paper-季銨鹽研究進(jìn)展

1、季銨鹽殺生劑殺生性能與機(jī)理研究進(jìn)展張躍軍，趙曉蕾（南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇南京210094）摘要：該文對(duì)國(guó)內(nèi)外季銨鹽殺生劑及其殺生性能與機(jī)理研究進(jìn)行了綜述。以已有的季銨鹽7代產(chǎn)品的發(fā)展歷程為基礎(chǔ)，提出可按季銨鹽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將其分為單鏈季銨鹽、雙鏈季銨鹽、聚季銨鹽和混合季銨鹽4個(gè)大類。進(jìn)而，結(jié)合這4個(gè)大類季銨鹽殺生劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以菌藻為親抑對(duì)象，對(duì)其所具有的殺生性能與機(jī)理分別進(jìn)行了闡述，歸納了季銨鹽殺生劑殺生過(guò)程的6個(gè)基本步驟和殺生作用的4個(gè)基本方式。在該基礎(chǔ)上特別提出，研究季銨鹽分子與其作用對(duì)象的關(guān)鍵作用位點(diǎn)和致死作用方式應(yīng)是機(jī)理研究的要點(diǎn)所在；針對(duì)具體作用對(duì)象的濃度，研究得到殺生劑的濃度與作

2、用時(shí)間的關(guān)系是其應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。最后，給出了今后對(duì)季銨鹽殺生劑殺生性能與機(jī)理研究工作的若干建議。關(guān)鍵詞：季銨鹽殺生劑；發(fā)展歷程；殺生性能；殺生機(jī)理中圖分類號(hào)：TQ226.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5214(2010)12-1145-08隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平提高，人們的健康 意識(shí)和衛(wèi)生觀念不斷增強(qiáng)，對(duì)生活環(huán)境質(zhì)量提出了更高要求。因此，具有殺生功能的化學(xué)藥劑和復(fù)合材料越來(lái)越受到人們關(guān)注，已廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、日常生活等諸多領(lǐng)域，其開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)也逐步發(fā)展成為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)1。在種類繁多、功能各異的殺生劑中，季銨鹽化合物以其廣譜高效的殺生性能，以及使用范圍廣、水溶性好、性質(zhì)穩(wěn)

3、定、安全低毒、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用2。1季銨鹽殺生劑產(chǎn)品的發(fā)展歷程及其結(jié)構(gòu)類別人們對(duì)季銨鹽化合物的認(rèn)識(shí)就是從其所具有的殺菌作用上開(kāi)始的。1915年，Jacobs W A等首次合成了季銨鹽化合物，并指出這類化合物具有一定的殺菌能力，但該研究成果一直未受到重視。直到1935年，Domagk G3發(fā)現(xiàn)了烷基二甲基芐基氯化銨的殺菌作用，進(jìn)一步研究了殺菌性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并利用其處理軍服以防止傷口感染。隨后，季銨鹽殺生劑才逐漸引起關(guān)注。同年，Wetzel R即將季銨鹽殺生劑用于臨床消毒4。1.1產(chǎn)品的發(fā)展歷程季銨鹽殺生劑發(fā)展到今天，按其開(kāi)發(fā)歷程來(lái)劃分，至少已有7代產(chǎn)品。第1代產(chǎn)品為烷

4、基二甲基芐基鹵化銨，其中烷基鏈長(zhǎng)為C12C16的產(chǎn)品殺菌效果最佳；第2代產(chǎn)品為第1代產(chǎn)品的衍生物，可通過(guò)苯環(huán)或季氮上的取代反應(yīng)得到；第3代產(chǎn)品為雙烷基二甲基鹵化銨，與前兩代相比，在合成工藝、生產(chǎn)成本方面都有了改進(jìn)，且對(duì)革蘭氏陰性菌有很強(qiáng)的殺菌能力；第4代產(chǎn)品為第1、3代產(chǎn)品的混合物，殺菌效果比前3代產(chǎn)品高出420倍，且抗干擾能力強(qiáng)、毒性小、價(jià)格較低；第5代產(chǎn)品為含有2個(gè)N+的雙季銨鹽，主要特點(diǎn)是殺菌效果好、毒性低、水溶性好，并具有廣泛的生物活性；第6代產(chǎn)品為聚合季銨鹽，具有毒性更小、殺菌作用更溫和的特點(diǎn)，故更具藥用價(jià)值，如角膜接觸鏡和個(gè)人護(hù)理用品的殺菌；第7代產(chǎn)品為第1、2、6代產(chǎn)品的混合物，

5、利用協(xié)同增效的原理，其殺菌效果優(yōu)于單一成分461.2產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)類別以文獻(xiàn)指出的產(chǎn)品發(fā)展歷程為基礎(chǔ)，系統(tǒng)考察這7代產(chǎn)品的分子結(jié)構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)，季銨鹽殺生劑各代產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可用通式圖示如下：其中：m =1，n=0，R7為長(zhǎng)鏈時(shí)，為第1代單鏈季銨鹽；m=l，n=0，R7為長(zhǎng)鏈（含芳烴單元）時(shí)，為第2代單鏈季銨鹽；m=1，n=0，R1或R2也為長(zhǎng)鏈時(shí)，為第3代雙鏈季銨鹽；m=l，n=l，R7為長(zhǎng)鏈，R1或R2也為長(zhǎng)鏈時(shí)，為第5代雙季銨鹽；m>2，n=0，R7為長(zhǎng)鏈（可含芳烴）時(shí)，為第6代聚季銨鹽。按照季銨鹽殺生劑產(chǎn)品的發(fā)展歷程，以及各代產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)，可將其歸納為單鏈季銨鹽、雙鏈季銨鹽、聚季銨鹽、

6、混合季銨鹽等4大類。第1、2代季銨鹽殺生劑產(chǎn)品屬于單鏈季銨鹽，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于單個(gè)陽(yáng)離子頭和單個(gè)疏水尾；第3代季銨鹽殺生劑產(chǎn)品屬于雙鏈季銨鹽，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是雙長(zhǎng)鏈的疏水尾；第5、6代季銨鹽殺生劑產(chǎn)品屬于聚季銨鹽，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于陽(yáng)離子頭高度密集，其中第5代產(chǎn)品可看作第6代產(chǎn)品的一個(gè)特例；第4、7代季銨鹽殺生劑產(chǎn)品屬于混合季銨鹽，主要特點(diǎn)是不同結(jié)構(gòu)分子的配合使其功能得到互補(bǔ)。2 季銨鹽殺生劑殺生性能研究進(jìn)展目前，關(guān)于季銨鹽殺生劑殺生性能的研究非常豐富，按照本文單鏈季銨鹽、雙鏈季銨鹽、聚季銨鹽、混合季銨鹽的分類，其殺菌、滅藻性能不盡相同、各有特點(diǎn)。2.1 單鏈季銨鹽殺生劑單鏈季銨鹽殺生劑的代表品種主要有十二烷

7、基二甲基芐基溴化銨（苯扎溴銨）、十二烷基二甲基苯氧乙基溴化銨（度米芬）和十四烷基二甲基吡啶溴化銨（消毒凈）等，對(duì)某些細(xì)菌繁殖體有較強(qiáng)的殺滅能力，可有效殺滅化膿性病原菌、腸道菌和部分親脂病毒7。例如，高東旗等8的研究表明，500 mg/L的苯扎溴銨對(duì)銅綠假單胞菌作用10min后，殺菌率可達(dá)99.9%。魏明運(yùn)等9考察了苯扎溴銨對(duì)幾種腸道菌的殺滅作用，發(fā)現(xiàn)25 mg/L的質(zhì)量濃度對(duì)傷寒沙門氏菌或40mg/L的質(zhì)量濃度對(duì)大腸桿菌作用10min后，殺菌率均可達(dá)100%。度米芬比苯扎溴銨殺菌能力稍強(qiáng)，主要表現(xiàn)在殺菌有效質(zhì)量濃度方面，其殺菌譜基本沒(méi)有區(qū)別。在實(shí)驗(yàn)室條件下，苯扎溴銨殺滅細(xì)菌繁殖體所需質(zhì)量濃度是

8、度米芬的510倍7。其他一些品種的單鏈季銨鹽殺菌劑同樣具有不錯(cuò)的殺菌效果，如李銀濤等10對(duì)一系列單吡啶季銨鹽的殺菌效果實(shí)驗(yàn)表明，其對(duì)白色念珠菌的殺菌率最高可達(dá)98.8%，對(duì)枯草桿菌、大腸埃希菌、金黃色葡萄球菌的殺菌率均達(dá)90%以上。仉春華等11研究了十二烷基二甲基芐基溴化銨、十二烷基二甲基芐基氯化銨和十四烷基二甲基芐基氯化銨對(duì)某石化企業(yè)排放的直流冷卻水的滅藻效果，當(dāng)單鏈季銨鹽質(zhì)量濃度25 mg/L后，其滅藻率均在90%以上，出水達(dá)到了工業(yè)水處理要求。許銀等12的研究表明，十六烷基三甲基氯化銨96h抑制小球藻生長(zhǎng)的半效應(yīng)質(zhì)量濃度為0.18 mg/L。洪愛(ài)華等13考察了苯扎溴銨對(duì)赤潮生物海洋原甲藻

9、的滅殺和抑制作用，質(zhì)量濃度為0.10 mg/L時(shí)，可以抑制其生長(zhǎng)，質(zhì)量濃度大于0.15 mg/L后，滅藻率可達(dá)90%以上。由于單鏈季銨鹽殺生劑具有使用濃度低、毒性小、刺激性輕、腐蝕性小、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，所以其雖屬于低效殺生劑，但在醫(yī)療衛(wèi)生、食品、日用化工和水處理等領(lǐng)域至今仍然得到廣泛應(yīng)用。2.2雙鏈季銨鹽殺生劑隨著時(shí)間的推移和研究的深入，單鏈季銨鹽殺生劑的某些缺點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，如產(chǎn)生抗藥性，殺生譜較窄等，因此，國(guó)內(nèi)外相繼研究開(kāi)發(fā)出雙鏈季銨鹽殺生劑。雙鏈季銨鹽以雙十烷基二甲基溴化銨（百毒殺）、溴化（雙十二烷基二甲基）乙撐二銨（新潔靈）等為代表，可殺滅多種微生物，包括細(xì)菌、藻類、芽孢和病毒。例如：

10、沈偉等14研究了百毒殺的殺菌作用，殺滅大腸桿菌的質(zhì)量濃度和作用時(shí)間為：500 mg/L，1min;250 mg/L，5 min;125 mg/L，10 min。殺滅金黃色葡萄球菌的質(zhì)量濃度和作用時(shí)間為：500 mg/L，30s;250 mg/L，2 min;125 mg/L，10 min。朱厚宏等15的研究表明，250 mg/L的新潔靈對(duì)金黃色葡萄球菌作用2、5 min，殺滅率分別為99.96%、100%；500mg/L對(duì)大腸桿菌作用2、5 min，殺滅率分別為99.97%、100%；500 mg/L對(duì)白色念珠菌作用5、10min殺滅率分別為99.96%、100%。曹西華等16的研究發(fā)現(xiàn)，雙十

11、八烷基二甲基氯化銨對(duì)赤潮異彎藻的用量為5.0 mg/L時(shí)，24h后滅藻率為70左右。張珩等17考察了雙鏈季銨鹽2-（2一苯氧基乙氧基）乙基三甲基氯化銨對(duì)球形棕囊藻和塔瑪亞歷山大藻的96 h最小抑藻質(zhì)量濃度，分別為0.8 mg/L和0.4 mg/L。雙鏈季銨鹽具有較好的水溶性和良好的降低表面張力的能力，還具有抵抗陰離子表面活性劑、硬水、蛋白有機(jī)物等不利作用的功能。此外，其泡沫很少，受水質(zhì)影響較小，可維持良好的殺菌效果4。雙鏈季銨鹽的問(wèn)世結(jié)束了季銨鹽都是低效殺生劑的歷史，其殺生作用比單鏈季銨鹽更強(qiáng)，殺生譜更廣18。2.3聚季銨鹽殺生劑聚季銨鹽殺生劑包括雙季銨鹽殺生劑。2.3.1雙季銨鹽雙季銨鹽是通

12、過(guò)一個(gè)連接基將兩個(gè)單一季銨鹽分子在其親水頭基或接近親水頭基處連接在一起而成的一類殺生劑19，可以看作是聚合季銨鹽中n=2時(shí)的特例，具有極強(qiáng)的殺生活性，且?guī)缀醪皇軠囟群蚿H的影響。例如，孟琳等20采用二鹵代醚與十二烷基二甲基叔胺合成了雙季銨鹽殺菌劑，發(fā)現(xiàn)當(dāng)硫酸鹽還原菌含量為1.5×l08個(gè)/m L，雙季銨鹽質(zhì)量濃度為50mg/L時(shí)，殺菌率即達(dá)到100%，是一種很有應(yīng)用前景的新型工業(yè)用殺菌劑。趙劍曦等21研究了兩類烷烴鏈?zhǔn)杷南盗须p季銨鹽的殺菌性能，并與對(duì)應(yīng)的單鏈季銨鹽十二烷基三甲基溴化銨(C12TABr)的殺菌效果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，1mg/L的雙季銨鹽對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌或

13、2.5 mg/L的雙季銨鹽對(duì)白色念珠菌分別作用10 min時(shí)，殺菌率均超過(guò)了99.9%，而C12TABr達(dá)到相同效果時(shí)的用量是雙季銨鹽用量的25倍或40倍。王修林等22考察了由兩個(gè)十二烷基三甲基氯化銨分子經(jīng)連接基連接而成的雙季銨鹽滅藻劑的抑藻活性，質(zhì)量濃度為0.20.5 mg/L時(shí)，該雙季銨鹽對(duì)東海原甲藻、塔瑪亞歷山大藻和赤潮異灣藻的生長(zhǎng)有明顯的抑制作用，質(zhì)量濃度大于0.5 mg/L后，對(duì)中肋骨條藻的生長(zhǎng)也表現(xiàn)出一定的抑制作用。吳萍23比較了雙烷基聚氧乙烯基三季銨鹽(DPQAC)和三烷基聚氧乙烯基三季銨鹽( TPQAC)對(duì)赤潮藻的殺滅效果，發(fā)現(xiàn)DPQAC的用量為4mg/L時(shí)，滅藻率可達(dá)100%

14、；而TPQAC的用量為2mg/L時(shí)，即可在短時(shí)間內(nèi)100的滅殺赤潮藻。可見(jiàn)，TPQAC的滅藻效果優(yōu)于DPQAC。盡管雙季銨鹽殺生劑以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，特殊的性質(zhì)引起了眾多研究者的興趣，但其仍是小分子季銨鹽，存在易揮發(fā)、化學(xué)穩(wěn)定性差，尤其是殘留余毒、殺菌時(shí)效短等諸多缺陷1,24。此時(shí)，高分子聚合季銨鹽殺生劑的成功研發(fā)與應(yīng)用可彌補(bǔ)這些不足。2.3.2聚合季銨鹽聚合季銨鹽作為聚氮陽(yáng)離子型殺生劑，已在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、水處理和日常生活等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。例如，Green H等25報(bào)道了水溶性均聚物聚雙二甲基丁烯的殺菌活性很高，其對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的最低抑菌質(zhì)量濃度均為50 mg/L。Meriano

15、s J J 26報(bào)道了結(jié)構(gòu)為RN+( CH3)2( CH2CH20)2CH2N+( CH3)2(CH2CH20)2nCH2CH2N+(CH3)2R的水溶性聚季銨鹽，式中n =230，R為C12C14的烷基，這類聚合物對(duì)典型微生物的最低抑菌質(zhì)量濃度為520mg/L，且毒性低。Kourai H等27報(bào)道了以氯甲基苯乙烯的均聚物或其與苯二乙烯的共聚物為載體制備的水不溶性聚季銨鹽對(duì)細(xì)菌、真菌具有長(zhǎng)效且高效的殺菌活性，并能有效控制黏泥，在25mm內(nèi)幾乎可全部殺滅所試條件下典型的革蘭氏陽(yáng)性菌和陰性菌，適用于水處理、建材和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。Pera J D28通過(guò)二甲胺、多胺與環(huán)氧氯丙烷季銨化反應(yīng)制得水溶性聚季銨

16、鹽具有高效滅藻性，可用于工業(yè)水處理。Nudel R等29報(bào)道了以聚苯乙烯或交聯(lián)聚苯乙烯的氯甲基化合物等為載體制備的水不溶性聚季銨鹽或聚雙季銨鹽能有效殺滅藻類，適用于水處理，且具有長(zhǎng)效性。水溶性和水不溶性聚合季銨鹽殺生劑以其較低的殺生濃度、較廣的殺生譜、持久的殺生作用、較高的穩(wěn)定性和安全性等特點(diǎn)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。2.4 混合季銨鹽殺生劑在很多情況下，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)功能理想的系列化季銨鹽難以實(shí)現(xiàn)，此時(shí)混合季銨鹽殺生劑即可發(fā)揮其功效?；旌霞句@鹽殺生劑大致可分為兩類：主要的一類是功能互補(bǔ)型，如第4代產(chǎn)品是第1、3代產(chǎn)品的混合物，屬于親脂性互補(bǔ)，比單一殺生劑增強(qiáng)了殺生活性，延長(zhǎng)了使用周期，且化學(xué)性質(zhì)

17、穩(wěn)定，腐蝕性小，受有機(jī)物和水的硬度影響小29。例如，張莉莉30報(bào)道由二癸基二甲基氯化銨和正烷基w(C14) =50、W( C12)= 40、W( Cl0)=10%二甲基芐基氯化銨以60:40質(zhì)量比復(fù)合而成的殺菌劑顯示了優(yōu)異的殺菌效果，用250mg/L對(duì)枯草桿菌黑色變種芽孢作用30min，殺滅率可達(dá)99.99，超過(guò)了相同質(zhì)量濃度單一殺菌劑的效力。魏蘭芬等31用混合季銨鹽（含雙癸基氯化銨與正1216烷基芐基氯化銨）進(jìn)行了乙肝表面抗原( HBsAg)破壞實(shí)驗(yàn)，3200 mg/L或800 mg/L的混合季銨鹽對(duì)HBsAg作用45 min或60 min，均可將其破壞，而單獨(dú)使用上述兩種季銨鹽的效果較差。

18、另一類是微結(jié)構(gòu)調(diào)整型，如第1、2代產(chǎn)品的混合物，其中第2代為第1代的衍生物，連在季氮上的官能團(tuán)在結(jié)構(gòu)上略有調(diào)整。例如，烷基二甲基芐基氯化銨與烷基二甲基乙基芐基氯化銨的等量混合物，這種組合方式的主要特點(diǎn)是可使急性口服毒性明顯下降(第1、2代產(chǎn)品的小鼠經(jīng)口LD50為300400 mg/kg，混合物的LD50為750 mg/kg)4。此外，如第7代產(chǎn)品為第1、2、6代產(chǎn)品的混合物，屬于功能互補(bǔ)加微結(jié)構(gòu)調(diào)整型。還有更多的其他組合及復(fù)配方式，最終形成了多種各具特色的可滿足不同需要的季銨鹽殺生劑。3季銨鹽殺生劑殺生機(jī)理研究進(jìn)展目前，關(guān)于季銨鹽殺生劑殺生機(jī)理的研究已有不少，按照單鏈季銨鹽、雙鏈季銨鹽、聚季銨

19、鹽的分類，其殺生機(jī)理各具特色、不一而足。3.1 單鏈季銨鹽殺生劑有關(guān)單鏈季銨鹽殺生機(jī)理的研究很豐富。例如，趙劍曦等21認(rèn)為單烷烴鏈季銨鹽的殺菌特性是通過(guò)正離子頭基吸附在負(fù)電荷的菌體表面，改變了細(xì)胞壁的通透性。同時(shí)，烷烴鏈可與細(xì)胞的類脂層發(fā)生疏水相互作用而插入其中，導(dǎo)致胞內(nèi)酶失活和蛋白質(zhì)變性。薛廣波32對(duì)苯扎溴銨等單鏈季銨鹽殺菌機(jī)理的研究表明，殺菌劑可以吸附于菌體表面，形成微團(tuán)，并逐步滲入細(xì)胞漿的類脂層和蛋白質(zhì)層，從而改變細(xì)胞膜通透性，使胞內(nèi)物質(zhì)外滲。同時(shí)，酶和結(jié)構(gòu)蛋白發(fā)生變性，破壞代謝過(guò)程，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。黃金營(yíng)等33研究了一種長(zhǎng)鏈烷基甲硝唑季銨鹽化合物( MDHTD)的殺菌機(jī)理。MDHTD吸附

20、到菌體表面，形成高濃度的離子團(tuán)，疏水基和親水基逐步滲入細(xì)胞膜的類脂層與蛋白質(zhì)層，從而改變細(xì)胞壁膜的滲透性，使胞內(nèi)物質(zhì)外泄，細(xì)胞的新陳代謝作用失衡，導(dǎo)致菌體生理活性受到破壞而死亡。同時(shí)，甲硝唑、烷氧基等官能團(tuán)可與蛋白質(zhì)上的一些基團(tuán)反應(yīng)而使蛋白質(zhì)變性；甲硝唑5-N02在無(wú)氧條件下可被還原成氨基，破壞DNA中的胸腺嘧啶或其衍生物，導(dǎo)致DNA的解旋?？梢?jiàn)，單鏈季銨鹽的殺菌機(jī)理可描述為：吸附到菌體表面，疏水基插人類脂層，改變細(xì)胞壁、膜的通透性，胞內(nèi)物質(zhì)泄漏，酶或蛋白質(zhì)變性，最后菌體死亡。其殺菌作用方式基本相似：破壞細(xì)胞的壁、膜結(jié)構(gòu)，抑制酶或蛋白的活性，影響細(xì)胞代謝過(guò)程。許銀等12認(rèn)為十六烷基三甲基氯化銨

21、( CTAC)殺滅小球藻是3個(gè)方面的共同作用：首先，CTAC可抑制小球藻對(duì)以陽(yáng)離子形式存在的營(yíng)養(yǎng)元素的吸收；其次，CTAC抑制了酸性磷酸酶的活性，使其功能喪失并發(fā)生變異，導(dǎo)致底物在溶酶體中大量貯積，引起膨脹現(xiàn)象；最后，疏水基團(tuán)與膜脂結(jié)合，引起質(zhì)壁分離，破壞亞顯微結(jié)構(gòu)，影響細(xì)胞間的物質(zhì)運(yùn)輸和信息傳遞，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。洪愛(ài)華34研究了幾種滅藻劑對(duì)棕囊藻的殺滅作用機(jī)理，通過(guò)SEM發(fā)現(xiàn)在苯扎溴銨的作用下，棕囊藻的細(xì)胞壁嚴(yán)重?fù)p傷。結(jié)果表明，苯扎溴銨中的十二烷基能溶解并損傷藻細(xì)胞表面的脂肪層，破壞細(xì)胞壁后，進(jìn)入藻體內(nèi)與蛋白質(zhì)和酶反應(yīng)，導(dǎo)致棕囊藻代謝異常，從而殺死藻細(xì)胞。龐艷華等35研究了十六烷基三甲基溴化銨

22、( HDTMAB)對(duì)小球藻、新月菱形藻的殺滅作用；曹西華等36研究了HDTMAB對(duì)東海原甲藻的殺滅作用，結(jié)果均表明游離的HDTMAB分子能在低濃度下抑制藻細(xì)胞的光合作用，降低其活性，破壞藻細(xì)胞內(nèi)的類膜質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的滅藻能力。曹西華等16對(duì)單鏈季銨鹽滅藻機(jī)理的研究表明，當(dāng)季銨鹽的疏水基空間排列適當(dāng)時(shí)，可吸附在細(xì)胞膜上，引起膜蛋白的親脂鍵破裂，導(dǎo)致膜功能的破壞。同時(shí)，季銨鹽的長(zhǎng)脂肪鏈可與葉綠素的葉醇基作用，破壞葉綠素與蛋白質(zhì)和磷脂結(jié)合成穩(wěn)定復(fù)合體進(jìn)行光合作用的功能。通過(guò)TEM發(fā)現(xiàn)葉綠體膨脹變形，光合片層堆積，有序性降低，對(duì)線粒體、高爾基體等細(xì)胞器的膜結(jié)構(gòu)也有明顯破壞作用。另外，細(xì)胞核膜溶脹，進(jìn)

23、一步說(shuō)明季銨鹽對(duì)藻細(xì)胞的殺滅作用主要是破壞其生物膜結(jié)構(gòu)?？梢?jiàn)，單鏈季銨鹽的滅藻作用方式基本相似：破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，破壞葉綠體，抑制酶或蛋白的活性，影響細(xì)胞代謝過(guò)程。3.2雙鏈季銨鹽殺生劑與單鏈季銨鹽相比，有關(guān)雙鏈季銨鹽殺生機(jī)理的研究少得多。例如，許欣等37研究了新潔靈的殺菌機(jī)理，SEM可見(jiàn)菌體變形，表面粗糙，凹凸不平，有粘附物，表明細(xì)胞壁受損；TEM可見(jiàn)胞壁和胞膜間隙增加，部分胞壁模糊不清或缺損，胞壁表面出現(xiàn)折皺，胞漿內(nèi)容物不均并團(tuán)縮，甚至有內(nèi)容物漏出，表明細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞，以致菌體死亡；經(jīng)檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)的乳酸脫氫酶、輔酶和色素細(xì)胞氧化酶的活性逐漸降低直至消失，表明新潔靈還可通過(guò)抑制或破壞細(xì)胞內(nèi)

24、生物氧化、呼吸代謝和能量產(chǎn)生等生物酶的活性，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。Majtan V等38的研究表明，雙鏈季銨鹽屬于外膜活性化合物，可結(jié)合到細(xì)胞膜上影響細(xì)胞的新陳代謝，干擾核酸和蛋白質(zhì)的合成，影響細(xì)胞的能量代謝?；钚匝芯勘砻魇羌?xì)胞膜內(nèi)的酶先受到影響，然后消毒劑滲入細(xì)胞再作用于細(xì)胞質(zhì)酶。可見(jiàn)，單鏈、雙鏈季銨鹽殺菌作用方式的相同之處在于：破壞細(xì)胞的壁、膜結(jié)構(gòu)，抑制酶活性，影響細(xì)胞代謝過(guò)程；而主要的不同之處在于：雙鏈季銨鹽可干擾核酸和蛋白質(zhì)的合成。3.3聚季銨鹽殺生劑3.3.1雙季銨鹽雙季銨鹽殺生劑具有極強(qiáng)的殺生活性，一方面是由于分子中具有兩個(gè)長(zhǎng)鏈的疏水基團(tuán)，另一方面是由于分子中有兩個(gè)帶正電荷的N+，通過(guò)誘導(dǎo)

25、作用使季氮上的正電荷密度增加，更有利于殺生劑分子在菌、藻細(xì)胞表面的吸附，從而改變細(xì)胞壁的滲透性。此外，殺生劑吸附到細(xì)胞表面后，有利于疏水基與親水基分別深入細(xì)胞的類脂層與蛋白質(zhì)層，導(dǎo)致酶失活和蛋白質(zhì)變性。這兩種作用的聯(lián)合效應(yīng)使雙季銨鹽殺生劑具有極強(qiáng)的殺生能力21,39。Sumitomo T等40在研究雙季銨鹽4，4-（1，6一六亞甲基二硫代）雙（1-辛基溴代吡啶）對(duì)大腸桿菌的殺滅作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，其殺菌過(guò)程為雙季銨鹽的陽(yáng)離子部分與細(xì)胞表面的Mg2+相互作用，并進(jìn)一步取代Mg2+，導(dǎo)致Mg2+、外膜孔蛋白E和脂多糖釋放。SEM可見(jiàn)細(xì)胞表面的孔洞與氣泡，TEM可見(jiàn)肽聚糖與細(xì)胞質(zhì)膜遭到破壞，說(shuō)明藥劑的作用位

26、點(diǎn)主要集中在細(xì)胞壁，而非細(xì)胞膜。諸多研究4143表明藻細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)是滅藻劑攻擊的主要對(duì)象。例如，王修林等22研究了一種雙季銨鹽滅藻劑對(duì)不同海洋微藻生長(zhǎng)的抑制效果與各海洋微藻生物膜的多不飽和脂肪酸( PUFAs)含量間的關(guān)系，結(jié)果表明，各海洋微藻生物膜的PUFAs含量越低，該雙季銨鹽對(duì)其生長(zhǎng)的抑制作用越明顯，反之亦然。這可能是因?yàn)镻UFAs含量越低，其疏水性相對(duì)越強(qiáng)，因此其膜脂結(jié)構(gòu)更容易與雙季銨鹽的疏水基團(tuán)結(jié)合而被破壞。吳萍等44研究了三烷基聚氧乙烯基三季銨鹽( TPQAC)對(duì)赤潮藻的殺滅效果，并指出在TPQAC的作用下，藻細(xì)胞破裂、葉綠素被破壞是導(dǎo)致東海原甲藻和強(qiáng)壯前溝藻死亡的主要原因。3.3

27、.2聚合季銨鹽目前，對(duì)于小分子季銨鹽的殺菌機(jī)理已有較多研究，但對(duì)高分子聚合季銨鹽的殺菌機(jī)理還得不到十分清晰的描述45。一般認(rèn)為聚合季銨鹽的殺菌過(guò)程與小分子季銨鹽相似，也可分為6步：吸附到菌體表面；穿透細(xì)胞壁；與細(xì)胞膜結(jié)合；擾亂細(xì)胞膜組成；導(dǎo)致胞內(nèi)物質(zhì)如K+、DNA、RNA等泄漏；最后菌體死亡46。例如，張昕等47和王蕊欣等48研究了季銨化聚乙烯亞胺和聚（4一乙烯基吡啶季銨鹽一丙烯酰胺）兩種聚季銨鹽的抗菌機(jī)理，認(rèn)為其抗菌過(guò)程基本相同。帶正電的聚季銨鹽吸附到菌體表面后，穿透細(xì)胞壁，與細(xì)胞膜的類脂層和蛋白質(zhì)層結(jié)合，阻礙細(xì)菌對(duì)外界的正常離子交換和物質(zhì)交換，并破壞控制細(xì)胞滲透性的原生質(zhì)膜，使胞內(nèi)物質(zhì)外泄

28、，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。與小分子季銨鹽所不同的是季銨鹽分子經(jīng)高分子化后，相對(duì)分子質(zhì)量（以下簡(jiǎn)稱分子量）增大，正電荷密度提高。由于微生物細(xì)胞表面帶負(fù)電，而且細(xì)胞膜內(nèi)含有的磷脂及一些膜蛋白水解也帶負(fù)電，因此，殺菌劑分子量增大有助于吸附菌體及與細(xì)胞膜結(jié)合。同時(shí)，由于分子量增大，分子體積變大，在擴(kuò)散穿透細(xì)胞壁時(shí)的阻力會(huì)增大，但就綜合效果而言，高分子化后的殺菌劑比相同結(jié)構(gòu)的小分子單體的殺菌性和穩(wěn)定性均有大幅度提高49。有關(guān)聚合季銨鹽的滅藻機(jī)理研究非常有限。例如，聚氧乙烯氯化二甲亞銨是一種廣泛用于游泳池和工業(yè)冷卻水系統(tǒng)的殺生劑。Frank N50的研究表明，該殺生劑對(duì)藻細(xì)胞的作用過(guò)程可以分為浸潤(rùn)細(xì)胞壁、破壞細(xì)胞膜

29、、導(dǎo)致胞內(nèi)物質(zhì)泄漏、細(xì)胞死亡等4步?？梢?jiàn)，高分子聚合季銨鹽的殺菌機(jī)理與小分子季銨鹽的殺菌機(jī)理相似：吸附到菌體表面，穿透細(xì)胞壁，胞內(nèi)物質(zhì)外泄，最后菌體死亡。其殺菌作用同樣包括破壞細(xì)胞的壁、膜結(jié)構(gòu)，抑制酶活性，影響細(xì)胞代謝過(guò)程等方式。3.3.3聚合季銨鹽殺菌劑的作用位點(diǎn)所謂作用位點(diǎn)，指的是殺生劑作用于對(duì)象產(chǎn)生致死作用的主要位置。研究殺生劑的作用位點(diǎn)可為更清晰地描述殺生機(jī)理提供依據(jù)。目前，有關(guān)聚季銨鹽殺菌劑作用位點(diǎn)的研究有兩種觀點(diǎn)：一種認(rèn)為作用位點(diǎn)在細(xì)胞壁，另一種認(rèn)為在細(xì)胞膜1。(1)以細(xì)胞壁為作用位點(diǎn)Kourai H51研究了聚二甲基六亞甲基氯化亞胺的抗菌機(jī)理，其對(duì)大腸桿菌作用3060 s時(shí)，即可

30、引起菌液濁度明顯增加，并導(dǎo)致脂多糖和蛋白質(zhì)泄漏。作用2 min后，SEM可見(jiàn)細(xì)胞表面氣泡形成并釋放的過(guò)程，TEM可見(jiàn)胞內(nèi)物質(zhì)大量泄漏。研究認(rèn)為該殺菌劑吸附到細(xì)菌表面后，迅速破壞細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。盧滇楠等52研究了一種表面接枝季銨鹽聚合物抗菌材料及其單體的殺菌機(jī)理。結(jié)果表明，季銨鹽單體對(duì)大腸桿菌的細(xì)胞壁有裂解作用，該單體可使菌體發(fā)生團(tuán)聚和分裂，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。吳迪等53對(duì)殼聚糖季銨鹽殺菌機(jī)理的研究表明，季銨鹽作用后，細(xì)胞壁的保護(hù)功能明顯下降，大量胞內(nèi)酶外泄。同時(shí)，TEM可見(jiàn)細(xì)胞聚集明顯，細(xì)胞壁模糊，部分缺失，且有明顯的質(zhì)壁分離。因此，推測(cè)殼聚糖季銨鹽的陽(yáng)離子性導(dǎo)致的細(xì)胞壁功能破壞是其

31、具有抑菌功效的原因。高麗寬紀(jì)等研究指出，陽(yáng)離子殺菌劑的殺菌機(jī)制是阻礙細(xì)菌的呼吸系統(tǒng)和細(xì)胞壁的合成系統(tǒng)，而且殺菌能力強(qiáng)烈依賴于陽(yáng)離子殺菌劑分子在菌體表面的最初吸附量54。(2)以細(xì)胞膜為作用位點(diǎn)周軒榕等46研究了表面接枝季銨鹽型高分子材料的殺菌機(jī)理。結(jié)果表明，季銨鹽擾亂了大腸桿菌細(xì)胞膜的雙層結(jié)構(gòu)，影響膜的滲透性，破壞菌體內(nèi)外的滲透壓平衡，迫使胞內(nèi)物質(zhì)泄漏，從而導(dǎo)致細(xì)胞變形，直至完全被破壞死亡。Kawabata N等55認(rèn)為陽(yáng)離子殺菌劑依靠庫(kù)侖力吸附到帶電荷的細(xì)菌表面，通過(guò)細(xì)胞壁擴(kuò)散，與細(xì)菌質(zhì)膜結(jié)合使其破裂，細(xì)菌因內(nèi)容物釋放而死亡。Cloete T E56報(bào)道殺菌劑的殺菌作用是先吸附到菌細(xì)胞表面，

32、然后穿過(guò)細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，到達(dá)其作用位點(diǎn)，如細(xì)胞膜、呼吸器官、酶和遺傳物質(zhì)等。真正有效的殺菌劑必須穿透細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，并且在作用位點(diǎn)處達(dá)到足夠高的濃度才能發(fā)揮殺菌作用。Lewis K等57研究了聚合季銨鹽的殺菌機(jī)理。結(jié)果表明，為了達(dá)到較好的殺菌效果，固定化的聚合季銨鹽必須要有足夠長(zhǎng)的鏈，破壞細(xì)胞膜是表面接觸殺菌聚合物的殺菌機(jī)理，聚合物長(zhǎng)鏈可以穿過(guò)細(xì)胞壁，將活性部分伸到細(xì)胞膜而殺死細(xì)胞。3.4 混合季銨鹽殺生劑目前，有關(guān)混合季銨鹽的殺生機(jī)理尚無(wú)研究報(bào)道。但是，通過(guò)對(duì)上述各類季銨鹽殺生機(jī)理研究進(jìn)展的概述不難看出，混合季銨鹽殺生劑所具有的殺生作用應(yīng)該是各類季銨鹽殺生劑共同作用的結(jié)果。綜上所述，可將季銨

33、鹽殺生劑的殺菌作用大致概括為以下4點(diǎn)：破壞菌細(xì)胞的壁、膜結(jié)構(gòu)；抑制各種酶和蛋白的活性，影響其功能或使其變性；干擾核酸和蛋白質(zhì)的合成過(guò)程；影響菌細(xì)胞的代謝過(guò)程，如呼吸代謝、能量代謝和營(yíng)養(yǎng)代謝等。同理，可將季銨鹽殺生劑的滅藻作用大致概括為以下4點(diǎn)：破壞葉綠體，抑制藻細(xì)胞的光合作用過(guò)程；抑制各種生物酶的活性，影響其功能；破壞藻細(xì)胞的生物膜結(jié)構(gòu)；影響藻細(xì)胞的代謝過(guò)程。結(jié)合上述對(duì)作用機(jī)理和作用位點(diǎn)的討論不難看到，針對(duì)某一具體季銨鹽及其與作用對(duì)象的作用機(jī)理描述，其要點(diǎn)在于6步作用過(guò)程中哪些是關(guān)鍵的作用位置和致死的作用方式。4展望季銨鹽殺生劑對(duì)細(xì)菌、真菌、藻類和病毒等微生物均有良好的殺生效果，并在眾多領(lǐng)域得

34、到廣泛應(yīng)用，殺生性能與機(jī)理的研究多年來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外季銨鹽制備和應(yīng)用研究領(lǐng)域中十分活躍的研發(fā)與創(chuàng)新熱點(diǎn)之一，已取得了不少新進(jìn)展。但是，縱觀季銨鹽殺生劑的研究與發(fā)展歷程不難發(fā)現(xiàn)，在殺生性能研究中，大多存在受試菌、藻含量不確定；濃度和作用時(shí)間（兼顧作用的快速性和持久性）與殺菌、滅藻率間的對(duì)應(yīng)關(guān)系不明確；聚合季銨鹽殺生劑分子量的大小與殺生性能間的關(guān)聯(lián)不清楚等3方面不足。在殺生機(jī)理研究中，有關(guān)季銨鹽殺生劑在細(xì)胞表面的吸附、在壁或膜的作用位點(diǎn)、對(duì)酶或蛋白的破壞等方面的研究已有不少認(rèn)識(shí)，但至今對(duì)聚合季銨鹽殺生劑作用過(guò)程的描述不清晰、不完善，以致對(duì)其殺生機(jī)理尚無(wú)統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。鑒于此，作者認(rèn)為今后對(duì)于季銨鹽殺生劑殺

35、生性能與機(jī)理的研究可側(cè)重于：(1)在菌、藻含量明確的條件下，研究殺生劑的作用濃度和時(shí)間與殺菌、滅藻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為其應(yīng)用打下基礎(chǔ)；(2)研究聚合季銨鹽殺生劑的分子量與殺生性能間的關(guān)聯(lián)，區(qū)別其與單體或小分子季銨鹽的作用機(jī)制；(3)對(duì)于聚合季銨鹽殺生劑，尤其是一些具有特定結(jié)構(gòu)（如芳烴結(jié)構(gòu)上帶有短鏈?zhǔn)杷鶊F(tuán)）的聚合季銨鹽殺生劑，研究其殺生作用過(guò)程，給出較為清晰的機(jī)理描述。參考文獻(xiàn)：1佟會(huì)，邱樹(shù)毅季銨鹽類抗菌劑及其應(yīng)用研究進(jìn)展J貴州化工，2006，31(5)：1 -72梁克中，水處理劑簡(jiǎn)介J山東化工，2004，33(2)：37 -39.3 Domagk G.A new class of disinfe

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