液体电极沿面放电高效灭活大肠杆菌

王天威,李杰,2,鲁娜,2,吴彦,2

(1.大连理工大学环境与生命学院,辽宁大连 116024; 2.大连理工大学静电与特种电源研究所,辽宁大连 116024)

液体电极沿面放电高效灭活大肠杆菌

王天威1,李杰1,2,鲁娜1,2,吴彦1,2

(1.大连理工大学环境与生命学院,辽宁大连 116024; 2.大连理工大学静电与特种电源研究所,辽宁大连 116024)

利用液体电极沿面放电等离子体反应器,对大肠杆菌的灭活效果进行了研究.考察了曝气量、初始含菌量和初始p H值等因素对大肠杆菌的存活细菌群落总数(cfu)的影响.实验结果表明:大肠杆菌的存活细菌群落数随初始含菌量、处理时间的增加而减少.弱碱性条件有利于大肠杆菌的灭活.反应系统中,曝气量对大肠杆菌灭活效果影响很大.在曝气量为4.5 L/m in,电源频率7 k Hz,电压6 kV条件下,500 m L初始含菌量为107cfu/m L的大肠杆菌菌液,放电处理5 min,可将全部大肠杆菌杀灭.本研究为液体电极沿面放电反应器在细菌灭活方面的应用提供参考.

液体电极;沿面放电;大肠杆菌;灭活

传统灭菌方法存在不能快速完全杀灭细菌、受区域限制、易造成环境二次污染等问题[1].而大气压下放电等离子体可以产生一些氧化活性很强的物质,如羟基自由基(·OH)、氧自由基(O·)、臭氧(O3)、过氧化氢(H2O2)和原子氧(O)等,与水中细菌发生作用,实现对水体细菌的灭活处理.放电等离子体能够对传统方法难杀灭的菌体进行有效灭活,具有处理效率高、无选择性、不产生二次污染等优点,受到越来越多研究学者的广泛关注[2-4].液体电极沿面放电,一方面能够产生大量臭氧、·OH等活性物质,并将紫外线和高压电场等物理作用引入细菌灭活中;另一方面待处理溶液在作为接地电极的同时还起到冷却系统的作用.从而,液体电极沿面放电可用于快速灭活大量菌液.

实验采用一种基于沿面放电设计的反应器对大肠杆菌菌体的灭活效果进行研究,主要探讨曝气量、初始含菌量、处理时间及p H值对细菌灭活效果的影响,为该方法在细菌灭活方面的应用提供参考.

1 材料与方法

1.1 实验装置与仪器

实验装置如图1所示,反应器采用直径为1.2 mm的不锈钢丝制作的螺旋电极作为高压电极,平均螺距6 mm,放电区域长220 mm,紧密安装在石英玻璃管介质内壁上,石英玻璃管内径13 mm,管壁厚1 mm.气体由石英玻璃管上端进入,沿面放电产生的活性物质从下端喷射进入溶液中.溶液位于石英玻璃管与有机玻璃管(400 mm×50 mm×5 mm)之间,并作为接地电极.

图1 实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of the experimen tal apparatus

实验中通入空气为载气,流量为4.5 L/min,初始p H值均为7.4.采用高频(7 k Hz)交流电源,输出电压为6 kV,通过电压、电流和示波器采样计算电源注入给反应器功率为22 W.选取大肠杆菌为目标分析物,单次处理含菌废水500 m L.

1.2 实验方法

将含大肠杆菌的培养液100 m L用高速离心机离心,大肠杆菌和培养基分离后,添加质量分数0.85%灭菌生理盐水,使用旋涡混合仪将灭菌生理盐水和大肠杆菌混合均匀,配成1 000 m L溶液.启动曝气,取500 mL溶液加入反应器中,接通高频交流电源,进行放电处理,连续在线取样,测试细菌的灭活效果.

大肠杆菌计数采用平板计数法.用0.1 mol/L的NaOH和HCl溶液调节p H值,采用ORION 828 p H计测试,每组实验重复3次.

LB培养基的组分:胰蛋白胨10 g/L,酵母粉5 g/L,NaCl 10 g/L,琼脂18 g/L(液体LB培养基不加琼脂),调节p H值为7.0～7.4.

2 结果与讨论

2.1 曝气量对大肠杆菌灭活效果的影响

选择初始含菌量为107cfu/mL的大肠杆菌菌液,研究曝气量对灭活效果的影响,结果如图2所示.在放电3 m in内,曝气量从3.5 L/m in增加到4.5 L/m in时,细菌存活菌落数降低了3个数量级;但当曝气量增加到5.5 L/min时,存活菌落数却提高了2个数量级.曝气量的增加对沿面放电所产生的高能电子及O3, H2O2,·OH,O·等活性物质的量有促进作用.当曝气量达到某一值时,放电产生的活性物质的量达到饱和,处理效果最好;继续增加曝气量对溶入水中的活性物质有吹脱作用,使处理效果减弱[5-6].因此,在本实验条件下,适宜的曝气量为4.5 L/min.

2.2 初始含菌量对大肠杆菌灭活效果的影响

图3为初始含菌量对灭活效果的影响.在一定浓度范围内,放电处理对初始含菌量高的水样的灭活效果要明显好于含菌量低的水样.对于容积一定的系统,在电压、曝气量等条件不变的情况下,放电产生的活性物质的量恒定.初始含菌量相对较高时,单位体积所含菌体数目较多,活性物质与菌体作用的概率增加,提高了菌体的灭活效果.因此,在曝气量4.5 L/min,电压6 kV条件下,放电处理5 min即可将初始含菌量107cfu/m L的500 m L溶液中大肠杆菌全部杀灭.

2.3 溶液初始p H值对大肠杆菌灭活效果的影响

考察在大肠杆菌适宜生长的p H值范围内放电对其灭活效果的影响,结果如图4所示,弱碱性(p H=8.2)溶液的大肠杆菌的灭活效果较好.放电处理2 min,p H值为8.2时大肠杆菌细胞数下降了6个对数,而p H值为6.8时下降了4个对数.溶液初始p H值的变化对放电产生活性物质的氧化能力有一定影响.酸性溶液中,臭氧比较稳定,臭氧氧化以直接氧化为主,而在碱性溶液中,臭氧不稳定,分解成氧化性更强的·OH.因此,弱碱性条件下有利于大肠杆菌的灭活.

图4 初始p H值对大肠杆菌灭活效果的影响Fig.4 Effect of the initial p H on the inactivation effect of E.coli

3 结论

1)液体电极沿面放电反应器可以快速有效地灭活溶液中的大肠杆菌,灭活效果随着放电时间的增加而显著提高,放电处理5 min,可将初始含菌量107cfu/m L的500 m L溶液中大肠杆菌全部杀灭.

2)在本实验条件下,较佳的曝气量为4.5 L/min;初始含菌量的增加会使单位体积所含菌体数目增多,提高菌体的灭活效果;弱碱性条件有利于大肠杆菌的灭活.

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Inactivation of Escherichia coli Using Surface Discharge Plasma with L iquid Electrode

WANG Tian-wei1,LIJie1,2,LU Na1,2,WU Yan1,2
(1.School of Environmental and Bio logical Science and Techno logy,Dalian U niversity of Technology,Dalian 116024,China;2.Institute of Electrostatic and Special Power,Dalian University of Techno logy,Dalian 116024,China)

The inactivation ofEscherichia coliby using surface dischargew ith liquid electrode in p lasma reacto rw as studied experimentally.The effectsof aeration amount,initial content of bacterium,and initial p H on the inactivation ofE.coliw ere evaluated.The results show ed that the amount ofE.colidecreased w ith the increase of the initial content of the bacterium and the treatment time.Under alkaline condition, the inactivation ofE.coliwas relatively better.The aeration amount greatly affected the inactivation ofE. co li.500 m L of 7 o rders of m agnitudeE.colibacterium f luid could be killed comp letely after 5 m in of discharge treatment under the condition of the better aeration amount 4.5 L/min,power frequency 7 k Hz and voltage 6 kV.It is expected to p rovide reference for the app lication of surface discharge p lasma reacto r w ith liquid electrode in the inactivation of bacterium.

liquid electrode;surface discharge;E.coli;inactivation

X 52

A

1000-1565(2010)05-0556-04

2010-04-20

教育部博士点基金资助项目(20070141004);国家自然科学基金-工程科技发展战略研究联合基金资助项目(U 0970166);辽宁省高校优秀人才计划资助项目(2009R09)

王天威(1986—),女,辽宁沈阳人,大连理工大学在读硕士研究生,主要从事环境等离子体技术方面的研究.

李杰(1964—),男,吉林九台人,大连理工大学教授,主要从事环境等离子体技术方面的研究.

(责任编辑:梁俊红)