通过蠕动弧放电产生的等离子体活化水在水生微环境中灭活伤寒沙门氏菌：细胞生理状态的重要性

《Cleaner Water》：Inactivation of Salmonella typhi in an aquatic microcosm by plasma-actived water generated by creeping arc discharge: importance of the cellular physiologiocal state

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　　### 研究背景与意义

水是生命存在的基本要素，也是人类社会不可或缺的资源。随着全球人口的迅速增长和环境问题的日益严重，水资源的短缺和污染问题愈发突出。特别是在非洲国家，如喀麦隆，由于基础设施不足和卫生条件有限，许多地区的人口面临着饮用水安全的严峻挑战。这种缺乏安全饮用水的情况导致了大量因水传播疾病而造成的健康问题，包括伤寒、痢疾等，严重影响了人们的生活质量。传统的消毒方法，如使用氯化物等化学物质，虽然在实际应用中非常普遍，但其副产物如三卤甲烷（THMs）和卤乙酸（HAAs）具有潜在的致癌性和毒性，对人类健康和生态环境构成威胁。因此，寻找一种更安全、更可持续的消毒技术成为迫切需求。

在这一背景下，等离子体活化水（Plasma-Activated Water, PAW）作为一种新兴的物理消毒方法，因其不产生有害副产物、具有较高的杀菌效率以及环境友好性而受到广泛关注。等离子体作为第四种物质状态，不仅在工业领域有着广泛应用，如废水处理、表面清洁等，还在生物领域展现出显著的杀菌能力。PAW的产生通常通过等离子体放电技术，如滑动电弧放电（Glidarc），其过程中会生成多种活性氧和氮物种（Reactive Oxygen and Nitrogen Species, RONS），包括羟基自由基（•OH）、一氧化氮（NO•）、臭氧（O?）、过氧化氢（H?O?）等，这些物质能够有效破坏微生物的细胞结构，从而实现杀菌效果。

### 实验设计与方法

本研究旨在评估PAW在不同处理时间和接触时间下对不同生长阶段的伤寒沙门氏菌（Salmonella Typhi）的杀菌效果。首先，从喀麦隆雅温得地区的水体中分离出伤寒沙门氏菌，并通过生理盐水进行培养和不同生长阶段的细胞悬液制备。随后，利用滑动电弧放电技术生成不同处理时间的PAW，包括5分钟、10分钟、15分钟和20分钟的处理时间。为了评估PAW的杀菌效果，将这些处理后的PAW与不同生长阶段的细菌悬液进行接触，接触时间分别为15分钟、30分钟、45分钟和60分钟。同时，测试了不同处理体积（2 mL、3 mL、5 mL和10 mL）对细菌存活率的影响。

在实验过程中，通过测定菌落形成单位（Colony Forming Units, CFUs）的变化来评估杀菌效果。所有实验均在室温下进行，并在接触时间结束后将菌液涂布在特定的培养基上，进行菌落计数。为了更全面地分析杀菌动力学，研究还应用了Chick-Watson模型，该模型通过计算菌落数量的对数减少值（Log Removal Value, LRV）来评估消毒效果。此外，研究还通过统计分析方法，如Kruskal-Wallis H检验和Spearman相关系数，来比较不同处理条件下的杀菌效果差异。

### 实验结果分析

实验结果显示，PAW对伤寒沙门氏菌的杀菌效果与处理时间和接触时间密切相关。在不同生长阶段的细菌中，滞后期（Lag phase）和衰退期（Decline phase）的细胞对PAW表现出更高的敏感性。特别是在处理时间为20分钟的情况下，PAW在接触时间为45分钟和60分钟时，能够实现细菌的完全灭活，这表明在较长的处理时间和接触时间下，PAW具有显著的杀菌能力。

对于指数生长期（Exponential phase）的细菌，PAW的杀菌效果同样显著，但随着处理时间的增加，杀菌速率逐渐下降，这可能与细菌在该阶段的代谢活性较高有关。而处于静止期（Stationary phase）的细菌表现出中等程度的敏感性，其杀菌效果受到处理时间和接触时间的影响。此外，处理体积的增加也显著提高了杀菌效率，尤其是在处理时间为15分钟和20分钟的情况下，较高的处理体积能够带来更显著的菌落减少。

研究还发现，PAW的杀菌效果与RONS的浓度和酸化程度密切相关。酸化不仅有助于提高RONS的稳定性，还能增强其氧化能力，从而更有效地破坏细菌的细胞结构。此外，细菌的生理状态对PAW的杀菌效果也有显著影响，处于不同生长阶段的细菌对PAW的反应存在差异。例如，滞后期的细菌由于尚未激活应激反应，因此更容易受到PAW的氧化损伤。

### 讨论与结论

本研究的讨论部分深入探讨了PAW的杀菌机制及其在不同细菌生长阶段中的表现。PAW的杀菌效果主要依赖于RONS的生成和酸化作用。RONS能够直接破坏细菌的细胞膜和内部结构，而酸化则通过改变细胞内的环境，进一步促进RONS的活性，从而提高杀菌效率。研究还指出，PAW的杀菌效果具有剂量依赖性，即处理时间和接触时间越长，杀菌效果越显著。然而，过长的处理时间可能会导致RONS的饱和效应，从而降低杀菌效率。

此外，研究还分析了细菌的应激反应对PAW杀菌效果的影响。在处理时间较短的情况下，细菌可能尚未激活其应激防御机制，因此更容易受到PAW的攻击。而在处理时间较长的情况下，细菌可能通过激活某些酶，如超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT），来抵抗RONS的氧化作用。这种防御机制的激活可能在一定程度上降低PAW的杀菌效果，特别是在静止期和衰退期的细菌中。

研究还强调了酸化在PAW杀菌过程中的重要作用。酸化不仅能够提高RONS的稳定性，还能促进其与细菌细胞膜的相互作用，从而增强杀菌效果。实验中观察到的pH值变化表明，PAW的酸化程度随着处理时间的增加而显著提高，这可能与其杀菌效果的增强有关。

最终，研究得出结论，PAW作为一种新型的物理消毒技术，具有显著的杀菌效果，尤其在处理时间和接触时间较长的情况下。PAW的杀菌效果不仅取决于其生成的RONS，还与其酸化程度密切相关。因此，针对不同生长阶段的细菌，优化PAW的处理参数是实现高效杀菌的关键。本研究的结果为PAW在饮用水处理和公共卫生领域的应用提供了重要的理论依据和实践指导。通过合理调整处理时间和接触时间，可以有效提高PAW的杀菌效率，从而减少水传播疾病的发生率，提高水资源的安全性。