综述：水基础设施用抗菌材料：缓解生物污染和病原体污染

本综述系统探讨了抗菌材料在水基础设施中的应用潜力，重点介绍了金属基（Ag?、Cu2?）、纳米材料（TiO2、GO）、聚合物（QACs、壳聚糖）及光催化材料的作用机制，涵盖了从生物膜防控到病原体灭活的多种策略（包括ROS生成、QS抑制等），为开发可持续、自清洁的水处理系统提供了重要理论依据和技术方向。

　　

2. 水系统中的生物污染和病原体污染

2.1. 生物膜形成机制

生物膜在水基础设施中的形成是一个多阶段过程，始于浮游微生物在表面的初始附着，受疏水作用、范德华力或静电吸引驱动。表面粗糙度、营养可用性和水流动力学显著影响微生物黏附。一旦附着，微生物进入不可逆黏附阶段，分泌胞外聚合物（EPS）作为锚定基质的胶状基质。EPS主要由多糖、蛋白质、脂质和胞外DNA组成，不仅增强附着，还捕获营养并提供针对消毒剂等环境压力的保护屏障。

微菌落形成阶段随之而来，其特征是微生物快速增殖和额外物种的招募。在这些微菌落内，通过群体感应（Quorum Sensing, QS）发生复杂的细胞间通讯，调控EPS生产、毒力因子表达和代谢协作。在成熟阶段，生物膜发展成具有水道复杂三维结构，允许不同层次的微生物经历不同的氧、pH和营养梯度，从而培养韧性和多物种协作。

最终，分散阶段发生，细胞从生物膜脱离以定植新表面。分散可由营养耗尽、机械破坏或化学信号触发，确保生物膜在整个水系统中的持久性。这一多步骤过程不仅增强微生物在不利条件下的生存，还在管道、储罐和分配系统中病原物种的持久性、抗菌剂抗性和水质恶化中发挥关键作用。

2.2. 常见水媒病原体

参与生物污染的微生物有时仅是环境细菌，但在许多情况下，它们是可以严重影响人类健康的病原体。大肠杆菌（Escherichia coli）是污染水中最常见的病原体之一，通常指示其他有害微生物的存在。嗜肺军团菌（Legionella pneumophila）是一种重要细菌，通常存在于温水系统中，并可导致许多可能致命的军团病爆发。铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）是一种机会性生物膜形成者，存在于管道和医院水系统中，可引起呼吸道感染和败血症。鸟分枝杆菌（Mycobacterium avium）是一种缓慢生长的机会性病原体，存在于热水器和淋浴器中，对免疫受损者尤其危险，且对氯和抗生素具有抗性。隐孢子虫（Cryptosporidium parvum）是一种原生动物寄生虫，对氯有抗性，可引起腹泻和胃肠道疾病。

这些病原体可在生物膜内持续存在，尽管进行消毒，并可引起严重的公共健康问题。它们通常受到胞外基质的保护，增强其生存和抗性。生物膜还作为各种水媒病原体的储库，许多病原体尽管消毒仍可持久存在。

3. 水基础设施中的抗菌策略概述

3.1. 被动与主动抗菌方法

抗菌策略主要分为预防或干预方法。被动抗菌程序的主要原理是构建防止微生物附着其表面的材料。这些变化包括表面疏水性、粗糙度、能量或电荷，所有这些都影响和指导生物膜生长的早期阶段。例如，超疏水涂层类似于荷叶，使水滴更快离开，从而阻止细菌附着。如今，诸如氟化聚合物、硅酮弹性体和纳米结构物质等材料都是基于这一原理创建的。

与被动方法不同，主动方法旨在通过直接作用或程序化释放抗菌剂来破坏或禁用微生物。工程化表面的抗菌作用通常分为两大类：基于接触和基于释放的机制。每种机制在其操作原理、持久性和环境考虑方面有所不同。在接触时，诸如季铵化合物和阳离子肽等杀菌材料从表面释放，改变微生物膜并使其失活。由于这些材料稳定且不浸出，它们对环境有益并保持表面效力。

在浸出系统中，应用银、铜、锌、有机化学品或天然抗菌剂，逐渐进入水中以保持强大的抗菌性能。这些系统的主要好处在于高风险环境；必须监测使用以防止环境污染和微生物产生抗性。

3.2. 表面改性与涂层

水系统的抗菌方法主要依赖于改变所涉及表面的方式。在管道、储罐、膜和过滤单元内部使用抗菌涂层，可显著减少生物膜和持久性病原体。抗菌涂层存在抵抗微生物、在接触时消除它们或缓慢释放微生物控制物质的作用。

疏水和超疏水涂层主要用于被动保护。通过降低材料的润湿性和表面能， mostly防止它们的附着，从而 mostly防止微生物附着。另一方面，抗菌涂层包含活性材料，如银纳米粒子、壳聚糖和氧化铜，所有这些都对各种微生物有效。聚合物基质、溶胶-凝胶涂层和等离子体基技术可用于将这些涂层粘合到表面。

一种有趣的方法包括光催化涂层，其在阳光或人造光下使用二氧化钛（TiO₂）或氧化锌（ZnO）等材料激活活性氧物种（ROS）。这些ROS干扰微生物并分解EPS，使表面清洁和消毒。可见光响应光催化剂的整合使它们在室内和低紫外线环境中的更广泛应用成为可能。此外，逐层（LbL）组装技术允许精确制造多功能涂层。这些可以同时提供防污、抗菌和耐腐蚀性能，从而增强水基础设施组件的效率和寿命。

3.3. 抗菌释放系统

控释系统是一种方便有效的选择，适用于需要持续控制微生物的情况。这些系统将抗菌成分缓慢分布到附近环境中，并长时间保持浓度恒定。有水凝胶和可生物降解的递送系统，可以通过加入银离子、氯或精油而变得抗菌。释放发生在扩散发生、基质分解或当pH、温度或细菌存在改变环境时。

在纳米技术中使用脂质体、树枝状聚合物和介孔二氧化硅纳米粒子使科学家能够更好地控制。它们能够存储抗菌剂并在需要时通过特定生物标记释放。例如，纳米载体可以保持休眠，直到它与细菌或环境中的酸性位置相互作用。将抗菌物质直接加入膜材料在水处理系统中变得越来越流行。具有两种功能，膜能够适应和过滤水，防止生物膜堆积，这导致它们持续有效使用和减少维护需求。

尽管有效，但必须确保抗微生物释放系统不会导致持续浸出、毒素过度积累或抗菌剂抗性。使用壳聚糖、尼辛和植物制成的酚类作为抗菌剂正在增加，因为它们对环境的风险较小。

3.4. 物理、化学和生物干预方法

除了基于材料的策略外，物理、化学和生物过程被应用于处理水中的微生物，或与其他过程一起使用以提高系统性能。紫外线（UV）射线、超声波处理和应用电磁场是消除微生物的流行方法。具体来说，紫外线有助于控制细菌、病毒和原生动物。然而，它只能在短时间内工作，并且在浑浊的水中效果较差。研究聚焦于超声波和电场作为使生物膜中的细菌对其他抗菌处理更敏感的可能方法。

在市政水处理中，使用氯、氯胺、臭氧和过氧化氢进行化学消毒仍然是主要做法。这些化学品在消毒方面有效，但它们可能产生不良产物，并且在生物膜覆盖的条件下效果较差。由于对化学残留物的担忧，许多人现在对将抗菌涂层与化学消毒剂结合使用的方法感兴趣，以提供更持久和更有选择性的微生物保护。生物方法是一个快速发展和有前途的科学领域。使用靶向并破坏一种细菌的噬菌体已被证明有助于控制铜绿假单胞菌和类似的生物膜。此外，使用DNase、藻酸盐裂解酶和蛋白酶降解生物膜基质可以帮助其他抗菌剂更有效地工作。各种群体感应抑制剂正在被检查以破坏监督和调节生物膜形成的通信系统。

更近期的是，涉及有益微生物的策略——从益生菌疗法借用的概念——已显示出生物竞争排除的潜力。在这种方法中，将良性微生物引入水系统以在空间和资源上胜过致病物种，从而为有害微生物创造更不适宜的环境。

4. 水基础设施中使用的抗菌材料

4.1. 金属基材料

金属和金属氧化物纳米粒子因其显示出强大和广谱的抗菌活性而备受关注。研究人员已经研究并使用了银（Ag）、铜（Cu）、氧化锌（ZnO）和二氧化钛（TiO₂）。在金属中，银尤其因其在低浓度下的强抗菌作用而得到认可。Ag?离子由这种金属释放，它们进入微生物，与蛋白质的巯基相互作用，破坏重要酶，形成活性氧物种，损伤DNA并引起氧化应激。银在这些系统的不同层和材料中使用，以阻止生物膜的发展。同时，使用银纳米粒子成本高昂，可能危害水生物种，并且受到防止金属泄漏的严格法规的限制，使其广泛使用变得困难。

铜提供了一种已证明可杀菌的经济实惠的选择。其作用与银非常相似，通过引起细胞破裂、蛋白质展开和产生耗尽细胞资源的应激。将其置于管道和表面涂层中已提高了抵抗微生物定植的机会。然而，当铜暴露于酸或氯化物时，它可能腐蚀，其耐久性和释放量可能会受到影响。

氧化锌具有抗菌能力，主要通过在紫外线辐射下 mostly 鼓励的ROS生产来建议。ZnO纳米粒子具有良好的稳定性，并且已被嵌入过滤膜和陶瓷基质中。ZnO被认为比银或铜危害小，但其抗菌能力在光线不足或有机水平非常高的区域可能会降低。

二氧化钛（TiO₂）因其光催化和高度稳定性而非常显著。在可见光和紫外线下，TiO₂产生自由基物种，穿透微生物并攻击构成生物膜的物质。由于化学惰性、经济实惠和环境安全，TiO₂可以在涂层、膜和表面膜中长时间保持有用。金属基抗菌剂仍然是强大的工具，但需要仔细整合以平衡效力、环境安全和基础设施兼容性。

4.2. 聚合物材料

抗菌聚合物正变得越来越重要，主要因为它们被应用于涂层和用于过滤材料。这些材料具有重要的优点，如灵活性、可调节性和与生物系统的兼容性，允许它们用于水系统的固体和流体部分。季铵化合物（QACs）是一种常见的聚合物抗菌剂。它们通常被固定到各种材料或添加到水凝胶和涂层中。QACs通过强烈的静电力干扰微生物膜，让细胞内容物逃逸并破坏细胞。由于它们的机制涉及接触杀灭，在用于饮水的