers. J Biomed Mater Res, 1996,32(2):271～278

　　11，Chu CC, Tsai WC, Yao JY, et al. Newly made antibacterial braided nylon sutures. J Biomed Mater Res, 1987,21:1281～1300

　　12，Royle FH, Ratner Jr, BD, Horbett TM. Biomaterials: interfacial phenomena and applications, editored by Copper S L and Peppas N A, American chemical society, Washington DC, 1982,453～462

　　13，贺福，马谦中.活性碳纤维工业的长足发展.新型碳材料，1994，9(1)：11～17

　　14，Raad I, Hachem R, Zermeno A, et al. In-vitro antimicrobial efficacy of silver iontophoretic cather. Biomaterials, 1996,17(11):1055～1059

　　15，Aydin M, Gunay I, Pelit A, et al. Deposition profile of antibacterial anodic silver in root canal systems of teeth, J Biomed Mater Res, 1997,38(1):49～54