基于泥炭蘚/硅藻土復(fù)合調(diào)濕材料的抑霉菌改性研究*

胡明玉，鄢 升，胡裕倩

(南昌大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江西省超低能耗建筑重點試驗室，南昌 330031)

0 引 言

隨著社會發(fā)展和生活水平提高，人民對室內(nèi)空氣環(huán)境的要求也在提高。室內(nèi)空氣環(huán)境包括室內(nèi)熱濕環(huán)境和室內(nèi)空氣質(zhì)量[1]。在我國南方濕熱氣候地區(qū)，較高的室內(nèi)相對濕度不僅使居住者不舒適，室內(nèi)還容易滋生霉菌等微生物。室內(nèi)霉菌不僅影響美觀、墻體的耐久性，霉菌孢子還會在空氣中飄蕩影響室內(nèi)空氣質(zhì)量，引發(fā)居住者哮喘、鼻炎、肺炎等嚴重呼吸系統(tǒng)疾病[1-2],因此，室內(nèi)空氣環(huán)境對居住者健康關(guān)系重大。常見調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度的方法是使用新風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)等設(shè)備，需消耗大量能源。調(diào)濕材料能通過自身吸放濕特性實現(xiàn)對室內(nèi)空氣濕度的自動調(diào)節(jié)，近年來受到廣大研究者的重視。但在南方濕熱地區(qū)，由于吸濕可能使調(diào)濕材料較長時間處于高濕狀態(tài)，這又為霉菌提供良好的滋生環(huán)境。因此，研發(fā)抑霉菌調(diào)濕材料對室內(nèi)空氣環(huán)境和建筑節(jié)能意義重大。

目前對抑霉菌調(diào)濕材料研究較少。王紅英等[3]對泥炭蘚/硅藻土復(fù)合調(diào)濕材料及其各組成對室內(nèi)主要霉菌(桔青霉、黃曲霉和黑曲霉)的抑制作用及其機理進行了研究。研究表明該調(diào)濕材料對桔青霉和黑曲霉具有良好的抑制作用，但對黃曲霉菌抑制作用不夠明顯。黃曲霉具有很強的毒性，被認為有致癌性、致突變、致畸性及會抑制免疫力，并引起肝部損傷[4]。黃曲霉也是一種過敏原，可導(dǎo)致過敏性支氣管肺曲霉病[5]。由于黃曲霉菌的抑制難度大，且對人體的危害也大，故抑制室內(nèi)黃曲霉菌的萌發(fā)對保證居住者健康至關(guān)重要。

自1995年Sawei[6]等人研究發(fā)現(xiàn)MgO粉體在和金黃色葡萄球菌和大腸桿菌接觸時表現(xiàn)出很強的抑菌性，它的抑菌性已受到廣泛關(guān)注。胡裕龍[7]等采用液相沉淀法合成納米MgO粉體，試驗發(fā)現(xiàn)其能產(chǎn)生明顯的抑菌圈，4 h內(nèi)對金葡萄球菌的殺菌率達89.23%。Zhu[8]等通過濕化學(xué)法和溶膠凝膠法將Ag顆粒負載于MgO粉體表面，制備不同摻雜量的Ag-MgO納米復(fù)合材料，其比MgO對大腸桿菌有更好地抑制作用。Kudzin[9]等用碘化鉀對非織造布進行改性后，對黑曲霉有較好抑制作用。Jacumazo[10]等制備含丁香酚的十二烷基硫酸鈉-多糖膠囊對木霉屬、黑曲霉和白色念珠菌都有較好抑制作用。張小華[11]等制備異噻唑啉酮型微膠囊對加脂坯革上的霉菌有顯著防治效果。盧鴻[12]等自配新型防霉劑BIT可以用于處理墻體霉變。盧君[13]等將納米TiO2、納米ZnO加入基礎(chǔ)涂料中制成抗菌防霉涂料，對黃曲霉、黑曲霉等混合霉菌有較好抑制作用。周振宇[14]用改性后的納米ZnO配制的調(diào)濕涂料對金黃葡萄球菌、大腸桿菌和黑曲霉有良好抑制作用?？傮w上，目前的研究多采用有機和無機抑菌劑作為添加劑來抑菌，抑菌研究主要針對醫(yī)療、食品，用于建筑領(lǐng)域抑制霉菌的研究較少，且MgO的抑霉菌機理也需要進一步研究。有機抗菌劑制作過程復(fù)雜、易產(chǎn)生耐藥性且分解產(chǎn)物有毒，而抑霉菌調(diào)濕材料用于室內(nèi)，要求其無毒無害并具有優(yōu)異的抑菌性、較好的調(diào)濕性、較高的強度等綜合性能。

本研究在團隊前期研究[3,15]基礎(chǔ)上，探究調(diào)濕材料對室內(nèi)另外兩種主要霉菌(宛氏擬青霉和出芽短梗霉)的抑菌性，并通過復(fù)合MgO或納米MgO改善調(diào)濕材料對黃曲霉的抑制作用。通過活性氧自由基分析、菌絲核酸滲漏分析、菌絲TEM分析和孢子ESEM、EDS分析探究抑霉菌機理。并可對抑霉菌調(diào)濕材料的研究提供試驗和理論基礎(chǔ)。

1 實 驗

1.1 原材料

主要原材料有泥炭蘚、硅藻土、釩鐵渣、MgO和納米MgO。泥炭蘚購于市場，使用前烘干并磨至0.1 mm左右。硅藻土取自江西省廣昌縣，主要為圓盤藻，粒徑8～12 μm，使用前將其烘干并磨至200目左右。釩鐵渣取自江西省新余市某鋼鐵廠，呈白灰色粉末狀，由XRD分析可知其主要礦物組成為γ-C2S、少量α-C2S和MgO(見圖1)。MgO和納米MgO(粒徑20 nm)購于天津市化學(xué)試劑廠。

圖1 釩鐵渣的XRD圖譜

1.2 培養(yǎng)基及其它材料

試驗所用培養(yǎng)基有察氏培養(yǎng)基、改良察氏培養(yǎng)基(不含瓊脂的察氏培養(yǎng)基)和馬鈴薯-蔗糖培養(yǎng)基(PDA培養(yǎng)基)。此外，還需吐溫80、無菌水、酸堿緩沖液(0.5 mol/L HCL、NaOH)等化學(xué)試劑、Φ90 mm培養(yǎng)皿、接種環(huán)、濾紙等。除化學(xué)試劑外，各試驗物品使用前均放入滅菌鍋中在121 ℃、(0.10～0.11)MPa條件下滅菌30 min。

1.3 菌種選擇及菌懸液配備

1.3.1 菌種選擇

根據(jù)文獻[16]得到的室內(nèi)常見優(yōu)勢菌種種類及Klaus[17]提出的菌種危險等級，結(jié)合本團隊前期研究基礎(chǔ)，本試驗選取室內(nèi)常見優(yōu)勢菌種宛氏擬青霉(Paecilomyces varioti)、出芽短梗霉(Aureobasidium pullulans)和黃曲霉(Aspergillus flavus)作為試驗菌種，菌種均購于廣東省微生物菌種保藏中心。

1.3.2 菌懸液配備

將無菌水倒入斜面菌種中，用無菌接種環(huán)輕刮菌種表面以洗出孢子，并用濾紙過濾去除菌絲碎片、瓊脂塊和孢子團。所得孢子懸液以4 000 r/min速度離心10 min，去掉上層清液，用30 mL無菌水沖洗懸浮物，再離心。用此方法清洗孢子3次，制得孢子濃度為8×105～1.2×106cfu/mL的孢子懸液。

1.4 抑菌性試驗

1.4.1 察氏培養(yǎng)基抑霉菌試驗

以前期研究[15]為基礎(chǔ)，確定調(diào)濕材料質(zhì)量配比為m(硅藻土)∶m(釩鐵渣)∶m(泥炭蘚)=75∶25∶15。為確定調(diào)濕材料及其組成對霉菌的作用，分別將調(diào)濕材料、硅藻土、釩鐵渣、泥炭蘚、MgO、納米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的固液比摻入察氏培養(yǎng)基溶液中。滅菌后分別向培養(yǎng)皿中倒入30 mL摻有不同材料的培養(yǎng)基。每種材料做3個平行試驗，對照組為不加任何抑菌物質(zhì)的察氏培養(yǎng)基。待培養(yǎng)基凝固后，用移液槍分別在每個培養(yǎng)皿中接種1 mL宛氏擬青霉、出芽短梗霉和黃曲霉孢子懸液，并用涂抹棒涂抹均勻，晾干后用封口膜封好，放入霉菌培養(yǎng)箱中在28 ℃、相對濕度90%條件下培養(yǎng)28 d。每天觀察一次，并記錄孢子萌發(fā)狀態(tài)，采用霉菌孢子萌發(fā)時間T(d)評價抑菌效果。

1.4.2 抑制菌絲生長試驗

首先制備PDA培養(yǎng)基，再將400 mL PDA培養(yǎng)基平均分裝于4個錐形瓶中，之后將調(diào)濕材料、釩鐵渣、納米MgO分別加入到各個錐形瓶中，使試驗組最后濃度為0.06∶100 g/mL，對照組為不加任何抑菌物質(zhì)的PDA培養(yǎng)基。培養(yǎng)基倒入培養(yǎng)皿冷卻凝固后，取宛氏擬青霉、出芽短梗霉和黃曲霉孢子懸液2 μL分別接至各培養(yǎng)皿中央，每組做3個平行。水平放置10 min后貼上封口膜，轉(zhuǎn)移至霉菌培養(yǎng)箱中在28 ℃、相對濕度90%條件下倒置培養(yǎng)。每隔24 h用十字交叉法測量各霉菌菌落生長直徑，并記錄菌絲萌發(fā)情況。

1.5 抑霉菌機理研究

2 結(jié)果與分析

2.1 抑菌性

2.1.1 察氏培養(yǎng)基抑霉菌

按上述方法進行察氏培養(yǎng)基試驗。含有調(diào)濕材料、硅藻土、釩鐵渣、泥炭蘚、MgO、納米MgO的培養(yǎng)基上不同霉菌萌發(fā)時間見圖2。由圖2可見，對照組、泥炭蘚和硅藻土組的宛氏擬青霉和出芽短梗霉的萌發(fā)時間均為1 d，黃曲霉的萌發(fā)時間均為2 d，說明泥炭蘚和硅藻土對3種霉菌均無抑制作用。調(diào)濕材料組的宛氏擬青霉、出芽短梗霉、黃曲霉萌發(fā)時間分別為21、2和5 d，它比泥炭蘚和硅藻土的抑菌性好；釩鐵渣組的萌發(fā)時間分別為25、28和6 d，即其霉菌萌發(fā)時間比調(diào)濕材料組更長，抑菌性更好。3種霉菌中黃曲霉菌的抑制難度最大。由于調(diào)濕材料的組成有硅藻土、釩鐵渣和泥炭蘚，因此從各組霉菌萌發(fā)時間可初步推斷調(diào)濕材料中起主要抑菌作用的組分為釩鐵渣。MgO和納米MgO組的宛氏擬青霉、出芽短梗霉萌發(fā)時間都超過28 d，黃曲霉萌發(fā)時間分別為8、12 d，均超過調(diào)濕材料組和釩鐵渣組的萌發(fā)時間，抑菌性比釩鐵渣更好。由以上試驗分析可知釩鐵渣具有較好的抑菌性，而MgO和納米MgO的抑菌性比釩鐵渣更好。釩鐵渣的主要組成為γ-C2S、少量α-C2S和MgO，由此可以推斷釩鐵渣的抑菌性應(yīng)源于其中的MgO。由于釩鐵渣中MgO含量只有7%左右，故其抑菌性比純MgO弱。粒徑為20 nm的納米MgO比普通MgO對霉菌的抑制時間更長，應(yīng)該是納米效應(yīng)的作用。

圖2 調(diào)濕材料及其各組成、MgO和納米MgO培養(yǎng)基上不同霉菌萌發(fā)時間

2.1.2 抑制菌絲生長

本試驗研究菌絲生長階段調(diào)濕材料及其組成對霉菌的抑制作用。各組霉菌菌落生長直徑隨時間的變化如圖3。由圖3可知，釩鐵渣和納米MgO對宛氏擬青霉菌絲的抑制效果最好，至第4 d無菌絲產(chǎn)生；對出芽短梗霉菌絲的抑制稍差，釩鐵渣和納米MgO組分別在1和2 d后菌絲開始緩慢生長，至第4 d菌落直徑分別為1.6和0.7 m，而對照組的菌落直徑達到2.2 m；3種霉菌中黃曲霉菌的抑制難度最大，釩鐵渣和納米MgO組在1 d后菌絲均開始緩慢生長，至第4 d釩鐵渣和納米MgO組黃曲霉菌菌落直徑分別為對照組的70%和49%，說明納米MgO對黃曲霉菌菌絲生長的抑制作用比釩鐵渣更強。圖4為培養(yǎng)4 d時各組宛氏擬青霉、出芽短梗霉和黃曲霉菌絲生長情況?？梢钥闯觯瑢τ谕鹗蠑M青霉，培養(yǎng)至第4 d釩鐵渣和納米MgO組均未萌發(fā)菌絲。對照組和調(diào)濕材料組均有菌落生長，菌絲向外擴展，菌落中心產(chǎn)生孢子，但調(diào)濕材料組的菌絲和孢子數(shù)量明顯比對照組小，說明調(diào)濕材料對菌絲生長存在一定的抑制作用。對于出芽短梗霉，各組均出現(xiàn)菌落，菌落大小及孢子數(shù)量為對照組>調(diào)濕材料組>釩鐵渣組>納米MgO組，說明納米MgO對出芽短梗霉菌絲的抑制作用最好。對于黃曲霉，對照組比調(diào)濕材料組菌落直徑更大，且中心產(chǎn)生的孢子量也更多；而釩鐵渣組和納米MgO組菌落擴展面積較小，也沒有產(chǎn)生孢子，說明釩鐵渣和納米MgO對黃曲霉菌絲均具有抑制作用，且納米MgO的抑制作用好于釩鐵渣。

圖3 菌落生長直徑隨時間的變化(圖中D、H、F、N分別代表對照、調(diào)濕材料、釩鐵渣和納米MgO)

圖4 各組菌絲培養(yǎng)4 d后的生長情況

綜上可得，調(diào)濕材料、釩鐵渣和納米MgO對3種霉菌都具有不同程度的抑制作用，其抑制規(guī)律為：納米MgO>釩鐵渣>調(diào)濕材料；3種霉菌中，宛氏擬青霉菌絲的生長最容易被抑制，而黃曲霉最難被抑制。即便如此，納米MgO對黃曲霉仍有更好的抑制作用。

2.1.3 抑黃曲霉菌

為驗證調(diào)濕材料復(fù)合MgO后對黃曲霉的抑制改進作用，設(shè)計了對比試驗。將1 g調(diào)濕材料分別復(fù)合0.1、0.3、0.5和0.7 g MgO，其編號依次為a、b、c、d。對照組1(D1)為察氏培養(yǎng)基，對照組2(D2)為未復(fù)合MgO的調(diào)濕材料。將制備好的黃曲霉菌懸液接種于各組培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿接種1 mL，待稍干后貼上封口膜，放入霉菌培養(yǎng)箱中以28 ℃、90%的相對濕度培養(yǎng)28 d，每天進行觀察。采用霉菌孢子萌發(fā)時間T(d)評價抑菌效果。

圖5為各組霉菌孢子的萌發(fā)時間。由圖5可知，對照組察氏培養(yǎng)基D1和未復(fù)合MgO的原調(diào)濕材料D2黃曲霉孢子的萌發(fā)時間分別為1和5 d，a、b組的萌發(fā)時間分別為6和26 d，而c、d組28 d均未萌發(fā)黃曲霉孢子。由此可知，調(diào)濕材料對黃曲霉菌有一定抑制作用，而復(fù)合MgO后調(diào)濕材料的抑制黃曲霉菌作用大大增強，復(fù)合0.3 g及以上MgO后調(diào)濕材料對黃曲霉即具有很好的抑制作用。

圖5 各組霉菌孢子的萌發(fā)時間

2.2 抑霉菌機理研究

圖6 經(jīng)顯色處理的上清液和吸收曲線(a)各組的顯色反應(yīng)情況(b)各組在不同波長下的吸光值

圖7 各霉菌溶液中核酸OD260隨時間的變化

為進一步證明釩鐵渣和MgO對霉菌孢子萌發(fā)的抑制作用，采用ESEM觀察經(jīng)釩鐵渣處理前后宛氏擬青霉孢子的形態(tài)變化，見圖8。由圖8可以看出，對照組孢子表面光滑，圓潤飽滿，形態(tài)完整。而經(jīng)釩鐵渣處理后的孢子表面形態(tài)發(fā)生異變，大部分孢子表面出現(xiàn)褶皺凹陷，有的還出現(xiàn)破損，說明釩鐵渣破壞了宛氏擬青霉孢子的細胞壁、細胞膜，導(dǎo)致細胞失活，從而達到抑菌效果。

圖8 宛氏擬青霉孢子的ESEM圖

經(jīng)釩鐵渣處理前后宛式擬青霉孢子EDS分析見圖9。對比圖9(a)與(b)可知，試驗組比對照組增加了P和S元素。真菌細胞壁主要成分是由C、H、O等元素組成的幾丁質(zhì)、纖維素、葡聚糖等多糖。對照組中能檢測到細胞表層的C、H、O以及在滲透壓作用下正常進出細胞的K+等元素，因此細胞結(jié)構(gòu)完整無損傷。試驗組中出現(xiàn)了P、S元素，由于細胞膜主要由磷脂和蛋白質(zhì)組成，可能因為經(jīng)釩鐵渣處理后，霉菌孢子的細胞壁被破壞導(dǎo)致含P細胞膜外露，故可推斷霉菌孢子細胞壁被破壞。

圖9 宛氏擬青霉孢子的EDS圖

圖10 宛氏擬青霉孢子的TEM圖(A、B為對照組，C、D為釩鐵渣組)

3 結(jié) 論

(1)復(fù)合調(diào)濕材料對3種霉菌均有一定的抑制作用，但其對黃曲霉抑制效果比對宛氏擬青霉、出芽短梗霉弱得多。3種室內(nèi)常見優(yōu)勢菌種宛氏擬青霉、出芽短梗霉和黃曲霉霉菌中，黃曲霉菌的抑制難度最大。

(2)復(fù)合MgO后，泥炭蘚/硅藻土復(fù)合調(diào)濕材料可以大大提高抑制黃曲霉菌的能力。