双季铵盐对海水中异养菌的杀菌性能及构效关系

2017-03-15 08:55:55 5

  海水循环冷却是一种以海水 替代淡水作为冷却介质的冷却技术,其要解决的关键技术问题之一是控制海水中微生物的大量繁殖,以防止其黏附在冷却系统内壁,影响冷却效果,甚至阻塞管道,损坏冷却系统〔1〕。向循环水系统中投加菌藻抑制剂是目前控制微生物用的最多也最有效的方法〔2〕 。海水的高盐度、高pH等复杂条件对杀菌剂的性能及使用影响较大,然而目前关于杀菌剂在海水系统的杀菌性能及应用研究的报道却很少。

  目前,工业循环冷却水中常用的季铵盐杀菌剂为单头基单烷烃链季铵盐,如洁尔灭、新洁尔灭等〔3〕。这类杀菌剂虽具有高效、低毒、不易受pH变化影响等特点,但存在易起泡沫,矿化度较高时杀菌效力降低,容易吸附损失,长期单独使用易产生抗药性等缺点。双季铵盐是通过连接基团将2个单季铵盐分子在其亲水头基或接近亲水头基处连接起来的一类季铵盐,具有杀菌效果好、毒性低、水溶性好等特点,受到人们的广泛关注〔4, 5〕。双季铵盐杀菌剂的结构可调节性较大,烷烃链长度、连接基团长度以及反离子种类等都会对杀菌效果产生一定影响〔6, 7〕。例如毛学强等〔6〕研究合成了系列双季铵盐杀菌剂n-2-n(n=8,10,12,14),并研究了其杀菌性能,发现随着疏水链长n的增大,其杀菌能力增强。孙玉梅等〔7〕的研究结果表明,对于对称和不对称的双季铵盐杀菌剂来说,当烷烃碳链长度接近12时具有最好的杀菌效果,碳链长度高于或低于12时杀菌效果变差,而与分子结构对称度关系不大。目前,关于双季铵盐分子结构与杀菌性能之间的关系尚不十分明确,还需做更深入细致的研究。

  本实验室合成了一系列结构不同的m-s-m型双季铵盐杀菌剂,通过实验研究了该双季铵盐杀菌剂对海水中异养菌的杀菌性能,并选择2种单季铵盐杀菌剂进行对照;同时,对烷烃链长及连接基团对双季铵盐杀菌剂杀菌性能的影响从杀菌机理角度进行了分析,以期为开发和筛选新型海水系统用菌藻抑制剂提供参考。

  1 实验部分

  1.1 试剂及仪器

  杀菌剂:十二烷基三甲基溴化铵(TCI,纯度>97%),十二烷基二甲基苄基氯化铵(sigma,纯度>99%),双季铵盐杀菌剂(实验室合成,纯度>95%)〔8〕。

  仪器:恒温水浴锅,天津中环科技开发公司;恒温培养箱,德国Binder公司;生物安全柜,力康发展有限公司;蒸汽压力灭菌器,日本ALP公司。

  实验所用海水取自浙江国华宁海电厂所在海域,水质主要参数如下:pH 8.07,盐度2.3%,总碱度(以CaCO3计)159 mg/L,Ca2+ 305.76 mg/L,Mg2+ 1 002.62 mg/L,Cl- 6.06 g/L。

  1.2 杀菌剂性能评价方法

  按照ASTM E645菌藻抑制剂性能评定标准方法,稀释用海水在实验前均作灭菌处理,然后接入相同量的菌悬液,使实验起始菌量(以CFU计)达到105~106 mL-1,然后加入杀菌剂进行处理。空白对照接菌后不投加杀菌剂。杀菌剂作用1 h后,采用平皿计数法,在(29±1) ℃下培养72 h,然后对被测试样中的细菌数进行计数,并对照空白样计算杀菌率。

  2 实验结果与讨论

  2.1 双季铵盐杀菌剂

  本研究所用双季铵盐杀菌剂(纯度>95%)均为实验室合成,表示为m-s-m,m为烷烃链碳原子数,s为连接基团碳原子数。其结构如图 1所示。

 图 1 双季铵盐杀菌剂结构示意

  2.2 杀菌剂对海水中异养菌的杀菌性能及构效关系

  2.2.1 双季铵盐与单季铵盐杀菌性能比较

  表 1给出了5种具有相同烷烃链长的季铵盐杀菌剂在海水中的杀菌性能,其中双季铵盐杀菌剂的连接基团稍有不同,2种对照单季铵盐分别为十二烷基三甲基溴化铵和十二烷基二甲基苄基氯化铵,前者与双季铵盐的单体结构相同,后者则是常用水处理杀菌剂1227的有效成分。

  由表 1可见,与对照的2种单季铵盐相比,双季铵盐的杀菌性能明显优于单季铵盐。当杀菌剂质量浓度为5 mg/L时,所有双季铵盐杀菌剂的杀菌率均达99%以上,对照单季铵盐十二烷基三甲基溴化铵未起效,十二烷基二甲基苄基氯化铵的杀菌率仅为21.75%。达到相同的杀菌效果,双季铵盐的投加量仅为单季铵盐的1/10~1/20。

  季铵盐杀菌剂的杀菌特性是通过阳离子头基吸附在带负电荷的细菌表面,改变了细菌细胞壁的通透性,同时烷烃链可与细胞的类质层发生疏水作用而插入其中,导致细胞内酶失活和蛋白质变性〔9〕。因此,头基的离子强度和烷烃尾链的疏水作用两方面因素决定了季铵盐杀菌剂的杀菌性能。双季铵盐杀菌剂通过连接基团将2个单季铵盐连接起来,限制了离子头基的距离,增加了离子基团的电荷强度,同时带来高烷烃链密度,使得双季铵盐吸附细菌的能力提高,与细胞膜的疏水作用增强,因而杀菌性能优于单季铵盐。

  海水是高盐度复杂水溶液,杀菌剂在海水中的杀菌效果会受到一定影响。文献〔10〕报道,十二烷基二甲基苄基氯化铵对淡水中异养菌的杀菌率在其质量浓度为5 mg/L时可达98.4%,优于本研究中十二烷基二甲基苄基氯化铵在海水中的杀菌效果。原因在于季铵盐杀菌剂杀灭细菌的第1步是通过静电作用与细菌结合,然而海水中大量盐的存在会屏蔽二者所带电荷,从而削弱静电作用,抑制杀菌剂与细菌的结合,因而相比于淡水,相同浓度杀菌剂在海水中的杀菌效果较差。双季铵盐杀菌剂与单季铵盐有着相似的杀菌机理,因此杀菌效果也将受到海水盐度的影响。

  2.2.2 连接基团对双季铵盐杀菌剂杀菌性能的影响

  A. Laatiris等的研究认为〔4〕,双季铵盐杀菌剂的杀菌性能仅与烷烃链长有关,而与连接基团无关。然而本研究的结果显示,双季铵盐杀菌剂的杀菌性能与连接基团具有一定的相关性。图 2为12-s-12(s=4,6,8)系列双季铵盐杀菌剂的杀菌率随浓度的变化情况。

 图 2 双季铵盐12-s-12的杀菌率随浓度的变化情况

  由图 2可知,烷烃尾链相同时,随着连接基团碳原子数的增加,双季铵盐杀菌剂的杀菌效果更好。

  季铵盐杀菌剂是一种离子型表面活性剂,其在水中可通过烷烃链的疏水作用自组装形成分子聚集体即胶束,形成胶束的最小浓度称为临界胶束浓度(CMC)。CMC越小,则表面活性剂自组装能力越强。研究表明,阳离子季铵盐表面活性剂与带负电的大分子或微粒作用时,可通过静电作用结合于大分子或微粒表面,而溶液中游离的季铵盐分子可通过疏水作用在大分子或微粒表面形成分子聚集体,从而导致局部表面活性剂分子浓度较大〔11〕。当季铵盐杀菌剂通过静电作用结合在细菌表面时,杀菌剂分子本身的自组装能力会使细菌表面局部杀菌剂浓度增大,导致细菌死亡。因此,季铵盐杀菌剂的杀菌性能在一定程度上取决于其自组装的能力,即CMC值。研究表明〔8〕,当4<s<10时,双季铵盐12-s-12的CMC随s的增大而减小,即自组装能力随s增大而增强。对于烷烃链长相同的双季铵盐杀菌剂12-s-12(s=4,6,8),其杀菌性能则随连接基团的增加而增大。

  2.2.3 烷烃链长对双季铵盐杀菌剂杀菌性能的影响

  毛学强等〔6〕在研究双季铵盐杀菌剂n-2-n(n=8,10,12,14)的杀菌性能时发现,随着烷烃链长n的增大,其杀菌能力增强。然而本研究显示,并非烷烃链越长杀菌性能越好。图 3为m-6-m(m=12,14,16)系列双季铵盐杀菌剂的杀菌率随浓度的变化情况。

 图 3 双季铵盐m-6-m的杀菌率随浓度的变化情况

  由图 3可知,对于m-6-m系列双季铵盐杀菌剂,烷烃链长为14时,杀菌效果最好,当其质量浓度为0.5 mg/L时,杀菌率可达97%以上;烷烃链长为12时,杀菌效果次之;烷烃链长为16时,杀菌效果最差。同时,对单季铵盐杀菌剂的杀菌性能研究也表明,作为杀菌剂季铵盐的烷烃链仅在一定范围内表现出较好的杀菌性能,当烷烃碳原子数≤10或≥16时,杀菌剂的杀菌能力较小,当碳原子数为14时,杀菌能力最强〔12〕。

  从杀菌机理角度看,季铵盐杀菌剂进入细菌细胞内部与季铵盐的亲脂性(碳链长度)有关,当碳链长度为12~14时,其具有最适合的亲脂性,因而最易进入细胞类脂层,破坏细胞通透性,使细胞内物质外渗,导致细胞死亡。因此,季铵盐杀菌剂的烷烃链长在此范围内方可表现出良好的杀菌性能。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。

  3 结论

  (1)季铵盐杀菌剂在海水中的杀菌性能因海水的高盐度受到一定程度抑制,与传统单季铵盐杀菌剂相比,双季铵盐杀菌剂在海水中表现出优异的杀菌性能,达到相同杀菌效果,双季铵盐杀菌剂用量仅为单季铵盐的1/20~1/10。

  (2)当烷烃链长相同时,双季铵盐杀菌剂的杀菌性能与连接基团具有一定的相关性,对于12-s-12(s=4,6,8)系列双季铵盐杀菌剂,其杀菌性能随连接基团长度的增加而增强。

  (3)单季铵盐杀菌剂在烷烃链长为12、14时表现出优异的杀菌性能,这一规律对双季铵盐杀菌剂同样适用。对于m-6-m(m=12,14,16)系列双季铵盐杀菌剂,当m=14时,杀菌性能最佳;m=12时,杀菌性能次之,m=16时,杀菌性能较差。

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