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抗菌催化的新概念:船舶壓載水的消毒

Theologides CPTheofilou SPPG薩瓦Olympiou GG科斯塔CN＊

塞浦路斯理工大學環境管理與技術係，環境催化實驗室，郵箱:50329,CY 3606，利馬索爾，塞浦路斯

*通訊作者:塞浦路斯理工大學環境管理與技術係環境催化實驗室科斯塔CN，郵箱:50329,CY 3606，利馬索爾，塞浦路斯電子郵件:costas.costa@cut.ac.cy


摘要

本文介紹了船舶壓載水消毒/處理(SBW)的抗菌催化新概念，這被認為是航運業的優先問題。考慮到離子銀(Ag+)， 5種銀負載催化劑(Ag/γ-Al2O3.)，以不同負載(0.05 wt%， 0.1 wt%， 0.2 wt%， 0.5 wt%和1 wt%)製備並用於船舶壓載水的抗菌處理。研究了上述催化劑的殺菌活性大腸杆菌而且糞大腸細菌。催化實驗在三相連續流攪拌釜反應器中進行，采用半批量模式。研究發現，使用金屬含量最低的催化劑，對大腸杆菌含大腸杆菌溶液處理90 min後，抑菌率達到95.8%，而對糞大腸治療60 min後有76.2%的an糞大腸細菌的解決方案。本工作的結果表明，所製備的單金屬催化劑在短時間內發揮其抗菌活性，首次揭示了在固體載體上沉積離子銀的抗菌多相催化領域可能對SBW的消毒具有決定性作用。

關鍵字

國際海事組織;水消毒;催化;壓載水;銀


簡介

眾所周知[1-6]，船舶使用的壓載水(BW)旨在通過確保船體的完整性、穩定性和機動性，並通過補償貨物裝卸以及船舶的燃料和水消耗來緩解航行條件。根據統計數據，主要由於航運是貿易的主導部門[7,6]，通過船舶壓載艙[8]轉移的水量約為100億噸，排放在全球各港口[7,9]。因此，壓載水中所含的生物區係，包括微藻、大量小型無脊椎動物、水生植物和魚類的幼蟲、種子、孢子、卵、病毒和細菌[10,4]，可能在壓載艙中存活，並隨後破壞排出的水生或非水生生態係統，成為非本地物種(1,9-11)。結果，不同海洋物種之間的自然屏障目前正在崩潰。因此，通過對壓艙水的基本使用，產生了相當大的環境問題，對世界經濟和公共衛生都造成了毀滅性的後果[1,4- 6,7,9,12 -14]。關於後一個受影響的部門，許多微生物，如被引入新的海洋環境的細菌病原體，被認為是造成世界許多區域嚴重疾病和大流行病傳播的原因[15,11,10,14]。此外，這些細菌在壓載水中的高密度[12,16,10]，加上它們極快的繁殖速度，對各種環境條件的廣泛抗性和在惡劣條件下生存的能力，促使國際社會認識到，與入侵的浮遊植物和浮遊動物物種[12]相比，壓載水細菌和病毒的處理是一個優先考慮的問題。

因此，考慮到船舶運輸致病物種是航運業正在努力解決的當前問題之一[15,12,10,4,5,17-19]，國際海事組織(IMO)最近對人類病原體實施了嚴格的規定:霍亂弧菌(1 cfu/100毫升)，大腸杆菌(250 cfu/100毫升)和細菌群腸道Enterococci(100 cfu/100 ml)[17,15,5,6]。這些規定連同其他壓載水管理準則被包括在國際海事組織於2004年2月13日頒布的《船舶壓載水和沉積物控製和管理國際公約》(BWM公約)中，該公約是防止外來物種轉移的國際努力的成果[1,5]。

此外，如表1所示，在完成簡要評估後，很容易得出，目前的壓載水處理方法對於此類水的微生物處理既不合適也不有效[17,4,6,8]。因此，發明和應用更有效、負擔得起和環保的技術，特別是壓載水微生物處理技術，是主要關注的問題，因為上述公約比以往任何時候都更接近生效，記錄了50個國家的批準，占世界商船噸位所需的35%[5]的34.81%。

治療方法 Eco -
友好的		 經濟 殺菌效率
BW交換 高 溫和的 低
卸壓後處理(港口設施) 高 低 高
經處理水的壓載物 高 低 高
過濾和旋風分離 高 溫和的 低
過濾/紫外線輻射 高 低 高
熱處理-熱處理 高 低 溫和的
微波 高 低 高
超聲波 高 低 低
電脈衝 高 低 低
殺菌劑(氯、臭氧) 低 溫和的 高
脫氧 高 低 溫和的
電離磁選 高 低 溫和的
光催化/臭氧(UV/ AgTiO2+ O3.） 溫和的 低 高
表1:目前壓載水處理技術的評價

因此，利用抗菌性能已知[20-29]的銀進行抗菌多相催化，似乎是一種理想的壓載水消毒方案[30,31]。銀(Ag)是汞和碲等多種金屬中的一種，這些金屬對於微生物細胞的正常功能和完整性並不是必需的[23,25]。相反，即使濃度極低，這些金屬也被歸類為對細胞具有劇毒，因為每個細胞所使用的防禦機製都被粕離子的活性所克服[32,25,27]。銀顯著的殺微生物活性增強了其在各種應用和產品中的應用，如生物醫學應用、空氣淨化、化妝品、服裝和水處理[23,24,27]。雖然銀的作用機製尚未完全闡明，但其抑菌活性主要在於生成銀離子(Ag+)、過量活性氧(ROS)的產生以及幾種細胞基因表達的抑製[25,27]。

Ag0氧化後產生的銀離子可與關鍵酶和蛋白質相互作用，抑製代謝通路，或誘導胞外膜形成凹坑，導致細胞裂解[20,24,25,27]。此外，銀離子促進過量活性氧(ROS)的產生，除了滲透到細胞內部引起氧化應激或一些DNA損傷和細胞擴張死亡外，還可以導致觀察到細胞外膜嚴重的形態變化[20,24 27]。

因此，認識到水的消毒是每一種壓載水處理方法的主要選擇標準之一，本工作參與了使用銀負載催化劑可能的抗菌性能的檢查大腸杆菌(革蘭氏陰性)[33]和糞大腸(革蘭氏陽性)[34]作為指示微生物[35]，根據IMO BWM公約[5]的D2規則。

材料與方法

在本工作中，五種單金屬負載催化劑，0.05 wt% Ag/γ-Al2O3.， 0.1 wt% Ag/γ-Al2O3.， 0.2 wt% Ag/γ-Al2O3.， 0.5 wt% Ag/γ- Al2O3.，和1 wt% Ag/γ-Al2O3.為壓載水的抗菌處理製備和檢測。采用改良的濕法浸漬法製備了上述催化劑。最初，商業γ-氧化鋁球(Sasol，代碼604130)浸泡在含有一定量的化合物AgNO的溶液中3.(Panreac，代碼131459)，銀金屬前驅體，溶解在去離子水中，用作溶劑，以獲得每種催化劑所需的負載。氧化鋁球在上述溶液中溫和攪拌24小時，然後在6小時內(pH=8)蒸發。因此，催化球在120°C下輕度幹燥，然後在400°C的空氣中煆燒2小時。

使用一係列先進的分析技術，催化劑的物理化學性質和所述鋁塗層程序的有效性已經被徹底檢查和報道[36,37]。采用原子吸收光譜(AAS)和布魯瑙-埃米特-泰勒(B.E.T.)技術對催化劑的實際金屬負載和內表麵積進行了表征。

裝置

催化實驗采用半批式模式，采用三相連續流攪拌釜反應器(美國高壓釜工程公司和西班牙PID Eng & Tech公司)，反應器配有Mahoney-Robinson催化劑籃，該催化劑籃的設計是為了確保三相之間的最大接觸麵積，並盡可能減少質量輸送現象[37,38]。氣相氧化介質(20% O2/80% He)保持連續流動，固相和液相保持靜止

催化實驗

對於每個實驗，都將預先稱量的催化劑放置在反應器的籃子中，並在400°C的空氣中焙燒2小時進行原位預處理。降溫至25℃後，在He氣體持續流動的條件下，以24 mL/min的恒定流量注入合適的微生物溶液8 min。每個實驗所需的均質微生物溶液是通過使用無菌棉簽將適當的商業凍幹顆粒溶解在0.5 mL去離子水和消毒水中製備的。對初始溶液進行適當稀釋，以便在預定的時間間隔內對每個收集到的處理溶液樣品具有30-300 cfu範圍內的微生物負荷。每次催化實驗至少取5個樣品。具體來說，每個處理過的樣品都從反應器的出口取出，並轉移到適當的商業選擇介質上，該介質隻能產生處理溶液中所含的細菌。大腸杆菌采用鋪板法將細菌分布在相應的平板上，每個樣品接種量為0.1 mL糞大腸采用膜過濾法分布在相應的平板上，每個樣品經特定過濾器過濾10ml處理後的微生物溶液。

所有催化實驗均保持液相體積(180 mL)、氣體進料流流速(100 mL/min)、進料流組成和攪拌器轉速(150 rpm)不變。此外，大多數重要的實驗參數，如溫度、壓力、氣體進料混合物的流量和反應器中溶液的體積，都是通過一個完全由計算機控製的麵板進行監測的。

通過對24 h和48 h內的菌落進行計數，計算催化劑在使用中對細菌的抑製作用是可行的。此外，為了確保抑菌作用是由於所製備的單金屬催化劑的殺菌活性，用酸氧化鋁球代替催化劑進行了幾次空白實驗。由於比較原因，沒有使用氧化鋁球或催化劑進行額外的實驗。

結果與討論
催化劑表征

Ag/γ-Al的實際載銀量2O3.根據原子吸收光譜(AAS)的結果對催化劑進行了測定(表2)。根據AAS的結果，每種催化劑的Ag負載量與標稱值沒有顯著差異(表2)。此外，催化劑的比表麵積在194 m之間變化2/g催化劑的金屬負載量最高，達到199 m2/g，說明金屬浸漬對載體表麵積的影響不顯著。

催化劑樣品 額定負載(wt%) 實際裝載量(wt%) B.E.T.
(m2/ g)		 氣孔體積(mL/g)
0.05 wt% Ag/γ-Al2O3. 0.05 0.048 199.2 45.8
0.1 wt% Ag/γ-Al2O3. 0．10 0.096 198.7 45.1
0.2 wt% Ag/γ-Al2O3. 0.20 0.21 196.5 45.0
0.5 wt% Ag/γ-Al2O3. 0.50 0.52 195.4 44.9
1wt % Ag/γ-Al2O3. 1.00 0.97 194.3 44.6

表2:製備的催化劑的比表麵積和實際金屬負載

催化研究

針對新合成的催化劑的殺菌活性的第一個和一般的證據，首先使用4 g的最高金屬負載(1 wt%)的催化劑處理180 mL的微生物溶液，其中含有大腸杆菌細菌。結果顯示(經過多次實驗)，經過5分鍾的處理，完全抑製(100%)大腸杆菌對細菌進行了觀察，同時證實銀是一種強有力的抗菌劑。

圖1顯示了百分比大腸杆菌細菌抑製與反應時間的流動，作為一個功能的銀金屬負載。如圖1所示，金屬負載最高(1%)的催化劑對大腸杆菌在溶液處理的早期階段，與最低金屬負載的催化劑相比，它表現出完全抑製大腸杆菌反應時間顯著提高。此外，在處理20 min後，對所有催化劑均有總抑製作用，表明所製備的催化劑均具有顯著的抑菌活性。還值得一提的是，在較高的銀負荷下，反應是有利的。此外，為了更好地評價催化劑的性能與反應時間(逐漸抑製)，1 g催化劑與最低銀負載(0.05 wt%)用於其餘的催化實驗。

圖1:大腸杆菌細菌抑製譜作為銀金屬負載和反應時間的函數。反應條件:m貓= 4.0克;P = 1.3 atm;T = 25°C;攪拌速率=150轉/分。

圖2顯示了百分比大腸杆菌抑菌作用隨反應時間的變化而變化，使用1g銀負載最低的催化劑處理180 mL微生物溶液。如圖2所示，在處理後2小時內觀察到細菌幾乎完全被抑製。此外，為了評價催化劑載體對微生物抑製的貢獻，並證明觀察到的微生物抑製是由於銀的抑菌活性，使用1g γ-氧化鋁球代替催化劑處理相同體積的微生物溶液。因此，如圖2所示，盡管γ-Al具有輕微的抗菌活性2O3.，對細菌的抑製作用明顯低於催化劑處理。此外，支撐所發揮的抗菌活性並非微不足道，這可能是由於細菌吸附在氧化鋁表麵，從而導致它們從溶液中去除。特別是，使用酸性γ-氧化鋁球處理120分鍾後的抑製率為28.5%，而使用等效催化劑質量的抑製率為99.3%。還應該提到的是，當沒有載體和催化劑用於處理時，120 min後幾乎沒有抑製作用發生大腸杆菌溶液(空白實驗)。

圖2:詳細的細菌抑製概況大腸杆菌．反應條件:m貓= 1.0克;P = 1.3 atm;T = 25°C;攪拌= 150 rpm。

此外，圖3顯示了百分比糞大腸抑菌作用隨反應時間的變化而變化，同樣使用1g銀負載最低的催化劑處理180 mL微生物溶液。圖3中的結果揭示了這一點糞大腸處理60分鍾後的抑製率達到76.2%，而使用γ-氧化鋁球時的微生物抑製率為11%。例如在…的情況下大腸杆菌，在不使用載體和催化劑處理的情況下，60 min後幾乎沒有抑製作用糞大腸解決方案。

圖3:詳細的細菌抑製概況糞大腸．反應條件:m貓= 1.0克;P = 1.3 atm;T = 25°C;攪拌= 150 rpm。

圖1-3的結果清楚地表明，所製備的單金屬催化劑在短時間內發揮抑菌活性，而離子銀(Ag+)對觀察到的微生物抑製作用負責。還注意到對革蘭氏陰性菌增加了微生物抑製作用大腸杆菌細菌與革蘭氏陽性菌的抑製比較糞大腸細菌，可能是由於革蘭氏陽性細菌比革蘭氏陰性細菌具有更弱的負電荷，這是由於在結構[39]中確定的幾個形態學差異。

結論

目前的工作提供了無可爭辯的證據，所製備的銀負載催化劑發揮抗菌活性的革蘭氏陰性和革蘭氏陽性細菌。還發現，在較高的銀(Ag)負載下，反應(抑菌)是有利的。

目前工作的結果首次提供了強有力的證據，表明即使在固體載體上固定(沉積)Ag也能保持其抗菌性能，這一事實可能會引發一個全新的領域，即抗菌多相催化。

抗菌多相催化可能是一種很有前途的壓艙水抗菌處理方法，因為它是一種相對便宜和環保的方法，可以確保處理水排放的水生態係統的正常功能和可持續性。同時，可以消除壓載水排放對病原體不合理的大量排異對人類造成的不利影響。然而，由於這是一個非常新的領域，還有許多工作要做，例如對其他微生物/細菌的檢查，催化劑在真實條件下的行為和雙金屬Cu2的研究+ag)+催化劑。


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文章類型:研究文章

引用:Theologides CP, Theofilou SP, Savva PG, Olympiou GG, Costa CN(2017)抗菌催化新概念:船舶壓載水消毒。環境毒理學研究1(1):doi http://dx.doi.org/10.16966/2576-6430.101

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出版的曆史:

  • 收到日期:2月17日

  • 接受日期:2017年3月9日

  • 發表日期:2017年3月14日