阳极电解液和阴极电解液对生物膜的影响

发表于2011 年 7 月 13 日由主管

介绍

粘附到表面是贫营养生境中微生物的一种常见且众所周知的行为（Zobell，1943）。这种粘附和随后的新陈代谢导致生物膜的形成 (39)。细菌生物膜促进生物质沉积增加 (54)，导致工业水冷却系统中的流体流动阻力、热交换损失和微生物引起的腐蚀 (13)。

工业通过使用杀菌剂来控制不需要的生物膜，取得了不同程度的成功 (13)。只有在人工去除生物膜的情况下，在水网状系统和热交换系统中使用杀菌剂，尤其是氯气才是有效的。成熟生物膜的氯化通常是不成功的，因为杀菌剂仅与生物膜的外部反应，在表面留下健康且大量的细菌群落，并迅速再生 (10)。生物膜内的细菌在重复给药时会对杀菌剂产生越来越大的抵抗力 (13)。Brözel 和 Cloete (10, 11, 12) 发现杀菌剂也会引起对其他杀菌剂的交叉耐药性。微生物生物膜在一系列工业环境中存在问题，在这些环境中，大面积的水下表面暴露于相对较高的营养通量，为丰富的表面相关生长的形成提供生态位 (13, 18)。水环境中表面的细菌定植是自然界生存的基本策略，因为营养物质在固液界面更容易获得 (27, 32)。由此产生的聚集体形成微菌落，形成生物膜 (39)。生物膜增加流体摩擦阻力 (39) 并降低热能传递速率，统称为生物污垢。这些生物膜还通过许多与生物膜相关的细菌类型 (38) 的协同代谢活动促进铁和其他金属的腐蚀，这一过程统称为微生物影响腐蚀 (MIC)。MIC包含许多与多种微生物的代谢活动直接或间接相关的特定机制，尤其是硫化细菌的作用 (19, 33)。由于 MIC

有一系列杀菌物质，通常称为杀菌剂或杀菌剂，生产商声称所有这些物质都可以定量杀死水系统中的细菌。杀菌剂靶向一系列细胞位点，从细胞质膜到呼吸功能、酶和遗传物质 (47)。然而，不同的细菌对杀菌剂的反应不同，要么是由于固有的差异，例如独特的细胞包膜组成和不敏感的蛋白质 (9)，要么是通过适应或遗传交换产生抗药性 (11)。因此，杀菌剂应针对它们选择控制的生物体进行评估，即要处理的系统中的主要生物体。

系统中微生物种群的组成因所用水的类型而异，并且在使用各种杀生物剂处理后通过选择抗性菌株而发生显着变化 (10)。作为生物膜生长的细菌对目前已知的大多数抗菌剂也具有显着更强的抗性，因此控制它们的方法构成了持续的挑战 (14, 18) 成功的生物污染控制取决于基于特定系统信息的合理开发的处理策略。主要目标应始终是生物膜相关菌群，因为它是 MIC 的催化剂并对系统运行产生负面影响。目前有五种方法可用，可以组合使用：

l 使用杀菌剂以化学方式杀死细菌；

l 细胞通过分散剂从表面脱落；

l 生物膜结构被酶或二价阳离子螯合剂削弱；

l 生物膜通过各种过程物理去除，并且

l 通过在生物膜上施加交流电或超声波来增强杀菌剂的功效。

最近在南非引入了一种电化学活化水的新方法。在水的电化学活化 (ECA) 过程中，稀盐水溶液通过一个圆柱形电解池被“活化”，其中阳极室和阴极室由渗透膜隔开。在电化学活化过程中，会产生三大类产品：

l 稳定的产品——这些是酸（在阳极液中）和碱（在阴极液中），它们会影响相关溶液的 pH 值，以及其他活性物质。

l 高活性不稳定产品——这些产品包括自由基和其他活性离子物质，典型寿命小于 48 小时。这里包括电和化学活性的电解气体微气泡，直径为 0,2 – 0,5 微米，浓度高达 107 ml-1，均匀分布在溶液中。所有这些物质都有助于提高阳极液的氧化还原电位 (ORP)，而阳极液正在还原，从而导致两者的 ORP 值异常。

l 准稳定结构——这些结构是在这些区域中由于非常高的电压降 (107 V cm-1) 而在电极表面处或附近形成的结构。这些是离子、分子、自由基和原子周围的水合膜的自由结构复合物。

这些水簇的大小减少到每个簇大约 5-6 个分子。所有这些特征都增强了水的扩散、催化和生物催化性能。ECA 溶液的化学成分可以通过利用连接电解池模块的各种液压装置以及其他辅助装置来改变，以最佳地满足特定应用领域的要求。其他一些变量是流速；液压; 当前密度; 电极上的电压。产生两股独立的活化水流：pH 范围为 2-9 和氧化还原电位 (ORP) 为 +400 mV 至 +1200 mV 的阳极液。由于自由基的混合物，阳极液是一种氧化剂，并具有抗菌作用。阴极电解液，pH 值为 12 至 13，ORP 约为 -900mV。它具有还原性和表面活性剂特性，是一种抗氧化剂。

杀菌剂

过氧化氢

银增强了过氧化物溶液的稳定性和抗菌作用。过氧化物具有良好的抗菌性能，可分解为水和氧气，不会留下有毒废物。由于金属依赖性 OH 的形成，过氧化氢会穿透细胞造成定点损伤 (1)。它会导致 DNA 链断裂和碱基羟基化。鸟嘌呤和胸腺嘧啶是过氧化物产生的自由基攻击的两个主要目标。产生的 7,8-dihydro-8-oxoguanine 与腺嘌呤错配，而胸腺嘧啶氧化产物停止 DNA 聚合酶，停止复制 (1)。大多数细菌突变体由于代谢不连贯而无法存活，因此低浓度的过氧化物处理导致缓慢死亡。过氧化氢还抑制线粒体 ADP 磷酸化。生物污垢控制文献中尚未报道对氧化性杀菌剂产生抗性。然而，多种细菌，主要是发酵的，通过产生氧化剂降解和修复酶来表现出氧化应激反应。应激反应意味着细胞在暴露于亚抑制量的因子后数小时内对有害因子的抵抗力更强。多种防御基因已在大肠杆菌中进行了表征，编码各种超氧化物歧化酶、催化剂、烷基氢过氧化物还原酶和谷胱甘肽还原酶，以及 DNA 修复酶 (21)。此外，已经表征了各种调节基因，包括 oxyR 和 soxR。这些调节剂确定细胞内氧化还原电位，并在细胞暴露于氧化剂时激活应激反应。

有机过氧化物

过乙酸是最著名的有机过氧化物。像过氧化氢一样，它会形成与各种蛋白质结构和 DNA 反应的羟基自由基。此外，过乙酸的解离导致形成本身具有温和抗菌性的乙酸。将过乙酸应用于系统不会留下任何有毒废物。过氧乙酸的抗菌活性不受水硬度或有机污染物的影响。

氧化性卤素

次氯酸和次溴酸具有出色的抗菌活性，尽管在规定的 pH 范围内。

氯化合物

氯气、二氧化氯和次氯酸 (HOCl) 是世界范围内使用最广泛的杀菌剂。次氯酸盐于 1831 年首次被 Hüter 用作伤口消毒剂，其杀菌活性在 1881 年被 Koch 证实 (53)。次氯酸盐在工业水系统中用于控制生物污垢。迄今为止，次氯酸盐的抗菌作用机制尚不清楚，尽管已经对真核细胞中的作用机制进行了大量工作（49）。HOCl 是一种强大的氧化剂，可氧化蛋白质中的硫醇基团和卤化氨基 (48)，以及氧化脂质和蛋白质 (28)。特定的细菌目标是细胞色素、核苷酸和铁硫蛋白 (2)。蛋白质合成受损（数据未公布），营养物质的吸收也受到影响 (4)。次氯酸的稳定性和抗菌活性取决于 pH 值。它在 pH 值大于 7 时解离，未解离的部分是抗菌部分 (53)。pH 值高于 7.5 时，它会失去抗菌活性。它非常适合生物污染控制，因为它会削弱细胞外多糖 (EPS) 结构，导致生物膜部分脱落和去除。

溴化合物

次溴酸的作用类似于次氯酸。然而，它在 pH 值高达 8.5 时是稳定的。这使得它更适合应用于通常保持在微碱性 pH 值的冷却水中。某些有机化合物在溶液中会缓慢释放次溴酸和次氯酸。一个例子是 3-溴 -1-氯 -5,5 - 二甲基乙内酰脲 (43)。此类化合物在处理的系统中维持较长的次卤酸抗菌水平。

臭氧

臭氧是一种强氧化性物质，能够杀死细菌和藻类并灭活病毒。它是一种不稳定的气体，有刺激性气味。它进一步降解了将生物膜固定在一起的 EPS，因此处理导致生物膜松动。这导致水垢从表面松动。臭氧的半衰期很短，因此必须在现场生成。在蒸馏水中，其在 20°C 下的半衰期为 25 分钟。它在水中的溶解度是氧气的13倍。与有机物质反应后分解成氧气。然而，它确实会与几种阳离子和阴离子发生反应，例如 Fe2+、Mn2+、MnO4、NO2- 和 CN。臭氧对人体有毒，探测器应与臭氧发生器一起安装。然而，处理过的水是完全安全的，因为臭氧会退化为氧气。

电化学活化水

ECA技术原理

不同矿化的水通过电化学电池，其特殊设计允许利用两个不同且电相反的活化水流。除了其独特的属性外，带负电的抗氧化剂溶液（阴极液）也可以被引导回阳极室，从而调节产生的带正电的氧化剂溶液（阳极液）的质量。根据所需应用的规格，可以对液压系统的设计进行改变以满足必要的目标。电池的设计是这样的，以确保每个微量水必须通过的均匀高压电场。

活化水
的性质 活化溶液的性质取决于许多因素。这些包括通过反应器电池的溶液流速、施加的电流、温度、阴极液反馈到阳极液室的程度和水的矿化程度。在电化学活化过程中，溶液中会产生三类产物。它们包括：

l 稳定的产品，包括影响溶液 pH 值的酸和碱，

l 高活性的不稳定产物，包括影响溶液 ORP 的微泡形式的自由基和电解气体，以及

l 准稳定产品，包括水合膜复合物，形成水分子簇，赋予溶液催化活性。

在不维持活化状态的情况下，这些不同的产物会降解为良性水的松弛状态，活化溶液的异常属性（例如改变的电导率和表面张力）同样会恢复到活化前状态。重要的是要注意，产生最佳亚稳态溶液所需的输入水的矿化水平与良性饮用水的成分差别不大。然而，溶液的增强电活动和改变的物理化学属性与良性状态显着不同，但对哺乳动物组织和环境仍然无毒。

阳极液的杀菌特性

采用电化学活化来产生杀生物溶液的早期技术无法分离阳极液和阴极液溶液的输出。在这些情况下，两种相反的解决方案在潜在的电活动方面相互抵消。目前ECA技术的优势已经得到证实，其中当前ECA技术产生的次氯酸的杀菌活性是早期系统产生的次氯酸钠的300倍。另外比较中性阳极电解液 (pH=7) 与碱性戊二醛 (pH=8.5)，显示后者需要 2% 的浓度，而前者需要 0.05% 的浓度，才能达到相同的杀菌效果。相似地，已经表明，5% 的次氯酸钠 (Jik) 溶液只能用于消毒，而 0.03% 的中性阳极液溶液同时具有消毒和杀菌性能。一般来说，未活化的中性阳极液（只有稳定的产物，没有电荷）的杀菌活性是次氯酸盐溶液的潜在活性的 80 倍，但仍然只有最佳活化的 ECA 溶液的全部杀菌潜力的三分之一。因此，已最终证明活化溶液在低剂量有效性和物理化学纯度方面都超过了化学衍生的等效物。与传统化学溶液相比，这种提高的杀菌能力允许以显着较低的剂量率加入 ECA 溶液，从而避免中毒的风险，

非氧化性杀菌剂

这些包括多种具有抗微生物活性的有机化合物。它们的作用方式差异很大，它们唯一的共同点是它们是非氧化性有机分子。目前使用的大多数生物杀灭剂分为五个不同的类别，尽管许多杂项化合物也是有用的。

洗涤剂类杀菌剂

迄今为止，已记录了三组表面活性抗菌剂；阴离子、阳离子和两性 (53)。阴离子抗菌剂仅在 pH < 3.0 时有效，包括脂肪酸，如十二烷基硫酸钠。阳离子抗微生物剂通常是有机铵盐，通常称为季铵化合物。最著名的是苯扎氯铵（N-烷基-N,N-二甲基苄基氯化铵）（53）。最近合成并评估了一些具有通用结构的烷基三甲基和二烷基二甲基溴化铵的新型有机铵盐 (37)。作者报告了对铜绿假单胞菌的极低最低抑制浓度为 12.5:g/ml，其中第二个烷基为 C6 或更长。苯扎氯铵吸附在带负电荷的细胞（pH > 7. 0）以不可逆的方式（47）。抗微生物活性的最低 pH 值为 3.0。它具有膜活性并诱导细胞质成分的渗漏 (53)。暴露于苯扎氯铵后，洋葱青霉的膜出现不规则，表明膜受损 (45)。在 37°C 时，它的活性是 20°C 时的两倍。它对革兰氏阳性细胞和革兰氏阴性细胞都有活性，但对孢子没有活性。Ca2+ 和 Fe3+ 等阳离子会降低其活性，NaCl 也是如此 (53)。它对革兰氏阳性细胞和革兰氏阴性细胞都有活性，但对孢子没有活性。Ca2+ 和 Fe3+ 等阳离子会降低其活性，NaCl 也是如此 (53)。它对革兰氏阳性细胞和革兰氏阴性细胞都有活性，但对孢子没有活性。Ca2+ 和 Fe3+ 等阳离子会降低其活性，NaCl 也是如此 (53)。

双胍类

双胍是一般胍结构的聚合物衍生物。两种双胍目前用作工业杀菌剂。它们是聚六亚甲基双胍 (PHMB) 和 1,6-二-(4-氯苯基二胍基)-己烷，更广为人知的是氯己定 (53)。两者都没有腐蚀性，都非常适合用于冷却水 (58)。双胍在低浓度时具有抑菌作用，在较高浓度时具有杀菌作用，并且具有广泛的活性，尤其是对革兰氏阴性菌 (53)。它们是膜活性剂，可迅速附着在带负电的细胞表面（pH 中性或碱性）。通过使用 14C 放射性标记的 PHMB，已经表明 PHMB 15 在暴露后 20 秒内被大肠杆菌细胞吸收 (22)。然而，杀菌作用需要几分钟。双胍与二价阳离子竞争 LPS 上的负位点，取代这些位点。PHMB 然后通过静电相互作用与磷脂酰甘油和二磷脂酰甘油（负）的带电头部基团相互作用，但不与中性磷脂酰乙醇胺相互作用 (8)。通过与外膜内叶的磷脂和内膜外叶的磷脂结合，这两个膜获得净正电荷并相互排斥，从而因变形而导致膜损伤。这得到了洋葱洋葱 TEM 研究的支持，在用氯己定处理后，两种膜都出现了明显的不规则外观 (45)。由于细胞膜破裂，细胞质成分开始泄漏出细胞，细胞失去活力。PHMB 然后通过静电相互作用与磷脂酰甘油和二磷脂酰甘油（负）的带电头部基团相互作用，但不与中性磷脂酰乙醇胺相互作用 (8)。通过与外膜内叶的磷脂和内膜外叶的磷脂结合，这两个膜获得净正电荷并相互排斥，从而因变形而导致膜损伤。这得到了洋葱洋葱 TEM 研究的支持，在用氯己定处理后，两种膜都出现了明显的不规则外观 (45)。由于细胞膜破裂，细胞质成分开始泄漏出细胞，细胞失去活力。PHMB 然后通过静电相互作用与磷脂酰甘油和二磷脂酰甘油（负）的带电头部基团相互作用，但不与中性磷脂酰乙醇胺相互作用 (8)。通过与外膜内叶的磷脂和内膜外叶的磷脂结合，这两个膜获得净正电荷并相互排斥，从而因变形而导致膜损伤。这得到了洋葱洋葱 TEM 研究的支持，在用氯己定处理后，两种膜都出现了明显的不规则外观 (45)。由于细胞膜破裂，细胞质成分开始泄漏出细胞，细胞失去活力。但不能与中性磷脂酰乙醇胺 (8) 一起使用。通过与外膜内叶的磷脂和内膜外叶的磷脂结合，这两个膜获得净正电荷并相互排斥，从而因变形而导致膜损伤。这得到了洋葱洋葱 TEM 研究的支持，在用氯己定处理后，两种膜都出现了明显的不规则外观 (45)。由于细胞膜破裂，细胞质成分开始泄漏出细胞，细胞失去活力。但不能与中性磷脂酰乙醇胺 (8) 一起使用。通过与外膜内叶的磷脂和内膜外叶的磷脂结合，这两个膜获得净正电荷并相互排斥，从而因变形而导致膜损伤。这得到了洋葱洋葱 TEM 研究的支持，在用氯己定处理后，两种膜都出现了明显的不规则外观 (45)。由于细胞膜破裂，细胞质成分开始泄漏出细胞，细胞失去活力。这得到了洋葱洋葱 TEM 研究的支持，在用氯己定处理后，两种膜都出现了明显的不规则外观 (45)。由于细胞膜破裂，细胞质成分开始泄漏出细胞，细胞失去活力。这得到了洋葱洋葱 TEM 研究的支持，在用氯己定处理后，两种膜都出现了明显的不规则外观 (45)。由于细胞膜破裂，细胞质成分开始泄漏出细胞，细胞失去活力。

醛基杀菌剂

两种醛通常用作抗微生物剂，即。甲醛和戊二醛。此外，还有一系列杀菌剂，例如羟乙基杀菌剂和乙基三嗪杀菌剂，它们都会释放甲醛 (46)。甲醛具有高极性和高亲核反应性，因此它主要与游离伯氨基反应，但也与胺、酰胺、硫化物、嘌呤和嘧啶反应 (46)。在水中它水合为亚甲基二醇。与伯氨基反应导致形成与细胞成分进一步反应的甲基胺。甲醛会破坏膜孔蛋白的转运特性，降低脯氨酸摄取率和酶合成率。它在较宽的 pH 范围 (3.0-10.0) 内具有活性，并且具有杀孢子 (53)。戊二醛还与氨基和巯基反应 (47)。它在酸性溶液中稳定，但仅在 pH 7.5 – 8.5 时才有活性，因此在使用前必须将其碱化 (53)。正确 pH 值的 2% 溶液的杀菌能力是 4% 甲醛溶液的十倍 (53)。它的反应性与温度有关；2% 的溶液在 20 °C 下 15 分钟即可杀死炭疽杆菌孢子，而在 40 °C 下仅需 2 分钟。在革兰氏阳性细菌中，它与肽聚糖和磷壁酸发生反应并与之结合，并且还具有杀孢子的作用 (47)。在革兰氏阴性菌中，它主要与外膜的脂蛋白反应，阻止膜结合酶的释放。正确 pH 值的 2% 溶液的杀菌能力是 4% 甲醛溶液的十倍 (53)。它的反应性与温度有关；2% 的溶液在 20 °C 下 15 分钟即可杀死炭疽杆菌孢子，而在 40 °C 下仅需 2 分钟。在革兰氏阳性细菌中，它与肽聚糖和磷壁酸发生反应并与之结合，并且还具有杀孢子的作用 (47)。在革兰氏阴性菌中，它主要与外膜的脂蛋白反应，阻止膜结合酶的释放。正确 pH 值的 2% 溶液的杀菌能力是 4% 甲醛溶液的十倍 (53)。它的反应性与温度有关；2% 的溶液在 20 °C 下 15 分钟即可杀死炭疽杆菌孢子，而在 40 °C 下仅需 2 分钟。在革兰氏阳性细菌中，它与肽聚糖和磷壁酸发生反应并与之结合，并且还具有杀孢子的作用 (47)。在革兰氏阴性菌中，它主要与外膜的脂蛋白反应，阻止膜结合酶的释放。

苯酚衍生物

苯酚是彻底改变侵入性手术的抗菌剂，由 Lister 在 1870 年率先提出 (23)。它通过溶解在细胞膜中进入细胞，并在进入细胞质后沉淀蛋白质。然而，它对人体有害，并且其抗菌活性不是很高（53）。一系列卤代苯酚、甲酚、二苯和双酚已从苯酚中开发出来，具有优异的抗菌活性，许多用于药品的防腐。卤化增加了苯酚的抗菌活性，脂肪族和芳香族基团的添加也是如此 (53)。在酚类衍生物中，双酚类具有最高的抗菌活性，尤其是卤素取代的。六氯酚和 2,2'-亚甲基双（4-氯酚）（二氯酚）属于这一组 (11)。苯酚衍生物是膜活性剂。它们渗入细胞质膜的脂质相，导致细胞质成分泄漏 (47)。3-和 4-氯苯酚通过增加细胞质膜对质子的通透性将氧化磷酸化从呼吸中解脱出来 (24)。

硫醇氧化杀菌剂

半胱氨酸等氨基酸上的硫醇是重要的基团，它们通过形成二硫键影响蛋白质的三级结构。三组抗菌剂异噻唑酮、溴硝醇（2-溴-2-硝基丙烷-1,3-二醇）和汞等重金属化合物与可接近的硫醇反应，改变酶和结构蛋白的三维结构。 15）。汞通过与硫络合而与巯基相互作用 (53)。Bronopol 将硫醇氧化为二硫化物，尤其是与氢化酶的活性中心反应 (53)。四种水溶性异噻唑酮具有抗菌活性；5-chloro-2-methyl-3-(2H)-isothiazolinone(CMIT2-methyl-3-(2H)-isothiazolinone (MIT)、1,2-benzisothiazolin-3-one (BIT) 和 2 甲基 4 ,5-三亚甲基-4-异噻唑啉-3-酮 (MTI) (53)。MIT 和 CMIT 通常以 3:1 的比例供应。异噻唑啉酮与易接近的硫醇如半胱氨酸和谷胱甘肽发生氧化反应 (16)。这些硫醇被氧化成它们的二硫化物辅助物，在半胱氨酸的情况下，这会导致蛋白质构象和功能的改变。异噻唑酮因此被还原为巯基丙烯酰胺，在 CMIT 的情况下，其互变异构为硫代酰氯，后者与胺如组氨酸和缬氨酸反应 (15)。异噻唑啉酮主要是抑菌剂，仅在高浓度时才具有杀菌作用。异噻唑酮因此被还原为巯基丙烯酰胺，在 CMIT 的情况下，其互变异构为硫代酰氯，后者与胺如组氨酸和缬氨酸反应 (15)。异噻唑啉酮主要是抑菌剂，仅在高浓度时才具有杀菌作用。异噻唑酮因此被还原为巯基丙烯酰胺，在 CMIT 的情况下，其互变异构为硫代酰氯，后者与胺如组氨酸和缬氨酸反应 (15)。异噻唑啉酮主要是抑菌剂，仅在高浓度时才具有杀菌作用。

 杂项杀菌剂

迄今为止，用于控制冷却水系统中细菌生长的各种抗菌剂的作用机制尚未正式发表。这些包括氯化四烷基鏻、二乙基二硫代氨基甲酸钠、亚甲基二硫氰酸酯 (MBT)、2-硫氰基甲基硫代苯并噻唑、2-硫氰基甲基硫代苯并噻唑、六氯二甲基砜、四羟甲基硫酸鏻 (THPS) 和一系列 2-芳硫基-N烷基马来酰亚胺 (29)。氯化鏻可能具有表面活性剂特性，会破坏细菌细胞包膜。它在极宽的 pH 值范围 (2-12) 内具有活性，可与氧化性杀菌剂一起使用。MBT 很容易与分散剂混溶，以帮助渗透和分散生物膜。迄今为止，这种非金属有机硫化合物的作用方式尚不清楚。硫代氨基甲酸盐被用作提取痕量金属的试剂，例如 Fe、Cd、Co、Cu、Mn、Ni、Pb 和 Zn (34)。这意味着它螯合铁，这是大多数细菌的重要微量元素。亲核硫原子表明与可接触硫醇的潜在反应性。硫代氨基甲酸盐确实会与易接近的硫醇和胺反应。因此，它们的抗菌作用机制部分取决于表面蛋白的变性。我们发现抗菌作用机制取决于硫代氨基甲酸酯的烷基链长度。二乙基二硫代氨基甲酸钠被游离的亚铁灭活，表明它可以从细胞中去除铁（一种生长因子）。二甲基二硫代氨基甲酸钠的灭活程度不同，表明其抗菌活性并不依赖于除铁。2- 硫氰基甲硫基-苯并噻唑在很宽的 pH 值范围内也是稳定的，并且可以与表面活性剂协同使用以帮助分散和/或渗透到生物膜中。六氯二甲基砜在高温下是稳定的，在很宽的 pH 值范围内是一种有效的杀虫剂，尽管它不溶于水，必须以乳液的形式给药。THPS 是一种两性表面活性剂，可与各种表面活性剂混溶，以提高对生物膜的作用。它在酸性和碱性条件下以及在高温下都具有活性，并且在油水混合物中保持水溶性。2-芳硫基-N-烷基马来酰亚胺具有极强的抑菌性，许多衍生物对除铜绿假单胞菌之外的各种细菌的 MIC 为 6.25:g/ml (29)。

化学控制的替代方法

表面嵌入杀菌剂和催化剂

各种叔胺已与聚苯乙烯共价连接 (20)，而季胺化合物已与聚氯乙烯和乙烯醋酸乙烯酯胶乳络合 (44)。广谱抗菌三氯生（2,4,4”-三氯-“-羟基-二苯醚-5-氯-2-（2,4-二氯苯氧基）-苯酚）已被浸渍到各种聚合物中，并显示出抑制表面-相关的增长。它对大多数细菌都有活性，除了铜绿假单胞菌。最近 (57) 报道了一种规避生物膜中细菌耐药性的策略，方法是使用表面嵌入的催化剂在生物膜-基质界面从活性较低的试剂中产生杀生物物质。他们将催化剂钴和铜磺化酞菁嵌入到表面缔合树脂中。

电场增强杀菌活性

众所周知，生物膜中的细菌比浮游生物对杀菌剂的抵抗力更强（见第 3.3 节）。一些研究表明，在 15:A/cm2 到 2.1 mA/cm2 范围内的低强度电场的应用，以及 1.5 到 20 V/cm 的场强可以覆盖生物膜相关电阻 (5, 17) . 当抗菌剂通过电泳效应移动时，电场内的所有区域都会受到影响。

解糖酶

生物膜由细胞外多糖保持在一起。胞外多糖由甘露糖、葡萄糖、岩藻糖、半乳糖、甘露糖醛酸、古洛糖醛酸和丙酮酸的同多糖和杂多糖组成，产生复杂的聚合结构阵列 (7)。糖解酶已被用于降解多糖基质，从而破坏生物膜结构的稳定性，但聚合物的异质性决定了使用混合物 (7, 50)。最近 (31) 证明向糖解混合物中添加乳过氧化物酶不仅有助于生物膜的去除，而且还有助于减少可培养计数。

分散剂（表面活性化合物）

最近，表面活性化合物（表面活性剂）已被用于防止细菌粘附到表面。表面活性剂不太可能对细菌产生任何诱变作用，或者微生物不太可能对表面活性剂的作用产生抗药性，例如杀菌剂 (47, 10)。不幸的是，关于不同生物分散剂（表面活性剂）对细菌附着的有效性的公开信息很少（35）。根据（42），稀释的表面活性剂完全抑制了河口和海洋细菌的附着。表面活性剂导致待处理表面的均匀润湿并具有额外的清洁效果 (10, 35)。Whittekettle (54) 发现表面活性化合物降低表面张力的能力与其防止微生物粘附的能力之间存在相关性。White 和 Russel (55) 根据亲水基团的离子性质对表面活性剂进行分类，即。阴离子、阳离子、非离子和两性离子。

影响治疗方案效果的因素

杀菌剂的抗菌活性取决于它们与某些有机基团的化学反应性。杀菌剂不会在游离基团和细胞结合基团之间进行选择。因此，氧化性杀菌剂会与任何易氧化的有机化合物发生反应，而不仅仅是与活细胞发生反应。杀菌剂的活性受使用环境的化学影响 (53) 。影响杀菌效果的因素如下：

· 酸碱度

· 水硬度

· 有机化合物，如蛋白质或糖类

· 添加剂，例如防垢剂或缓蚀剂

这些因素对不同杀菌剂的影响程度不同。一些杀菌剂在浓缩形式中不是很稳定并且会发生变化。甲醛暴露于极性化合物（酸或碱）或高温时会聚合，暴露于空气时会氧化成甲酸（53）。异噻唑啉酮在 40°C 以上的温度下不稳定，而洗必泰在 70°C 以上的温度下不稳定 (53)。杀菌剂治疗方案的功效降低可能是由于杀菌剂活性降低，或由于不利条件导致失活，并不总是表明细菌耐药性 (13)。

水的化学

抑制结垢和腐蚀的化学物质也被添加到工业用水系统中，其中一些与某些杀菌剂相互作用。铬酸盐用于抑制腐蚀，但也抑制微生物生长，与所使用的杀菌剂协同作用。然而，藻类分泌的乙醇酸可以还原铬酸盐，使其失去活性。二硫代氨基甲酸盐还原铬酸盐，因此这两种物质不相容 (34)。QAC在高浓度下形成不溶性铬酸盐沉淀，因此两者不应同时加入水中。氯化物的粗心应用会将 pH 值降低到可溶解铬酸盐保护膜的程度。Na-2-巯基苯并噻唑是一种被二氧化氯氧化的缓蚀剂。亚甲基二硫氰酸酯在弱碱性条件（pH 7.5）下水解。在水的氯需求量高的地方，添加的大量氯会导致高氯化物水平，从而增加水的腐蚀潜力。氯和季铵化合物会增加铜合金的腐蚀速率。

细菌耐药性

冷却水系统的杀菌剂处理方案经常失败，提出了细菌对杀菌剂的抗性问题。某些作者认为，治疗计划的失败是由于选择了耐药菌株。然而，我们已经表明，在亚抑制浓度连续转移后，易感细菌分离物确实获得了对杀菌剂的耐受性增加。抗性被定义为生物体及其后代在会破坏或抑制菌株其他成员的条件下保持存活和/或繁殖的暂时或永久能力。当细菌对实践中使用的一定浓度的抗菌剂不敏感时，它们可以被定义为具有抗药性。传统上，抗性是指耐受性增加的基础是遗传变化的情况，并且生化基础是已知的。尽管细菌对抗生素的耐药性的基础是众所周知的，但对防腐剂、消毒剂和食品防腐剂的耐药性却鲜为人知。细菌对水处理杀菌剂产生耐药性的基础鲜为人知。

由于杀菌剂的作用具有选择性，因此任何一种杀菌剂的应用都可能导致对耐药细菌的选择。由于生物膜和浮游群落中的细胞不断交换，浮游阶段的细胞死亡会影响平衡，并且浮游和固着种群都会发生变化。杀菌剂攻击细胞功能的目标，使细菌处于压力之下。众所周知，处于压力下的社区具有较低的物种多样性并选择更适合的物种。因此，可以发展出更具抵抗力的社区。杀生物剂的浓度与其活性不呈线性关系；关系中涉及浓度指数。在许多情况下，浓度的小幅降低将导致活性显着降低。在原位杀菌剂评估研究中，我们发现 48 小时后的主要浮游幸存者是在实验室纯培养条件下被相关杀菌剂最有效杀死的物种。一个例子是二氯酚，它在 50 ppm 时杀死 99.94% 的斯氏假单胞菌，但在冷却系统中 48 小时 (43%) 后该物种仍成为主要分离物。此外，硫代氨基甲酸盐在 174 ppm 时杀死了 99.87% 的 P. stutzeri，并使其成为处理系统中的主要浮游幸存者 (62.5%)。QAC-tin 可杀死 100% 的醋酸钙不动杆菌并留下不动杆菌属。在系统中占主导地位（40%）。尽管幸存的菌株可能是不同的菌株，但相关性是惊人的。一个例子是二氯酚，它在 50 ppm 时杀死 99.94% 的斯氏假单胞菌，但在冷却系统中 48 小时 (43%) 后该物种仍成为主要分离物。此外，硫代氨基甲酸盐在 174 ppm 时杀死了 99.87% 的 P. stutzeri，并使其成为处理系统中的主要浮游幸存者 (62.5%)。QAC-tin 可杀死 100% 的醋酸钙不动杆菌并留下不动杆菌属。在系统中占主导地位（40%）。尽管幸存的菌株可能是不同的菌株，但相关性是惊人的。一个例子是二氯酚，它在 50 ppm 时杀死 99.94% 的斯氏假单胞菌，但在冷却系统中 48 小时 (43%) 后仍使该物种成为主要分离物。此外，硫代氨基甲酸盐在 174 ppm 时杀死了 99.87% 的 P. stutzeri，并使其成为处理系统中的主要浮游幸存者 (62.5%)。QAC-tin 可杀死 100% 的醋酸钙不动杆菌并留下不动杆菌属。在系统中占主导地位（40%）。尽管幸存的菌株可能是不同的菌株，但相关性是惊人的。在系统中占主导地位（40%）。尽管幸存的菌株可能是不同的菌株，但相关性是惊人的。在系统中占主导地位（40%）。尽管幸存的菌株可能是不同的菌株，但相关性是惊人的。

杀菌剂治疗方案的效果有时会下降的原因有两个。一是降低杀菌剂的活性，二是降低细菌对杀菌剂的敏感性。在抗生素研究领域已经报道了三种耐药机制：

l 抗菌剂无法到达其作用部位，

l 不存在易感部位，或改变为不易感形式，以及

l 抗菌剂的失活。

杀菌剂的作用不如某些抗生素特异，因此蛋白质中反应位点的改变或氨基酸的取代不会使细菌细胞产生抗药性。因此，不可接近性和失活是两类可能的抗性机制。此外，主动去除杀生物剂是第三类抗性。

渗透性降低

杀菌作用的初始阶段是与细菌细胞表面结合。然后它必须穿过细胞壁（革兰氏阳性）或外膜（革兰氏阴性）到达其在细胞质膜或细胞质处的作用位点。在革兰氏阳性菌中，没有特定的受体分子或渗透物来帮助或阻止杀菌剂的渗透。巨大芽孢杆菌的细胞壁可渗透高达 30 kI 的分子）。因此，革兰氏阳性菌对杀菌剂的内在抗性很低。然而，革兰氏阴性细胞包膜已经进化到将物质进出细胞的通道调节到显着程度的特异性。除肽聚糖外，细胞包膜的所有成分都在屏障机制中发挥作用，因为肽聚糖是海绵状的，因此具有渗透性。P。绿脓杆菌是对大多数杀菌剂最有抵抗力的非孢子形成细菌，因为它的外膜具有出色的阻隔性能。在最近的一项研究中，比较了一系列新型 2-芳硫基-N 烷基马来酰亚胺的抗菌活性，发现其中许多对金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌和大肠杆菌具有活性。所测试的 51 种衍生物中只有一种对铜绿假单胞菌具有微弱的活性。

细胞的生理状态和栖息地的性质会导致细菌对杀菌剂的敏感性发生相当大的变化。细菌细胞包膜的组成确实会随着对可用或有限营养物质的反应而改变，从而影响包膜的屏障特性。暴露于亚抑制浓度的杀菌剂会导致表型适应，从而产生抗性细胞群。在大肠杆菌中，由热或饥饿应激诱导的某些蛋白质也赋予对 11202 和紫外线的抵抗力。大多数杀菌剂抗性是由于适应，并且抗性表型在去除杀菌剂后大部分丢失。

外排系统

细菌可以通过膜外排系统将化合物主动泵出细胞。迄今为止，仅描述了一种类型的杀菌剂外排系统，即金黄色葡萄球菌的 QAC 外排系统。该流出系统由两个基因系统编码。基因 qacA 和 qacB 编码高水平的抗性，而 qacC 和 qacD 编码低水平的抗性。qacC 和 qacD 与金黄色葡萄球菌中编码溴化乙锭抗性的 ebr 基因进一步相同，这解释了为什么对 QAC 的抗性通常与对溴化乙锭的抗性同时存在。qacA 基因编码一个 50 kD 的蛋白质，该蛋白质介导苯扎氯铵和溴化乙锭的能量依赖性流出。qacc 基因还介导苯扎氯铵和溴化乙锭的能量依赖性流出。

杀菌剂的酶降解

对抗菌剂的抗性可能是由于酶将杀菌剂转化为无毒形式。该现象通常从生物降解的角度进行研究，即。有毒污染物的生物降解。许多对许多细菌有毒的芳香族、酚类和其他化合物（其中一些用作杀菌剂）可以被某些细菌降解。该主题已被多位作者审查，目前的文献广泛报道了生物降解途径。

已经记录了两种类型的酶介导的抗性机制，即。抗重金属和抗甲醛。对重金属的抵抗力包括对以下物质的抵抗力：汞、锑、镍、镉、砷酸盐、钴、锌、铅、亚碲酸盐、铜、铬酸盐和银。解毒通常是通过将阳离子酶还原为金属。一些重金属抗性基因携带在质粒上，而另一些则携带在染色体上。抗性表型通常由重金属的存在诱导。一些重金属会引起对更广泛的重金属的抵抗力。例如，砷酸盐、亚砷酸盐和锑会在大肠杆菌中相互诱导抗药性。铜绿假单胞菌和恶臭假单胞菌对甲醛的解毒作用已被广泛研究。甲醛被 NAD + - 谷胱甘肽依赖性脱氢酶、甲醛 NAD + 氧化还原酶还原。这种酶可能是质粒编码的，并且似乎是组成型表达的。对大多数释放甲醛的甲醛缩合物的抗性也是由于甲醛脱氢酶活性，因为这些缩合物的抗菌机制似乎是通过甲醛。

生物膜相关抗性

生物膜中的细菌比浮游细菌更能防止杀菌作用。在最近的一项研究中，发现生物膜细菌对次氯酸的抵抗力是未附着细胞的 150 到 3000 倍，对一氯胺的抵抗力是未附着细胞的 2 到 100 倍。已发现以生物膜形式生长的铜绿假单胞菌对妥布霉素的耐药性是浮游细胞的 20 倍。提出了生物膜细菌对杀菌剂抗性增加的三个原因。这些并不能充分解释生物膜抗性现象，但列举如下：

l EPS 材料是一种聚阴离子聚合物，用作交换树脂。它定量吸附杀菌剂，保护细菌细胞免受杀菌剂作用。生物膜含有大量的 EPS，可以保护常驻细菌免受杀菌剂的侵害。

l 在生物膜中生长的革兰氏阴性菌具有较高比例的不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸以及较高的 C16 与 C18 脂肪酸比例。抗性细菌在膜脂质分布中表现出类似的变化。

l QAC和两性抗性细胞的表面疏水性高于未适应的细胞。由于附着结构，生物膜细菌通常具有更高的表面疏水性。

第一个原因是有问题的，因为细菌在 biofilins 中生长的原因是 EPS 作为营养池，从周围的水中吸引有机化合物。最近的工作支持有机材料以某种方式被 EPS 吸引并与之相关联的理论。至少这些分子中的一些必须扩散到嵌入 EPS 中的微生物中，以促进观察到的生长。非氧化性杀菌剂，是小到中间尺寸的有机分子，也将与 EPS 有利地结合。至少有一些会扩散到嵌入 EPS 中的微生物中并发挥它们的抗菌活性。抵抗力增加的机制必须与在生物膜环境中生长的细胞表面特性的改变有关。原因 2 和 3 可能是正确的。

杀菌剂的致突变性

一些杀菌剂是有毒物质，其毒性范围比单纯的细菌更广。有些是诱变剂甚至致癌物。表 4 总结了杀菌剂可用的 LD50 值，以及可用的致突变性数据。诱变剂是诱导任何生物体 DNA 突变的物质。此外，许多诱变剂是致癌物。来自水冷却系统的细菌突变将增加对杀菌剂的抗性发展速度，因此需要添加更高水平的杀菌剂。这种处理过的水在释放到环境中时会携带大量的致突变和可能致癌的杀生物剂。这将影响地下水源、河流、水坝和灌溉农业土壤。它也可以到达饮用水源。将此类物质释放到自然界对人类生命是危险的。甲醛本身就是致癌物。用于杀生物剂的第二种诱变化合物是 5-氯-N-甲基异噻唑酮 (CMIT)。相关的异噻唑酮类苯并异噻唑酮 (BIT) 和 N甲基异噻唑酮 (MIT) 不具有致突变性。硫代氨基甲酸盐对人体无毒，因为它们是用于治疗酒精中毒的某些药物的降解产物。

材料和方法

使用的生物体

所有实验均使用从冷却水系统中分离出的铜绿假单胞菌 (10)。

使用的杀菌剂

：阳极液和阴极液由 Radical waters 提供。在第一个实验中，使用 1:10 稀释的阳极液。在第二个实验中，使用比例为 5:1 的阳极液和阴极液以 1:10 的比例混合使用。

实验程序：

连续流通系统 Pedersen 装置 (39) 用于确定 Ps 的生物膜去除。不锈钢表面和玻璃上的绿脓杆菌。

DAPI 染色：

DAPI 染色如先前研究中所述进行（Wolfaardt 等，1996）。使用 4,6-二脒基-z-苯胺 (DAPI) 对附着的细菌进行量化。将 75 x 27 x 1mm 的试样从 Pedersen 装置中取出并用无菌水冲洗，如生物膜形成的 SEM 研究中所述，并用 DAPI 染色用于落射荧光显微镜检查（Wolfaardt 等人，1991）。使用落射荧光显微镜在油浸下观察附着的细菌。在 800 x 放大倍率下对十个随机选择的显微镜视野进行计数。

扫描电子显微镜 (SEM)

在 4、8、24、32、48 和 56 小时，用无菌镊子从改良的 Pedersen 装置中一式两份取出试样 (25 x 27 x 1mm)，并用无菌试样代替，以保持流量恒定。取出试样后，用无菌蒸馏水冲洗 30 秒以去除任何未附着的细胞，然后通过以下一系列处理固定用于 SEM：2% 戊二醛（1 小时）；0.175M 磷酸盐缓冲液（3 x 15 分钟）；50% 乙醇（1 x 15 分钟）；70% 乙醇（1 x 15 分钟）；90% 乙醇（1 x 15 分钟）和 100% 乙醇（3 x 15 分钟）。然后将试样在临界点干燥器中干燥，安装在螺柱上并涂上金等离子体，并使用日立 S-450 扫描电子显微镜进行检查。

生物膜去除：

为了研究生物膜去除，在加入杀菌剂之前，让细菌在 R2A 琼脂中粘附在 3CR12 不锈钢试样表面 168 小时。允许实验进行78小时。处理前取出样品，处理后每小时取出样品 6 小时。用 DAPI 和 SEM 确定生物膜去除情况。对于第一个实验，阳极液以 1:10 的比例添加到系统中。在第二个实验中以 1:10 的比例添加阳极液/阴极液 (5:1) 的混合物。对于这两个实验，都包括了一个使用大坝水的控制系统，其中没有添加杀菌剂。

活菌计数

在添加杀菌剂之前和6小时后再次测定浮游阶段的活菌总数。在 R2A 琼脂上进行平板计数并在环境温度下孵育以模拟实验条件。

结果与讨论

阳极液溶液（1:10 稀释）在 6 小时内有效去除了成熟的铜绿假单胞菌生物膜（图 1）。在同一时期，阳极液还将浮游细菌数量从 2.41 x 107 cfu ml-1 减少到 <10 cfu ml-1（表 1）。DAPI 染色剂褪色表明阳极液在 1 小时内杀死了生物膜中的细菌。该系统再运行 72 小时以确定是否会发生生物膜再生。处理后 24 小时观察到生物膜的再生（图 2）。72 小时后 cfu 增加到 1,33 x 106 cfu ml-1 反映了浮游细菌的再生（表 1）。这些结果与 Brözel 和 Cloete (10) 一致，他们指出再生通常在杀菌剂处理后 48 小时内发生。再生主要归因于两个因素：首先，在某些情况下，

以 1:10 的比例添加的阳极液/阴极液（5:1 比例）溶液也有效地去除了成熟的铜绿假单胞菌生物膜。阳极/阴极溶液在 3-4 小时内有效去除了生物膜（图 2）。值得注意的是生物膜结构在去除之前的分散（1 小时后）（图 2）。处理后 24 小时，生物膜开始再生（图 2）。浮游细菌的再生发生在 72 小时后（表 2）。

图 3-9 是杀菌剂处理前后生物膜行为的代表性扫描电子显微照片。图 3 和图 4 表示处理 1 小时前后的生物膜。许多微菌落可以清楚地看到表面定植。同样值得注意的是脱水的糖萼结构（生物膜）。这些微菌落在处理 2 小时（图 5）和 3 小时（图 6）后仍然可见。然而，与 0h 和 1h 相比，微菌落的数量和大小都更少。处理 4 小时后（图 7），观察到非常少的微菌落，甘醇酸（生物膜）不再明显。治疗 24 小时后，情况保持不变（图 8）。尽管如此，DAPI 染色表明生物膜的再生（图 2）。这种差异归因于 DAPI 和 SEM 的制备方法不同，

结论

l 阳极电解液和阳极电解液/阴极电解液组合都有效地去除了成熟的铜绿假单胞菌生物膜，并在 6 小时内将细菌数量从 >107 cfu ml-1 减少到小于 10 cfu ml-1。

l 在杀菌剂处理后 24 小时观察到生物膜的再生，浮游细菌数量也是如此。

                                                                            安柯孚莱（北京）环保技术有限公司