纳米线辅助电穿孔技术评估细菌灭活与损伤机制的多模态分析方法及其协同消毒应用

本研究针对传统电穿孔(EP)高电压需求及细菌损伤机制不明确的问题，开发了基于纳米线辅助电穿孔(NW-EP)的低电压消毒技术。通过PI染色流式细胞术区分可逆/不可逆膜孔，结合NaCl选择性平板计数，揭示了细菌细胞壁损伤与膜孔形成的动态过程，为设计NW-EP与氧化消毒剂的协同策略提供理论基础，对实现高效低耗水消毒具有重要意义。

　　

在水处理领域，传统消毒技术如氯化、臭氧氧化虽广泛应用，但面临消毒副产物生成和耐药基因传播等挑战。尤其对于氯耐受菌（如Bacillus cereus），常规方法需高剂量化学药剂，可能加剧环境风险。电穿孔(EP)技术通过电场诱导细胞膜穿孔实现物理消毒，但传统平板电极需数千伏高压，能耗高且难以区分细菌损伤程度。纳米线辅助电穿孔(NW-EP)利用纳米尖端增强效应，在<2V低压下即可产生局部10⁶
V/m强电场，但细菌在非均匀电场中形成的可逆/不可逆损伤机制尚未系统解析。

为解决这一科学问题，研究人员开展NW-EP多模态评估研究。通过石墨毡基底生长TiO₂
纳米线（直径80-120nm，长度2.7μm）构建流动式反应器，结合膜不通透性碘化丙锭(PI)染色区分可逆/不可逆膜孔，并创新性采用2wt.% NaCl高渗平板抑制可逆损伤细胞生长。关键实验技术包括：标准平板计数评估培养活性；场发射扫描电镜(SEM)观察细胞结构损伤；双染色流式细胞术（Syto 9/PI）定量膜完整性；选择性培养基评估渗透压敏感性。

2.1 标准平板计数验证低压消毒效能
NW-EP在1.5V下对E. coli和B. cereus实现>4-log灭活，SEM显示纳米线尖端50nm范围内形成细胞壁不可逆损伤。添加5wt.% DMSO（自由基淬灭剂）证实1.5V以下以物理电穿孔为主导机制，仅2V时微量H₂
O₂
（2μM）贡献协同作用。

2.2 流式细胞术解析膜损伤动态
PI染色进水和出水差异显示：1.5V处理时56.9%细胞存在可逆孔（PI可进入但膜能修复），41.1%为不可逆孔。值得注意的是，PI分子(C₂₇
H₃₄
I₂
N₄
)尺寸大于常见消毒剂（如O₃
），暗示可逆孔可促进氧化剂内流。

2.3 高渗平板揭示隐性损伤
2wt.% NaCl选择性培养基检出标准平板未发现的损伤细胞，1.5V处理24小时后隐性损伤细胞自发死亡，证实NW-EP通过物理破坏阻断了细菌复苏可能。协同实验表明，NW-EP（1.5V）联合0.8mg/L Cl₂
可实现6-log灭活，较单一处理提升3倍。

该研究创新性建立NW-EP损伤评估体系，证实低压电场通过细胞壁破坏和分级膜孔形成实现物理消毒。可逆孔虽不立即致死，但为氧化剂内流创造通道，这解释了NW-EP与低剂量Cl₂
的协同效应。相较于传统高压EP，NW-EP在6cm³
器件中仅需13分钟处理9L水，预估寿命2.1年，为绿色消毒设备开发提供新思路。未来可探索更小分子探针以精确量化纳米级可逆孔，优化NW-EP/氧化剂组合模式，推动物理-化学协同消毒技术标准化。