TWI412496B - 以光觸媒組合物抑制病原菌生長之方法 - Google Patents

Description

以光觸媒組合物抑制病原菌生長之方法

本發明係關於一種抑制病原菌生長之方法，特別是一種以光觸媒組合物抑制海水病原菌生長之方法。

根據聯合國糧農組織2002年的報告，全世界的捕撈漁業從1996年的九千三百多萬公噸減少至2001年的九千一百多萬公噸，同時，全世界的人口由57億增加至61億，水產品的消費量也同時增加，由此可看出，捕撈漁業所能提供的水產品量已達到極限，欲滿足世界人口對水產品的需求，勢必提高水產養殖業的水產品量。

早期水產養殖業係以粗放式養殖，台灣直到1960年代以後才發展出現代化水產養殖業，例如吳郭魚、鯰魚、石斑魚、鮭魚、草蝦及白蝦等，已成為許多國家的重要產業。然而，陸上水產養殖的空間有限，且養殖業者過度抽用地下水已造成該地區的地層下陷或海水倒灌的問題，並且養殖池水排放到環境中，也造成沿岸水質優養化的問題，因此，發展海水箱網養殖漁業係現今養殖漁業的發展趨勢，台灣的海洋箱網養殖發展極快，目前主要的養殖種類有海鱺、龍膽石斑、點帶石斑、紅魽鯵、黃鱲鯵、嘉鯵等具有高經濟價值之魚種。

箱網養殖的主要流程為種魚培育、育種、種苗生產、中間育成、箱網養成、收穫等流程，除了最初的種魚培育預先培育優良品種的魚苗外，在中間育成及箱網養成的過程中，養殖業者必須確實掌握病害防治一環，避免發生集體魚病感染之情事，舉例而言，海鱺的培育過程中，海鱺的仔魚及幼魚容易發生集體感染病原菌，如發光桿菌病(Photobacteriosis，又稱巴氏桿菌症、假性結核病)，其病原菌為Photobacterium damselae subsp. Piscicida 。當海鱺一旦受到該病原菌之感染，初期僅於魚的頭部或鰓部有出血現象。因此漁民不容易發現海鱺已集體感染該病原菌，一旦受到感染，同一批次箱網養殖的海鱺無法販賣，使養殖漁民的損失慘重。

然而，養殖業者使用抗生素以防治病害，造成養殖產品的藥物殘留及病原菌抗藥性的問題；此外，養殖業者必須投入相當大量的疫苗以強化養殖魚的抗病力。因此養殖業者的成本負擔極重，如能降低箱網養殖區域的病原菌量，必能減輕養殖業者的成本負擔。

請參照中華民國公告第350752號「水生動物養殖箱之水質淨化方法」發明專利，該專利案係揭示一種水質淨化方法係將二氧化鈦(Titanium dioxide，TiO₂ )置於養殖水槽內，在有光源(如太陽光源)的狀態下使該二氧化鈦與水接觸，可殺死存在於水中的細菌，其中，該二氧化鈦必須以放射波長為370 nm以下之紫外光線作為誘導其產生殺菌效果之光源，才能有效殺菌。然而，太陽光僅有4%為紫外光線(在此係指波長小於400 nm者)，因此，該專利案所揭示之二氧化鈦以太陽光激發來殺菌之效果有限，無法確實抑制海水菌之生長。

將該專利案所揭示之二氧化鈦用以處理水族養殖缸時，則需提供一紫外燈源照射該二氧化鈦，該紫外燈源之波長範圍為300至400 nm，係落於可見光之外的光線，該光線之能量較高，對生物體及觀賞者有害，不能直接照射到養殖缸中的水生動物或者觀賞者。

此外，將該二氧化鈦設置於該水族養殖缸之過濾水槽內部時，則該二氧化鈦僅能對流經該過濾水槽之養殖水進行殺菌，而養殖水生動物的空間仍然有病原菌的存在，因此，該專利案所揭示之二氧化鈦無法確實抑制水族養殖缸之病原菌生長。

本發明係提供一種以光觸媒組合物抑制病原菌生長之方法，該光觸媒組合物具有氧化還原作用，藉由該氧化還原作用確實能夠抑制水生動物養殖環境內的海水病原菌之生長為本發明之主要目的。

本發明之次一目的係提供一種以光觸媒組合物抑制病原菌生長之方法，能抑制圈養水生動物空間內之病原菌生長，提升圈養空間之水質環境，而能降低該水生動物之致病機率，進而降低養殖漁民之養殖成本。

本發明之又一目的係提供一種以光觸媒組合物抑制病原菌生長之方法，能以能量較低之光源激發該光觸媒組合物之抑菌作用，對人體或水生動物無害者。

為達到前述發明目的，本發明所運用之技術內容包含有：一種以光觸媒組合物抑制病原菌生長之方法，係提供 一種光觸媒組合物置於一水生生物之養殖區域，該光觸媒組合物係由二氧化鈦及四氧化三鐵(TiO₂ /Fe₃ O₄ )所製備而成，以波長460至490 nm之光源照射該光觸媒組合物，以抑制水生生物養殖區域之病原菌生長。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明之以光觸媒組合物抑制病原菌生長之方法，係提供一種光觸媒組合物置於一水生生物之養殖區域。本發明所提供之光觸媒組合物係由二氧化鈦及四氧化三鐵(TiO₂ /Fe₃ O₄ )所組合而成，並以波長445至500 nm之光源照射該光觸媒組合物，以抑制水生生物養殖區域之病原菌生長。

本實施例之光觸媒組合物係以溶膠凝膠法(sol-gel method)將二氧化鈦及四氧化三鐵(TiO₂ /Fe₃ O₄ )合成並製備而成，該二氧化鈦佔該光觸媒組合物之莫耳數百分比為80%~99.8%，而該四氧化三鐵佔該光觸媒組合物之莫耳數百分比為0.2%~20%。請參照第1表所示之原料比例製作不同莫耳數比之TiO₂ /Fe₃ O₄ ，該原料包含有四異丙基鈦酸鹽〔Tetraisopropyl orthotitanate，Ti(OC₃ H₉ )₄ 〕、醋酸〔CH₃ COOH〕、異丙醇〔C₃ H₇ OH〕及四氧化三鐵〔Fe₃ O₄ 〕等四原料，將該四原料置於37℃溫度下震盪8小時後，以105℃及150℃溫度分別烘烤1小時，形成一固態物後，繼續進行鍛燒，將該固態物以每分鐘溫度上升5℃之速率，將溫度加熱至200℃，並維持200℃鍛燒1小時，再以同樣速率將溫度加熱至500℃，並維持500℃鍛燒3小時，便完成該光觸媒組合物之製作。

本實施例係將該光觸媒組合物研磨成粉末後，該粉末係能通過一篩網尺寸小於200#之網目，以蒸餾水清洗該粉末後，再以60℃將該粉末乾燥。

本發明之光觸媒組合物可以選擇製備為粉末、顆粒或塗料等型態，將該光觸媒組合物置於該水生動物養殖缸之過濾裝置、養殖缸內，或將該光觸媒組合物塗佈於養殖缸內之玻璃上，亦可將該光觸媒組合物應用於養殖漁業之箱網上，舉例而言，該箱網之網架、網牆或養殖區域內設置之浮球等器材皆可塗覆該光觸媒組合物之塗料，並於該養殖區域設置波長445至500 nm之光源。

本發明之光觸媒組合物係以該二氧化鈦行氧化還原作用時，該二氧化鈦具有一能量差帶值(Band gap energy)，特別係以銳鈦礦相(Anatase)之二氧化鈦作為本發明之光觸媒組合物，該銳鈦礦相二氧化鈦的能量差帶值為3.2電子伏特(eV)，由紫外光提供該能量差帶值使該二氧化鈦產生電子-電洞對(Electron-hole pair)，該電子-電洞對之電子群形成一傳導帶(Conductive band)會與氧氣反應而形成氧自由基(O₂ ^-‧ )，而電洞群則形成一價電帶(Valence band)會與水反應形成氫氧自由基(OH^‧ )。

本發明之光觸媒組合物係以二氧化鈦與過渡金屬合成，該過渡金屬化合物(特別係四氧化三鐵)可使二氧化鈦之能量差帶值發生紅移現象，本發明之光觸媒組合物係以波長為445至500 nm之光源激發，該波長範圍之光源係能有效激發二氧化鈦之氧化還原作用之光源。更詳言之，本發明之光觸媒組合物能被較低能量之光源激發，本實施例係以耗能較低之LED光源激發該光觸媒組合物，該LED光源較佳係落於460至490 nm之範圍，特別係以該LED光源之最大波長475 nm照射該光觸媒組合物，確實能達到抑制病原菌生長之效果，且該LED光源對人體或水生動物無害；此外，該LED光源之耗能較少，亦可減少對該LED光源供電之成本。

為證實本發明之以光觸媒組合物抑制病原菌生長之方法，確實具有抑制海水病原菌之功效，遂進行以下試驗。

一、本發明光觸媒組合物之光觸媒活性測試

先配製一靛胭脂溶液作為光觸媒活性測試之指示劑，該靛胭脂溶液係以1公升人工海水或蒸餾水溶解2.2 mg靛胭脂(Indigo carmine)配製而成，該靛胭脂溶液係作為氧化還原指示劑，測量該靛胭脂溶液於波長610 nm之吸光值。更詳言之，除了測量實驗組之吸光值([Abs]t)外，於同一時間測量控制組([Abs]c)之吸光值，當該靛胭脂溶液發生氧化還原反應時會發生去色作用，則波長610 nm之吸光值會降低，請參照公式Ⅰ計算該靛胭脂溶液之去色率，可得知該實驗組之氧化還原反應作用強弱。

(A)　不同比例光觸媒組合物之光觸媒活性測試

本實施例係選擇不同比例光觸媒組合物之光觸媒活性測試，其中，該控制組係添加10 ml靛胭脂溶液於一培養皿中(6 cm Petri dish)，該培養皿中不含光觸媒組合物或二氧化鈦；該實驗組係取0.035 g之光觸媒組合物置於含10 ml靛胭脂溶液之培養皿中；及一對照組係以二氧化鈦作為光觸媒，置於含10 ml靛胭脂溶液之培養皿中；該控制組、實驗組及對照組皆以LED藍光照射，並於每30分鐘測量該波長610 nm之吸光值，並計算該測量時間之去色率。

請參照第1圖及第2表所示，係不同比例光觸媒組合物之去色率，該光觸媒組合物分別有A-0組之對照組(二氧化鈦)、實驗組A-1組(100：1)、A-2組(200：1)及A-3組(400：1)，該A-3組之去色率最佳，並於第180分鐘時去色率達99.9%，該A-2組於第180分鐘時去色率為72.5%，該A-3組於第180分鐘時去色率為42.5%，而對照組則無去色效果。

由上述可知，本發明之光觸媒組合物確實係能夠受到LED藍光激發，而習知光觸媒無法受能量較低之光源激發，而不具有氧化還原作用，無法應用於抑制病原菌。

(B)光觸媒組合物於不同鹽度之光觸媒活性測試

本實施例係選擇比例為400：1之光觸媒組合物於不同鹽度下以LED藍光光源激發，進行光觸媒活性測試，請參照第2圖及第3表所示，該控制組係添加10 ml靛胭脂溶液於一培養皿中(6 cm Petri dish)，該培養皿中不含光觸媒組合物或二氧化鈦，對照組為B-0組(鹽度為0‰)，實驗組之鹽度分別為B-1組(鹽度為10‰)、B-2組(鹽度為20‰)及B-3組(鹽度為30‰)，該光觸媒組合物於鹽度0至30‰皆具有去色效果，而經過5小時後各實驗組之去色率分別為100%、93.75%、60.0%及40%。

由上述可知，本發明之光觸媒組合物確實係能夠於含有鹽份之環境中受到LED藍光激發，且可應用於海水環境中以抑制病原菌。

二、本發明光觸媒組合物於不同鹽度之抑菌測試

本實施例係選擇比例為400：1之光觸媒組合物於鹽度10‰及30‰條件下進行抑菌測試。自台灣新竹食品工業發展研究所購得之海鱺病原菌(Photobacterium damselae subsp. Piscicida ，其寄存編號為BCRC 17065)，以海水培養基(Marine broth 2216)於溫度29℃下培養該海鱺病原菌24至36小時，得一增殖菌液，將該增殖菌液以離心方式去除培養基後，以蒸餾水或不同鹽度之蒸餾水調整為10⁴ 至10⁵ cell/ml之試驗菌液，取10 ml之試驗菌液至滅菌過的培養皿(6 cm Petri dish)中，放入0.035 g之光觸媒組合物後以LED藍光光源照射該實驗組；控制組係添加10 ml靛胭脂溶液於一培養皿中(6 cm Petri dish)，該培養皿中不含光觸媒組合物或二氧化鈦，並且於第30、90及180分鐘取各控制組與實驗組之0.8 ml試驗菌液，添加0.018 ml三苯基氯化四唑(2,3,5-Triphenyl tetrazolium chloride，簡稱TTC)後於28℃下反應16至24小時，添加300 μl異丙酮(Isopropanol)使反應終止，以分光光度計測波長540 nm之吸光值，並以下列公式Ⅱ計算各實驗組之抑菌率。

請參照第3圖及第4表所示，C-1組(鹽度為10‰)及C-2組(鹽度為30‰)，該C-1及C-2組分別於180分鐘後達到23%及17%之抑菌率。

由上可知，本發明確實能夠以較低能量之LED藍光激發該光觸媒組合物，使海鱺病原菌之生長受到抑制，具有改善圈養空間之水質環境，並降低養殖成本之功效；此外，該LED藍光係對人體或水生動物無害之光源，不會危害生物體之健康。

本發明之光觸媒組合物可應用於箱網養殖之裝置上，舉例而言，該箱網養殖區域內可散佈數個浮球，該浮球之外層塗佈有該光觸媒組合物，該浮球之內部設有一LED藍光光源，以補足光線無法穿透海水表面之問題，該LED藍光光源可直接激發該光觸媒組合物之抑菌作用，以抑制該養殖環境之病原菌；此外，本發明亦可應用於養殖缸、水族缸或水族用品等裝置，或塗佈於該水族缸之玻璃上，以LED藍光激發該光觸媒組合物之抑菌作用，不僅可使該養殖缸維持一優質的養殖環境，該LED藍光又能提供一美觀功能，使水族缸同時具有抑菌效果，又能提供裝飾趣味性。

本發明之以光觸媒組合物抑制病原菌生長之方法，係直接提供一藍光光源以激發該光觸媒組合物，具有確實抑制水生動物養殖環境內的海水病原菌之功效。

本發明之以光觸媒組合物抑制病原菌生長之方法，能抑制圈養水生動物空間內之病原菌生長，具有提升圈養空間之水質環境，降低該水生動物之致病機率，進而降低養殖漁民之養殖成本之功效。

本發明之以光觸媒組合物抑制病原菌生長之方法，係以能量較低之LED藍光光源激發該光觸媒組合物之抑菌作用，不僅對人體或水生動物無害，更具有美觀、實用之功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

第1圖：不同比例光觸媒組合物之光觸媒活性測試折線圖。

第2圖：光觸媒組合物於不同鹽度之光觸媒活性測試折線圖。

第3圖：光觸媒組合物於不同鹽度之抑菌測試折線圖。

Claims (9)

1. 一種以光觸媒組合物抑制病原菌生長之方法，係提供一種光觸媒組合物置於一水生生物之養殖區域，該光觸媒組合物係由二氧化鈦及四氧化三鐵(TiO₂ /Fe₃ O₄ )所製備而成，並以波長460至490 nm之光源照射該光觸媒組合物，以抑制水生生物養殖區域之病原菌生長。
2. 依申請專利範圍第1項所述之以光觸媒組合物抑制病原菌生長之方法，該二氧化鈦佔該光觸媒組合物之莫耳數百分比為80%~99.8%，該四氧化三鐵佔該光觸媒組合物之莫耳數百分比為0.2%~20%。
3. 依申請專利範圍第1項所述之以光觸媒組合物抑制病原菌生長之方法，該光觸媒組合物之二氧化鈦係銳鈦礦相二氧化鈦。
4. 依申請專利範圍第1項所述之以光觸媒組合物抑制病原菌生長之方法，該光觸媒組合物之二氧化鈦及四氧化三鐵(TiO₂ /Fe₃ O₄ )係以溶膠凝膠法製備而成。
5. 依申請專利範圍第1項所述之以光觸媒組合物抑制病原菌生長之方法，該光源係LED光源。
6. 依申請專利範圍第1項所述之以光觸媒組合物抑制病原菌生長之方法，該光源之波長為475 nm。
7. 依申請專利範圍第1項所述之以光觸媒組合物抑制病原菌生長之方法，該光觸媒組合物係製備為粉末、顆粒或塗料之型態。
8. 依申請專利範圍第1項所述之以光觸媒組合物抑制病 原菌生長之方法，該光觸媒組合物係置於該水生動物養殖缸之過濾裝置、養殖缸內或塗佈於養殖缸內之玻璃上。
9. 依申請專利範圍第1項所述之以光觸媒組合物抑制病原菌生長之方法，該光觸媒組合物係塗佈於箱網養殖之器材上，該器材包含有該箱網之網架、網牆或浮球。