抗菌剂抗菌机理简述

马　超，吴　瑛（1.新疆生产建设兵团 塔里木盆地生物资源保护与利用重点实验室，新疆 阿拉尔 843300；2.塔里木大学 生命科学学院，新疆 阿拉尔 843300）

抗菌剂抗菌机理简述

马超1，2，吴瑛1，2*
（1.新疆生产建设兵团 塔里木盆地生物资源保护与利用重点实验室，新疆 阿拉尔 843300；2.塔里木大学 生命科学学院，新疆 阿拉尔 843300）

该文对现有抗菌剂进行了简单分类，主要包括无机系、有机系和天然生物抗菌剂三大类，并且简单阐述了无机系、有机系和天然生物抗菌剂的种类、特点以及抗菌机理，并指出不同类别抗菌剂存在的问题，对抗菌剂未来发展的方向进行了展望。

抗菌剂；抗菌机理；无机系抗菌剂；有机系抗菌剂

随着人类物质财富的激增，社会的全面进步，人类越来越关心自身健康和生活质量。人们所生存的环境中存在大量的细菌、真菌、病毒，可直接或间接导致多种疾病，对人们的健康生活造成了极大的隐患和威胁。微生物对人类生产生活造成的严重后果已不容忽视。因此防止有害微生物对人类生产生活造成的影响和危害，减轻由此引发的不良后果已经成为社会共识。抗菌剂的出现发展一直伴随着人类生产生活，也伴随着人类文明进步，研发高效、低毒、广谱的抗菌剂用于消灭、控制有害病原菌的生长、繁殖是一个极具有经济意义和社会意义的重大课题［1-2］。

消灭有害细菌、控制有害细菌生长和繁殖，是当代科技领域的重要课题是当今科技领域的重要课题。合理使用现有的环境资源，大力发展生态环境建设，建设人与自然高度的和谐、资源节约、环境友好的新型社会已成为时代的主流。在这种新形势下的可持续发展的指导思想下，抗菌产品的研发应用趋于多样性，而且发展迅速，产品种类不断向各个领域延伸，以满足人们对高品质健康生活水平的需求。对抗菌剂抗菌机理的研究也受到极高的关注。通过对抗菌剂抗菌机理系统性的研究分析及讨论，以此来对抗菌剂进行深入研究，对抗菌成果的现代化生产以及广泛安全性的现实应用有着极高的指导意义。根据抗菌剂的不同属性有不同的分类方法，本文将对抗菌剂进行简单分类，并对相应类型抗菌剂的抗菌机理进行简单阐述。

1　抗菌的定义

抗菌（anti-m icrobial）是一个泛指名词，主要包括灭菌、杀菌、消毒、抑菌、防腐等。利用物理、化学的方法来杀死有害病原菌或妨碍有害病原菌的生长、繁殖极其自身活性的过程［3］，是杀菌和抑菌的统称。

广义的抗菌概念所包含内容如下：

灭菌（sterilization）是指将待处理体系之中所有的微生物以及微生物孢子等生态形式都全部除去或使其丧失活性的过程。

杀菌（m icrobiocide）是指将待处理体系当中微生物的营养体和繁殖体全部杀死的过程。

消毒（bisinfection）是指破坏待处理体系中微生物的过程，但消毒的过程一般来说对微生物孢子无效，消毒不需要将体系中左右微生物都杀灭，只要达到预期的要求，通常要将体系中的病原菌和条件致病性的微生物除去或丧失活性。

抑菌（bacteriostasis）是指抑制病原微生物的生长和繁殖的作用，使处理体系中微生物的活性受到抑制，从而使之繁殖能力降低或抑制其繁殖的过程。

防腐（antisepsis）是指一种抑菌措施。利用一些物理、化学因素致使处理物体内外的微生物暂时处于不生长繁殖但又未死亡的状态。

2　抗菌剂

抗菌剂（anti-bacterial agents）指能够在一定时间内，使得某些微生物（真菌、细菌、酵母菌、藻类及病毒等）的繁殖或生长保持在必要水平以下的化学物质。

抗菌剂是某一类具有抑菌和杀菌性能的物质或产品。抗菌剂的抗菌作用通常来说是指抗菌剂对有害微生物的生命活动所产生的不良影响和后果。这些不良影响和后果集中体现在影响病原微生物的生长、繁殖以及死亡，即抑制病原微生物的生长繁殖或者直接杀死病原微生物的作用。病院微生物和抗菌剂之间的关系，也可看作是病原微生物与环境关系，尤其是对病原微生物毒性的环境关系。依据抗菌材料的成分、来源、性质的不同。可以将抗菌剂分为无机系抗菌剂、有机系抗菌剂以及天然抗菌剂3大类型。不同类型的抗菌剂也具有其特定的特点见表1。

表1　抗菌剂的类型与特点Table 1 Types and characteristics of antibacterialagents

2.1机系抗菌剂

无机系抗菌剂通常是通离子交换、过物理吸附以及多层包覆等不同技术手段，使得无机抗菌活性成分与载体相结合，从而制得的具有抗菌能力的抗菌剂。一般使用的抗菌活性成分主要有银、锌等金属离子及金属盐化合物，采用的载体有硅胶、高岭土、沸石、磷酸盐等。

根据抗菌剂的作用机制不同，可以将无机抗菌剂分为两大类，光催化型无机抗菌剂和金属离子负载型。无机抗菌剂的抗菌机理和特点见表2。

表2　无机抗菌剂的抗菌机理及特点Table 2 Antibacterialmechanism s and characteristics of inorganic antibacterialmaterials

2.1.1属离子负载型抗菌剂

大多数金属离子都具备抗菌能力，对大部分的细菌真菌都有一定的抑制、杀灭的作用，抗菌力、杀菌力最强的为银离子。金属离子抗菌效果一般按下列顺序递减［18］：Ag+＞Hg2+＞Cu2+＞Cd2+＞Cr3+＞Ni2+＞Pb2+＞Co2+＞Zn2+＞Fe3+。由于Hg2+、Pb2+、Cr3+和Cd2+等金属离子的金属毒性比较大，对人体有危害，一般不作为抗菌剂的抗菌组分。因此实际上用作无机抗菌剂的抗菌活性成分主要是银、铜、锌及其化合物，其中以银及其化合物为抗菌活性主体成分的抗菌剂具有较高抗菌活性和安全性而被广泛应用。

金属离子负载型的抗菌剂主要是通过物化反应将银、铜等重金属或者金属氧化物及金属离子负载与无机载体（如硅胶、黏土矿物、沸石等多孔材料）表面上，制备成相应的抗菌剂。当微生物与金属离子接触后，由于金属毒性，使微生物蛋白质结构破坏，微生物体内生化过程受阻、代谢紊乱，造成微生物死亡［19］。

由于微生物细胞膜带负电荷，通常金属离子带正电荷，当微量重金属离子与微生物膜接触时，金属离子与细胞膜因库伦吸引而紧密结合，即微动力效应。当金属离子穿透微生物细胞膜进入微生物体内，金属离子与微生物体内蛋白上的巯基发生化学反应以银与蛋白酶作用，以银为例其反应过程如下：

此反应过程使得蛋白质变性凝固，由于大多数酶为蛋白质，因此会影响微生物体内一系列生化反应过程，如微生物脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）转录翻译的过程，此过程可以直接导致微生物丧失繁殖增生的能力进而死亡。当微生物体内蛋白质与金属离子紧密结合会破坏微生物物质传输系统以及电子传输系统、呼吸系统，破坏微生物生物机能而使之死亡。由于金属负载型抗菌剂的载体通常是缓释性载体，在抗菌剂发挥抗菌作用的过程中，起主要抗菌活性的金属离子逐渐释放，低浓度的金属离子就可以产生一定的抗菌效果，当抗菌金属离子逐步释放出，抗菌剂即可发挥持久性的抗菌效果。金属离子负载型抗菌剂已经得到广泛应用，尤其是银系抗菌剂的使用最多。近年来已经扩展到人类生产生活的各个领域（如医疗、陶瓷制品、建筑材料、涂料、服装等）。

2.1.2催化型无机抗菌剂

光催化型无机抗菌剂通常都是半导体氧化物，禁带宽度都属于n型，如TiO2、Fe2O3、ZnO、SiO2等［20］。其抗菌作用机制是抗菌剂表面分散着的微量金属元素，可以作为催化活性中心，活性中心能够吸收环境中的光电子能量，激发吸附在抗菌剂表面或者抗菌剂作用环境中的水或氧气产生羟基自由基（·OH）和超氧负离子（O2-）。羟基自由基和超氧负离子都具有很强的氧化还原能力，强氧化性能促进微生物机体生化反应紊乱，能破坏病原微生物细胞的增值能力，抑制或杀灭病原微生物，从而产生抗菌性能。

光催化型无机抗菌剂通常可以吸收近紫外光、可见光等外界的光电子能量，价带中的电子经激发跃迁，激活抗菌剂表面和周围环境中氧气和水分子，形成具有强氧化还原能力的超氧负离子（O2-）和和羟基自由基（·OH）。它们的能和微生物细胞内的糖苷、不饱和脂肪酸蛋白质等发生反应，破坏细胞内有机物的正常结构，致使细菌死亡或失去繁殖的能力。微生物细胞膜的主要结构成分磷脂双分子层，分布在生物膜内外表面的是以磷酸基或磷酸胆碱剂为主的亲水性脂分子，分布在生物膜中心区域的疏水性尾部是有长链脂肪酸基基团构成。

脂分子中双链的数目以及不饱和脂肪酸链的长短会直接影响膜的生物活性。当病原微生物接近抗菌剂时，抗菌剂周围所产生超氧负离子和羟基自由基攻击病原微生物细胞膜，直接导致用于表征的蛋白质二级结构发生变化，如甘油基骨架取向、α-螺旋含量、极性区附近的羰基（C=O）的数量都会发生变化，碳氢链的不饱和度降低等［21］。脂分子结构改变直接影响了膜的生物活性，进而起到了抗菌的作用。生物膜蛋白的二级结构损伤是不可逆化学变化，受到损伤以后无法恢复原有的结构，因此具有这种光催化活性的抗菌剂也同样具有持久的抗菌效果。有研究表明，金属离子负载型抗菌剂中载银抗菌剂也具有这种抗菌机制；而光催化型抗菌剂中，TiO2则更是该抗菌作用的典型［22］，其光催化反应过程如图1所示。

图1　TiO2光催化反应机理示意图Fig.1 Photocatalytic reaction mechanism of TiO2

2.2机系抗菌剂

有机系抗菌剂主要是酯类、醇类、有机酸、酚等物质［23］；有机抗菌剂种类繁多，多达500余种，而常用的有机抗菌剂只有几十种，依据化学分子结构可以将有机抗菌剂分成20余大类，部分常用有机抗菌类别及主要产品见表3。

表3　有机抗菌剂类别及主要产品Table 3 Organic antibacterialagent category and main products

有机系抗菌抗菌剂抗菌机理主要是与病原微生物细胞膜表面的阴离子相结合或与巯基反应从而破坏蛋白质的结构或影响生物膜的合成，以此来抑制病原微生物的繁殖。目前来说，有机抗菌剂仍然占据这抗菌系列产品的主导地位，并广泛应用于污水处理、医疗环保、木材防腐、建材防锈等各领域。有机抗菌剂的作用优点是产品种类繁多、及时性好、杀菌力强；缺点是耐热性较差、毒性大，可使病原微生物产生耐药性。由于近年来天然产物抗菌剂研发力度加大以及无机抗菌剂的低毒、环境友好型优势，使得有机抗菌剂的研发处于停滞不前的状态，市场需求也有所下降。

一般被认可的有机抗菌剂的作用机制可归纳为以下3种：1.作用于生化反应所需的蛋白酶或其他生物活性物质；2.作用于遗传物质DNA或其他遗传微粒结构；3.作用于生物膜系统或细胞壁。

季铵盐类能够吸附带有负电荷的病原微生物，破坏微生物细胞壁机构，使内容物外泄。此外，季铵盐还具有抑制病原菌氧化酶、脱氢酶等作用。醇类有机抗菌剂杀菌机制是能够去除病原微生物膜中的脂类物质并使蛋白质变性，其中最常用的为乙醇，其体积分数为75%时杀菌力最强，当浓度过高时，能使病原微生物表面蛋白质发生迅速凝固，杀菌效果反而下降。氯已啶是常用的双胍类杀菌剂，低浓度时能够破坏细胞膜，使胞质内容物漏出，而高浓度可以使病原微生物体内蛋白质凝固。

双乙酸钠是一种光谱、高效的抗菌剂，尤其对黄曲霉素的抗性作用最为突出，当双乙酸钠穿透微生物细胞壁，进入微生物细胞，干扰细胞内酶的生物合成，可以高效抑制多种霉菌和细菌的分裂繁殖和蔓延。吡啶盐的功能基团能与与细菌之间产生静电相互作用，即生态捕捉作用［24］。喹诺酮渗透进入细菌细胞内，抑制保持DNA的超螺旋结构［25］的DNA旋转酶。苯并咪唑类，能够干扰病原微生物有丝分裂过程，主要是能够抑制纺锤体的形成，进而影响病原微生物细胞分裂过程。

有人认为可以用烷基化反应解释醛类杀菌活性，2个醛基的存在是其具有杀菌活性的必要条件［26］，二醛的杀菌活性与链长有关，链长增加，杀菌活性下降。戊二醛的杀菌机理属于例外［27］，通常被认为与病原微生物细胞内蛋白质相互交联作用，主要发生交联作用的有机成分是氨基与醛基反应，其他可以参与交联作用的活性基团有亚胺基、巯基等。戊二醛首先作用与外层细胞膜。导致细胞膜的通透性发生改变，细胞内环境中活性物质种类数量发生改变，而且还会破坏病原微生物酶系统，干扰阻碍DNA等遗传物质的化学合成以及转录翻译合成蛋白质的过程。

2.3然生物抗菌剂

天然生物抗菌剂，全部来源于自然界生物体，是通过提取、分离、纯化获的具有抑菌活性的生物活性物质，其资源极其丰富。近年来，随着人们环保意识的不断加强，对天然生物类物质的偏向喜好以及生天然产物研究能力的迅速提高，天然抗菌剂受到极大重视。一般根据天然生物抗菌剂来源，可以将其分为三类：植物源天然抗菌剂；动物源天然抗菌剂；微生物源天然抗菌剂［28］。

2.3.1物源天然抗菌剂

植物是生物有机活性化合物的天然宝库，植物体产生的次生代谢产物超过几十万种［28］，随着我国天然产物药物化学科研水平能力的提升以及对传统天然药物研究的不断深入，越来越多具有抗菌活性成分被发现。现有的研究结果表明，植物此生代谢产物中具有抗菌活性的物质分主要有萜类化合物及其衍生物、生物碱类、皂甙、甾体、木脂素、氨基酸、多糖抗菌肽等［29］。

植物源抗菌剂因为其种类繁多，结构多样化使其作用机制也趋于多样，但这些机制主要包括以下几种：破坏或者能够降解病原菌细胞壁；破坏细胞质膜以及膜蛋白质结构，使细胞内容物泄露；使细胞质发生凝聚；减弱质子运动力。但每一种作用机制并不都是独立进行，可能会相互作用相互影响，某一种机制的反应都可能受到另一种机制的反应物或产物的影响［30］。

2.3.2物源天然抗菌剂

动物源抗菌剂即来源于动物体的有效抗菌活性物质，主要包含有壳聚糖、氨基酸类、高分子糖类、天然肽类等，其来源也十分丰富。目前较为广泛研究应用的动物源抗菌剂是壳聚糖和天然肽类。但对于动物源抗菌剂的抗菌机制尚不完全，在壳聚糖的研究中，被人们广泛接受的以下两种机制：（1）天然壳聚糖分子中的阳离子型氨基带正电，可以吸附在微生物细胞表面，一方面能够形成一层致密高分子膜，从而阻止了营养物质进入细胞内；另一方面可使细胞壁和细胞膜上所带负电荷分布不均，破坏细胞壁溶解平衡，破坏细胞壁的合成，溶解细胞壁，以达到抑菌杀菌作用。（2）通过渗透作用进入病原菌细胞内，与细胞体内带有阴离子的物质吸附结合，扰乱细胞正常生理代谢活动，从而杀灭病原菌。

2.3.3生物源抗菌剂

微生物源抗菌剂主要是微生物来源的具有抗菌活性物质，包括某些微生物自身代谢产物以及拮抗性代谢产物。由于不同微生物代谢产物抗菌效力和抗菌谱的不同，致使微生物抗菌剂在实际应用中受到诸多限制。目前，真正广泛应用的微生物源生物制剂主要是抗生素。

微生物体本身也可用作抗菌剂，其抗菌作用机制有以下几种：（1）参与生存空间和营养的竞争，通过较强的生存繁殖能力，占据一定的生存空间，消耗一定量的氧气等方式消除或削弱生存在铜以生存环境中的其他病原微生物。（2）对病原菌进行直接作用。（3）诱导微生物寄主产生防御反应或者直接寄生于病原微生物而抑制病原菌。（4）自身分泌抗菌类物质，抑制病原菌细胞壁合成，改变病原菌胞浆膜的通透性，抑制病原菌合成蛋白质，并干扰叶酸的代谢。

3　展望

近年来抗菌剂的研发应用在国内外均具有良好的发展前景，人们对抗菌剂的需求量也急剧增长，抗菌产品应用也不断向各个领域延伸。在当前关注健康、超级致病菌的出现以及政府倡导可持续发展的大背景下，抗菌剂及抗菌产品产业在我国环保、医疗等各大领域必会大有作为，大量文献表明，复配型抗菌剂均表现出优于单一组分的综合抗菌活性，是现代抗菌剂的一个方向，通过复配可以增强抗菌剂的广谱性，且容易在较低浓度就能够获得更好的抗菌性能。

但考虑到抗菌材料对人体的安全性要求以及对环境的友好性等因素，合成合成及时性好、高效、无毒或低毒、长效、无副作用、价格低廉的抗菌剂是研究者的目标。另外，为了进一步加强抗菌剂的有效性，应该加强研究各种抗菌剂抑菌和机理的研究，以便能更好的指导抗菌剂的生产应用。同时应该加强研制特异性较强的抗菌剂，针对某类病原菌有极强的杀灭能力但对有益微生物无影响，以便于在特定的环境中使用。

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Research on antimicrobial agents and their meachanism of actions

MA Chao1，2，WU Ying1，2*
（1.Key Laboratory ofBiologicalResource Protection and Utilization ofTarim Basin，Xinjiang Production&Construction Group，Alaer843300，China；2.College ofLife Science，Tarim University，Alaer843300，China）

A simple classification of theexisting antim icrobialagentswas carried out，and the antim icrobialagentsmainly including naturalantimicrobial agents，organic antim icrobial agents and inorganic antim icrobial agents.The species，characteristics and antibacterialmechanism of the three kindsofantimicrobialagentswas stated，the problemsof different typesof antimicrobialagentswere pointed out，and the future developmentdirection ofantimicrobialagentswasexpected aswell.

antim icrobialagents；antibacterialmechanism；inorganic antimicrobialagents；organic antimicrobialagents

TQ455

0254-5071（2016）01-0005-05

10．11882/j．issn．0254-5071．2016．01．002

2015-11-16

新疆维吾尔自治区研究生科研创新项目（XJGRI2014138）；有机无机复合材料国家重点实验室项目（201501008）

马超（1990-），男，硕士研究生，主要从事抗菌纳米材料相关研究工作。

吴瑛（1968-），女，教授，本科，主要从事无机及分析化学的研究工作。