第五节 生物因子消毒机制
利用生物活体或生物的提取组分作用于目标微生物达到消毒目的因子，称为生物消毒因子，也称生物消毒剂（biological disinfectants）。用生物因子消毒的方法，称生物消毒法。
生物消毒因子包括植物来源抗微生物活性成分、动物来源抗微生物活性成分、微生物来源抗微生物活性成分和微生物活体。植物来源的抗微生物活性成分来源于植物提取物（plant extracts），主要有酚类化合物、醌类化合物、精油、萜类、黄酮类、生物碱、有机酸等，如天然植物精油、香薷油、小茴香精油、大蒜素等。动物来源的抗微生物活性成分来源于动物提取物（animal extracts），主要有脂类、苷类、多肽、多糖、氨基酸、甾体类等。用于消毒的动物提取物，主要有壳聚糖、生物碱等。微生物来源的抗微生物活性成分主要是微生物代谢的产物，主要有抗生素、细菌素、酶、质粒等。微生物活体主要有噬菌体、嗜热菌等。
一、酚类化合物消毒
自然界中酚类化合物（phenolic compound）大部分存在于植物体内，称其为内源性酚，其余称外源性酚。内源性酚类化合物大多具有特殊的芳香气味，均呈弱酸性，在外环境易被氧化。来源于植物的酚类化合物分为简单酚类化合物和多酚类化合物。
1.作用机制
包括简单酚类化合物和多酚类化合物的抗微生物作用。
（1）简单酚类化合物的抗微生物作用：
被氧化的酚化合物可能通过与巯基反应或通过与蛋白质的更多非特异性相互作用来抑制酶活性，从而达到对微生物的抑制作用。咖啡酸（3，4-二羟基肉桂酸）能干扰细胞膜的稳定性和金黄色葡萄球菌细胞的代谢活性，并且能够较大程度减少生物膜的形成，降低细菌黏附性，从而达到对金黄色葡萄球菌的抑制作用。
（2）多酚类化合物的抗微生物作用：
首先，酚类化合物能够在细胞膜水平上发挥毒性作用。它们能改变膜功能并影响膜中蛋白质与脂质的比例并诱导钾离子外排，并且多酚处理后的细菌也发生了细胞壁的裂解。它们还能破坏膜的完整性，引起胞内物质的渗漏。其次，酚类化合物芳香环中羟基取代的位置和饱和侧链的长度是影响抗菌活性的因素之一，它们的高抗微生物活性还取决于结构中烷基或烯基的大小，拥有较大烷基或烯基的酚类化合物，具有更强的抗微生物活性。①单宁：对病毒逆转录酶有抑制作用，并且能通过与病毒包膜的相互作用而抑制病毒的吸收。单宁还能够直接影响微生物的代谢或消耗微生物生长所需的底物，尤其是必需矿物质如铁和锌，底物耗竭可严重限制细菌生长。②黄烷-3-醇：能灭活霍乱毒素并抑制细菌葡萄糖基转移酶。③儿茶素中的没食子儿茶素（EGCG）能够通过与病毒血凝素结合，来防止病毒颗粒附着于靶受体细胞，从而防制流感病毒的感染。
2.应用
已经广泛用于食品添加、环境消毒、农牧业育种与病虫害的防治。单宁具有广谱抗微生物作用。没食子儿茶素可防制流感。
二、醌类化合物消毒
醌类化合物（quinones）广泛存在于植物中，以蒽醌类、苯醌类和萘醌类化合物为主。中药中以蒽醌及其衍生物尤为重要。有醌类化合物的植物很多，如何首乌、虎杖、茜草、决明子、番泻叶、鼠李、芦荟、丹参、紫草等。
1.作用机制
醌类化合物的抗微生物作用：醌类化合物能够与微生物蛋白质中的亲核氨基酸发生不可逆地结合，导致蛋白质失活和功能丧失。醌类化合物作用于微生物细胞表面暴露的黏附素，细胞壁多肽和膜结合的酶。醌类化合物的生物作用模式主要依赖其结构，通过氧化还原循环作为生物分子、DNA嵌入剂和活性氧物生成剂的共价修饰剂。例如，蒽环类醌如多柔比星，可以插入DNA中，还原活化后形成反应性甲基化物中间体，共价修饰生物分子，诱导DNA断裂并抑制RNA合成。
2.应用
已经广泛用于食品添加、环境消毒、农牧业育种与病虫害的防治。醌类化合物具有良好的广谱抗微生物功效，对细菌、真菌和病毒都具有良好的杀灭作用。
三、精油消毒
精油（essential oil）是从含有香脂腺的植物的花、叶、茎、根、树皮、树干或果实等中，通过水蒸气蒸馏、挤压、冷浸或溶剂提炼萃取的挥发性芳香物质。精油分为单方精油和复方精油。精油的挥发性很强。精油成分主要有萜类、醛类、苯丙烯和其他成分。
1.作用机制
精油的抗微生物作用：包括破坏细胞膜，抑制必需酶活性，螯合必需微量元素（如铁）等。①萜烯和萜类化合物的抑菌作用机制可能与亲脂性化合物对膜的破坏有关。甲基二萜类的亲水性能够显著降低它们的抗微生物活性，因此抑菌活性与其亲脂性有一定的关系。其机制可能涉及内膜破裂、与膜蛋白和细胞内靶点相互作用，从而导致膜电位发生改变、细胞内重要成分泄漏等。②醛类化合物能够直接引起细胞膜的脂质部分的损坏，导致膜的渗透性改变和细胞内物质的渗漏；醛类化合物导致膜受损还可能体现在细胞表面膜相关蛋白功能的改变。由于侧链较易发生加成和缩合反应，醛本身是一种非常活泼的化合物，易与亲核基团发生反应，如K，L-不饱和醛易与巯基、氨基和羟基等基团发生反应。饱和醛，己醛和壬醛没有显著的抗菌活性，但一些K，L-不饱和长链醛类具有广谱抗菌的特性。
2.应用
已经作为中草药、香料和防腐保存剂在医学、香料、化妆品等领域中广泛使用。①香薷油（volatile oil）的主要成分为香薷酮，抗菌谱广，用于预防流行性感冒。②大蒜素（allicin），学名二烯丙基硫代亚磺酸酯，是一种广谱抗菌药，具有消炎、降血压、降血脂等多种生物学功能。另外，大蒜素用于畜牧和水产养殖。
四、生物碱消毒
生物碱（alkaloids）是一类含氮的碱性有机化合物，主要存在于植物中，但有的动物也有。大多数生物碱有复杂的环状结构含氮化合物，有显著的生物活性，是中草药中重要的有效成分。已知的生物碱种类很多，在10 000种左右，按其基本结构，可分为59类，如有机胺类（麻黄碱）、吡咯烷类（千里光碱）、吡啶类（烟碱、槟榔碱）、异喹啉类（吗啡）、吲哚类（利血平）、莨菪烷类（阿托品、东莨菪碱）、咪唑类、喹唑酮类、嘌呤类（咖啡碱、茶碱）、甾体类（茄碱）、二萜类（乌头碱）等。
1.消毒机制
生物碱的抗微生物作用：生物碱能够通过抑制酶的活性从而抑制核酸合成。生物碱类可以通过干扰细菌毒力基因的调控，抑制外毒素如霍乱毒素和大肠杆菌热稳定肠毒素介导的效应来达到对细菌的有效抑制；此外，生物碱能够抑制生物膜的形成，从而直接抑制细菌的生长；生物碱也能够通过抑制分选酶（连接基质蛋白与细胞壁的酶）或黏附素达到间接抗菌的功效。
2.应用
从新西兰海洋苔藓虫中分离得到新的生物碱pterocellins A，该生物碱分子为杂环骨架结构，具有强大的体外抗肿瘤和抗微生物活性。
五、多糖消毒
多糖（polysaccharide）是由至少要超过 10 个的单糖通过糖苷键（ɑ-1，4-、β-1，4-和 ɑ-1，6-苷键）结合组成的聚合糖，可用通式（C6H10O5）n表示。多糖在自然界分布极广，有的是动植物细胞壁的成分，如肽聚糖和纤维素；有的是动植物储藏的养分，如糖原和淀粉；有的具有特殊的生物活性，如人体中的肝素有抗凝血作用，肺炎球菌细胞壁中的多糖有抗原作用。多糖的结构单位是单糖，多糖相对分子质量从几万到几千万。多糖不溶于水，无甜味，不形成结晶，无还原性和变旋现象。多糖是糖苷，可以水解。多糖分为均一性多糖（由一种单糖分子缩合而成）和不均一性多糖（不同单糖分子缩合而成）。自然界中最丰富的均一性多糖有淀粉、糖原、纤维素、几丁质（壳聚糖）、菊糖和琼脂等，由葡萄糖组成，不均一性多糖中由含糖胺的重复双糖系列组成，称为糖胺聚糖（glycosaminoglycans，GAGs），又称糖胺多糖、氨基多糖、黏多糖（mucopoly saccharides），有透明质酸、硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸用层酸和肝素等。
1.作用机制
多糖的抗微生物作用：多糖抗HIV病毒机制是抑制病毒对细胞的吸附，这可能是由于多糖大分子机械性或化学性地结合到HIV的壳膜蛋白Gp120分子上，遮盖了病毒与细胞的结合位点，从而竞争性地封锁了病毒感染细胞。壳聚糖的抑菌机制可能是影响细胞膜的通透性。
2.应用
有研究者从茶叶中得到一种含有鞣酸的单糖或多糖类成分，既可抑制病毒的致病作用，也可抑制病毒的传播。美洲山核桃中提取出一种抗氧化酸性多糖，不仅能抑制HIV等逆转录酶病毒的复制，而且能起到免疫调节作用。壳聚糖是海洋甲壳类动物外骨骼的主要成分，对多种细菌、真菌具有广谱抗菌的功能。壳聚糖对金黄色葡萄球菌的抑菌作用最强。
六、多肽消毒
多肽（polypeptide）是ɑ-氨基酸以肽键连接在一起而形成的化合物，它也是蛋白质水解的中间产物。由两个氨基酸分子脱水缩合而成的化合物叫做二肽，同理类推还有三肽、四肽、五肽等。通常由10～100氨基酸分子脱水缩合而成的化合物叫多肽，分子量低于10 000Da，能透过半透膜。也有把2～10个氨基酸组成的肽称为寡肽（小分子肽），10～50个氨基酸组成的肽称为多肽，50个以上的氨基酸组成的肽称为蛋白质。具有抗菌作用的肽称为抗菌肽（antimicrobial peptide）。
1.作用机制
抗菌肽是生物体经诱导产生的小分子多肽。目前已知的是多数抗菌肽都具有一个相同结构：两性表面结构，一端疏水性和一端表面带正电荷。大部分抗菌肽通过此两性表面结构结合细胞生物膜，细胞膜是其主要作用靶点，其疏水端插入细菌的细胞膜中，通过肽-膜脂作用在膜上形成孔道，造成细胞膜结构破坏，导致细胞内外渗透压改变，细胞内容物，尤其是钾离子大量渗漏出，从而使细菌死亡。大多数抗菌肽都有类似的靶标，即细菌磷脂膜。它们在细菌膜上累积达到阈浓度，然后影响膜渗透或分解。渗透途径的结构可以针对不同的肽而变化，其中包括通道聚集体，环形孔或形成离子通道。同时，抗菌肽还能够竞争性抑制微生物蛋白质与宿主多糖受体的黏附，从而达到抗微生物的作用。比如天蚕素类抗菌肽作用于细胞膜，在膜上形成跨膜的离子通道，破坏膜的完整性，造成细胞内容物泄漏，从而杀死细胞。在一定条件下，抗菌肽疏水性越大，抗菌活力就越强。部分抗菌肽可直接作用于细胞内的靶点，通过影响核酸、蛋白质、线粒体、细胞壁等合成，阻碍细胞分裂，抑制胞内酶活性等发挥抗菌作用。目前发现的抗菌肽抗病毒的机制主要是抗菌肽与包膜结合、阻遏基因表达、影响病毒增殖等方式杀灭病毒。
2.应用
抗微生物谱广。物体内、具有抵抗外界微生物侵害、消除体内突变细胞的一类小分子物质，具有广谱抗菌性，尤其对耐药菌株有明显的杀灭作用，主要包括蛙皮素、抗菌肽MUC712等。大部分的抗菌肽具有耐强碱性、热稳定性及抗菌谱广的特点，其应用范围广，涉及食品防腐、饲料加工、医院消毒等方面。乳酸链球菌素（nisin）是FDA批准用于食品防腐剂的第一个抗菌肽，由乳酸链球菌产生，其抗菌谱比较窄，只能杀死或抑制革兰氏阳性菌，对革兰氏阴性菌、酵母无作用。海蚕新型抗菌肽（Perinerin）是一种分离自亚洲海蚕双齿围沙蚕（perinereis aibuhitensis）的结构新颖的抗菌肽，其对细菌均表现出强大的抑制作用，尤其对临床常见的耐药性绿脓杆菌更有明显的抑菌作用。
七、酶消毒
酶（enzyme）是由活细胞产生的、对其底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质或RNA。若酶分子变性或亚基解聚均可导致酶活性丧失。酶属生物大分子，分子质量至少在10 000以上，大的可达1 000 000万。酶是极为重要的生物催化剂（biocatalyst），生物体内的化学反应由于其作用，在极为温和的条件下也能高效和特异地进行。酶的化学本质是蛋白质或RNA，具有一级、二级、三级，乃至四级结构。按其分子组成的不同，可分为单纯酶和结合酶。仅含有蛋白质的称为单纯酶。酶蛋白和辅助因子称为结合酶。用具有消毒作用的生物酶进行的消毒，称为生物酶消毒。具有体外杀菌作用的生物酶（enzyme）称为酶消毒剂，主要有溶葡萄球菌酶、溶菌酶等。
1.作用机制
生物酶具有高效专一的特点。酶通过水解作用，裂解细菌细胞的特定结构，使胞内物质外渗，细胞破裂，从而起到杀灭或抑菌作用。酶的杀菌作用常是酶群复合作用的结果。作用于细胞壁的酶：作用于双糖单位的N-乙酰葡萄糖胺酶和N-乙酰胞壁酸酰胺酶；作用于肽聚糖短肽链的转肽酶、内肽酶和羧肽酶。
（1）溶葡萄球菌酶（lysostaphin）：
溶葡萄球菌酶可特异性水解细菌胞壁肽聚糖交联结构Gly五肽桥联，而Gly五肽桥联结构主要存在于葡萄球菌细胞壁。酶使细菌的细胞壁溶解，从而导致细菌死亡。
（2）溶菌酶（lysozyme）：
又称细胞壁溶解酶、N-乙酰胞壁质聚糖水解酶，是一种蛋白酶，它通过水解细胞壁和外膜层中肽聚糖的糖苷键和酰胺键，破坏细菌的细胞壁结构，从而使细菌的细胞壁溶解导致细菌死亡。细菌细胞壁溶解酶分三类：N-乙酰胞壁酸酰胺酶作用于N-乙酰胞壁酸和N-乙酰葡萄糖胺之间的β-1，4糖苷键；内肽酶作用于肽键使其断裂；N-乙酰胞壁酰-L-丙氨酸酰胺酶水解聚糖和肽之间的酰胺键。
（3）几丁质酶：
许多细菌具有几丁质酶，水解真菌细胞壁中几丁质的糖苷键而起到抑制或杀灭作用。
（4）核酶（RNA enzyme，ribozyme）：
是一段具有酶活性的RNA，具有高特异性和安全无毒的特点。已发现有的核酶可有效抑制HIV-1的复制，有的可有效抑制乙肝病毒的复制。
2.应用
由于酶作用具有专一性，杀菌谱单一。因此，酶作为生物消毒杀菌制剂，必须通过酶群中几种酶协同作用。目前研究比较多的是复合溶菌酶，现在已广泛应用于皮肤、黏膜、烧伤、口腔、鼻咽部位的消毒，以及畜牧业、食品工业的消毒。来源于球孢链霉菌（ATCC21553）的变溶菌素（mutanolysin）能溶解链球菌、炭疽杆菌、土拉杆菌和鼠疫杆菌等。将变溶菌素与溶菌酶联合使用，对革兰氏阳性细菌的消毒效果很好，对革兰氏阴性细菌也有一定作用。
八、噬菌体消毒
噬菌体（bacteriophage）是一类能感染细菌、放线菌、真菌、螺旋体（spirochetes）等微生物的病毒。在消毒学中，研究的主要有Tb、f2、MS2噬菌体等。用噬菌体进行的消毒，称为噬菌体消毒。
1.作用机制
噬菌体可以专一感染某种细菌，其产生的裂解酶（lytic enzyme）可以高度专一地裂解细菌。裂解酶含有结构相同的氨基端，具有裂解细胞壁肽聚糖的活性，其羧基端可以特异性地结合到细菌细胞壁的糖决定簇上。
2.应用
由于噬菌体的高度特异性，对机体和环境无毒、无刺激，有望开发为新型的生物消毒剂，从而应用于大规模的水体、土壤、物体表面消毒净化、食品和加工食品的消毒处理，有利于传染病的控制。但目前，因各种因素限制，相关研究仍处于初级阶段。