13.3：使用化学品控制微生物

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学习目标

了解和比较用于控制微生物生长的各种化学物质，包括它们的用途、优缺点、化学结构和作用方式

除了控制微生物的物理方法外，化学品还用于控制微生物的生长。各种各样的化学物质可用作消毒剂或防腐剂。在选择使用哪种时，重要的是要考虑靶向微生物的类型；物品需要有多干净；消毒剂对物品完整性的影响；它对动物、人类和环境的安全；它的费用；以及它的易用性。本节描述了用作消毒剂和防腐剂的各种化学物质，包括它们的作用机制和常见用途。

Phenolics

在1800年代，科学家们开始尝试各种用于消毒的化学物质。 19 世纪 60 年代，英国外科医生约瑟夫·李斯特（Joseph Lister）（1827—1912 年）开始使用被称为苯酚的碳酸作为治疗手术伤口的消毒剂（参见《现代细胞理论基础》）。 1879 年，李斯特的工作启发了美国化学家约瑟夫·劳伦斯（1836—1909 年）开发李斯特林，这是一种由几种相关化合物组成的醇基混合物，至今仍被用作口服防腐剂。如今，碳酸已不再用作手术消毒剂，因为它具有皮肤刺激性，但是在防腐漱口水和润喉糖中发现的化合物被称为酚类化合物。

从化学上讲，苯酚由具有—OH基团的苯环组成，而酚类是以该基团作为其化学结构一部分的化合物（图\(\PageIndex{1}\)）。百里酚和桉树酚等酚类物质天然存在于植物中。其他酚类物质可以从杂酚油中提取，杂酚油是煤焦油的一种成分。酚类物质往往是稳定的，在表面上具有持久性，并且毒性比苯酚小。它们通过使蛋白质变性和破坏膜来抑制微生物的生长。

A) 一种化学结构，其碳环由 6 个碳组成，其中一个 OH 基团为 OH。 B) 由共价键连接的 2 个碳环（每个 6 个碳）的化学结构；一个碳有 OH。 C) 两个碳环（6 个碳）连接一个碳。每枚戒指都有一个 OH 和 3 个 Cls。 — 图\(\PageIndex{1}\)：苯酚和酚类化合物已被用于控制微生物的生长。 (a) 苯酚（又称碳酸）的化学结构。 (b) O-苯基苯酚是一种酚类，已被用作消毒剂以及控制收获的柑橘类水果上的细菌和真菌生长。 (c) 六氯苯是另一种被称为双酚（两个环）的苯酚，是PhisoHex中的活性成分。

自李斯特时代以来，已经使用了几种酚类化合物来控制微生物的生长。自 1889 年 Lysol 发明以来，甲酚（甲基化酚）和 o-苯基苯酚等酚类物质一直是各种配方的活性成分。O-苯基苯酚在农业中也常用于控制收获作物，尤其是柑橘类水果的细菌和真菌生长，但它在美国被使用现在，各州的局限性要大得多。双酚六氯苯是一种消毒剂，是 phisoHex 的活性成分，phisoHex 是一种广泛用于医院洗手的局部清洁剂。phisoHex 对革兰氏阳性细菌特别有效，包括那些引起葡萄球菌和链球菌皮肤感染的细菌。phisoHex以前曾用于给婴儿洗澡，但这种做法现已停止，因为事实证明，接触六氯苯会导致神经系统问题。

三氯生是另一种双酚化合物，在过去的几十年中，它已在抗菌产品中得到广泛应用。三氯生最初用于牙膏，现在通常用于洗手液，并经常浸渍到各种其他产品中，包括砧板、刀、浴帘、衣物和混凝土，以使其具有抗菌作用。它对皮肤上的革兰氏阳性细菌以及某些革兰氏阴性细菌和酵母菌特别有效。 ¹

Triclosan：抗菌矫枉过正？

洗手液和其他清洁产品通常以 “抗菌” 形式销售，这表明它们提供的清洁度优于传统肥皂和清洁剂。但是这些产品中的抗菌成分真的安全有效吗？

大约75％的抗菌液体洗手液和30％的棒状肥皂含有化学三氯生，一种酚醛（图\(\PageIndex{2}\)）。 ² 三氯生阻断细菌脂肪酸生物合成途径中的一种酶，这种酶在可比的人类途径中找不到。尽管在20世纪90年代，在家中使用三氯生的情况急剧增加，但美国食品药品管理局40多年的研究没有发现任何确凿的证据表明，与使用传统肥皂洗涤相比，使用含三氯生的产品洗涤具有更多的健康益处。尽管一些研究表明，与传统肥皂相比，用三氯生基肥皂清洗后手上残留的细菌较少，但没有证据表明导致呼吸道和胃肠道疾病的细菌传播有所减少。简而言之，含有三氯生的肥皂可以去除或杀死更多的细菌，但不足以减少疾病的传播。

也许更令人不安的是，与三氯生基肥皂相关的一些明显风险已经暴露出来。三氯生的广泛使用导致耐三氯生的细菌菌株增加，包括具有临床重要性的菌株，例如肠道沙门氏菌；从长远来看，这种耐药性可能会使三氯生无法用作抗菌剂。 ³ ⁴ 通过改变细菌脂肪酸合成途径中编码靶向酶的单一基因，细菌很容易获得对三氯生的抗性。其他作用模式不太具体的消毒剂不太容易产生耐药性，因为它需要的不仅仅是单一的基因变化。

在过去的几十年中，三氯生的使用也导致了环境中这种化学物质的积聚。洗手过程导致洗手液中的三氯生直接引入废水和污水处理系统。在那里，它的抗菌特性可以抑制或杀死导致污水分解的细菌，从而导致化粪池系统阻塞和恢复。最终，废水中的三氯生会进入地表水、溪流、湖泊、沉积物和土壤，破坏具有重要环境功能（例如抑制藻类）的细菌的自然种群。三氯生还进入了两栖动物和鱼类的体内，在那里它可以起到内分泌干扰物的作用。在包括母乳、血浆和尿液在内的各种人体体液中也发现了可检测到的三氯生水平。 ⁵ 实际上，疾病预防控制中心进行的一项研究发现，在2003-2004年接受检测的2,517人中，有75％的尿液中存在可检测到的三氯生水平。 ⁶ 鉴于有证据表明三氯生可能会影响人类的免疫功能，这一发现更加令人不安。 ⁷

2013年12月，美国食品药品管理局要求肥皂制造商在2016年之前证明抗菌肥皂比传统肥皂具有显著的优势；如果做不到，制造商将被迫将这些产品从市场上撤出。

三氯生的化学结构。两个由氧气连接的碳环（6 个碳）；每个环上还有 2 个氧气结合在一起。有人洗手的照片。 — 图\(\PageIndex{2}\)：三氯生是抗菌肥皂中的常见成分，尽管有证据表明它会带来环境和健康风险，并且与传统肥皂相比没有明显的健康益处。（来源 b、c：林业发展局对工作的修改）

练习\(\PageIndex{1}\)

为什么三氯生比传统消毒剂更像抗生素？

重金属

一些最早使用的化学消毒剂和防腐剂是重金属。重金属通过与蛋白质结合来杀死微生物，从而抑制酶活性（图\(\PageIndex{3}\)）。重金属是寡动力的，这意味着非常小的浓度显示出显著的抗微生物活性。重金属离子与含硫氨基酸强结合，并在细胞内进行生物蓄积，从而使这些金属达到较高的局部浓度。这会导致蛋白质变性。

重金属对微生物细胞没有选择性毒性。它们也可能在人体或动物细胞中进行生物蓄积，过高的浓度会对人体产生毒性影响。例如，如果体内积聚了过多的银，则可能导致一种称为心肌萎缩症的疾病，在这种情况下，皮肤会不可逆转地变成蓝灰色。减少重金属潜在毒性的一种方法是谨慎控制重金属的暴露时间和浓度。

a) 铜门把手的照片。 B) 银叉的图片。 C) 培养箱图片 d) 李斯特林漱口水的图片。 E) 皮肤灰白的人的照片。 — 图\(\PageIndex{3}\)：重金属会使蛋白质变性，损害细胞功能，从而赋予它们很强的抗菌特性。 (a) 像这种门把手这样的固定装置中的铜会杀死微生物，否则这些微生物可能会积聚在经常触摸的表面上。 (b) 餐具含有少量银以抑制微生物生长。 (c) 铜通常排在培养箱中，以最大限度地减少对储存在内部的细胞培养物的污染。 (d) 消毒漱口水通常含有氯化锌。 (e) 该患者患有 argyria，这是一种由银在体内的生物蓄积性引起的不可逆转的疾病。（来源 b：修改 “Shoshanah” /Flickr 的作品；来源 e：Herbert L. Fred 和 Hendrik A. van Dijk 对作品的修改）

水星

水银是多年来用于控制微生物生长的重金属的一个例子。它被用于治疗梅毒已有好几个世纪了。氯化汞等汞化合物主要具有抑菌作用，活性范围非常广泛。各种形式的汞与蛋白质中的含硫氨基酸结合，抑制其功能。

近几十年来，由于汞的毒性，此类化合物的使用有所减少。高浓度时会对中枢神经、消化系统和肾脏系统产生毒性，并对环境产生负面影响，包括鱼类体内的生物蓄积性。曾经常用的局部防腐剂，例如含有低浓度汞的水银色素和一种酊剂 merthiolate（一种溶解在酒精中的汞溶液）。但是，由于担心使用汞化合物，这些防腐剂已不再在美国销售。

银

银长期以来一直被用作防腐剂。在古代，饮用水储存在银罐中。 ⁸ Silvadene 乳膏通常用于治疗局部伤口，对预防烧伤伤口感染特别有帮助。硝酸银滴剂曾经被常规涂在新生儿的眼睛上，以防止新生儿眼炎，眼部感染可能是由于接触产道中的病原体而引起的，但现在更常用的是抗生素药膏。银通常与抗生素联合使用，使抗生素的效果提高数千倍。 ⁹ 银通常还被掺入导管和绷带中，使其具有抗微生物性；但是，有证据表明，重金属也可以增强抗生素耐药性的选择。 ¹⁰

铜、镍和锌

其他几种重金属也表现出抗微生物活性。硫酸铜是一种常见的灭藻剂，用于控制游泳池和鱼缸中的藻类生长。使用金属铜来最大限度地减少微生物生长也变得越来越普遍。培养箱中的铜衬里有助于减少细胞培养物的污染。正在研究欠发达国家使用铜罐储水的情况，以此作为防治腹泻病的一种方法。为了减少微生物的传播，铜涂层也越来越受欢迎，用于经常处理的物体，例如门把手、橱柜五金和医疗机构中的其他固定装置。

现在，镍和锌涂层的使用方式类似。其他形式的锌，包括氯化锌和氧化锌，也用于商业用途。氯化锌对人体相当安全，通常存在于漱口水中，大大延长了漱口水的有效时间。氧化锌存在于多种产品中，包括局部防腐霜，例如炉甘石乳液、尿布软膏、婴儿爽身粉和头皮屑洗发水。

练习\(\PageIndex{2}\)

为什么许多重金属对人类既有抗微生物又有毒性？

卤素

其他常用于消毒的化学品是卤素碘、氯和氟。碘的作用是氧化细胞成分，包括含硫氨基酸、核苷酸和脂肪酸，破坏含有这些分子的大分子。它通常用作局部酊剂，但可能会导致染色或皮肤刺激。碘伏是一种与有机分子复合的碘化合物，从而提高了碘的稳定性，进而提高了碘的功效。一种常见的碘伏是聚维酮碘，它包括一种释放碘相对缓慢的润湿剂。 Betadine 是一种聚维酮碘品牌，通常由医务人员在手术前用作洗手液，也用于在切口前对患者皮肤进行局部消毒（图\(\PageIndex{4}\)）。

a) betadine 的化学结构。 B) 医疗专业人员在患者身上涂橙色糊状物的照片。 — 图\(\PageIndex{4}\)：(a) Betadine 是碘伏聚维酮碘的溶液。 (b) 在手术期间切开切口之前，它通常用作患者皮肤的局部消毒剂。（来源 b：安德鲁·拉托对作品的修改）

氯是另一种常用于消毒的卤素。当氯气与水混合时，它会产生一种叫做次氯酸的强氧化剂，这种氧化剂不带电，很容易进入细胞。氯气通常用于市政饮用水和污水处理厂，由此产生的次氯酸产生实际的抗菌作用。在水处理设施工作的人需要格外小心，尽量减少个人接触氯气。次氯酸钠是普通家用漂白剂的化学成分，它也用于各种消毒目的。次氯酸盐，包括次氯酸钠和钙，用于对游泳池进行消毒。氯气、次氯酸钠和次氯酸钙也是食品加工和餐饮业中常用的消毒剂，以减少食源性疾病的传播。这些行业的工人还需要注意正确使用这些产品，以确保他们自己的安全以及消费者的安全。联合国粮食及农业组织（粮农组织）和世卫组织最近发表的一份联合声明指出，氯产品在食品加工中用于减少食源性疾病传播的众多有益用途中没有一项对消费者构成风险。 ¹¹

另一类称为氯胺的氯化化合物被广泛用作消毒剂。氯胺相对稳定，会长时间释放氯气。氯胺是氨的衍生物，通过用氯原子取代一个、两个或全部三个氢原子（图\(\PageIndex{5}\)）。

氨有 N 和 3 Hs。氯胺含有 N、2 Hs 和 1 Cl。 — 图\(\PageIndex{5}\)：一氯胺是氯胺之一，通过将一个氢原子替换为氯原子而从氨中提取。

氯胺和其他氯化合物可用于饮用水消毒，军方经常为此目的使用氯胺片剂。在发生自然灾害或其他影响公共用水供应的事件后，疾病预防控制中心建议通过添加少量普通家用漂白剂对自来水进行消毒。最近的研究表明，二氯异氰尿酸钠（NadCC）也可能是饮用水消毒的好替代品。目前，NadCC 片剂可用于一般用途，也可供军队、露营者或有紧急需求的人使用；对于这些用途，NadCC 比氯胺片更可取。二氧化氯是一种用于对封闭区域进行熏蒸和消毒的气体，也常用于水的消毒。

尽管氯化化合物是相对有效的消毒剂，但它们有其缺点。有些可能会刺激某些人的皮肤、鼻子或眼睛，它们可能无法从受污染的饮用水中完全消除某些耐寒生物。例如，真菌 Cryptosporidium 具有保护性外壳，可以抵抗氯化消毒剂。因此，建议在可能的情况下在紧急情况下将饮用水煮沸。

众所周知，卤素氟具有抗菌特性，有助于预防龋齿（蛀牙）。 ¹² 氟化物是牙膏的主要活性成分，通常还会添加到自来水中，以帮助社区维持口腔健康。从化学上讲，氟化物可以掺入牙釉质的羟基磷灰石中，使其对口腔微生物发酵产生的腐蚀性酸更具抵抗力。氟化物还可以增强牙釉质中钙和磷离子的吸收，促进再矿化。除了增强牙釉质外，氟化物似乎还具有抑菌作用。它积聚在形成牙菌斑的细菌中，干扰它们的新陈代谢，减少它们产生导致蛀牙的酸。

练习\(\PageIndex{3}\)

与次氯酸盐相比，氯胺在消毒方面有什么好处？

酒精

酒精是另一组通常用作消毒剂和防腐剂的化学物质。它们通过快速变性蛋白质起作用，抑制细胞新陈代谢，破坏膜，从而导致细胞裂解。一旦变性，如果溶液中存在足够的水，蛋白质就有可能重新折叠。醇通常在浓度约为70％的水溶液中使用，实际上，在水溶液中比100％的酒精溶液效果更好。这是因为酒精会凝固蛋白质。在较高的酒精浓度下，表面蛋白质的快速凝固会阻止细胞的有效渗透。最常用于消毒的酒精是乙醇（乙醇）和异丙醇（异丙醇、外用酒精）（图\(\PageIndex{6}\)）。

酒精往往具有杀菌和杀真菌作用，但也可能仅对包膜病毒具有杀病毒作用。尽管酒精不会杀孢子，但它们确实会抑制孢子的形成和发芽过程。酒精易挥发且干燥迅速，但也可能引起皮肤刺激，因为它们会在使用部位使皮肤脱水。酒精的一种常见临床用途是在注射针头之前擦拭皮肤进行除菌。酒精也是速溶洗手液中的活性成分，这种消毒剂近年来越来越受欢迎。这些洗手液中的酒精既可以使蛋白质变性，也可以破坏微生物细胞膜，但在存在可见污垢的情况下无法有效起作用。

最后，酒精用于与其他防腐剂一起制成酊剂，例如本章前面讨论的碘酊剂。总而言之，酒精价格低廉，对消毒各种营养微生物非常有效。但是，酒精的一个缺点是其高挥发性，将其有效性限制在施用后立即生效。

a) 乙醇有 2 个 C 和 OH。 B) 异丙醇有 3 个 C 和 OH。 — 图\(\PageIndex{6}\)：(a) 乙醇是酒精饮料中发现的令人陶醉的成分，也常用作消毒剂。 (b) 异丙醇，也称为外用酒精，具有相关的分子结构，是另一种常用的消毒剂。（来源 a 照片：D Coetzee 对作品的修改；来源 b 照片：Craig Spurrier 对作品的修改）

练习\(\PageIndex{4}\)

列举酒精作为消毒剂的至少三个优点。
描述消毒剂产品中使用的酒精的几种具体应用。

表面活性剂

表面活性剂或表面活性剂是一组降低水表面张力的化合物。表面活性剂是肥皂和洗涤剂的主要成分。肥皂是长链脂肪酸的盐，具有极性和非极性区域，使它们能够与其他分子中的极性和非极性区域相互作用（图\(\PageIndex{7}\)）。它们可以与非极性油和油脂相互作用，在水中产生乳液，松开并去除表面和皮肤上的污垢和微生物。肥皂不会杀死或抑制微生物的生长，因此不被视为防腐剂或消毒剂。但是，正确使用肥皂会机械地带走微生物，从而有效地对表面进行除菌。有些肥皂含有添加的抑菌剂，例如三氯卡班或氯氟卡班，这些化合物在结构上与三氯生有关，可为肥皂带来防腐或消毒特性。

一种化学结构，具有长碳链，一端有两个氧气。氧气的末端是疏水头，它避开了类似碳氢化合物的物质，但会被水分子吸引。这是分子的阴离子部分。长碳链是亲水性尾巴，它避开水分，但会被油性油腻的碳氢化合物样物质所吸引。 — 图\(\PageIndex{7}\)：肥皂是脂肪酸的盐（图中为钠盐），能够通过亲水性头部与水相互作用，与疏水尾部的脂质相互作用，从而乳化脂质、脂肪和油。

但是，肥皂通常会形成难以冲洗的薄膜，尤其是在硬水中，硬水含有高浓度的钙和镁矿物盐。洗涤剂含有合成表面活性剂分子，具有极性和非极性区域，具有很强的清洁活性，但即使在硬水中也更易溶解，因此不会留下肥皂沉积物。阴离子洗涤剂，例如用于洗衣的洗涤剂，一端具有带负电荷的阴离子，附着在长疏水链上，而阳离子洗涤剂则具有带正电荷的阳离子。阳离子洗涤剂包括一类重要的消毒剂和防腐剂，称为季铵盐（quats），以赋予正电荷的特征性四元氮原子命名（图\(\PageIndex{8}\)）。总体而言，季铵具有与磷脂相似的特性，具有亲水性和疏水性。因此，quats 能够插入细菌磷脂双层中并破坏膜完整性。夸脱的阳离子电荷似乎赋予了它们的抗微生物特性，这种特性在中和后会减弱。 Quats 有几个有用的属性。它们稳定、无毒、廉价、无色、无味。它们往往通过破坏膜来杀菌。它们对真菌、原生动物和包膜病毒也有活性，但内孢子不受影响。在临床环境中，它们可用作防腐剂或对表面进行消毒。夸脱的混合物也常见于家用清洁剂和消毒剂中，包括目前许多含有苯扎氯铵作为活性成分的Lysol品牌产品的配方。苯扎氯铵以及 quat cetylprimidine 氯化物也存在于皮肤防腐剂、口腔冲洗液和漱口水等产品中。

A) cetylpyridinum 的示意图 — 一个包含 5 个碳和一个氮气的环。氮气附着在一条长碳链上。苯扎氯铵的化学结构——六碳环。一种碳附着在碳上，该碳附着在附着在长碳链上的氮气上。 B) 表面活性剂分子进入膜并将膜分解的图像。 — 图\(\PageIndex{8}\)：(a) 两种常见的季铵是氯化苄基氯铵和十六烷基嘧啶氯化物。注意一端是疏水性非极性碳链，另一端是含氮的阳离子成分。 (b) Quats 能够渗透细菌细胞的磷脂质膜并破坏其完整性，从而导致细胞死亡。

练习\(\PageIndex{5}\)

为什么肥皂不被视为消毒剂？

用正确的方式洗手

洗手对公共卫生至关重要，在临床环境中应予以强调。对于公众而言，疾病预防控制中心建议在处理食物之前、期间和之后；进食前；与病人接触之前和之后；治疗伤口之前和之后；上厕所或换尿布之后；咳嗽、打喷嚏或吹鼻涕之后；处理垃圾之后；并在与动物、其饲料或其废物互动之后。该图\(\PageIndex{9}\)说明了疾病预防控制中心建议的正确洗手的五个步骤。

对于卫生保健工作者来说，洗手更为重要，他们应该在每次与患者接触之间、摘下手套之后、接触体液和潜在传染性毒物之后，以及协助外科医生进行侵入性手术之前和之后彻底洗手。即使使用适当的外科服装，包括手套，手术擦洗也比常规洗手更为复杂。手术擦洗的目标是减少皮肤表面的正常微生物群，以防止将这些微生物引入患者的手术伤口。

没有一个被广泛接受的手术擦洗方案。擦洗时间长短的规程可能取决于所使用的抗微生物药物；卫生保健工作者应经常查看制造商的建议。根据外科技术专家协会（AST）的说法，手术磨砂可以在使用或不使用刷子的情况下进行（图\(\PageIndex{9}\)）。

a) 疾病预防控制中心对公众的洗手建议。1 — 用干净的自来水（温水或冷水）弄湿双手。关掉水龙头，涂上肥皂。2 — 将双手与肥皂揉在一起，起泡双手。一定要在手背、手指之间和指甲下方起泡沫。3 — 擦洗双手至少 20 秒钟。需要计时器吗？ 4 — 用干净的自来水冲洗双手。5 — 用干净的毛巾擦干双手或风干。 B) 一个人洗手的照片。 — 图\(\PageIndex{9}\)：（a）疾病预防控制中心建议公众在典型洗手时采取五个步骤。 (b) 手术擦洗的范围更广，需要从指尖开始擦洗，一直延伸到手部和前臂，然后向上延伸到肘部以外，如下所示。（来源 a：世界卫生组织对工作的修改）

链接到学习

要了解有关正确洗手的更多信息，请访问CDC的网站。

Bisbiguanides

Bisbiguanides 最早于 20 世纪合成，是阳离子（带正电荷）的分子，以其防腐特性而闻名（图\(\PageIndex{10}\)）。一种重要的双胍类抗菌剂是氯己定。它对酵母、革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌具有广谱活性，但铜绿假单胞菌除外，它在反复接触时可能会产生耐药性。 ¹³ 洗必泰会破坏细胞膜，在较低浓度下具有抑菌作用，在较高浓度下具有杀菌作用，这实际上会导致细胞的细胞质含量凝结。它还具有对抗包膜病毒的活性。但是，氯己定对结核分枝杆菌和非包膜病毒的效果很差，也不能杀孢子。氯己定通常在临床环境中用作手术磨砂膏和医务人员的其他洗手需求，也用于患者在手术或注射针头前的局部消毒。它比碘伏更持久，具有持久的抗菌活性。洗必泰溶液也可以在口服手术后用作口服冲洗液或治疗牙龈炎。另一种 bisbiguanide Alexidine 作为外科磨砂膏和口腔冲洗液越来越受欢迎，因为它的作用比洗必泰快。

氯己定的化学结构。一个 6 碳环，一个碳上有 CL；环的另一侧是氮和碳链。阿列克西定的化学结构。由碳和氮组成的链；末端有一条有两条碳链的分支。 — 图\(\PageIndex{10}\)：bisbiguanides 氯己定和阿列西定是阳离子抗菌化合物，通常用作手术磨砂膏。

练习\(\PageIndex{6}\)

氯己定对细菌细胞有哪两种影响？

烷基化剂

烷基化剂是一组强力消毒化学物质，其作用是用烷基（C _n H _2n+1）代替分子中的氢原子，从而使酶和核酸失活（图\(\PageIndex{11}\)）。烷基化剂甲醛（CH ₂ OH）通常用于浓度为 37% 的溶液中（称为福尔马林）或用作气态消毒剂和杀菌剂。它是一种强效的广谱消毒剂和杀菌剂，能够杀死细菌、病毒、真菌和内孢子，从而在低温下进行灭菌，这有时是劳动密集型热灭菌方法的便捷替代品。它还交联蛋白质，已被广泛用作化学固定剂。因此，它被用于储存组织标本和用作防腐液。它还被用于在疫苗制备中灭活传染病原体。甲醛对活体组织具有很强的刺激性，也具有致癌性；因此，它不用作防腐剂。

戊二醛在结构上与甲醛相似，但有两个活性醛基，因此其作用速度比甲醛更快。它通常用作 2% 的消毒溶液，以 Cidex 品牌销售。它用于对各种表面以及手术和医疗设备进行消毒。但是，与甲醛类似，戊二醛会刺激皮肤，不能用作防腐剂。

邻苯二甲醛（OPA）是一种在医疗设备消毒中越来越受欢迎的新型消毒剂，它存在于一些较新的Cidex和类似产品配方中，取代戊二醛。邻苯二甲醛也有两个活性醛基，但它们通过芳香桥连接在一起。o-邻苯二甲醛的作用与戊二醛和甲醛类似，但对皮肤和鼻腔的刺激性要小得多，产生的气味最小，使用前不需要加工，对分枝杆菌更有效。

环氧乙烷是一种用于气态灭菌的烷基化剂。它具有很强的穿透力，可以消毒塑料袋中的物品，例如导管、实验室和临床环境中的一次性物品（如包装好的培养皿）以及其他设备。环氧乙烷暴露是一种冷杀菌形式，因此可用于对热敏感物品进行消毒。但是，在使用环氧乙烷时需要格外小心；它与其他烷基化剂一样具有致癌性，而且具有很强的爆炸性。通过谨慎使用产品并在处理后进行适当的曝气，环氧乙烷非常有效，环氧乙烷消毒器通常用于医疗环境中对包装材料进行消毒。

β-丙酸内酯是一种烷基化剂，其化学结构与已经讨论的其他剂不同。与其他烷基化剂一样，β-丙酸内酯与DNA结合，从而使其失活（图\(\PageIndex{11}\)）。它是一种具有强烈气味的透明液体，能够杀死内孢子。因此，它以液体形式或作为蒸气用于消毒医疗器械和组织移植物，它是疫苗的常见成分，用于维持其无菌性。它还用于对营养液以及血浆、牛奶和水进行消毒。它被动物和人类迅速代谢成乳酸。但是，它也是一种刺激物，可能导致眼睛、肾脏或肝脏的永久性损伤。此外，它已被证明对动物具有致癌性；因此，必须采取预防措施，最大限度地减少人体对β-丙酸内酯的接触。 ¹⁴

a) 鸟嘌呤有 2 个碳环和氮环。如果氢原子变为烷基，鸟嘌呤会与胸腺嘧啶结合。 B) 甲醛有 1 个碳，戊二醛有 5 个碳，邻苯二甲醛有一个碳环，环上有 2 个碳，氧化乙烯有 2 个碳，一个氧气形成三角形。 β-丙酸内酯有 3 个碳和一个氧气形成一个正方形。 — 图\(\PageIndex{11}\)：(a) 烷基化剂用烷基取代氢原子。在这里，鸟嘌呤被烷基化，导致其与胸腺嘧啶而不是胞嘧啶氢键。 (b) 几种烷基化剂的化学结构。

练习\(\PageIndex{7}\)

烷基化剂参与什么化学反应？
为什么烷化剂不用作防腐剂？

Diehard Prions

朊病毒是导致库鲁病和克鲁兹费尔德-雅各布病（见病毒、病毒样体和朊病毒）等无法治愈和致命疾病的脱细胞、错误折叠的蛋白质，众所周知，这些蛋白质很难消灭。朊病毒对热、化学和辐射具有极强的抵抗力。它们还具有极强的传染性和致命性；因此，处理和处置受朊病毒感染的物品需要大量的培训和极其谨慎。

典型的消毒方法可以减少但不能消除朊病毒的传染性。高压灭菌并不完全有效，苯酚、酒精、福尔马林和β-丙内酯等化学物质也不完全有效。即使固定在福尔马林中，受影响的大脑和脊髓组织仍然具有传染性。

处理受污染的标本或设备或与感染患者打交道的人员必须佩戴防护外套、面部防护和防割手套。任何与皮肤的接触都必须立即用洗涤剂和温水清洗，不要擦洗。然后，应使用 1 N NaOH 或 1:10 的漂白剂稀释皮肤 1 分钟。受污染的废物必须在强碱溶液中焚烧或高压灭菌，仪器必须清洗并浸泡在强碱溶液中。

链接到学习

有关处理动物和朊病毒污染材料的更多信息，请访问 CDC 和WHO网站上发布的指南。

过氧原

过氧原是强氧化剂，可用作消毒剂或防腐剂。使用最广泛的过氧化氢是过氧化氢（H ₂ _{O 2}），它通常用于溶液中对表面进行消毒，也可以用作气态剂。过氧化氢溶液是廉价的皮肤防腐剂，可分解成水和氧气，两者都是环境安全的。这种分解在光照下会加速，因此过氧化氢溶液通常以棕色或不透明的瓶子出售。使用过氧化氢作为防腐剂的一个缺点是，它也会对皮肤造成损伤，从而延迟愈合或导致疤痕。隐形眼镜清洁剂通常使用过氧化氢作为消毒剂。

过氧化氢的工作原理是产生破坏细胞大分子的自由基。过氧化氢具有广谱活性，可对抗革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌（对革兰氏阳性细菌的疗效略高）、真菌、病毒和内孢子。但是，产生氧气解毒酶过氧化氢酶或过氧化物酶的细菌可能对低过氧化氢浓度具有固有的耐受性（图\(\PageIndex{12}\)）。为了杀死内孢子，必须增加过氧化氢溶液的暴露时间或浓度。气态过氧化氢具有更高的功效，可用作房间或设备的消毒剂。

化学方程显示过氧化氢被过氧化氢酶分解成水和氧气。以下是瓶子和接触式清洁剂中过氧化氢的图片。 — 图\(\PageIndex{12}\)：过氧化氢酶通过酶法将高活性过氧化氢（H _{2 O ₂}）转化为水和氧气。过氧化氢可用于清洁伤口。过氧化氢用于消毒隐形眼镜等物品。（来源照片：Kerry Ceszyk 对作品的修改）

等离子体是一种热的电离气体，被描述为物质的第四态，由于它会穿透表面并杀死营养细胞和内孢子，因此可用于消毒设备。过氧化氢和过氧乙酸（另一种常用的过氧）都可以作为等离子体引入。过氧乙酸可用作液体或血浆消毒剂，因为它很容易杀死内孢子，即使在相当低的浓度下也比过氧化氢更有效，并且不会被过氧化氢酶和过氧化物酶失活。它还分解成对环境无害的化合物；在本例中为醋酸和氧气。

过氧原的其他例子包括过氧化苯甲酰和过氧化氨基甲酰胺。过氧化苯甲酰是一种用于痤疮药物溶液的过氧气。它可以杀死与痤疮有关的痤疮丙酸杆菌。过氧化氨基甲酰胺是一种用于牙膏的成分，是一种过氧，可对抗导致牙齿变色和口臭（口臭）的口腔生物膜。 ¹⁵ 最后，臭氧气体是一种具有消毒剂特性的过氧气，用于清洁空气或供水。总体而言，过氧原非常有效且常用，没有相关的环境危害。

练习\(\PageIndex{8}\)

过氧化物如何杀死细胞？

超临界流体

在过去的15年中，超临界流体，尤其是超临界二氧化碳（ScCo ₂）的使用在某些消毒应用中越来越受欢迎。当二氧化碳达到大气压的10倍时，它就会进入超临界状态，其物理特性介于液体和气体的物理特性之间。放入以这种方式对二氧化碳进行加压的腔室中的材料可以消毒，因为 scCo ₂ 能够穿透表面。

超临界二氧化碳的工作原理是穿透细胞并形成碳酸，从而大大降低细胞 pH 值。这种技术对营养细胞有效，还可以与过氧乙酸联合使用以杀死内孢子。温度升高或加压和减压的快速循环也可以增强其功效，这更有可能导致细胞裂解。

scCo ₂ 的优点包括二氧化碳的无反应、无毒和不可燃特性，该协议在低温下有效。与其他方法（例如加热和辐照）不同，ScCo ₂ 的使用可以降低被消毒物体的完整性，通常用于处理食物（包括香料和果汁）和内窥镜等医疗设备。它在移植前对皮肤、骨骼、肌腱和韧带等组织进行消毒也越来越受欢迎。scCo ₂ 也可以用于害虫防治，因为它可以杀死产品中的昆虫卵和幼虫。

练习\(\PageIndex{9}\)

为什么超临界二氧化碳的使用在商业和医疗用途中越来越受欢迎？

化学食品防腐剂

化学防腐剂用于抑制微生物的生长并最大限度地减少某些食物的变质。常用的化学防腐剂包括山梨酸、苯甲酸和丙酸，以及它们更易溶的盐山梨酸钾、苯甲酸钠和丙酸钙，所有这些都用于控制酸性食物中霉菌的生长。这些防腐剂中的每一种都是无毒的，很容易被人体代谢。它们也是无味的，因此它们不会损害它们保存的食物的味道。

随着 pH 值的降低，山梨酸和苯甲酸表现出更高的功效。人们认为山梨酸通过抑制各种细胞酶起作用，包括柠檬酸循环中的酶以及过氧化氢酶和过氧化物酶。它作为防腐剂添加到多种食物中，包括乳制品、面包、水果和蔬菜制品。苯甲酸天然存在于许多类型的水果和浆果、香料和发酵产品中。人们认为它通过降低细胞内 pH 值、干扰氧化磷酸化等机制以及氨基酸等分子吸收进入细胞而起作用。用苯甲酸或苯甲酸钠保存的食物包括果汁、果酱、冰淇淋、糕点、软饮料、口香糖和泡菜。

丙酸被认为既能抑制酶，又能降低细胞内 pH 值，其作用与苯甲酸类似。但是，丙酸是比山梨酸或苯甲酸更高的pH值更有效的防腐剂。丙酸是某些奶酪在成熟过程中自然产生的，并被添加到其他类型的奶酪和烘焙食品中以防止霉菌污染。它还被添加到生面团中，以防止细菌受到肠系膜芽孢杆菌的污染，这种细菌会导致面包变得粗糙。

其他常用的化学防腐剂包括二氧化硫和亚硝酸盐。二氧化硫可防止食物变褐并用于保存干果；二氧化硫自古以来就被用于酿酒。二氧化硫气体很容易溶解在水中，形成亚硫酸盐。尽管亚硫酸盐可以被人体代谢，但有些人对亚硫酸盐过敏，包括哮喘反应。此外，亚硫酸盐会降解硫胺素，硫胺素是某些食物中的重要营养素。亚硫酸盐的作用模式尚不完全清楚，但它们可能会干扰蛋白质中二硫键的形成（见图7.4.5），抑制酶活性。或者，它们可能会降低细胞的细胞内 pH 值，干扰质子动力驱动的机制。

亚硝酸盐被添加到加工过的肉类中，以保持颜色并阻止肉毒梭菌内孢子发芽。亚硝酸盐被还原为一氧化氮，与血红素基团和铁硫基团发生反应。当一氧化氮与肉类肌红蛋白中的血红素基团发生反应时，会形成红色产物，使肉呈红色。或者，人们认为，当硝酸与细菌中的铁硫酶 ferredoxin 发生反应时，这种电子传输链载体就会被破坏，从而阻止 ATP 的合成。但是，亚硝胺具有致癌性，可以在烹饪过程中通过将亚硝酸盐保存的肉类（例如热狗、午餐肉、早餐香肠、培根、罐装汤中的肉）暴露在加热下而产生。

天然化学食品防腐剂

其他微生物产生的天然抗微生物物质的发现增加了食品中使用的防腐剂库。乳酸链球菌是一种由乳酸乳球菌产生的抗菌肽，对革兰氏阳性生物特别有效。乳酸链球菌素的作用是破坏细胞壁的产生，使细胞更容易裂解。它用于保存奶酪、肉类和饮料。

纳他霉素是一种抗真菌大环内酯类抗生素，由纳塔伦斯链霉菌产生。它于 1982 年获得 FDA 批准，用于防止真菌在各种类型的乳制品中生长，包括干酪、切片奶酪和切碎的奶酪。在美国以外的国家，纳他霉素还用于肉类保存。

练习\(\PageIndex{10}\)

使用亚硫酸盐和亚硝酸盐作为食品防腐剂有哪些优缺点？

关键概念和摘要

重金属，包括汞、银、铜和锌，长期以来一直用于消毒和保存，尽管有些重金属具有与之相关的毒性和环境风险。
卤素，包括氯、氟和碘，也常用于消毒。氯化合物，包括次氯酸钠、氯胺和二氧化氯，通常用于水消毒。酊剂和碘伏形式的碘是一种有效的防腐剂。
酒精，包括乙醇和异丙醇，是常用的防腐剂，其作用是使蛋白质变性和破坏膜。
Phenolics 是稳定的长效消毒剂，可使蛋白质变性并破坏膜。它们通常存在于家用清洁剂、漱口水和医院消毒剂中，也用于保存收获的农作物。
从技术上讲，存在于抗菌肥皂、塑料和纺织品中的酚类化合物三氯生是一种抗生素，因为它具有抑制细菌脂肪酸合成的特定作用方式。
表面活性剂，包括肥皂和洗涤剂，可降低水的表面张力，从而产生机械带走微生物的乳液。肥皂是长链脂肪酸，而洗涤剂是合成表面活性剂。
季铵化合物（quats）是破坏膜的阳离子洗涤剂。它们用于家用清洁剂、皮肤消毒剂、口腔冲洗液和漱口水。
Bisbiguanides 会破坏细胞膜，导致细胞内容物凝结。 洗必泰和阿列克西定通常用于手术磨砂膏、临床环境中的洗手以及处方口服冲洗液。
烷基化剂可在低温下对材料进行有效消毒，但具有致癌性，还可能刺激组织。 戊二醛和邻苯二甲醛用作医院消毒剂，但不用作防腐剂。甲醛用于储存组织标本，用作防腐液，并用于制备疫苗以使传染病原体灭活。 环氧乙烷是一种气体消毒剂，可以渗透到热敏感的包装材料中，但它也具有爆炸性和致癌性。
过@@ 氧原，包括过氧化氢、过氧乙酸、过氧化苯甲酰和臭氧气体，是强氧化剂，可在细胞中产生自由基，破坏细胞的大分子。它们对环境安全，是高效的消毒剂和防腐剂。
超临界流体形式的加压二氧化碳很容易渗透到封装的材料和细胞中，形成碳酸并降低细胞内 pH 值。超临界二氧化碳无反应、无毒、不可燃，可在低温下对医疗器械、植入物和移植组织进行灭菌。
化学防腐剂被添加到各种食物中。 山梨酸、苯甲酸、丙酸及其更易溶的盐会抑制酶或降低细胞内 pH 值。
亚硫酸盐用于酿酒和食品加工，以防止食物变黄。
亚硝酸盐用于保存肉类和保持颜色，但烹饪亚硝酸盐保存的肉类可能会产生致癌的亚硝胺。
乳酸链球菌素和纳他霉素是天然产生的防腐剂，用于奶酪和肉类。乳酸链球菌素对革兰氏阳性细菌有效，纳他霉素对真菌有效。

脚注

1 美国食品药品监督管理局。 “Triclosan：消费者应该知道什么。” 2015。www.fda.gov/forConsumers/Cons... /ucm205999.htm。已于 2016 年 6 月 9 日访问。
2 J. Stromberg。 “你应该停止使用抗菌肥皂的五个理由。” Smithsonian.com 2014 年 1 月 3 日。www.smithsonianmag.com/scienc... 948078/？ no-ist。已于 2016 年 6 月 9 日访问。
3 SP Yazdankhah 等人。 “三氯生和细菌中的抗微生物药物耐药性：概述。” 微生物耐药性 12 第 2 号 (2006): 83—90。
4 L. Biroshov娃，M. Mikuláshová。 “肠道沙门氏菌 serovar Typhimurium 出现三氯生和抗生素耐药性。” 《医学微生物学杂志》 58 第 4 期 (2009): 436—441。
5 AB Dann，A. Hontela。 “三氯生：环境暴露、毒性和作用机制。” 《应用毒理学杂志》第 31 期第 4 期 (2011): 285—311。
6 美国疾病控制与预防中心。 “Triclosan 情况说明书。” 2013。www.cdc.gov/biomonitoring/tri... FactSheet.html。已于 2016 年 6 月 9 日访问。
7 EM Clayton 等人。 “双酚A和三氯生对美国人群免疫参数的影响，NHANES 2003-2006。” 《环境健康展望》第 119 期第 3 期 (2011): 390。
8 N. Silvestry-Rodriguez 等人 “银作为消毒剂。” 载于《环境污染和毒理学评论》，第23-45页。由 GW Ware 和 DM Whitacre 编辑。纽约：施普林格，2007 年。
9 B. Owens。 “银使抗生素的效果提高了数千倍。” 大自然 2013 年 6 月 19 日。 http://www.nature.com/news/silver-ma...ective-1.13232
10 C. Seiler，TU Berendonk。 “重金属推动受农业和水产养殖影响的土壤和水体中抗生素耐药性的共同选择。” 《微生物学前沿》 3 (2012): 399。
11 世界卫生组织。 “在食品生产和食品加工中使用含氯消毒剂的益处和风险：粮农组织/世卫组织联合专家会议的报告。” 瑞士日内瓦：世界卫生组织，2009。
12 RE Marquis。 “氟化物对口腔细菌的抗菌作用。” 加拿大微生物学杂志 41 第 11 期 (1995): 955—964。
13 L. Thomas 等人 “铜绿假单胞菌对二乙酸氯己定产生抗药性以及'残留'浓度的影响。” 《医院感染杂志》 46 第 4 期 (2000): 297—303。
14 医学研究所。 “参与SHAD项目（船上危害和防御）对健康的长期影响。” 华盛顿特区：国家科学院出版社，2007年。
15 Yao、C.S. 等人 “过氧化氨基甲酰胺对口腔生物膜的体外抗菌作用。” 《口腔微生物学杂志》 2013年6月12日。 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3682087/。doi：10.3402/jom.v5i0.20392。