任务6.6化学药剂对微生物的作用

任务6.6　化学药剂对微生物的作用

6.6.1　化学药剂的效力

化学药剂的效力受时间、温度、pH值和浓度的影响。就像前面对加热效应的解释，微生物死亡率与其暴露在化学药剂中的时间长短有关。

因此，充足的时间能使抗菌剂最大限度地杀死微生物。某化学药剂对微生物的致死速度随着温度升高而加快，一般温度每升高10℃化学反应速率就增加一倍，也增加了化学药剂的效力。偏酸或偏碱pH值会增加或降低药物的效力，能增加化学药剂电离程度的pH值环境常能增强药剂渗透进入细胞的能力。这样的pH值环境也能改变细胞本身的内部体系。最后，提高浓度也会增强大多数抗微生物化学药剂的效力。高浓度时可能是杀菌（杀死微生物），而低浓度时则可能是抑菌（抑制微生物生长）。而乙醇和异丙醇并不符合浓度增加杀菌效果增强的规律，虽然它们在浓度为99%时仍然有效，但是大家早就知道它们在浓度为75%时的效力最大。醇消毒时必需存有水分，因为消毒是使菌体蛋白质凝固（不可逆变性），而凝固反应需要水的参与。另外，75%的乙醇水溶液比纯乙醇更容易渗透到大多数被消毒物体中。

6.6.2　化学药剂效力评价

影响化学药剂效力的因素有很多，有石炭酸系数、滤纸法、稀释法等。

1）石炭酸系数

自从1867年李斯特将苯酚（石炭酸）作为消毒剂后，它就成为一种标准的消毒剂。其他消毒剂都在相同条件下与之比较，比较结果称为石炭酸系数。鼠伤寒沙门氏菌是一种消化系统的病原菌，金黄色葡萄球菌是一种普通伤口病原菌，它们都是用来确定石炭酸系数的典型菌。石炭酸系数为1.0的消毒剂的效力与苯酚相同；石炭酸系数小于1.0就意味着它的效力比苯酚小；系数大于1.0就意味着它的效力比苯酚大。不同供试菌的石炭酸系数并不相同（表6.5）。例如，来苏儿对金黄色葡萄球菌的石炭酸系数为5.0，而对鼠伤寒沙门氏菌的石炭酸系数只有3.2；可是乙醇对以上两种菌的系数均为6.3。

表6.5　不同化学药剂的石炭酸系数

石炭酸系数可由以下操作步骤测定：制备不同稀释度的某种化学药剂，取相同体积分别加到不同的试管中，同法制备一组不同稀释度的苯酚试管。把两组试管在20℃水浴中放置至少5min，确保试管中溶液都处于的温度；在每个试管中加入0.5mL的供试菌；在5 min、10min、15min间隔，用无菌的接种环从每个试管中取一定体积的液体分别接到一系列肉汤培养基试管中，并进行培养；48h后比较各个试管中培养基的浑浊度，找出10min内，而不是5min内能够全部杀死微生物的该液体的最小浓度（即最大稀释度）。算出该稀释度与达到同效力的苯酚稀释度的比率。例如，1:1000稀释度的化学药剂与1:100稀释度的苯酚有相同效力，那么该化学药剂的石炭酸系数为10（1000/100）。

2）滤纸法

评价化学药剂的滤纸法比石炭酸系数测定方法简单。它使用滤纸小圆片，每张用不同的化学药剂浸泡。将供试菌接种到琼脂平板上，然后把圆片放置在琼脂平板表面。每个平板只用于一种受试菌。培养一段时间后，当细菌被杀死时，滤纸片周围就会出现透明圈（抑菌圈），这样就可以判定药剂的抑菌效力（图6.40）。

图6.40　不同细菌对一些化学试剂的不同反应

3）稀释法

评估化学药剂的第三种方法是稀释法，它是以特定菌作为标准。把含有细菌的肉汤培养基涂到不锈钢的小圆柱体上，让其干燥。将圆柱体分别放到含不同稀释倍数药剂的溶液中，浸泡10min，取出，用水清洗，然后放到有培养液的管子中进行培养，观察各个管子中特定菌是否生长。在最大稀释倍数下能让菌体生长的药剂被认为最有效。很多微生物学家认这个指标比石炭酸系数更有意义。

4）消毒剂的选择

在选择消毒剂时应该考察它们的一些性质。一个理想的消毒剂应该具备：

①当存在有机物时仍能快速反应，比如在体液中；

②对所有类型的感染因子都有效，并且不会破坏组织，即使不慎吸入也不产生毒性；

③很容易渗透到待消毒材料中，且不会损坏材料或使其褪色；

④容易配置，暴露在光、热或其他环境因素下也稳定；

⑤便宜、容易获得和使用；

⑥没有难闻的味道。

实践中，许多药剂在大范围的情形下被测试，推荐它在最有效的地方使用。因此，有些消毒剂被用来消毒房间设备和餐具，而另一些被选来使病原培养物无害化。某些消毒剂在浓度稀释的条件下可针对皮肤使用，在较高浓度时可针对非生命的物体。

6.6.3　化学药剂抵抗微生物的作用机理

化学药剂主要是通过一个或多个能破坏细胞成分的化学反应达到杀灭微生物的目的。虽然化学反应药剂的种类不计其数，但是我们可以按药剂是作用于蛋白质、细胞膜还是其他细胞成分来进行分类。

1）作用于蛋白质的反应

细胞主要由蛋白质组成，几乎所有的酶都是蛋白质。改变蛋白质结构的过程称为变性。变性是指蛋白质中的氢键和二硫键断裂，行使功能的空间结构被破坏。能使蛋白质变性的任何物质都能阻止蛋白质的正常功能。温和加热、弱酸、弱碱或其他物质短时间处理，会使蛋白质发生可逆变性。去除这些变性剂后，有些蛋白质能够回复正常结构。然而，大多数化学药剂是在高浓度下处理足够长的时间，造成蛋白质不可逆变性。微生物蛋白质的不可逆变性会造成菌体死亡。如果它们能永久改变蛋白质使其无法恢复，变性就成了杀菌；如果它们是可逆性改变蛋白质，后者能恢复正常状态，那么，变性就成了抑菌。

2）影响细胞膜的反应

细胞膜中含有蛋白质，因此，上述所有反应都会使膜发生改变；细胞膜中还含有脂类，因此，能溶解脂类的物质也能破坏细胞膜。表面活性剂是一种能降低表面张力的可溶性化合物，例如肥皂和洗涤剂能够分解洗碗水中的油脂分子。表面活性剂包括醇、洗涤剂、季铵盐化合物等，例如苯扎氯铵溶解脂类；苯酚属于醇类，既可以溶解脂类又可以使蛋白质变性；洗涤剂又称为润湿剂，常与其他化学试剂合用，帮助其快速穿透脂肪物质。虽然洗涤剂本身不杀微生物，但是它们会帮助去除脂类和其他有机物，从而使化学药剂能够直达菌体。

3）影响细胞其他成分的反应

受化学试剂影响的细胞其他成分包括核酸和产能系统。烷化剂能取代核酸中氨基或羟基上的氢，结晶紫等染料会干扰细胞壁的合成，而像乳酸和丙酸等物质会抑制某些细菌、霉菌和其他生物的发酵，从而阻碍其能量代谢。

6.6.4　化学药剂的种类和应用（表6.6）

表6.6　化学药剂的性质和作用

1）酸和碱

肥皂是温和的碱，碱性能帮助它损伤微生物。许多有机酸能够将溶液pH值降低到抑制发酵的程度。有些被用作食物防腐剂，乳酸和丙酸能够阻碍霉菌在面包或其他产品中的生长。苯甲酸及其几种衍生物能阻止软饮料、番茄酱和人造黄油中真菌的生长。山梨酸及山梨酸酯被用来防止奶酪和各种食品中的真菌生长；硼酸，早期曾用作洗眼液，但因其具有毒性，如今已不再推荐使用。

2）重金属

用作药剂的重金属包括硒、汞、铜和银。即使含量相当低，它们也能有效抑制细菌生长。硝酸银曾被广泛用于预防新生儿的淋球菌感染，因为婴儿从产道出生过程中，淋球菌很容易进入眼睛而引起感染，所以分娩时需要在婴儿眼睛中滴几滴硝酸银溶液以预防感染。后来，很多医院用红霉素等抗生素代替硝酸银。但由于淋球菌的抗药性在不断增强，有些地方仍需要使用硝酸银，以抑制淋球菌耐药性上升的趋势。

硫柳汞和红药水等有机汞化合物用于伤口的表面消毒。这些试剂能杀死大多数细菌的营养细胞，但是并不能杀死孢子，且对分支杆菌无效。硫柳汞一般做成酊剂，即溶解于酒精中。而酊剂中的酒精也许比重金属化合物有更强的杀菌作用。

另一种有机汞化合物是硫汞撒，它用于皮肤和仪器的消毒或是疫苗的防腐。硝酸苯汞和环烷酸汞能够抑制细菌和真菌，所以可用作实验室消毒剂。

二硫化硒能杀死真菌及其孢子，含硒制剂通常用来治疗真菌性皮肤病；含硒洗发液能有效控制头皮屑。头皮屑是头皮剥落下来的小片，虽然不是全部，但常常是由真菌引起的。

硫酸铜能有效控制藻类生长，所以，可以用来作为游泳池等处的消毒剂。

3）卤素

在水中通入氯气生成的次氯酸能有效抑制饮用水和游泳池中的微生物。次氯酸也是家用漂白剂的主要成分，用来消毒餐具及牛奶设备。它能够有效杀死细菌和使许多病毒灭活。

碘也是有效的抗微生物剂，但它不适用于对碘过敏的人。海鲜过敏通常也是由海货中的碘所引发的。碘酒是最先被使用的皮肤消毒剂之一。碘伏是目前常用的碘与有机分子结合形成的缓释化合物，在这种制剂中，有机分子起到表面活性剂的作用。

在外科手术前消毒和皮肤切口前消毒都采用聚维酮碘，这些化合物需要经过几分钟才能发挥作用，它们并不能使皮肤无菌。浓度3%～5%的聚维酮碘可破坏真菌、变形虫、病毒以及大多数细菌，但是不能破坏芽孢。而聚维酮碘被洋葱假单胞菌污染已有报道。

有时，溴以气态的甲基溴形式熏蒸那些用于盆栽花草的土壤。它也被用在一些游泳池和室内热水缸中，因为它不会释放出和氯一样强烈的气味。

氯胺是氯和氨的复合物，虽然杀灭微生物的能力不如其他含氯化合物，但是去除异味的效果非常好。它常用于伤口清洗、根管治疗并经常用在水处理过程中。但请注意：它的残留物会杀死鱼缸或池塘中的鱼。不过，一些商用产品已能抵消这种效应。

4）醇类

与水混合，醇就能使蛋白质变性。醇还是脂溶剂，能溶解细胞膜。所以，乙醇和异丙醇可作为皮肤消毒剂。由于对乙醇的法律限制调整，异丙醇更为常用。它被用于注射和抽血部位的皮肤消毒。因为醇类消毒剂极易挥发，与微生物的接触时间才不过几秒钟，所以它们无法使皮肤无菌，它们也不能通过皮肤毛孔渗进深层组织。它能杀死皮肤表面的微生物营养细胞，但无法杀死芽孢及毛孔深处的细菌。在75%乙醇溶液中浸泡10～15min即可完成对温度计的消毒。

5）酚

苯酚及其衍生物能破坏细胞膜、使蛋白质变性和酶失活。因为它们的功效不受有机物的影响，所以它们被用于表面消毒或废弃培养物的处理。酚衍生物含有戊苯酚，它能破坏细菌和真菌的营养细胞，并能灭活病毒。它被用于皮肤、医疗设备、餐具和家具的消毒。而且它的抗菌效应在物体表面能持续好几天。

此外，来苏儿溶液中的邻苯基苯酚也有同样功效。杂酚油中常含有酚衍生物甲酚，它可以作为木桩、木栅栏以及铁路枕木等的防腐剂，但因为杂酚油会刺激皮肤且是致癌剂，所以它的使用有限。在酚类中添加卤素常会增强其功效，如六氯酚和二氯酚就是卤化酚，它们分别能有效抑制皮肤或其他部位的葡萄球菌和真菌。与六氯酚结构相似的双氯丙双胍己烷葡萄糖盐，即使在有机物存在时也能有效抑制多种微生物，所以它适用于外科清洗。

三氯生由两个酚环相连而成，如今广泛用于抗菌皂、厨房砧板、高脚托盘、玩具和洗手液等消费品。它对细菌非常有效，但对真菌和病毒的效果不大。另外，细菌会产生对它的抗性。

6）氧化剂

氧化剂能打断蛋白质的二硫键，造成细胞膜和蛋白质结构的破坏。能放出高度活泼的O₂的双氧水被用来清洗开放性伤口。它能分解出氧气和水，氧能够杀死伤口中厌氧性微生物。受伤组织中的酶也会迅速使双氧水失去作用。双氧水也适合于隐形眼镜消毒，但在佩戴之前必须彻底清除过氧化氢，否则它会对眼睛造成刺激。新近开发的用气化过氧化氢的灭菌方法，适用于如手套箱和超净台等小空间。另一种氧化剂——高锰酸钾常被用于消毒器械，低浓度时可以用于皮肤消毒。

7）烷化剂

烷化剂能破坏蛋白质和核酸结构。正因为它们会破坏核酸，所以它们会引发癌症，不能用在有可能危害人体细胞的场合。甲醛、戊二醛、β-丙内酯以水溶液形式使用，而环氧乙烷以气态使用。

甲醛能使病毒和毒素失活，但不破坏它们的抗原性；戊二醛能够杀死包括孢子在内的所有微生物，接触戊二醛达10h就能对设备进行灭菌。β-丙内酯能杀灭肝炎病毒和大多数微生物，却对物体的渗透性较差。但它可以在疫苗制作中钝化病毒。

气态环氧乙烷有很强的穿透力。在50℃，用浓度为500mL/L气态环氧乙烷处理4h，就能对橡胶制品、气垫、塑料或一些高温下易损坏的物品进行灭菌。另外，NASA也用环氧乙烷对太空探测器消毒，以免将地球微生物带到其他星球。

所有经过环氧乙烷灭菌的物品必须在无菌空气中通风8～12h，去除残留的毒气。如果接触活组织，会造成烫伤，且易爆。接触过环氧乙烷气体的导管、静脉注射管、单向阀和橡胶管需要用无菌空气彻底风淋。在二氧化碳浓度达90%的气体中使用环氧乙烷，其毒性和可燃性都会降低。非常重要的是要避免工作人员接触环氧乙烷蒸汽，因为它对皮肤、眼睛、黏膜都有毒性，且致癌。

8）染料

吖啶染料会引起DNA突变从而干扰细胞复制。它可用于清洗伤口。亚甲基蓝能抑制培养基中的细菌生长。结晶紫（龙胆紫）可以阻断细胞壁合成，可能与革兰氏染色中，结晶紫与细胞壁物质结合反应相似。结晶紫能有效抑制培养基和皮肤感染中革兰氏阳性菌的生长。另外，它也用于治疗由原生动物和酵母（白色假丝酵母）引起的感染。

6.6.5　化学因素对微生物的影响

1）仪器和材料

无菌牛肉膏蛋白胨固体培养基、无菌平皿、玻璃刮铲、酒精灯、超净工作台、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、95%乙醇、75%乙醇、4%的石炭酸，10%84消毒液、2%碘伏、打孔器、滤纸片、无菌水等。

2）操作过程

①将配制好的牛肉膏蛋白胨培养基倒平板。培养基凝固后挑取无污染的平板使用。

②各取大肠杆菌和葡萄球菌，制成1/10000比例的菌悬液，按无菌操作法在平板培养基中涂布操作，直至培养基将菌液完全吸收（每种菌种涂两个）。

③将上述平皿用记号笔在平皿底划成六等份，每一等份内标明一种药物的名称。

④用打孔器将滤纸打成2cm直径的小圆形滤纸片，置于洁净平皿中，高压灭菌。

⑤用无菌镊子将小圆形滤纸片分别浸入各种药品中，取出，并除去多余药液后，以无菌操作将纸片对号放入培养皿的小区内。

⑥竖放好滤纸片的含菌平皿，倒置于37℃温室中培养24h后，取出测定抑菌圈大小，并说明其杀菌强弱。

3）结果记录，将结果记录在表6.7和表6.8中。

表6.7　不同的消毒剂对大肠杆菌的抑菌效果

表6.8　不同的消毒剂对金黄色葡萄球菌的抑菌效果

抑菌率＝（菌圈直径－滤纸片直径）/滤纸片直径×100%