電暈放電自由基簇射技術(shù)殺菌實驗研究

劉　新，康　穎，2，鄒　芳，楊　陽，丁田田，吳祖成*（.浙江大學環(huán)境電化學與化學儲能實驗室，能源清潔利用國家重點實驗室，杭州30058；2.浙江省環(huán)境監(jiān)測中心，杭州3005）

電暈放電自由基簇射技術(shù)殺菌實驗研究

劉新1，康穎1，2，鄒芳1，楊陽1，丁田田1，吳祖成1*
（1.浙江大學環(huán)境電化學與化學儲能實驗室，能源清潔利用國家重點實驗室，杭州310058；2.浙江省環(huán)境監(jiān)測中心，杭州310015）

控制微生物污染是長時間載人航天系統(tǒng)中生命保障的關(guān)鍵課題。采用電暈放電自由基簇射技術(shù)控制微生物的生長并對其滅活。結(jié)果表明:水和氧分子放電激活產(chǎn)生的氧化性自由基可使微生物細胞壁和細胞膜被刻蝕或直接氧化分解，從而導致微生物失活，致菌失活效率在99.6%以上。整個滅菌過程在反應(yīng)器內(nèi)進行不對人體和其它器材造成損害，適合于空間站等密閉生存系統(tǒng)內(nèi)空氣凈化和微生物控制。

密閉艙室；微生物；羥基自由基；失活

1　引言

自從世界上第一個空間站發(fā)射以來，人們發(fā)現(xiàn)密閉環(huán)境中微生物無處不在，包括細菌、病毒以及某些真菌［1］。大量微生物菌群的出現(xiàn)，不僅對航天員的生存產(chǎn)生威脅，而且會對它們棲息所在的材料和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，如造成高分子聚合材料的生物降解，甚至是鋁鎂合金的腐蝕［2，3］。

微生物污染的來源主要有三個：一個是航天員本身，因為他們體內(nèi)攜帶著大量的微生物，包括細菌、真菌、原生動物和病毒；另一個是航天器材料在進行加工、制作和保存的過程中滋生的一些微生物隨著設(shè)備一起進入太空；還有就是運送補給物資的貨運飛船及其補給的飲用水、食品以及設(shè)備的攜帶［4］。

微生物污染的去除方法主要有：過濾通風、氣體熏蒸、光催化、臭氧和紫外光消毒等［5］。臭氧和紫外光等傳統(tǒng)方法可有效滅菌，但會對人體和器件有一定的危害；氣體熏蒸設(shè)備復雜且還可能有化學物質(zhì)殘留；過濾通風是將微生物攔截在過濾器上，不能達到微生物的永久性殺除。低溫等離子體技術(shù)可在放電條件下激活水和氧分子產(chǎn)生強氧化性的粒子［6］，破壞微生物細胞結(jié)構(gòu)，且參與反應(yīng)后自身淬滅。本文采用直流電暈等離子體技術(shù)，考察了其在常溫常壓條件下對流動空氣中微生物的滅活作用，并重點探討了自由基簇射引發(fā)的多種物理、化學粒子的作用機理。

2　實驗方法

在放電條件下，放電區(qū)域形成的高能電子可以轟擊氣體分子生成大量強氧化性的粒子，實驗采用模擬含菌空氣作為處理對象，考察了低溫等離子體技術(shù)對其滅活作用。

2.1實驗裝置及流程

圖1所示為實驗裝置流程圖，詳細參數(shù)可參考文獻［7］。實驗所用到的設(shè)備主要包括：含菌空氣的制備系統(tǒng)、電暈放電反應(yīng)器、直流高壓恒流電源、紫外滅菌燈、激光共聚焦顯微鏡。高壓直流電源的工作電壓調(diào)節(jié)范圍為：0～25 kV。反應(yīng)器為長筒狀同軸式反應(yīng)器，尺寸為Φ90 mm× 900 mm，電暈極為中空噴嘴式，長800 mm，中空母管與噴嘴的外徑分別為10 mm和3 mm。實驗在室溫下進行。

圖1　反應(yīng)裝置及流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system s and setups

實驗流程如下：空氣通過空氣泵以一定流量通過緩沖瓶后分為兩路，其中一路直接進入混合瓶，另一路通過細菌儲備瓶將空氣鼓入菌液攜帶出一定濃度的細菌，形成微生物氣溶膠進入混合瓶，通過控制兩路氣體的流量得到不同濃度的含菌氣體，經(jīng)混合瓶混合后由反應(yīng)器入口進入電暈放電反應(yīng)器，經(jīng)處理后從出口流出。反應(yīng)器的進、出口均設(shè)有采樣口進行氣體細菌采樣分析，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)兩個溫度計用以測定反應(yīng)溫度。

2.2微生物氣溶膠樣品的制備

細菌儲備瓶中的含菌溶液由城市污水處理廠的活性污泥經(jīng)提取和馴化后制得。首先將活性污泥內(nèi)加入牛肉膏培養(yǎng)基，37℃恒溫過夜培養(yǎng)，取5 mL菌液用離心分離機以300 rpm離心分離10 min，棄去上清液，再用無菌水清洗沉淀物兩次，重復離心分離，備用。

實驗前將所有實驗用儀器和器皿、微生物培養(yǎng)基均放入高壓滅菌鍋內(nèi)以120℃滅菌20 min，試驗臺及反應(yīng)器用20 W紫外滅菌燈照射30 min，停止照射30 min后方可開始實驗。

2.3分析方法

1）細菌數(shù)通過撞擊法［8］進行測定，以CFU/ m3為單位進行表示，實驗點重復測定次數(shù)為3～5次。

2）細菌形態(tài)采用激光共聚焦顯微鏡觀察，儀器型號：BIO-RAD Radiance 2100，放大倍數(shù)：1000倍。

3）直流電暈光譜采用三重光柵光譜儀進行測定，型號：Model1235，EG&G PRINCETION APPLIED RESEARCH ORP。

3　結(jié)果與討論

3.1電場強度和處理時間對殺菌效果的影響

控制電暈放電極間電壓在0.8～4 kV/cm，每立方米空氣所含菌落數(shù)（CFU/m3）隨含菌氣體在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間的變化關(guān)系曲線如圖2所示，其中細菌初始濃度為3×106CFU/m3。由圖可知，反應(yīng)器極間電壓的升高可促使致菌失活效率顯著提高，在極間電壓為4.0 kV/cm，處理時間為140 s時，致菌失活效率為99.99%。低電壓下致菌失活效率相對較低，但是相應(yīng)的能耗也會降低。當極間電壓降至0.8 kV/cm、處理時間為140 s時，致菌失活效率仍高達92%左右。即使處理時間減至10 s，還有55.70%的致菌失活效率。

選擇合適的極間電壓和停留時間可保證在較低能耗條件下獲得良好致菌失活效率。由圖2可見，在極間電壓為2.0 kV/cm、反應(yīng)時間為35 s時，致菌失活效率為97.90%，此時根據(jù)實驗測定的電流值，計算得到反應(yīng)器內(nèi)能耗為約1.0W。

3.2細菌的初始濃度的影響

實際空氣中細菌的數(shù)量變化較大，因此有必要對不同濃度的含菌氣體進行殺菌實驗。實驗配制了不同初始濃度的含菌氣體：300×104CFU/ m3，135×104CFU/m3，70×104CFU/m3和35×104CFU/m3，并分別對其進行電暈放電殺菌實驗，結(jié)果如圖3所示。在反應(yīng)器極間電壓為2.0 kV/cm、處理時間為35 s的操作條件下，四種初始濃度的含菌氣體的致菌失活效率分別為97.90%，98.60%，99.30%和99.70%?？梢钥闯?，在較低的極間電壓和較短的反應(yīng)時間條件下，致菌失活效率均可達到97%以上，但較高含菌初始濃度下的致菌失活效率較低。

圖2　直流電暈放電對微生物氣溶膠的致菌失活效率Fig.2 Inactivation effect of the bioaerosoltreatment using DC corona discharge注：初始濃度300×104CFU/m3。

圖3　初始濃度的含菌氣溶膠的致菌失活效率Fig.3 Inactivation efficiency ofm icrobe in d ifferent initial concentrations

3.3殺菌過程的機理

殺滅微生物的機理目前尚無公認的理論。一般認為主要有以下幾種作用：放電產(chǎn)生的高溫的滅活效應(yīng)、臭氧的氧化作用、紫外光的輻射破壞作用、高速粒子的破壞效應(yīng)以及活性自由基的氧化作用［9］。本文針對直流電暈放電的殺菌作用在實驗的基礎(chǔ)上分別對以上因素做了評價。實驗的過程中，反應(yīng)器內(nèi)的溫度經(jīng)測定保持在25±5°C，遠遠低于絕大多數(shù)微生物和細菌的致死溫度［10］，因此本實驗過程中熱能對殺菌效果的作用可以忽略。

實驗觀測到直流電暈放電下有明顯的暈光產(chǎn)生。因此，進一步考察這些暈光的光譜特性。利用光柵光譜儀對電暈放電反應(yīng)器工作過程中的全波長光譜進行了掃描，重點探測紫外光區(qū)的發(fā)射光譜。試驗結(jié)果將波長為237 nm到475 nm的紫外光區(qū)的探測光譜圖進行放大發(fā)現(xiàn)四條可辨認光譜峰，分別出現(xiàn)在波長為315.3 nm、335.2 nm、356.1 nm和379.4 nm處（見圖4a）。與紫外光（UV）發(fā)射的光譜強度相比極為微弱（見圖4b）。UV的作用是通過破壞微生物的DNA內(nèi)的胸腺嘧啶而達到破壞生物機體的繁殖能力的目的。實驗證明波長為220～280 nm、輻射劑量為數(shù)個mWs/cm2的紫外光具有最強的殺菌效力，尤其是253.7 nm的紫外光。而在直流電暈紫外光輻射過程中并未探測到波長為220～280 nm的明顯紫外輻射譜線，即使可探測到的輻射光強也是極其微量，并不足以達到殺菌所需強度，因此在本實驗中紫外輻射并非主要殺菌因素。

臭氧具有很強的氧化能力，廣泛的應(yīng)用于氣體、水體的殺菌。它的作用機理是氧化細菌的細胞壁，直至穿透細菌的細胞壁與其體內(nèi)不飽和鍵化合，從而導致細菌的溶解和死亡，臭氧殺菌后立即還原成氧。但臭氧本身就是一種長壽命空氣污染物，在空氣中的半衰期約為16 min，對人的身體有破壞作用，例如臭氧對人的皮膚、眼睛和上呼吸道組織及粘膜具有刺激作用，濃度大于12 mg/m3時，連續(xù)工作1 h以上即可使人中毒［11］。前面提到直流電暈放電過程中會產(chǎn)生一部分臭氧，因此有必要考察臭氧在等離子體殺菌過程中的作用。實驗考察了放電反應(yīng)中臭氧的生成量和致菌失活效率的關(guān)系，圖5反映了含菌氣體停留時間為35 s時，反應(yīng)器內(nèi)未添加和添加微生物后的臭氧產(chǎn)生量隨極間電壓的變化情況。極間電壓低于2.0 kV/cm的反應(yīng)條件下，放電反應(yīng)器內(nèi)未檢測到臭氧的存在，而當極間電壓UP達到2.5 kV/cm以上，無論處理氣體中是否添加了微生物，放電反應(yīng)均有臭氧產(chǎn)生，臭氧的產(chǎn)生量隨著極間電壓的升高而增大，隨著目標氣體在反應(yīng)器內(nèi)停留時間的延長而增大。在沒有微生物添加時，O3開始產(chǎn)生的電壓要低，表明有部分氧化劑用于降解有機物。

圖4直流電暈放電發(fā)光光譜圖與紫外燈光譜圖Fig.4 Spectra of DC corona discharge and UV lamp

圖5還表明，大多數(shù)微生物的失活發(fā)生在反應(yīng)器內(nèi)臭氧產(chǎn)生之前。在極間電壓為2.0 kV/cm以下，致菌失活效率達到97.9%，此時反應(yīng)器內(nèi)尚未檢測到臭氧，對比無微生物添加時的空白試驗，表明此時反應(yīng)器內(nèi)亦無臭氧產(chǎn)生，說明此條件下99.99%細菌的失活與反應(yīng)器內(nèi)的臭氧產(chǎn)生量無關(guān)。隨著極間電壓的繼續(xù)升高，產(chǎn)生的臭氧由于微生物的添加而有所消耗，而在放電后期臭氧對于細菌失活后機體的深度氧化有貢獻。此結(jié)果表明，應(yīng)用直流電暈放電反應(yīng)器，控制極間電壓低于2.5 kV/cm，選擇適當?shù)耐Ａ魰r間即可在放電產(chǎn)生大量有害人體的臭氧之前，達到很好的殺菌效果。

由以上結(jié)果可以推斷出，在極間電壓控制在2.0 kV/cm以下時，電暈放電等離子體殺滅微生物的原因并非是由于放電產(chǎn)生的高溫的滅火作用、臭氧的氧化作用以及紫外光輻射的破壞作用，而是由于活性自由基的氧化破壞作用，自由基的產(chǎn)生可能過程及機理參見文獻［6］。

圖6反映了等離子體放電前后微生物細胞形態(tài)的變化?？梢钥闯?，在放電反應(yīng)后，微生物細胞已破損或變形。表明放電產(chǎn)生的自由基（·OH）具有超強的氧化性，可以對有機體表面進行刻蝕作用或直接氧化分解，使微生物的細胞結(jié)構(gòu)破壞、內(nèi)容物流出，從而使細胞失活。

圖5　總氣態(tài)氧化劑（以O(shè)3濃度代表）的含量和致菌失活效率的關(guān)系圖Fig.5 The relationship between the content of the total gaseous oxidant（expressed in O3concentration）

圖6　處理前后灰霉菌孢子的形態(tài)Fig.6 Shape of gray mould spore before and after treatment

4　結(jié)論

采用電暈放電自由基簇射技術(shù)可高效去除密閉生存空間的微生物。電暈放電極間電壓、含菌氣體停留時間以及含菌氣體的初始含菌濃度均對細菌殺滅效率產(chǎn)生影響。在極間電壓為10 kV、處理時間為35 s下，致菌失活效率即可達97.90%以上。較高含菌量的氣體致菌失活效率相對較低，但仍在97%以上。通過對放電反應(yīng)物理、化學過程的綜合分析，認為電暈放電過程中產(chǎn)生的羥基自由基等具有超強氧化性的活性粒子在殺菌過程中發(fā)揮主要作用。這些活性粒子可氧化分解微生物的細胞壁和細胞膜，使其DNA破壞和蛋白質(zhì)變性，從而致其失活。而羥基自由基存留時間通常只有幾十到幾百納秒，不會轉(zhuǎn)移到艙室空間對器材及人體產(chǎn)生傷害作用。該技術(shù)低耗、高效、安全，將是空間站等密閉生存系統(tǒng)內(nèi)空氣凈化的一種良好選擇。

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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

劉新（1990-），女，碩士研究生，研究方向為等離子體。E-mail：21214060@zju.edu.cn

吳祖成，（1956-），男，博士，教授，研究方向為受控生命保障系統(tǒng)技術(shù)。E-mail：wuzc@zju.edu.cn