季铵盐

季铵盐化合物

1.1.1 结构与性质

季铵盐（又称四级铵盐）是中的4个都被取代后形成的的[3]。季铵盐有4个碳原子通过共价键直接与氮原子相连，阴离子在烃基化试剂作用下通过离子键与氮原子相连，其分子通式为:

结构中4个烃基R可以相同，也可以不相同。取代的或非取代的，饱和的或不饱和的，可以有分支或没有分支，可以为环状结构或直链结构，可以包含醚、酯、酰胺，也可以是芳香族或芳香族取代物。通过离子键与氮原子相连的多为阴离子（F－、Cl－、Br －、I－）或酸根（HSO4－、RCOO－等），以氯和溴最为常见[4]。

合成与分析方法

1.1.3 应用研究概况

季铵盐化合物特有的分子结构赋予其乳化、分散、增溶、洗涤、润湿、润滑、发泡、消泡、杀菌、柔软、凝聚、减摩、匀染、防腐和抗静电等一系列物理化学作用及相应的实际应用[8]，这些独特性能使其在造纸、纺织、涂料、染色、医药、农药、道路建设、洗化与个人护理用品和高新技术等领域均显示出了良好的应用前景。

季铵盐杀生剂研究进展

在季铵盐化合物的诸多独特性能及相应的实际应用中，优异的杀生性能是其中发现最早、应用最广的性能。目前，具有广谱高效、低毒安全、长效稳定等优点的季铵盐杀生剂已在工业、农业、建筑、医疗、食品、日常生活等众多领域得到广泛应用。例如，水处理[43]、造纸[44]、皮革[45]、纺织[46]、印染[47]、采油[48]、涂料[49]等行业的杀菌灭藻、防腐防霉、清洗消毒；农产品和农作物的防霉防病[50]；养殖和畜牧的防病杀菌[51]；木材和建材的防虫防腐[52]；外科手术和医疗器械的杀菌消毒[53]；禽蛋肉类和食品加工的清洗个人家庭和公共卫生的洗涤消毒[55]等均要用到季铵盐杀生剂。

1.2.1 发展历程

人们对季铵盐化合物的认识是从其所具有的杀菌作用上开始的，该类化合物在发展初期主要就是用作杀菌剂[13]。Jacobs W A等于1915年首次合成了季铵盐化合物，并指出这类化合物具有一定的杀菌能力，翻开了季铵盐杀生剂的历史篇章。然而，该研究成果

一直未被人们所重视。此后直到1935年，Domagk G[56]发现了烷基二甲基氯化铵的杀菌作用，进一步研究了杀菌性能与化学结构的关系，并利用其处理军服以防止伤口感染之后，季铵盐杀生剂才逐渐引起人们的极大兴趣。同年，Wetzel R即将季铵盐杀生剂用于临床消毒实践[57]。随后，对季铵盐杀生剂的研究与开发一直是应用研究领域关注的重点。

1.2.1.1 季铵盐杀生剂产品开发历程

季铵盐杀生剂发展到今天，按其开发历程来划分，至少已有7代产品[35, 57, 58]。

（1）第1代产品：烷基二甲基苄基卤化铵，其中烷基链长为C12～C16的产品杀菌效果最佳；

（2）第2代产品：第1代产品的衍生物，通过苯环或季氮上的取代反应得到；

（3）第3代产品：双烷基二甲基卤化铵，此代产品与前两代相比，在合成工艺、生产成本方面都有了改进，且对革兰氏阴性菌有很强的杀菌能力；

（4）第4代产品：第1、3代产品的混合物，杀菌效果比前3代产品高出4～20倍，且抗干扰能力强、毒性小、价格较低；

（5）第5代产品：含有2个N＋的双季铵盐，主要特点是杀菌效果好、毒性低、水溶性好，并具有广泛的生物活性；

（6）第6代产品：聚合季铵盐，具有毒性更小、杀菌作用更温和的特点，主要体现其药用价值，如角膜接触镜和个人护理用品的杀菌；

（7）第7代产品：第1、2、6代产品的混合物，利用协同增效的原理，其杀菌效果优于单一成分。

此外，还有更多的其他组合及复配方式，形成了多种各具特色的季铵盐杀生剂，在各个领域得到广泛应用。

1.2.1.2 我国季铵盐杀生剂发展概况

我国对季铵盐用作杀生剂的研究起步较晚，直至上世纪60年代初才开始这方面的工作，先后合成了单链季铵盐——十二烷基二甲基苄基溴化铵、十二烷基二甲基苯氧乙基溴化胺和十四烷基二甲基吡啶溴化铵，并于1964年研究了十二烷基二甲基苄基溴化铵的杀菌作用。1971年解放军总后勤部药品检验所再次对十二烷基二甲基苄基溴化铵的杀菌效果进行了深入研究，并将其推荐作为消毒剂使用[57, 59]。

国内在上世纪70年代开展了季铵盐在工业用水杀菌灭藻方面的应用研究。中国科学院微生物研究所和北京东方红炼油厂研究所共同研究了包括季铵盐在内的47种化合物对炼油厂循环冷却水中菌、藻的控制效果。实验中以异养菌、铁细菌和硫酸盐还原菌为受试对象，测定杀菌率达到99%以上时各种化合物所需的最低浓度，由此筛选出十二烷基二甲基苄基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵和十六烷基氯化吡啶等季铵盐为较理想的杀菌灭藻剂[60]。

上世纪80年代初，北京东方化工厂从美国Nalco公司引进了一系列水质稳定剂，

Nalco7326即为其中的杀菌灭藻剂，主要成分为烷基(C1460%，C1630%，C185%，C125%)二甲基苄基氯化铵与烷基(C1268%，C1432%)二甲基乙基苄基氯化铵的混合物。1984年，上海合成洗涤剂三厂研制成功了FN-7326杀菌灭藻剂（早期称仿7326，有效含量为10%；现在称FN-7326，有效含量为50%）。该药剂经实验对比研究，认为其药效与Nalco7326相仿[60]。

到了上世纪80年代后期，国内又研究开发出了双链季铵盐。此后，我国在季铵盐杀生剂的研究、生产与应用等方面逐步取得了长足的发展与进步。

1.2.2 杀生性能研究进展

用以杀灭或抑制菌、藻等微生物生长的药剂统称为杀生剂（即杀菌灭藻剂）。中的“杀生”并不一定需要把微生物杀死，大多数对微生物只起到抑制其生长和增殖的效果，效果大小取决于的浓度和作用时间[61]。按照季铵盐杀生剂的发展历程，可将其分为单链季铵盐、双链季铵盐、复合季铵盐、双季铵盐和聚季铵盐等5大类杀生剂，其杀生性能通常包括杀菌性能和灭藻性能两方面。

1.2.2.1 杀菌性能研究进展

灭藻性能研究进展

对于在自然界中分布广泛，与日常生活密切相关，甚至在人体内也无孔不入的细菌、真菌和病毒来说，藻类对生长环境、生存条件的要求苛刻得多，其分布也远没有菌类和病毒的分布广，因此人们在相当长的一段时期内对藻类污染带来的危害认识不足，重视不够。所以，尽管季铵盐杀生剂普遍具有杀菌和灭藻的双重功效，但与季铵盐杀菌剂的发展现状相比，对季铵盐灭藻剂的研究与开发明显要少得多，应用领域也没有那么广泛。（1）单链季铵盐灭藻剂

仉春华等[85]研究了十二烷基二甲基苄基溴化铵、十二烷基二甲基苄基氯化铵和十四烷基二甲基苄基氯化铵等3种单链季铵盐对混合藻液（由中国石油辽阳石油化纤公司排放的直流冷却水中提取，小球藻30%，栅藻27%，硅藻40%，蓝纤维藻2%，其他藻类1%）的灭藻效果，结果表明单链季铵盐具有灭藻和剥离污泥的双重作用，当用量≥25mg/L时，其灭藻率均在90%以上，出水达到了工业水处理的要求。周律等[86]进行了十六烷基三甲基溴化铵抑制铜绿微囊藻生长的研究，发现在微囊藻生长迟缓期的最佳用量为10mg/L，最大抑藻率为%；在微囊藻生长对数期的最佳用量为25mg/L，最大抑藻率为%。许银等[87]研究了十六烷基三甲基氯化铵对小球藻的抑制效果，在～1mg/L的用量范围内，随用量升高，该季铵盐对小球藻的抑制作用增强，96h抑制小球藻生长的半效应用量为L。洪爱华等[88]研究了十二烷基二甲基苄基溴化铵对赤潮生物海洋原甲藻的灭杀和抑制作用，用量为L时，可以抑制海洋原甲藻的生长，用量大于L时，灭藻率可达到90%以上。（2）双链季铵盐灭藻剂

曹西华等[89]研究了几种不同结构的季铵盐灭藻剂对赤潮异弯藻的杀灭效果，结果表明随着季铵盐灭藻剂作用时间延长，灭藻效果明显增加。其中，双十八烷基二甲基氯化铵的用量为L时，24h后杀灭率仅为70%左右；而十八烷基三甲基氯化铵和十八烷基二甲基苄基氯化铵的用量均为L时，24h后灭藻率即可达到85%和90%以上，可见单长链季铵盐对赤潮异弯藻的灭杀效果优于双长链季铵盐。张珩等[90]研究了双链季铵盐2-(2-苯氧基乙氧基)乙基三甲基氯化铵对两种赤潮生物的杀灭和抑制作用，发现该季铵盐能有效抑制赤潮藻，其中对球形棕囊藻96h的最小抑藻用量为L，对塔玛亚历山大藻96h的最小抑藻用量为L。

（3）复合改性季铵盐灭藻剂

黄娟等[91]考察了十四烷基二甲基苄基溴化铵改性黏土对2种赤潮藻的杀灭和控制作用，结果表明12mg/L的改性黏土对海洋卡盾藻作用24h后的灭藻率为85%，48h后达90%，72h后超过95%；16mg/L的改性黏土对塔玛亚历山大藻作用24h后的灭藻率不到50%，48h后为77%，72h后达到85%；而在相同用量和作用时间内，未改性黏土对2种赤潮藻的灭藻率均未超过50%。庞艳华等[92]研究了十六烷基三甲基溴化铵改性膨润土对两种海洋生物的去除作用，结果表明当改性膨润土的用量为20mg/L时，对小球藻的24h后除藻率大于85%，对新月菱形藻的24h后除藻率大于90%，而未经季铵盐改性处理的膨润土在相同用量下对小球藻和新月菱形藻没有表现出明显的去除作用。

（4）双季铵盐灭藻剂

王修林等[93]考察了由2个氯化十二烷基三甲基铵分子经联接基团连接而成的双季铵盐灭藻剂的抑藻活性，结果表明该双季铵盐在～L的较低用量时，对东海原甲藻、塔玛亚历山大藻和赤潮异湾藻的生长表现出明显的抑制作用，当用量增至L以上时，对中肋骨条藻的生长也表现出一定的抑制作用，而在相同用量范围内，对裸甲藻、青岛大扁藻和亚心形扁藻的生长影响不明显，表现出该双季铵盐的抑藻作用具有明显的种属特异性。吴萍[94]比较了双烷基聚氧乙烯基三季铵盐（DPQAC）和三烷基聚氧乙烯基三季铵盐（TPQAC）对3种赤潮藻的杀灭效果，其中DPQAC的用量为3mg/L时，灭藻率均可达到90%以上，用量为4mg/L时，灭藻率均可达到100%；而TPQAC的用量为1mg/L时，即可严重影响赤潮藻的生长，用量为2mg/L时，短时间内就能100%的杀灭赤潮藻。可见，TPQAC的灭藻效果优于DPQAC。

（5）聚季铵盐灭藻剂

曹承进等[95]研究了一种实验室制备的表面接枝聚季铵盐型高分子杀生剂对钝顶螺旋藻的杀灭效果，当1mg/mL的杀生剂作用于螺旋藻后，通过显微观察藻体的性状变化，发现原本呈现螺旋伸缩状的藻体已断裂成若干段，并由绿色变成土黄色，证明螺旋藻已经死亡，其灭藻过程是杀生剂表面吸附、接触、灭藻。Nudel R等[96]报道了以聚苯乙烯或交联聚苯乙烯的氯甲基化合物等为载体，通过载体上的氯甲基与含有长链烷基的不同

叔胺进行季铵化反应，制得的水不溶性聚季铵盐或聚双季铵盐杀生剂能有效杀灭藻类。这类聚合物适用于水处理，虽然用到一定时间后其杀生活性会下降，但通过适当处理，其活性大部分可以恢复，因此具有长效性。Pera J D[97]通过二甲胺、多胺与环氧氯丙烷季铵化反应制得水溶性聚季铵盐，该类聚合物具有高效灭藻性，可用于工业水处理。

由于藻类生长环境的特殊性，季铵盐灭藻剂目前主要用于海洋生物控制，工业用水处理，以及景观水和养殖水的灭藻消毒，就其灭藻性能研究进展来看，仍然存在至少3个方面的明显缺陷：首先，受试藻含量均不明确；其次，虽然有不少研究明确指出了用量和作用时间与灭藻率间的对应关系，但其作用时间一般为一天到几天，可反映灭藻剂作用的持久性，却未体现作用的快速性；最后，聚季铵盐灭藻剂相对分子质量的大小与其灭藻性能之间的关联在上述研究中未得到任何体现。

杀生机理研究进展

1.2.3.1 杀菌机理研究进展

灭藻机理研究进展

长期以来，季铵盐灭藻剂的应用与发展现状明显滞后于季铵盐杀菌剂，因此对灭藻机理的研究比杀菌机理的研究也少得多。按照本文所作的单/双链季铵盐、双季铵盐、聚季铵盐灭藻剂的分类，虽然其灭藻机理不尽相同、各有特点，但在破坏细胞膜结构、抑制生物酶活性、影响细胞代谢等方面与季铵盐杀菌剂的杀菌机理多有相似之处。（1）单/双链季铵盐灭藻剂

洪爱华[135]采用叶绿素a和蛋白质含量测定、超氧化物歧化酶活性测定及SEM观察等方法，研究了几种灭藻剂对棕囊藻的杀灭作用机理。结果表明，十二烷基二甲基苄基溴化铵中的十二烷基能溶解并损伤藻细胞表面的脂肪层，破坏细胞壁后，进入藻体内与蛋白质和酶反应，导致棕囊藻代谢异常，从而杀死藻细胞。

庞艳华等[92]研究了十六烷基三甲基溴化铵（HDTMAB）对小球藻、新月菱形藻的杀灭效果；曹西华等[136]研究了HDTMAB对东海原甲藻的杀灭效果，结果均表明游离的HDTMAB分子能在低浓度下抑制藻细胞的光合作用，降低其活性，破坏藻细胞内的类膜质结构，具有很强的灭杀藻细胞的能力。

许银等[87]通过营养元素吸收、Zeta电位和酸性磷酸酶活性的测定，以及TEM亚显微结构观察，发现十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）杀灭小球藻是3个方面共同作用的结果：首先，CTAC在小球藻上发生吸附作用，提高了小球藻表面Zeta电位，从而抑制小球藻对以阳离子形式存在的营养元素的吸收；其次，CTAC抑制了小球藻酸性磷酸酶的活性，酶蛋白功能丧失并发生变异，导致底物在溶酶体中大量贮积，引起小球藻的溶酶体出现膨胀现象；最后，CTAC的疏水基团与膜脂结构结合，引起小球藻质壁分离，并破坏其亚显微结构，质膜的收缩使破损的细胞器残体集中于细胞中央位置，影响细胞间的物质

运输和信息传递，导致细胞死亡。

曹西华等[89]研究了几种单双链季铵盐灭藻剂灭杀赤潮生物的作用机制：当季铵盐分子中的疏水基空间排列适当时，就会吸附在藻细胞膜上，引起细胞膜中膜蛋白的亲脂键破裂，导致膜功能受到破坏。同时，当季铵盐加入后，其长脂肪链可与藻细胞中叶绿素的叶醇基作用，减弱了叶绿素分子与膜的结合，破坏叶绿素与蛋白质和磷脂结合成稳定复合体进行光合作用的功能，从而导致光合作用的降低。通过TEM发现叶绿体膨胀变形、光合片层出现堆积、有序性大大降低。季铵盐对于细胞内的其他细胞器，例如线粒体、高尔基体等，也明显破坏了其膜层结构。另外，细胞核膜溶涨，但核区的有序性没有受到破坏，进一步说明季铵盐对藻细胞的杀灭作用主要是破坏其生物膜结构。

（2）双季铵盐灭藻剂

Grau A等[137]认为由于脂类结构的不同，导致灭藻剂对脂双层结构的破坏方式和作用结果有所不同，而诸多研究[138, 139, 140]均表明藻细胞的膜结构是灭藻剂攻击的主要对象。例如，Ahn C Y等[139]推测由于微藻生物膜脂肪酸组成的差异，使得灭藻剂具有选择性抑藻功能，并进一步推测多不饱和脂肪酸（PUFAs）含量高的藻细胞受灭藻剂的影响相对较弱，但并没有进一步证实其抑藻作用特异性机理。王修林等[93]通过对比分析一种双季铵盐灭藻剂（由2个十二烷基三甲基氯化铵分子经联接基联接而成）对不同海洋微藻生长的抑制效果与各海洋微藻生物膜的PUFAs含量间的关系发现，该双季铵盐抑藻作用的特异性与各海洋微藻生物膜的PUFAs含量明显相关，即各海洋微藻生物膜的PUFAs含量越低，该双季铵盐对其生长的抑制作用越明显，反之亦然。这一结果也证实了Ahn C Y 等的推测，这可能是因为藻细胞膜的PUFAs含量越低，其疏水性相对更强，因此其膜脂结构更容易与该双季铵盐的疏水基团结合而被破坏。

吴萍等[31]研究了三烷基聚氧乙烯基三季铵盐（TPQAC）对3种赤潮藻的杀灭效果，并且指出在TPQAC的作用下，藻细胞破裂、叶绿素被破坏是导致东海原甲藻和强壮前沟藻死亡的主要原因。

（3）聚季铵盐灭藻剂

有关聚季铵盐灭藻剂的灭藻机理研究非常有限。例如，聚氧乙烯氯化二甲亚铵是一种广泛用于游泳池和工业冷却水系统的灭藻剂。Frank N[141]的研究表明该灭藻剂对藻细胞的作用过程可以分为浸润细胞壁、破坏细胞膜、导致胞内物质泄漏、细胞死亡等4步。

综上所述，可将季铵盐灭藻剂的灭藻作用大致概括为以下4点：破坏叶绿体，抑制藻细胞的光合作用；抑制各种生物酶的活性，影响其功能；破坏藻细胞的生物膜结构；影响藻细胞的代谢过程。归纳灭藻机理研究常用的实验方法主要包括：酶活测定法、叶绿素或多不饱和脂肪酸含量测定法、SEM或TEM观察法等。就季铵盐灭藻剂灭藻机理研究进展来看，对小分子季铵盐灭藻机理的认识比对高分子聚季铵盐灭藻机理的认识深入得多，全面得多，具体可以从叶绿素破坏、酶活性降低、蛋白功能丧失等方面的研究体现出来。有关高分子聚季铵盐灭藻机理的研究非常缺乏，亟需进一步深入、提高。

季铵盐杀生剂多年来一直是国内外应用研究领域十分活跃的研发与创新热点之一，取得了不少新进展，主要表现在对其杀生性能、杀生机理、影响因素和协同增效作用研究等方面。但是，纵观季铵盐杀生剂的研究与发展现状不难发现，就其应用领域研究来看，几乎没有可用于饮用水生产的季铵盐杀生剂；就其杀生性能研究来看，大多存在受试菌、藻含量不确定，用量和作用时间（兼顾作用的快速性和持久性）与杀菌、灭藻率间的对应关系不明确，特别是聚季铵盐杀生剂相对分子质量的大小与杀生性能间的关联不清楚等3方面不足；就其杀生机理研究来看，有关聚季铵盐杀生剂在细胞表面的吸附、在壁或膜的作用位点、对酶或蛋白的破坏等方面的研究已有不少，对6步杀菌过程和4步灭藻过程也有一些描述，但至今为止对每一步作用过程的描述不很清晰，尤其是对一些具有特殊结构的聚季铵盐杀生剂的作用过程，不能用已有的6步或4步过程来描述。