电晕放电自由基簇射技术杀菌实验研究

刘　新，康　颖，2，邹　芳，杨　阳，丁田田，吴祖成*（.浙江大学环境电化学与化学储能实验室，能源清洁利用国家重点实验室，杭州30058；2.浙江省环境监测中心，杭州3005）

电晕放电自由基簇射技术杀菌实验研究

刘新1，康颖1，2，邹芳1，杨阳1，丁田田1，吴祖成1*
（1.浙江大学环境电化学与化学储能实验室，能源清洁利用国家重点实验室，杭州310058；2.浙江省环境监测中心，杭州310015）

控制微生物污染是长时间载人航天系统中生命保障的关键课题。采用电晕放电自由基簇射技术控制微生物的生长并对其灭活。结果表明:水和氧分子放电激活产生的氧化性自由基可使微生物细胞壁和细胞膜被刻蚀或直接氧化分解，从而导致微生物失活，致菌失活效率在99.6%以上。整个灭菌过程在反应器内进行不对人体和其它器材造成损害，适合于空间站等密闭生存系统内空气净化和微生物控制。

密闭舱室；微生物；羟基自由基；失活

1　引言

自从世界上第一个空间站发射以来，人们发现密闭环境中微生物无处不在，包括细菌、病毒以及某些真菌［1］。大量微生物菌群的出现，不仅对航天员的生存产生威胁，而且会对它们栖息所在的材料和结构产生破坏，如造成高分子聚合材料的生物降解，甚至是铝镁合金的腐蚀［2，3］。

微生物污染的来源主要有三个：一个是航天员本身，因为他们体内携带着大量的微生物，包括细菌、真菌、原生动物和病毒；另一个是航天器材料在进行加工、制作和保存的过程中滋生的一些微生物随着设备一起进入太空；还有就是运送补给物资的货运飞船及其补给的饮用水、食品以及设备的携带［4］。

微生物污染的去除方法主要有：过滤通风、气体熏蒸、光催化、臭氧和紫外光消毒等［5］。臭氧和紫外光等传统方法可有效灭菌，但会对人体和器件有一定的危害；气体熏蒸设备复杂且还可能有化学物质残留；过滤通风是将微生物拦截在过滤器上，不能达到微生物的永久性杀除。低温等离子体技术可在放电条件下激活水和氧分子产生强氧化性的粒子［6］，破坏微生物细胞结构，且参与反应后自身淬灭。本文采用直流电晕等离子体技术，考察了其在常温常压条件下对流动空气中微生物的灭活作用，并重点探讨了自由基簇射引发的多种物理、化学粒子的作用机理。

2　实验方法

在放电条件下，放电区域形成的高能电子可以轰击气体分子生成大量强氧化性的粒子，实验采用模拟含菌空气作为处理对象，考察了低温等离子体技术对其灭活作用。

2.1实验装置及流程

图1所示为实验装置流程图，详细参数可参考文献［7］。实验所用到的设备主要包括：含菌空气的制备系统、电晕放电反应器、直流高压恒流电源、紫外灭菌灯、激光共聚焦显微镜。高压直流电源的工作电压调节范围为：0～25 kV。反应器为长筒状同轴式反应器，尺寸为Φ90 mm× 900 mm，电晕极为中空喷嘴式，长800 mm，中空母管与喷嘴的外径分别为10 mm和3 mm。实验在室温下进行。

图1　反应装置及流程示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system s and setups

实验流程如下：空气通过空气泵以一定流量通过缓冲瓶后分为两路，其中一路直接进入混合瓶，另一路通过细菌储备瓶将空气鼓入菌液携带出一定浓度的细菌，形成微生物气溶胶进入混合瓶，通过控制两路气体的流量得到不同浓度的含菌气体，经混合瓶混合后由反应器入口进入电晕放电反应器，经处理后从出口流出。反应器的进、出口均设有采样口进行气体细菌采样分析，反应器内设两个温度计用以测定反应温度。

2.2微生物气溶胶样品的制备

细菌储备瓶中的含菌溶液由城市污水处理厂的活性污泥经提取和驯化后制得。首先将活性污泥内加入牛肉膏培养基，37℃恒温过夜培养，取5 mL菌液用离心分离机以300 rpm离心分离10 min，弃去上清液，再用无菌水清洗沉淀物两次，重复离心分离，备用。

实验前将所有实验用仪器和器皿、微生物培养基均放入高压灭菌锅内以120℃灭菌20 min，试验台及反应器用20 W紫外灭菌灯照射30 min，停止照射30 min后方可开始实验。

2.3分析方法

1）细菌数通过撞击法［8］进行测定，以CFU/ m3为单位进行表示，实验点重复测定次数为3～5次。

2）细菌形态采用激光共聚焦显微镜观察，仪器型号：BIO-RAD Radiance 2100，放大倍数：1000倍。

3）直流电晕光谱采用三重光栅光谱仪进行测定，型号：Model1235，EG&G PRINCETION APPLIED RESEARCH ORP。

3　结果与讨论

3.1电场强度和处理时间对杀菌效果的影响

控制电晕放电极间电压在0.8～4 kV/cm，每立方米空气所含菌落数（CFU/m3）随含菌气体在反应器内的停留时间的变化关系曲线如图2所示，其中细菌初始浓度为3×106CFU/m3。由图可知，反应器极间电压的升高可促使致菌失活效率显著提高，在极间电压为4.0 kV/cm，处理时间为140 s时，致菌失活效率为99.99%。低电压下致菌失活效率相对较低，但是相应的能耗也会降低。当极间电压降至0.8 kV/cm、处理时间为140 s时，致菌失活效率仍高达92%左右。即使处理时间减至10 s，还有55.70%的致菌失活效率。

选择合适的极间电压和停留时间可保证在较低能耗条件下获得良好致菌失活效率。由图2可见，在极间电压为2.0 kV/cm、反应时间为35 s时，致菌失活效率为97.90%，此时根据实验测定的电流值，计算得到反应器内能耗为约1.0W。

3.2细菌的初始浓度的影响

实际空气中细菌的数量变化较大，因此有必要对不同浓度的含菌气体进行杀菌实验。实验配制了不同初始浓度的含菌气体：300×104CFU/ m3，135×104CFU/m3，70×104CFU/m3和35×104CFU/m3，并分别对其进行电晕放电杀菌实验，结果如图3所示。在反应器极间电压为2.0 kV/cm、处理时间为35 s的操作条件下，四种初始浓度的含菌气体的致菌失活效率分别为97.90%，98.60%，99.30%和99.70%。可以看出，在较低的极间电压和较短的反应时间条件下，致菌失活效率均可达到97%以上，但较高含菌初始浓度下的致菌失活效率较低。

图2　直流电晕放电对微生物气溶胶的致菌失活效率Fig.2 Inactivation effect of the bioaerosoltreatment using DC corona discharge注：初始浓度300×104CFU/m3。

图3　初始浓度的含菌气溶胶的致菌失活效率Fig.3 Inactivation efficiency ofm icrobe in d ifferent initial concentrations

3.3杀菌过程的机理

杀灭微生物的机理目前尚无公认的理论。一般认为主要有以下几种作用：放电产生的高温的灭活效应、臭氧的氧化作用、紫外光的辐射破坏作用、高速粒子的破坏效应以及活性自由基的氧化作用［9］。本文针对直流电晕放电的杀菌作用在实验的基础上分别对以上因素做了评价。实验的过程中，反应器内的温度经测定保持在25±5°C，远远低于绝大多数微生物和细菌的致死温度［10］，因此本实验过程中热能对杀菌效果的作用可以忽略。

实验观测到直流电晕放电下有明显的晕光产生。因此，进一步考察这些晕光的光谱特性。利用光栅光谱仪对电晕放电反应器工作过程中的全波长光谱进行了扫描，重点探测紫外光区的发射光谱。试验结果将波长为237 nm到475 nm的紫外光区的探测光谱图进行放大发现四条可辨认光谱峰，分别出现在波长为315.3 nm、335.2 nm、356.1 nm和379.4 nm处（见图4a）。与紫外光（UV）发射的光谱强度相比极为微弱（见图4b）。UV的作用是通过破坏微生物的DNA内的胸腺嘧啶而达到破坏生物机体的繁殖能力的目的。实验证明波长为220～280 nm、辐射剂量为数个mWs/cm2的紫外光具有最强的杀菌效力，尤其是253.7 nm的紫外光。而在直流电晕紫外光辐射过程中并未探测到波长为220～280 nm的明显紫外辐射谱线，即使可探测到的辐射光强也是极其微量，并不足以达到杀菌所需强度，因此在本实验中紫外辐射并非主要杀菌因素。

臭氧具有很强的氧化能力，广泛的应用于气体、水体的杀菌。它的作用机理是氧化细菌的细胞壁，直至穿透细菌的细胞壁与其体内不饱和键化合，从而导致细菌的溶解和死亡，臭氧杀菌后立即还原成氧。但臭氧本身就是一种长寿命空气污染物，在空气中的半衰期约为16 min，对人的身体有破坏作用，例如臭氧对人的皮肤、眼睛和上呼吸道组织及粘膜具有刺激作用，浓度大于12 mg/m3时，连续工作1 h以上即可使人中毒［11］。前面提到直流电晕放电过程中会产生一部分臭氧，因此有必要考察臭氧在等离子体杀菌过程中的作用。实验考察了放电反应中臭氧的生成量和致菌失活效率的关系，图5反映了含菌气体停留时间为35 s时，反应器内未添加和添加微生物后的臭氧产生量随极间电压的变化情况。极间电压低于2.0 kV/cm的反应条件下，放电反应器内未检测到臭氧的存在，而当极间电压UP达到2.5 kV/cm以上，无论处理气体中是否添加了微生物，放电反应均有臭氧产生，臭氧的产生量随着极间电压的升高而增大，随着目标气体在反应器内停留时间的延长而增大。在没有微生物添加时，O3开始产生的电压要低，表明有部分氧化剂用于降解有机物。

图4直流电晕放电发光光谱图与紫外灯光谱图Fig.4 Spectra of DC corona discharge and UV lamp

图5还表明，大多数微生物的失活发生在反应器内臭氧产生之前。在极间电压为2.0 kV/cm以下，致菌失活效率达到97.9%，此时反应器内尚未检测到臭氧，对比无微生物添加时的空白试验，表明此时反应器内亦无臭氧产生，说明此条件下99.99%细菌的失活与反应器内的臭氧产生量无关。随着极间电压的继续升高，产生的臭氧由于微生物的添加而有所消耗，而在放电后期臭氧对于细菌失活后机体的深度氧化有贡献。此结果表明，应用直流电晕放电反应器，控制极间电压低于2.5 kV/cm，选择适当的停留时间即可在放电产生大量有害人体的臭氧之前，达到很好的杀菌效果。

由以上结果可以推断出，在极间电压控制在2.0 kV/cm以下时，电晕放电等离子体杀灭微生物的原因并非是由于放电产生的高温的灭火作用、臭氧的氧化作用以及紫外光辐射的破坏作用，而是由于活性自由基的氧化破坏作用，自由基的产生可能过程及机理参见文献［6］。

图6反映了等离子体放电前后微生物细胞形态的变化。可以看出，在放电反应后，微生物细胞已破损或变形。表明放电产生的自由基（·OH）具有超强的氧化性，可以对有机体表面进行刻蚀作用或直接氧化分解，使微生物的细胞结构破坏、内容物流出，从而使细胞失活。

图5　总气态氧化剂（以O3浓度代表）的含量和致菌失活效率的关系图Fig.5 The relationship between the content of the total gaseous oxidant（expressed in O3concentration）

图6　处理前后灰霉菌孢子的形态Fig.6 Shape of gray mould spore before and after treatment

4　结论

采用电晕放电自由基簇射技术可高效去除密闭生存空间的微生物。电晕放电极间电压、含菌气体停留时间以及含菌气体的初始含菌浓度均对细菌杀灭效率产生影响。在极间电压为10 kV、处理时间为35 s下，致菌失活效率即可达97.90%以上。较高含菌量的气体致菌失活效率相对较低，但仍在97%以上。通过对放电反应物理、化学过程的综合分析，认为电晕放电过程中产生的羟基自由基等具有超强氧化性的活性粒子在杀菌过程中发挥主要作用。这些活性粒子可氧化分解微生物的细胞壁和细胞膜，使其DNA破坏和蛋白质变性，从而致其失活。而羟基自由基存留时间通常只有几十到几百纳秒，不会转移到舱室空间对器材及人体产生伤害作用。该技术低耗、高效、安全，将是空间站等密闭生存系统内空气净化的一种良好选择。

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Study on Inactivation of M icrobe Contam inants via Corona Discharge Radical Shower

LIU Xin1，KANG Ying1，2，ZOU Fang1，YANG Yang1，DING Tiantian1，WU Zucheng1*
（1.Laboratory of Electrochemistry and Energy Storage，State Key Laboratory of Clean Energy Utilization，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China；2.Zhejiang Environmental Monitoring Center，Hangzhou 310015，China）

The control ofmicrobe contaminants is an important partof the life support system during long term manned flight.DC corona discharge technique was adopted to inhibit themicrobe＇s grow rate and further inactivate it.The results showed that the oxidative radicals generated could etch or decompose the cellwall and membrane ofmicrobe，thus resulted in its inactivation.The inactivation process ofmicrobewas carried outwithin corona discharge radical shower and thus itwould notharm the objects.Therefore，the technique could serve as an alternative method for the air purification and themicrobe control of the closed living system，such as the space station.

confined space；microorganism；hydroxyl radical；inactivation

V444.3+5；Q691

A

1674-5825（2015）02-0125-05

2014-10-08；

2015-02-06

刘新（1990-），女，硕士研究生，研究方向为等离子体。E-mail：21214060@zju.edu.cn

吴祖成，（1956-），男，博士，教授，研究方向为受控生命保障系统技术。E-mail：wuzc@zju.edu.cn