纳米氧化锌与普通氧化锌抑菌性能差异研究

摘 要:试验研究纳米氧化锌与普通氧化锌对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑菌作用。试验结果表明，当纳米氧化锌质量分数为3％时，纳米氧化锌的抑菌效果出现了一个陡然的上升；当纳米氧化锌：质量分数为4％时，对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌产生了明显抑菌效应，紫外线光照时抑菌率分别迭。到了97．1％和98．3％；当纳米氧化锌质量分数为5％时，无论是紫外线光照还是日光灯照射时抑菌率几乎达到了100％。在日光灯照射条件下，无论是对大肠杆菌还是金黄色葡萄球菌，纳米氧化锌均比普通氧化锌有更好的抑菌作用。当纳米氧化锌和普通氧化锌质量分数均为5％条件下，对大肠杆菌的抑菌率分别达到97．9％和52．9％；对金黄色葡萄球菌的抑菌率分别达到98．8％和68．3％。由此可知，纳米氧化锌在紫外线光照射下的抑菌作用高于日光灯照射；纳米氧化锌对金黄色葡萄球菌的抑制作用高于对大肠杆菌的抑菌作用；纳米氧化锌的抑菌性能强于普通氧化锌。 

关键词: 纳米氧化锌；普通氧化锌；抑菌率

1 材料和方法

1．1 试验材料

大肠杆菌(Escherichia Coli)、金黄色葡萄球菌(Staphyl℃℃cus aureus)，由北京农林科学院畜禽生物制品中心提供。纳米氧化锌，由陕西中科纳米材料股份有限公司提供，饲料级，纯度>95％，粒径30-50nm.通过均匀沉淀法制备，通过x一射线衍射仪、透射电镜、静态氮气吸附法进行纳米表征测定，经原子吸收测定Zn含量为76．3％；饲料级氧化锌，由北京益农饲料中心提供，纯度>99％，含Zn量72％。

1．2 试验方法

1．2．1 培养基的配制

LB液体培养基：酵母提取物5 g、氯化钠1O g胰蛋白胨l0 g，加水定容至1 000 ml。调pH值至7．0--7．2。121℃高压灭菌20 min。

LB固体培养基：按15g/l 比例加琼脂粉于LB液体培养基中，121℃高压灭菌20 min。

普通培养基(液体)：将牛肉膏5g 蛋白胨10 g、氯化钠5 g，加人杯内，加水约500～800 ml搅拌使其溶解完全。用5 mol／1 NaOH调pH值至7．4，加水定容至1 000 ml 121 ℃高压灭菌20 min普通培养基(同体)：按15 g／l比例加琼脂粉于普通培养基f液体1中，121 ℃高压灭菌20min

1．2．2 细菌活菌计数

将保存的大肠杆菌菌种接种(挑单个菌落)于LB液体培养基中，于37℃培养16～18 h，然后将菌悬液按10倍顺序依次稀释为10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6、10-7、10-8，即9 ml无菌生理盐水加1 ml菌悬液为10—1依次类推。选取0．1 ml菌液放于LB平板培养基上．轻轻推开菌液，小要接触平板边缘，以免影响计数。作3只平皿，注意吸水，避免细菌繁殖成一片，置37℃培养18～20 h，计算菌落数目。挑选生长30 300个菌落的平板计数，共数两个平板求其平均数。根据稀释浓度求其活菌平均数。根据稀释浓度(一般细菌适宜浓度为10-4、10-5 、10-6、10-7)算出每毫升大肠杆菌菌液的活菌数为6×10 cfu／ml。

金黄色葡萄球菌计数同上，算出每毫升金黄色葡萄球菌菌液的活菌数为6xlO 7cfu／ml。

1．2．3 备用菌液的配制

用无菌生理盐水将菌液稀释至6×105cfu／m1．即将大肠杆菌菌液、金黄色葡萄球菌菌液分别稀释102、10 3倍，备用。

1．2．4 不同质量分数(1％、2％、3％、4％、5％)纳米氧化锌及普通氧化锌溶液的配制0．2 ml纳米氧化锌溶液f10％1 1．8 ml无菌生理盐水配制成1％纳米氧化锌溶液；0.4 ml纳米氧化锌溶液f10％1 1．6 ml无菌生理盐水即2％纳米氧化锌溶液：0．6 ml纳米氧化锌溶液(10％) 1．4 ml无菌生理盐水即3％纳米氧化锌溶液：0．8 ml纳米氧化锌溶液(10％) 1．2 ml无菌生理盐水即4％纳米氧化锌溶液；1．0 ml纳米氧化锌溶液f10％1 1．0 ml无菌生理盐水即5％纳米氧化锌溶液。

1％、2％、3％、4％、5％普通ZnO溶液的配制同上。

1．2．5 抑菌试验

取0．1 ml备用菌液分别加人装有2 ml质量分数分别为1％、2％、3％、4％、5％的纳米氧化锌溶液和装有生理盐水的对照组无菌试管中。试验分为2个重复组，1组试管置于紫外线灯下垂直照射6 h，同时另一组试管置于日光灯下垂直照射6 h作为对照。6 h后，每支试管中吸取0．1 ml放人固体培养基中，用涂布棒涂均匀，放人37℃恒温培养箱中培养24 h，记录菌落数。

普通氧化锌抑菌试验同上，但无紫外线光照试验组

1．2．6 抑菌率计算

抑菌率(%)=(对照组菌落数一试验组菌落数)／对照组菌落数。

2 结果与讨论

2．1 纳米氧化锌对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的抑菌结果

随着纳米氧化锌质量分数的提高，菌落数都呈下降的趋势，与马正先(2004)、宋志慧(2004)报道一致。显然，纳米氧化锌的存在可以抑制大肠杆菌(G-)和金黄色葡萄球菌(G )的生长。由此可知．纳米氧化锌对细菌的抑菌作用没有明显的革兰氏阳性菌(G )和阴性菌(G-)的区别，该结果与高艳玲(2005)报道结论一致。

纳米氧化锌对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌抑菌率的影响可以看出，当纳米氧化锌质量分数为3％时，纳米氧化锌的抑菌效果出现了一个陡然上升的趋势。当纳米氧化锌质量分数为4％时．对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌产生了明显抑菌效应，紫外线光照时生长抑菌率分别达到了97．1％和98．3％：当纳米氧化锌质量分数为5％时，无论是紫外线光照还是日光灯照时，生长抑菌率几乎达到了100％。随着纳米氧化锌质量分数的升高，抑菌率增大趋势逐渐变缓，说明抑菌率和纳米氧化锌的质量分数不呈线性关系。

从两个表中紫外线光照组与日光灯照组的对比可以看出，同一质量分数下．紫外线光照较日光灯照组纳米氧化锌的抑菌效果更好。纳米氧化锌具有极强的化学活性。能与多种有机物发生氧化反应(包括细菌内的有机物)，从而把大部分细菌、病菌杀死。

对于纳米氧化锌的抑菌机制还存在一种说法，即Zn2 接触反应，造成微生物共有成分被破坏或者产生功能障碍。当微量zn2 接触微生物细胞膜时，因后者带负电，依靠库仑引力，使二者牢固结合，使蛋白质凝固，破坏细胞合成酶的活性。细胞丧失分裂增殖的能力而使其死亡。其抗菌机制还有另外一种说法(即催化假说)，用它来解释以上结果更为合理。

纳米氧化锌在阳光，特别是在紫外光照射下，在水和空气中能自行分解出自由移动的带负电的电子，同时留下带正电的空穴。空穴可以激活氧和氢氧根．使吸附于其上的水和空气变成活性的氧和氢氧根，它们具有很强的氧化还原作用．使细胞膜损伤而导致细菌的死亡。

当纳米氧化锌的质量分数逐渐增高时，抑菌作用不断增强，其原因可能是由于纳米氧化锌质量分数较低时，有效光子不能完全转化为化学能：适当增加纳米氧化锌的质量分数，能产生更多的电子一空穴对。提高抑菌能力；但质量分数过高时，造成光的散射，降低了产生的电子一空穴对数目，从而导致抑菌能力下降。日光灯照射组也出现氧化锌抑制细菌生长的现象，这可能是由于有效光子数不足譬产生的·OH数目相对较少，从而导致该条件下抑菌效果低于紫外线光照组。

2．2 纳米氧化锌与普通氧化锌抑菌作用差异

在日光灯照条件下。无论是对大肠杆菌还是金黄色葡萄球菌，纳米氧化锌均比普通氧化锌有更好的抑菌作用。当纳米氧化锌和普通氧化锌质量分数均为5％条件下，对大肠杆菌的抑菌率分别达到97．9％和52．9％；对金黄色葡萄球菌的抑菌率分别达到98．8％和68．3％。有研究表明，在5 min内，纳米氧化锌对金黄色葡萄球菌的杀菌率为98．86％，大肠杆菌为99．93％，显著高于普通氧化锌。曲敏利等(2004)的研究结果表明，纳米氧化锌的抑菌半径是普通氧化锌的2倍以上，同时在有光的条件下，纳米氧化锌的抑菌效果更佳。其它一些该方面的报道在国内外很少见。

由于纳米氧化锌具有极强的表面效应，表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度的增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性质的变化；同时纳米氧化锌的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，存在许多悬空键，并具有不饱和性质，因而极易与其它原子相结合而趋于稳定，所以具有很高的化学活性；另外，由于纳米氧化锌的比表面积较大，表面的键态与颗粒内部的不同，表面原子配位不全，这就导致表面活性位置增多，形成凸凹不平的原子台阶，加大了反应接触面。因此纳米氧化锌比普通氧化锌具有更高的催化活性及光催化活性。02-空位在光催化反应中起重要作用，在催化反应中，氧缺位越多，催化活性越高。这些决定纳米氧化锌比普通氧化锌有更强的氧化性，能氧化多种有机物(包括细菌内部的有机质)，也可将大部分细菌和病毒杀死，故纳米氧化锌比普通氧化锌对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌有更好的抑菌作用。

2.3 纳米氧化锌对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌生长抑制作用差异

另外，随着粒径的减小，杀菌能力提高；其中粉体表面产生的H20：成为抑制细菌生长的主要因素，另一因素是酸碱度。

可见，对于纳米氧化锌究竟对于哪种菌有更强的抑菌性能未能达成一致的见解，有待进一步研究。

3 结论

3．1 纳米氧化锌在紫外线光照射下的抑菌作用高于日光灯照射。

3．2 纳米氧化锌的抑菌性能强于普通氧化锌，这也是低剂量的纳米氧化锌替代高剂量的普通氧化锌成为促生长剂原因之一，但是否能够在动物生产实践中得到预期的效果，有待进一步进行动物试验研究。

3.3 纳米氧化锌对金黄色葡萄球菌的抑制作用高于对大肠杆菌的抑菌作用。这一方面说明纳米氧化锌具有抑制细菌生长的作用；另一方面也说明不同的细菌对纳米氧化锌的敏感性是有区别的。纳米氧化锌抑菌作用的广谱性有待进一步研究。