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生物膜对消毒剂效果影响及表面活性剂的应用

来源:     阅读次数:5     发布时间:2022-08-15

细菌生物膜(bacterial biofilm,BF)是由细菌及其细菌自身分泌的胞外多聚物基质(extracellular polymeric substance,EPS)所组成,其主要成分为多糖蛋白复合物,并不可逆黏附于载体界面,所形成的生物膜能够增强细菌对环境的抵抗力和对消毒剂的抗性,包裹在生物膜中的细菌较浮游菌更能耐受消毒剂的作用,生物膜内的微生物的抵抗力较浮游菌强1000倍。细菌生物膜广泛存在于重复使用的医疗器械、水道水线、食品和化工行业中,生物膜的污染日趋严重。


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图1 扫描电镜下金黄色葡萄球菌生物膜形态结构(左:×1000,右:×10000)


一、生物膜的形成对消毒剂效果的干扰

1、形成生物膜能增强抵抗性

研究发现,生物膜强弱与抗性高低呈正相关,形成生物膜能显著提高微生物的消毒剂抗性。首先,生物膜的胞外多糖和蛋白质等聚合基质结构可形成阻力,延迟消毒剂等物质对生物膜基质的渗透。与游离细菌相比,生物膜降低了消毒剂对黏附在载体上的大肠杆菌的直接接触,对消毒剂的敏感性降至游离细菌1%~4%,从而增强其对消毒剂的抗性。含氯消毒剂常用于水质处理,嗜酸杆菌、沙单胞菌和假单胞菌等耐氯细菌能通过建立稳定的生物膜抵抗氯气的侵袭,导致含氯消毒剂处理的消毒效果降低。另研究表明,形成强生物膜有助于菌株增加对氯化双癸基二甲基铵(DDAC)的抗性。


2、生物膜内细菌降低代谢水平

有些微生物可通过降低生物膜内细胞生长速度的策略来抵抗消毒剂的作用。生物膜内细菌的生长速度明显慢于游离微生物,这种较低的代谢水平使一些消毒剂难以发挥作用。Legner等利用恒化器模型测定生物膜生长速率,发现生物膜的形成越强,微生物生长速度越慢,消毒剂的吸收率与灭活率也越低。另一项研究也发现,大肠杆菌细胞在生物膜中生长缓慢,同时表现出对头孢三胺的高抗性。


3、生物膜能与消毒剂相互作用

一些研究发现,某些种类的病原性微生物能耐受一定剂量的消毒剂而存活,且传染性和致病性提高,可能是长期低水平的消毒处理与微生物的生物膜产生协同效应。一方面,生物膜的细胞和胞外聚合物是一个复杂而紧凑的多层结构,一系列物理化学作用会引发运输限制,使消毒剂很难穿透并到达内层,进而影响消毒功效;而另一方面,生物膜的结构成分可以与一些消毒剂发生反应或催化氧化还原过程,使消毒剂部分消耗,一些氧化类消毒剂的功效会受多糖、蛋白质和核酸等生物膜基质成分影响而降低杀菌效果。


综上所述,生物膜的形成能显著降低消毒剂的使用效果,其会使得消毒剂对细菌作用时扩散受阻,防止其渗透,能与消毒剂发生相互作用,阻碍消毒剂与细菌的直接接触,此外,生物膜内的细菌代谢水平也会发生变化。


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图2 微生物对消毒剂抗性机理


二、表面活性剂对抗生物膜干扰的应用

表面活性剂是一种两性化合物,既有亲水基团,又有疏水基团,能降低物质的表面张力,具有乳化、发泡、清洁、增效杀菌、表面改性等多种功能。研究发现,表面活性剂带有电荷,可以与带有负电荷的生物膜相互作用,会影响生物膜结构的稳定以及功能的发挥,从而抑制生物膜的形成、瓦解剥离生物膜。因此,表面活性剂可以添加到消毒剂中,起到去除生物膜、增效杀菌、改变消毒剂作用方式的功能。


1、两性离子表面活性剂

两性离子表面活性剂的分子中既含有正电荷,也有负电荷,分为氨基酸型、甜菜型、咪唑啉型三类。柠檬酸两性离子表面活性剂(Citric Acid Zwitterionic surfactant,CAZS)是两性离子表面活性剂中的一种,它能与生物膜EPS中的钙离子桥作用,降低生物膜结构的稳定性,使其生物膜大小和厚度都显著降低,与消毒剂协同作用,促进消毒剂成分渗透进生物膜内有效杀灭细菌。


2、非离子型表面活性剂

非离子型表面活性剂是在水溶液中不产生离子的表面活性剂,按其亲水基团可分为聚氧乙烯型和多元醇型两类。非离子型表面活性剂具有很强的抗细菌黏附作用,它的疏水基团能产生很大的排斥作用和反渗透压。研究发现,非离子型表面活性剂的疏水基团能防止生物膜形成过程中高聚物的聚合和细菌间的黏附,降低EPS中的多糖含量和蛋白质含量,使得生物膜成分发生变化,从而影响生物膜的稳定。


3、阳离子表面活性剂

阳离子表面活性剂是带有一个及以上正电荷的表面活性剂,溶于水后会电离出阳离子,会与溶液中带有负电荷的物质结合。一般可分为:胺盐、季铵盐和杂环型,常用的季铵盐类阳离子表面活性剂具有广谱的杀菌作用,应用广泛。阳离子表面活性剂因其带有正电荷,能与带有负电荷的生物膜相互作用,使蛋白质变性,使蛋白通道受阻,影响生物膜形成。十六烷基三甲基溴化铵能与细菌生物膜基质中的蛋白质和脂质相互作用,进而渗透进生物膜内溶解细菌细胞壁,导致细菌死亡。


4、阴离子表面活性剂

阴离子表面活性剂是指在水中电解后能产生负电荷的表面活性剂,从结构可以分为磺酸盐、羧酸盐、磷酸酯盐和硫酸酯盐四大类。阴离子表面活性剂因与生物膜都带有负电荷,能直接穿透生物膜,造成细菌裂解,具有较强杀菌作用,对消毒剂有协同增效的作用。研究发现,当高浓度十二烷基硫酸钠(SDS)作用于放线杆菌生物膜时,SDS能影响生物膜中蛋白质的折叠结构,使其变性从而使生物膜分离。



图3 表面活性剂

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