模拟高盐条件下Ag/Al2O3消毒性能研究

张建平，陈双红，任小孟，周宏元

微生物是舰艇舱室主要的生物污染因子，微生物达到一定临界水平可造成人员感染及过敏，损害健康，部分微生物对武器装备及精密仪器可造成腐蚀性破坏，微生物分解代谢的有毒、有害及异味气体可对环境造成二次污染，影响人员健康和设备安全［1-2］。目前舰艇舱室表面微生物消除手段配置有限，航行期间部分舱室表面、仪器仪表缝隙等部位易霉变且难以清除，部队反映强烈。

新型金属元素消毒剂具有耐热性好、抗菌谱广、抗菌有效期长、毒性低、不挥发、不产生耐药性等优点［3］，有望应用于密闭舱室微生物表面消毒领域。金属元素消毒剂由载体和抗菌成分组成，即无机化合物中含有抗菌性金属离子，抗菌成分为银离子、锌离子、铜离子等。与其他金属离子相比，银离子对细菌的杀菌作用较强、应用较多。银作为一种广谱性抗菌材料已经应用于空间站等密闭环境，银和钌组成表面涂层已通过国际空间站的使用测试。2021 年我国在空间站开展了使用银离子进行尿液回收转化为再生饮用水的测试［4-5］。本研究选取Ag/Al2O3微球抗菌材料、Al2O3微球，采用悬液定量杀菌实验，以海水缓冲液模拟高盐测试条件、PBS 缓冲液为正常实验对照条件，进行Ag/Al2O3杀菌效率测试和杀菌效率重复性测试，在不同的时间点分别计算杀菌效率，为海军舰（潜）艇舱室内仪器设备及舱壁表面材料的选择提供实验基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料

Ag/Al2O3微球（直径2 mm，堆密度0.59 kg/L，含水率约4.55%，吸水率约80%，Ag 质量为微球总质量的3%。微球内部是具有晶格间隙的Al2O3载体，纳米Ag 均匀分布在Al2O3载体表面）；Al2O3微球（直径2 mm，堆密度0.57 kg/L，含水率约4.55%，吸水率约 80%）；金黄色葡萄球菌标准菌株（ATCC25923）；大肠杆菌标准菌株（ATCC25922）；PBS 缓冲液；海水（取自我国东海海域，盐度3 500 mg/L）。

1.2 实验方法

1.2.1 杀菌率实验 参照《消毒技术规范》（2002年版）操作要求进行悬液定量杀菌试验［6］，金黄色葡萄球菌、大肠杆菌传代至3～4 代备用，初始使用浓度107～108cfu/ml。设置不同缓冲液的实验组：分别为Ag/Al2O3微球加入缓冲液（海水）组和Ag/Al2O3微球加入缓冲液（PBS）组；同步设置不同缓冲液的对照组，分别为Al2O3微球加入缓冲液（海水）组和Al2O3微球加入缓冲液（PBS）组。3 g 微球加入含有40 ml 缓冲液的三角烧瓶中，取4 ml 初始菌液加入各测试组，放置在温度37 ℃、转速100 r/min 摇床上振荡。分别于0、1.5 h 取1 ml 培养混合物10 倍比稀释，平板倾注法计数，每次3 个平行样本，计数取平均值计算杀菌效率。每组实验重复3 次。

1.2.2 杀菌率重复性实验 Ag/Al2O3微球、Al2O3微球杀菌测试后，蒸馏水浸泡48 h，洗涤10 次后，自然晾干，测试其重复性杀菌效率，实验方法同1.2.1杀菌率实验。

1.2.3 Al2O3微球X 射线衍射分析（XRD）用研钵将3 g Al2O3微球研磨成约320 目的粉末，压片后装填，进行衍射分析。

1.2.4 Ag/Al2O3微球表征分析 Ag/Al2O3微球进行扫描电子显微镜（SEM）分析，将Ag/Al2O3微球放入临界点干燥仪内进行干燥。干燥后将微球紧贴于导电碳膜双面胶，放入粒子溅射仪样品台，喷金30 s，进行样本导电处理，在镜下观察采集图像。

1.3 杀菌率计算

杀菌效率计算公式如下：

ST为微生物杀灭率（%）；BCO为对照组细菌总数；BT为实验组细菌总数。

1.4 统计学处理

应用SPSS 25.0 软件进行数据分析处理，计量数据以±s表示，各测试组杀菌效率数据的组间比较采用成对样本t检验。P＜0.05 表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 海水缓冲液对Ag/Al2O3微球杀菌率影响

Ag/Al2O3抗菌微球1.5h 对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌杀菌效率均＞99.99%，海水缓冲液相对于PBS 缓冲液对Ag/Al2O3抗菌微球的杀菌效率差异无统计学意义（P＞0.05）。见图1、表1。

图1 杀菌率实验图

2.2 海水缓冲液对Ag/Al2O3 微球杀菌率重复性影响

经杀菌效率重复性测试，Ag/Al2O3抗菌微球1.5 h 对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌杀菌效率均＞99.9%，海水缓冲液相对于PBS 缓冲液对Ag/Al2O3抗菌微球的杀菌效率差异无统计学意义（P＞0.05）。见表2。

表2 Ag/Al2O3微球1.5 h 杀菌率重复性测试结果

2.3 Al2O3微球晶型结构分析

Al2O3晶型结构主要包括α、β、γ、δ、η、θ、κ、ρ、χ9 种类型［7-8］，常用的Al2O3主要以α、γ、θ 晶型为主。本研究对Al2O3微球进行XRD 分析，获得晶体结构参数，分析得出Al2O3微球晶型为γ-Al2O3。见图2。

图2 Al2O3微球X 射线衍射分析图

2.4 海水缓冲液对Ag/Al2O3微球形貌结构的影响

Ag/Al2O3抗菌微球表面SEM 图显示，杀菌试验前，Ag 在微球外层均匀分布，未出现结晶；杀菌试验后，微球形貌结构稳定，经蒸馏水浸泡、洗涤、自然晾干后，微球形貌结构未出现明显差异。见图3。

图3 Ag/Al2O3抗菌微球的扫描电子显微镜图像

3 讨论

海军舰艇舱室密闭或半密闭，常见的消毒方式存在使用局限性。化学消毒剂多具有刺激性气味，存在蓄积毒性或二次污染，不适合密闭环境常态化应用。紫外线消毒方式要在无人情况下使用，一般单次工作时间不少于半小时，消毒过程中产生的臭氧具有刺激性气味，不适用于一直有人工作的舰艇舱室环境［1］。

Ag/Al2O3抗菌材料直径约2 mm，以Ag 为负载元素，以具有晶格间隙的γ-Al2O3为负载基底。Ag质量为微球总质量的3%，Ag 在γ-Al2O3晶格间隙中均匀分布。Ag/Al2O3的活性、杀菌性及稳定性不仅取决于表面负载的Ag 的特征，又和Al2O3载体的孔结构有关。Al2O3的孔结构对Ag/Al2O3的杀菌性能有重要影响。本研究筛选的Al2O3是γ 晶型，在γ-Al2O3中，只有211/3个铝原子分布在晶胞空隙中，还有22/3个空位［9-10］，氧原子组成的晶格间隙没有被金属原子完全填满，在其中加入Ag，使Ag 结合得更牢固。γ-Al2O3是一种多孔物质，具有较大的表面积，活性高，吸附能力强，Ag 均匀分布在Al2O3表面，可以显著提高其杀菌性能。

本研究针对舰艇高盐环境，筛选适用于海上载人环境的表面消毒Ag/Al2O3抗菌新材料。Ag/Al2O3抗菌材料在模拟高盐条件下，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有较强的杀菌效果，1.5 h 作用后对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌杀菌效率均＞99.99%，经重复性测试，1.5 h 作用后对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌杀菌效率均＞99.9%。海水缓冲液相对于PBS 缓冲液对Ag/Al2O3抗菌微球的杀菌效率差异无统计学意义，且Ag/Al2O3形貌结构稳定，试验前后未出现明显剥脱。Ag/Al2O3抗菌材料在舰艇表面微生物防控领域具有良好的应用前景。

本研究对Ag/Al2O3抗菌新材料在舰艇表面微生物防控领域的应用进行了探索性试验，为进一步解决密闭舱室表面微生物污染控制问题，改善官兵工作居住的舱室环境，维护舰员健康和舰艇战斗力提供了实验基础。