基于泥炭藓/硅藻土复合调湿材料的抑霉菌改性研究*

2022-01-14胡明玉胡裕倩

功能材料 2021年12期

胡明玉，鄢升，胡裕倩

(南昌大学建筑工程学院，江西省超低能耗建筑重点试验室，南昌 330031)

0 引言

随着社会发展和生活水平提高，人民对室内空气环境的要求也在提高。室内空气环境包括室内热湿环境和室内空气质量[1]。在我国南方湿热气候地区，较高的室内相对湿度不仅使居住者不舒适，室内还容易滋生霉菌等微生物。室内霉菌不仅影响美观、墙体的耐久性，霉菌孢子还会在空气中飘荡影响室内空气质量，引发居住者哮喘、鼻炎、肺炎等严重呼吸系统疾病[1-2],因此，室内空气环境对居住者健康关系重大。常见调节室内湿度的方法是使用新风系统、空调等设备，需消耗大量能源。调湿材料能通过自身吸放湿特性实现对室内空气湿度的自动调节，近年来受到广大研究者的重视。但在南方湿热地区，由于吸湿可能使调湿材料较长时间处于高湿状态，这又为霉菌提供良好的滋生环境。因此，研发抑霉菌调湿材料对室内空气环境和建筑节能意义重大。

目前对抑霉菌调湿材料研究较少。王红英等[3]对泥炭藓/硅藻土复合调湿材料及其各组成对室内主要霉菌(桔青霉、黄曲霉和黑曲霉)的抑制作用及其机理进行了研究。研究表明该调湿材料对桔青霉和黑曲霉具有良好的抑制作用，但对黄曲霉菌抑制作用不够明显。黄曲霉具有很强的毒性，被认为有致癌性、致突变、致畸性及会抑制免疫力，并引起肝部损伤[4]。黄曲霉也是一种过敏原，可导致过敏性支气管肺曲霉病[5]。由于黄曲霉菌的抑制难度大，且对人体的危害也大，故抑制室内黄曲霉菌的萌发对保证居住者健康至关重要。

自1995年Sawei[6]等人研究发现MgO粉体在和金黄色葡萄球菌和大肠杆菌接触时表现出很强的抑菌性，它的抑菌性已受到广泛关注。胡裕龙[7]等采用液相沉淀法合成纳米MgO粉体，试验发现其能产生明显的抑菌圈，4 h内对金葡萄球菌的杀菌率达89.23%。Zhu[8]等通过湿化学法和溶胶凝胶法将Ag颗粒负载于MgO粉体表面，制备不同掺杂量的Ag-MgO纳米复合材料，其比MgO对大肠杆菌有更好地抑制作用。Kudzin[9]等用碘化钾对非织造布进行改性后，对黑曲霉有较好抑制作用。Jacumazo[10]等制备含丁香酚的十二烷基硫酸钠-多糖胶囊对木霉属、黑曲霉和白色念珠菌都有较好抑制作用。张小华[11]等制备异噻唑啉酮型微胶囊对加脂坯革上的霉菌有显著防治效果。卢鸿[12]等自配新型防霉剂BIT可以用于处理墙体霉变。卢君[13]等将纳米TiO2、纳米ZnO加入基础涂料中制成抗菌防霉涂料，对黄曲霉、黑曲霉等混合霉菌有较好抑制作用。周振宇[14]用改性后的纳米ZnO配制的调湿涂料对金黄葡萄球菌、大肠杆菌和黑曲霉有良好抑制作用。总体上，目前的研究多采用有机和无机抑菌剂作为添加剂来抑菌，抑菌研究主要针对医疗、食品，用于建筑领域抑制霉菌的研究较少，且MgO的抑霉菌机理也需要进一步研究。有机抗菌剂制作过程复杂、易产生耐药性且分解产物有毒，而抑霉菌调湿材料用于室内，要求其无毒无害并具有优异的抑菌性、较好的调湿性、较高的强度等综合性能。

本研究在团队前期研究[3,15]基础上，探究调湿材料对室内另外两种主要霉菌(宛氏拟青霉和出芽短梗霉)的抑菌性，并通过复合MgO或纳米MgO改善调湿材料对黄曲霉的抑制作用。通过活性氧自由基分析、菌丝核酸渗漏分析、菌丝TEM分析和孢子ESEM、EDS分析探究抑霉菌机理。并可对抑霉菌调湿材料的研究提供试验和理论基础。

1 实验

1.1 原材料

主要原材料有泥炭藓、硅藻土、钒铁渣、MgO和纳米MgO。泥炭藓购于市场，使用前烘干并磨至0.1 mm左右。硅藻土取自江西省广昌县，主要为圆盘藻，粒径8～12 μm，使用前将其烘干并磨至200目左右。钒铁渣取自江西省新余市某钢铁厂，呈白灰色粉末状，由XRD分析可知其主要矿物组成为γ-C2S、少量α-C2S和MgO(见图1)。MgO和纳米MgO(粒径20 nm)购于天津市化学试剂厂。

图1 钒铁渣的XRD图谱

1.2 培养基及其它材料

试验所用培养基有察氏培养基、改良察氏培养基(不含琼脂的察氏培养基)和马铃薯-蔗糖培养基(PDA培养基)。此外，还需吐温80、无菌水、酸碱缓冲液(0.5 mol/L HCL、NaOH)等化学试剂、Φ90 mm培养皿、接种环、滤纸等。除化学试剂外，各试验物品使用前均放入灭菌锅中在121 ℃、(0.10～0.11)MPa条件下灭菌30 min。

1.3 菌种选择及菌悬液配备

1.3.1 菌种选择

根据文献[16]得到的室内常见优势菌种种类及Klaus[17]提出的菌种危险等级，结合本团队前期研究基础，本试验选取室内常见优势菌种宛氏拟青霉(Paecilomyces varioti)、出芽短梗霉(Aureobasidium pullulans)和黄曲霉(Aspergillus flavus)作为试验菌种，菌种均购于广东省微生物菌种保藏中心。

1.3.2 菌悬液配备

将无菌水倒入斜面菌种中，用无菌接种环轻刮菌种表面以洗出孢子，并用滤纸过滤去除菌丝碎片、琼脂块和孢子团。所得孢子悬液以4 000 r/min速度离心10 min，去掉上层清液，用30 mL无菌水冲洗悬浮物，再离心。用此方法清洗孢子3次，制得孢子浓度为8×105～1.2×106cfu/mL的孢子悬液。

1.4 抑菌性试验

1.4.1 察氏培养基抑霉菌试验

以前期研究[15]为基础，确定调湿材料质量配比为m(硅藻土)∶m(钒铁渣)∶m(泥炭藓)=75∶25∶15。为确定调湿材料及其组成对霉菌的作用，分别将调湿材料、硅藻土、钒铁渣、泥炭藓、MgO、纳米MgO以1.15∶100 g/mL、0.75∶100 g/mL、0.25∶100 g/mL、0.15∶100 g/mL、0.25∶100 g/mL、0.25∶100 g/mL的固液比掺入察氏培养基溶液中。灭菌后分别向培养皿中倒入30 mL掺有不同材料的培养基。每种材料做3个平行试验，对照组为不加任何抑菌物质的察氏培养基。待培养基凝固后，用移液枪分别在每个培养皿中接种1 mL宛氏拟青霉、出芽短梗霉和黄曲霉孢子悬液，并用涂抹棒涂抹均匀，晾干后用封口膜封好，放入霉菌培养箱中在28 ℃、相对湿度90%条件下培养28 d。每天观察一次，并记录孢子萌发状态，采用霉菌孢子萌发时间T(d)评价抑菌效果。

1.4.2 抑制菌丝生长试验

首先制备PDA培养基，再将400 mL PDA培养基平均分装于4个锥形瓶中，之后将调湿材料、钒铁渣、纳米MgO分别加入到各个锥形瓶中，使试验组最后浓度为0.06∶100 g/mL，对照组为不加任何抑菌物质的PDA培养基。培养基倒入培养皿冷却凝固后，取宛氏拟青霉、出芽短梗霉和黄曲霉孢子悬液2 μL分别接至各培养皿中央，每组做3个平行。水平放置10 min后贴上封口膜，转移至霉菌培养箱中在28 ℃、相对湿度90%条件下倒置培养。每隔24 h用十字交叉法测量各霉菌菌落生长直径，并记录菌丝萌发情况。

1.5 抑霉菌机理研究

2 结果与分析

2.1 抑菌性

2.1.1 察氏培养基抑霉菌

按上述方法进行察氏培养基试验。含有调湿材料、硅藻土、钒铁渣、泥炭藓、MgO、纳米MgO的培养基上不同霉菌萌发时间见图2。由图2可见，对照组、泥炭藓和硅藻土组的宛氏拟青霉和出芽短梗霉的萌发时间均为1 d，黄曲霉的萌发时间均为2 d，说明泥炭藓和硅藻土对3种霉菌均无抑制作用。调湿材料组的宛氏拟青霉、出芽短梗霉、黄曲霉萌发时间分别为21、2和5 d，它比泥炭藓和硅藻土的抑菌性好；钒铁渣组的萌发时间分别为25、28和6 d，即其霉菌萌发时间比调湿材料组更长，抑菌性更好。3种霉菌中黄曲霉菌的抑制难度最大。由于调湿材料的组成有硅藻土、钒铁渣和泥炭藓，因此从各组霉菌萌发时间可初步推断调湿材料中起主要抑菌作用的组分为钒铁渣。MgO和纳米MgO组的宛氏拟青霉、出芽短梗霉萌发时间都超过28 d，黄曲霉萌发时间分别为8、12 d，均超过调湿材料组和钒铁渣组的萌发时间，抑菌性比钒铁渣更好。由以上试验分析可知钒铁渣具有较好的抑菌性，而MgO和纳米MgO的抑菌性比钒铁渣更好。钒铁渣的主要组成为γ-C2S、少量α-C2S和MgO，由此可以推断钒铁渣的抑菌性应源于其中的MgO。由于钒铁渣中MgO含量只有7%左右，故其抑菌性比纯MgO弱。粒径为20 nm的纳米MgO比普通MgO对霉菌的抑制时间更长，应该是纳米效应的作用。

图2 调湿材料及其各组成、MgO和纳米MgO培养基上不同霉菌萌发时间

2.1.2 抑制菌丝生长

本试验研究菌丝生长阶段调湿材料及其组成对霉菌的抑制作用。各组霉菌菌落生长直径随时间的变化如图3。由图3可知，钒铁渣和纳米MgO对宛氏拟青霉菌丝的抑制效果最好，至第4 d无菌丝产生；对出芽短梗霉菌丝的抑制稍差，钒铁渣和纳米MgO组分别在1和2 d后菌丝开始缓慢生长，至第4 d菌落直径分别为1.6和0.7 m，而对照组的菌落直径达到2.2 m；3种霉菌中黄曲霉菌的抑制难度最大，钒铁渣和纳米MgO组在1 d后菌丝均开始缓慢生长，至第4 d钒铁渣和纳米MgO组黄曲霉菌菌落直径分别为对照组的70%和49%，说明纳米MgO对黄曲霉菌菌丝生长的抑制作用比钒铁渣更强。图4为培养4 d时各组宛氏拟青霉、出芽短梗霉和黄曲霉菌丝生长情况。可以看出，对于宛氏拟青霉，培养至第4 d钒铁渣和纳米MgO组均未萌发菌丝。对照组和调湿材料组均有菌落生长，菌丝向外扩展，菌落中心产生孢子，但调湿材料组的菌丝和孢子数量明显比对照组小，说明调湿材料对菌丝生长存在一定的抑制作用。对于出芽短梗霉，各组均出现菌落，菌落大小及孢子数量为对照组>调湿材料组>钒铁渣组>纳米MgO组，说明纳米MgO对出芽短梗霉菌丝的抑制作用最好。对于黄曲霉，对照组比调湿材料组菌落直径更大，且中心产生的孢子量也更多；而钒铁渣组和纳米MgO组菌落扩展面积较小，也没有产生孢子，说明钒铁渣和纳米MgO对黄曲霉菌丝均具有抑制作用，且纳米MgO的抑制作用好于钒铁渣。

图3 菌落生长直径随时间的变化(图中D、H、F、N分别代表对照、调湿材料、钒铁渣和纳米MgO)

图4 各组菌丝培养4 d后的生长情况

综上可得，调湿材料、钒铁渣和纳米MgO对3种霉菌都具有不同程度的抑制作用，其抑制规律为：纳米MgO>钒铁渣>调湿材料；3种霉菌中，宛氏拟青霉菌丝的生长最容易被抑制，而黄曲霉最难被抑制。即便如此，纳米MgO对黄曲霉仍有更好的抑制作用。

2.1.3 抑黄曲霉菌

为验证调湿材料复合MgO后对黄曲霉的抑制改进作用，设计了对比试验。将1 g调湿材料分别复合0.1、0.3、0.5和0.7 g MgO，其编号依次为a、b、c、d。对照组1(D1)为察氏培养基，对照组2(D2)为未复合MgO的调湿材料。将制备好的黄曲霉菌悬液接种于各组培养皿中，每个培养皿接种1 mL，待稍干后贴上封口膜，放入霉菌培养箱中以28 ℃、90%的相对湿度培养28 d，每天进行观察。采用霉菌孢子萌发时间T(d)评价抑菌效果。

图5为各组霉菌孢子的萌发时间。由图5可知，对照组察氏培养基D1和未复合MgO的原调湿材料D2黄曲霉孢子的萌发时间分别为1和5 d，a、b组的萌发时间分别为6和26 d，而c、d组28 d均未萌发黄曲霉孢子。由此可知，调湿材料对黄曲霉菌有一定抑制作用，而复合MgO后调湿材料的抑制黄曲霉菌作用大大增强，复合0.3 g及以上MgO后调湿材料对黄曲霉即具有很好的抑制作用。

图5 各组霉菌孢子的萌发时间

2.2 抑霉菌机理研究

图6 经显色处理的上清液和吸收曲线(a)各组的显色反应情况(b)各组在不同波长下的吸光值

图7 各霉菌溶液中核酸OD260随时间的变化

为进一步证明钒铁渣和MgO对霉菌孢子萌发的抑制作用，采用ESEM观察经钒铁渣处理前后宛氏拟青霉孢子的形态变化，见图8。由图8可以看出，对照组孢子表面光滑，圆润饱满，形态完整。而经钒铁渣处理后的孢子表面形态发生异变，大部分孢子表面出现褶皱凹陷，有的还出现破损，说明钒铁渣破坏了宛氏拟青霉孢子的细胞壁、细胞膜，导致细胞失活，从而达到抑菌效果。

图8 宛氏拟青霉孢子的ESEM图

经钒铁渣处理前后宛式拟青霉孢子EDS分析见图9。对比图9(a)与(b)可知，试验组比对照组增加了P和S元素。真菌细胞壁主要成分是由C、H、O等元素组成的几丁质、纤维素、葡聚糖等多糖。对照组中能检测到细胞表层的C、H、O以及在渗透压作用下正常进出细胞的K+等元素，因此细胞结构完整无损伤。试验组中出现了P、S元素，由于细胞膜主要由磷脂和蛋白质组成，可能因为经钒铁渣处理后，霉菌孢子的细胞壁被破坏导致含P细胞膜外露，故可推断霉菌孢子细胞壁被破坏。