液體電極沿面放電高效滅活大腸桿菌

王天威,李杰,2,魯娜,2,吳彥,2

(1.大連理工大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)院,遼寧大連 116024; 2.大連理工大學(xué)靜電與特種電源研究所,遼寧大連 116024)

液體電極沿面放電高效滅活大腸桿菌

王天威1,李杰1,2,魯娜1,2,吳彥1,2

(1.大連理工大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)院,遼寧大連 116024; 2.大連理工大學(xué)靜電與特種電源研究所,遼寧大連 116024)

利用液體電極沿面放電等離子體反應(yīng)器,對大腸桿菌的滅活效果進行了研究.考察了曝氣量、初始含菌量和初始p H值等因素對大腸桿菌的存活細菌群落總數(shù)(cfu)的影響.實驗結(jié)果表明:大腸桿菌的存活細菌群落數(shù)隨初始含菌量、處理時間的增加而減少.弱堿性條件有利于大腸桿菌的滅活.反應(yīng)系統(tǒng)中,曝氣量對大腸桿菌滅活效果影響很大.在曝氣量為4.5 L/m in,電源頻率7 k Hz,電壓6 kV條件下,500 m L初始含菌量為107cfu/m L的大腸桿菌菌液,放電處理5 min,可將全部大腸桿菌殺滅.本研究為液體電極沿面放電反應(yīng)器在細菌滅活方面的應(yīng)用提供參考.

液體電極;沿面放電;大腸桿菌;滅活

傳統(tǒng)滅菌方法存在不能快速完全殺滅細菌、受區(qū)域限制、易造成環(huán)境二次污染等問題[1].而大氣壓下放電等離子體可以產(chǎn)生一些氧化活性很強的物質(zhì),如羥基自由基(·OH)、氧自由基(O·)、臭氧(O3)、過氧化氫(H2O2)和原子氧(O)等,與水中細菌發(fā)生作用,實現(xiàn)對水體細菌的滅活處理.放電等離子體能夠?qū)鹘y(tǒng)方法難殺滅的菌體進行有效滅活,具有處理效率高、無選擇性、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點,受到越來越多研究學(xué)者的廣泛關(guān)注[2-4].液體電極沿面放電,一方面能夠產(chǎn)生大量臭氧、·OH等活性物質(zhì),并將紫外線和高壓電場等物理作用引入細菌滅活中;另一方面待處理溶液在作為接地電極的同時還起到冷卻系統(tǒng)的作用.從而,液體電極沿面放電可用于快速滅活大量菌液.

實驗采用一種基于沿面放電設(shè)計的反應(yīng)器對大腸桿菌菌體的滅活效果進行研究,主要探討曝氣量、初始含菌量、處理時間及p H值對細菌滅活效果的影響,為該方法在細菌滅活方面的應(yīng)用提供參考.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置與儀器

實驗裝置如圖1所示,反應(yīng)器采用直徑為1.2 mm的不銹鋼絲制作的螺旋電極作為高壓電極,平均螺距6 mm,放電區(qū)域長220 mm,緊密安裝在石英玻璃管介質(zhì)內(nèi)壁上,石英玻璃管內(nèi)徑13 mm,管壁厚1 mm.氣體由石英玻璃管上端進入,沿面放電產(chǎn)生的活性物質(zhì)從下端噴射進入溶液中.溶液位于石英玻璃管與有機玻璃管(400 mm×50 mm×5 mm)之間,并作為接地電極.

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the experimen tal apparatus

實驗中通入空氣為載氣,流量為4.5 L/min,初始p H值均為7.4.采用高頻(7 k Hz)交流電源,輸出電壓為6 kV,通過電壓、電流和示波器采樣計算電源注入給反應(yīng)器功率為22 W.選取大腸桿菌為目標(biāo)分析物,單次處理含菌廢水500 m L.

1.2 實驗方法

將含大腸桿菌的培養(yǎng)液100 m L用高速離心機離心,大腸桿菌和培養(yǎng)基分離后,添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.85%滅菌生理鹽水,使用旋渦混合儀將滅菌生理鹽水和大腸桿菌混合均勻,配成1 000 m L溶液.啟動曝氣,取500 mL溶液加入反應(yīng)器中,接通高頻交流電源,進行放電處理,連續(xù)在線取樣,測試細菌的滅活效果.

大腸桿菌計數(shù)采用平板計數(shù)法.用0.1 mol/L的NaOH和HCl溶液調(diào)節(jié)p H值,采用ORION 828 p H計測試,每組實驗重復(fù)3次.

LB培養(yǎng)基的組分:胰蛋白胨10 g/L,酵母粉5 g/L,NaCl 10 g/L,瓊脂18 g/L(液體LB培養(yǎng)基不加瓊脂),調(diào)節(jié)p H值為7.0～7.4.

2 結(jié)果與討論

2.1 曝氣量對大腸桿菌滅活效果的影響

選擇初始含菌量為107cfu/mL的大腸桿菌菌液,研究曝氣量對滅活效果的影響,結(jié)果如圖2所示.在放電3 m in內(nèi),曝氣量從3.5 L/m in增加到4.5 L/m in時,細菌存活菌落數(shù)降低了3個數(shù)量級;但當(dāng)曝氣量增加到5.5 L/min時,存活菌落數(shù)卻提高了2個數(shù)量級.曝氣量的增加對沿面放電所產(chǎn)生的高能電子及O3, H2O2,·OH,O·等活性物質(zhì)的量有促進作用.當(dāng)曝氣量達到某一值時,放電產(chǎn)生的活性物質(zhì)的量達到飽和,處理效果最好;繼續(xù)增加曝氣量對溶入水中的活性物質(zhì)有吹脫作用,使處理效果減弱[5-6].因此,在本實驗條件下,適宜的曝氣量為4.5 L/min.

2.2 初始含菌量對大腸桿菌滅活效果的影響

圖3為初始含菌量對滅活效果的影響.在一定濃度范圍內(nèi),放電處理對初始含菌量高的水樣的滅活效果要明顯好于含菌量低的水樣.對于容積一定的系統(tǒng),在電壓、曝氣量等條件不變的情況下,放電產(chǎn)生的活性物質(zhì)的量恒定.初始含菌量相對較高時,單位體積所含菌體數(shù)目較多,活性物質(zhì)與菌體作用的概率增加,提高了菌體的滅活效果.因此,在曝氣量4.5 L/min,電壓6 kV條件下,放電處理5 min即可將初始含菌量107cfu/m L的500 m L溶液中大腸桿菌全部殺滅.

2.3 溶液初始p H值對大腸桿菌滅活效果的影響

考察在大腸桿菌適宜生長的p H值范圍內(nèi)放電對其滅活效果的影響,結(jié)果如圖4所示,弱堿性(p H=8.2)溶液的大腸桿菌的滅活效果較好.放電處理2 min,p H值為8.2時大腸桿菌細胞數(shù)下降了6個對數(shù),而p H值為6.8時下降了4個對數(shù).溶液初始p H值的變化對放電產(chǎn)生活性物質(zhì)的氧化能力有一定影響.酸性溶液中,臭氧比較穩(wěn)定,臭氧氧化以直接氧化為主,而在堿性溶液中,臭氧不穩(wěn)定,分解成氧化性更強的·OH.因此,弱堿性條件下有利于大腸桿菌的滅活.

圖4 初始p H值對大腸桿菌滅活效果的影響Fig.4 Effect of the initial p H on the inactivation effect of E.coli

3 結(jié)論

1)液體電極沿面放電反應(yīng)器可以快速有效地滅活溶液中的大腸桿菌,滅活效果隨著放電時間的增加而顯著提高,放電處理5 min,可將初始含菌量107cfu/m L的500 m L溶液中大腸桿菌全部殺滅.

2)在本實驗條件下,較佳的曝氣量為4.5 L/min;初始含菌量的增加會使單位體積所含菌體數(shù)目增多,提高菌體的滅活效果;弱堿性條件有利于大腸桿菌的滅活.

[1]張悅,李國鋒,李杰.高壓脈沖電場水中殺菌[J].河北大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007,10(增刊):78-81.

[2]CLEM ENTSJ S,DUBBELMAN T M.Prelim inary investigation of p rebreak dow n phenomena and chem ical reactions using a pulsed high voltage discharge in liquid water[J].IEEE Trans Ind App l,1987,IA-23(2):224-235.

[3]SUN B,SA TO M.Use of pulsed high-voltage discharge fo r removalof o rganic compounds in aqueous solution[J].J Phys D:App l Phys,1999,32(15):1908-1915.

[4]SA TO M,OHGIYAMA T.Fo rmation of chemical speciesand their effectson microorganism s using a pulsed high voltage discharge in w ater[J].IEEE Transactionson Industry App lications,1996,32(1):106-113.

[5]ZHANG Ruobing,WU Yan.Plasma induced degradation of indigo carm ine by bipolar pulsed dielectric barrier discharge (DBD)in the w ater-air mixture[J].Journal of Environmental Science,2004,16(5):808-812.

[6]MANAS P,BARSOTTIL,CHEFTEL J C.M icrobial inactivation by pulsed electric fields in a batch treatment chamber: effects of some electrical parameters and food constituents[J].Innovative Food Science and Emerging Techno logies,2001, 2(4):239-249.

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

教育部博士點基金資助項目(20070141004);國家自然科學(xué)基金-工程科技發(fā)展戰(zhàn)略研究聯(lián)合基金資助項目(U 0970166);遼寧省高校優(yōu)秀人才計劃資助項目(2009R09)

王天威(1986—),女,遼寧沈陽人,大連理工大學(xué)在讀碩士研究生,主要從事環(huán)境等離子體技術(shù)方面的研究.

李杰(1964—),男,吉林九臺人,大連理工大學(xué)教授,主要從事環(huán)境等離子體技術(shù)方面的研究.

(責(zé)任編輯:梁俊紅)