6种多金属氧酸盐的抑菌作用

引用本文: 谢乐芳, 邢蕊, 王芳, 王力. 6种多金属氧酸盐的抑菌作用[J]. 应用化学, 2017, 34(6): 700-704. doi: 10.11944/j.issn.1000-0518.2017.06.160370 shu

Citation: XIE Lefang, XING Rui, WANG Fang, WANG Li. Antibacterial Activities of Six Kinds of Polyoxometalates[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2017, 34(6): 700-704. doi: 10.11944/j.issn.1000-0518.2017.06.160370 shu

6种多金属氧酸盐的抑菌作用

谢乐芳 ^a, ,
邢蕊 ^a, ,
王芳 ^b, ,
王力 ^{a,*,
,}

a.
集美大学食品与生物工程学院福建厦门 361021
b.
泉州师范学院海洋与食品学院福建泉州 361000

通讯作者: 王力, 教授; Tel/Fax:0592-2184076;E-mail:wanglimerry@jmu.edu.cn; 研究方向:多酸化学

基金项目:
国家自然科学基金资助项目 the National Natural Science Foundation of China

国家自然科学基金资助项目 the National Natural Science Foundation of China

摘要: 合成了5种过渡金属取代的Keggin型多金属氧酸盐（Na₇PMo₁₁M（Ⅱ）O₄₀（M=Mn, Fe, Zn, Co, Ni）（简写为PMo₁₁M（Ⅱ）），并通过紫外可见分光光度计和傅里叶变换红外光谱仪对其结构进行了表征。进而运用牛津杯法研究了这5种过渡金属取代的Keggin型多金属氧酸盐和母体H₃PMo₁₂O₄₀（简写为PMo₁₂）对藤黄八叠球菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌和大肠杆菌的抑菌活性，并用微量肉汤二倍稀释法测得了这些（共6种）化合物对上述4种菌的最小抑菌浓度（MIC值）和最小杀菌浓度（MBC值）。结果表明，这6种化合物对4种菌均有不同程度的抑制作用，并且对2种球菌的抑制效果优于对2种杆菌的抑制效果。其中（Na₇PMo₁₁M（Ⅱ）O₄₀（M=Ni, Mn, Zn）对4种菌的抑制效果优于其它3种化合物。综合考虑，本研究能够为多金属氧酸盐用于果蔬的防腐保鲜提供更多的理论和实验支持。

关键词:

English

Antibacterial Activities of Six Kinds of Polyoxometalates

XIE Lefang ^a, ,
XING Rui ^a, ,
WANG Fang ^b, ,
WANG Li ^{a,*,
,}

a.
College of Food and Biological Engineering, Jimei University, Xiamen, Fujian 361021, China
b.
College of Oceanology and Food Science, Quanzhou Normal University, Quanzhou, Fujian 361000, China

Corresponding author: WANG Li, professor; Tel/Fax:0592-2184076; E-mail:wanglimerry@jmu.edu.cn; Research interests:polyoxometalic acid chemistry

Received Date: 18 September 2016
Accepted Date: 05 December 2016
Revised Date: 17 October 2016
Available Online: 10 June 2017
Fund Project:
20871054

2137107

Abstract: In this study, we synthesised five kinds of Keggin-type transition metal substituted polyoxometalates(Na₇PMo₁₁M(Ⅱ)O₄₀(M=Mn, Fe, Zn, Co, Ni), abbreviated as PMo₁₁M(Ⅱ)(M=Mn, Fe, Zn, Co, Ni)). The structures of these compounds were characterized by UV-visible absorption spectrum and Fourier transform infrared spectrometer(FTIR). And then the antibacterial activities of the five kinds of Keggin-type transition metal substituted polyoxometalates(PMo₁₁M(Ⅱ)(M=Mn, Fe, Zn, Co, Ni) and their parent H₃PMo₁₂O₄₀(abbreviated PMo₁₂) on Sarcina lutea(S.lutea), Staphylococcus aureus(S.aureus), Bacillus subtilis(B.subtilis) and Escherichia coli(E.coli) were investigated by Oxford plate. Also, the minimum inhibitory concentration(MIC) and the minimum bactericidal concentration(MBC) were tested by broth microdilution methods. The results show that the six kinds of polyoxometalates can inhibit the proliferation of these four different kinds of bacteria to different extents, and the antimicrobial activities of all compounds on S.lutea and S.aureus are more effective than those against B.Subtilis and E.coli. Among these compounds, the antibacterial activities of (PMo₁₁M(Ⅱ)(M=Ni, Mn, Zn)) were superior to the other three compounds. This study will provide more theoretical and experimental supports for polyoxometalates as preservative agents in fruit and vegetables.

Key words:

随着社会经济的发展，人们的生活水平不断提高，对生活的品质越来越重视，其中很重要一方面就是食品的质量问题。而果蔬由于其含维生素、膳食纤维等人体所需的重要营养元素，深受大众的欢迎，成为人们生活中必不可少的一部分。但果蔬采摘后，由于病原微生物的侵染，导致其腐败，不仅影响了果蔬的品质、安全，更造成了巨大的经济损失。所以果蔬的防腐保鲜问题越来越受重视^[1-2]。

多金属氧酸盐(polyoxometalates, POMs)，由于其无可比拟的结构特点，使其在催化、材料、医药等诸多领域都有巨大的潜在应用价值^[3-5]。在医药应用上，由于其低毒、低成本等特性^[6-8]，使其作为抑菌剂、抗癌剂和抗病毒剂的应用吸引了许多研究者的关注^[9-12]。Liu等^[9]用多金属氧酸盐与钴-加替沙星(cobalt-gatifloxacin)合成了化合物[Co^Ⅱ(C₁₉FH₂₂N₃O₄)₃][C₁₉FH₂₃N₃O₄][HSiW₁₂O₄₀]·23H₂O，研究了其对大肠杆菌和葡萄球菌的抑制作用。Daima等^[13]的研究也表明，多金属氧酸盐与金纳米粒能够协同抑菌。我们课题组^[14-17]也对多种多金属氧酸盐进行了抑菌活性的研究。为了寻找更多更有效的抑菌剂，本文研究了6种Keggin型多酸化合物(Na₇PMo₁₁M(Ⅱ)O₄₀ (简写为PMo₁₁M, M=Mn, Fe, Zn, Co, Ni)；H₃PMo₁₂O₄₀简写为PMo₁₂)对报道较多的4种致病菌(革兰氏阳性菌：藤黄八叠球菌^[17]、金黄色葡萄球菌^{[9, 13-14, 17]}、枯草芽孢杆菌^[15-17]，革兰氏阴性菌：大肠杆菌^{[3, 9, 13-17]})的抑制作用，为多金属氧酸盐用于果蔬的防腐保鲜提供更多的理论和实验支持。

1   实验部分

1.1   仪器和试剂

化合物PMo₁₁M(M=Mn, Fe, Zn, Co, Ni)根据文献[18-19]方法合成，并用FT/IR-480型红外光谱(日本Jasco公司)和Cintra 2020型紫外分光光度计(澳大利亚GBC公司)进行表征。硫酸庆大霉素注射液(4万单位/mL)购于福州海王福药制药有限公司。营养琼脂和MH肉汤培养基均为生物试剂，购于广东环凯微生物科技有限公司。藤黄八叠球菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌和大肠杆菌由中国福建省泉州师范学院提供。溴化钾(光谱纯)、氯化三苯四氮唑(MTT，生物试剂)、PMo₁₂及其它试剂均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。实验过程中所用的水均为二次去离子水。

1.2   实验方法

根据文献[20]适当改进牛津杯法测定6种化合物对藤黄八叠球菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌和大肠杆菌的抑菌活性。首先用生理盐水配制2×10⁵~4×10⁵ CFU/mL的4种菌的菌悬液，然后将其混匀到已高压灭菌的营养培养基(pH 7.3±0.1) 中，摇匀并倒平板。待培养基凝固后放上7个内直径为6 mm的牛津杯，分别加入不同浓度的抑制剂溶液和阴性对照(无菌水)、阳性对照(10 U/mL硫酸庆大霉素)200 μL，并作3组平行。做好标记，置于37 ℃恒温箱中培养24 h后，测量抑菌圈直径。

根据文献[21]方法改进，用微量肉汤二倍稀释法测定了6种化合物对4种菌的最小抑菌浓度(MIC值)和最小杀菌浓度(MBC值)。首先，在已灭菌的96孔板中加入100 μL含0.5%TTC(三苯基氯化四氮唑)的M-H肉汤，然后在每排的第一孔中加入100 μL多酸溶液对其进行二倍稀释，之后吸取100 μL第一孔混匀的混合液加入到第二孔进行二倍稀释，依次进行到第10孔，获得等倍稀释梯度的化合物浓度，并保持等体积。最后在各孔中加入100 μL 2×10⁵~4×10⁵ CFU/mL的菌悬液。每排设第11孔为无菌控制对照，第12孔为细菌生长情况对照。将微孔板于37 ℃恒温培养24 h。微孔中以培养液显红色判定为有细菌生长，将不出现红色的最低化合物浓度判定为MIC值。取100 μL不出现红色的培养液，分别涂布于营养琼脂培养基上，于37 ℃下培养24 h，以不长菌的最低化合物浓度作为MBC值。

2   结果与讨论

2.1   化合物的结构表征

图 1为6种化合物的红外光谱图。从图 1可以看出，在1100~700 cm^-1范围内出现4个Keggin结构的特征峰，分别对应于P—O_a、Mo—O_d、Mo—O_b、Mo—O_c的振动峰，与参考文献[18]的数据相符。图 2为6种化合物的紫外光谱图，6种化合物均在210 nm和230~240 nm处有吸收峰，这是典型的Keggin型结构多金属氧酸盐的特征峰^[22]。

图 1 6种化合物的红外谱图 Figure 1. IR spectra of six compounds

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图 2 6种化合物的紫外谱图 Figure 2. UV spectra of six compounds

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2.2   化合物的抑菌作用

图 3为6种化合物对4种菌的抑制效果图。从图 3可以看出，基本所有化合物对4种菌均有明显的抑制作用，并且随着化合物浓度的升高，抑菌圈直径不断增大，即存在剂量效应。并且同种化合物对两种球菌的抑制效果强于对两种杆菌的抑制效果，而不同化合物对同一种菌的抑制效果基本没有差别，这可能与多金属氧酸盐中心原子氧化数有关，由于中心原子氧化数的多少决定着多酸阴离子所带的电荷数的多少，影响了其pH值，但由于本文所用到的化合物的中心原子氧化数不变，多酸阴离子所带电荷相同，所以对同种菌的抑制效果基本没有差别。

图 3 6种化合物的抑菌活性 Figure 3. Antimicrobial activities of of six compounds

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表 1为不同浓度化合物对4种菌抑制作用的具体数据。从表 1可看出，PMo₁₁Mn、PMo₁₁Ni和PMo₁₁Zn对4种菌的抑制效果强于其它3种化合物对4种菌的抑制效果，这3种化合物在高浓度(30 g/L)下的抑菌水平达到了阳性对照的水平，也能体现出化合物对球菌的抑制效果强于对杆菌的抑制效果。从表中MIC值可看出，除PMo₁₁Mn、PMo₁₁Ni和PMo₁₁Zn对大肠杆菌的MIC值为2.40 g/L外，均为1.20 g/L；而MBC值除了PMo₁₁Fe、PMo₁₁Ni和PMo₁₁Co，PMo₁₂对大肠杆菌的MBC值为2.40 g/L，PMo₁₁Mn、PMo₁₁Zn对两种杆菌的MBC值为2.40 g/L之外，均为1.2 g/L，进一步说明6种化合物对所研究的两种球菌的抑制效果优于对两种杆菌的抑制效果，特别是对大肠杆菌的抑制效果不够明显。虽然PMo₁₁Mn、PMo₁₁Ni和PMo₁₁Zn总体的抑菌效果优于其它3种化合物，但其对大肠杆菌的MIC值却大于其它化合物，不仅说明这些化合物对球菌的抑制效果优于对杆菌的抑制效果，更说明这3种化合物只有达到较高浓度时才能起到较好的抑菌作用。另外，化合物对4种菌的抑制作用与所选菌种本身的细胞结构也存在一定的关系，球菌表面无鞭毛等结构，而杆菌有，这可能影响了菌体对化合物的吸收，从而影响了化合物的抑菌效果。而化合物对大肠杆菌的抑制效果不够理想，这可能还与大肠杆菌属于革兰氏阴性菌有关，革兰氏阴性菌的细胞壁结构成分复杂，不易破坏，而革兰氏阳性菌的细胞壁主要由肽聚糖组成，结构简单易破坏，这可能是化合物对大肠杆菌抑制效果不理想的另一原因。并且多酸化合物对不同菌的抑制作用也可能存在选择性。由于多金属氧酸盐与细菌间的作用相当复杂，其抑菌作用机理还有待进一步研究。

表 1 6种化合物的抗菌活性 Table 1. Antimicrobial activities of six compounds

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3   结论

本文实验结果表明，磷钼酸母体及其5种取代型多金属氧酸盐均对藤黄八叠球菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌和大肠杆菌有明显的抑制作用，有望将其应用于食品的防腐保鲜，甚至作为广谱抗菌剂。
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图 1 6种化合物的红外谱图

Figure 1 IR spectra of six compounds

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图 2 6种化合物的紫外谱图

Figure 2 UV spectra of six compounds

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图 3 6种化合物的抑菌活性

Figure 3 Antimicrobial activities of of six compounds

A.PMo₁₁Mn; B.PMo₁₁Fe; C.PMo₁₁Zn; D.PMo₁₁Co; E.PMo₁₂; F.PMo₁₁Ni
Concentrations of compounds for dishes 1~5 were 30, 15, 7.5, 3.75 and 1.875 g/L, respectively; a.negative control with sterile water; b.positive control with 10 U/mL of gentamycin sulfate for bacterium. ① Sarcina lutea; ② Staphylococcus aureus; ③ Bacillus subtilis; ④ Escherichia coli.

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表 1 6种化合物的抗菌活性

Table 1. Antimicrobial activities of six compounds

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