介质阻挡放电耦合脉冲电晕放电等离子体协同灭活水中病毒与细菌的效能及机制研究

针对传统水消毒技术存在副产物毒性和耐药菌灭活效率低等问题，西北农林科技大学团队创新性地将介质阻挡放电(DBD)与脉冲电晕放电(PCD)耦合，构建DBD & PCD混合等离子体系统。研究发现该系统对λ噬菌体和金黄色葡萄球菌的灭活效率(0.143 min?1 和0.100 min?1 )超越单一技术叠加效应，600秒内可完全灭活107 PFU·mL?1 病毒和108 CFU·mL?1 细菌，证实活性自由基(特别是1 O2 )是主要作用机制，为安全高效水消毒提供新策略。

　　

水环境中病原微生物的威胁日益严峻，每年导致超10亿例腹泻病例。尽管氯消毒仍是主流技术，但其面临消毒副产物致癌风险、对抗生素耐药菌和非包膜病毒效果有限等挑战。传统替代技术如紫外线、过滤等又存在处理周期长、灭活不彻底等缺陷。在此背景下，西北农林科技大学的研究团队在《Journal of Water Process Engineering》发表创新研究，首次将介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge, DBD)与脉冲电晕放电(Pulsed Corona Discharge, PCD)耦合，开发出DBD & PCD混合等离子体系统，实现了水中病毒和细菌的高效协同灭活。

研究采用λ噬菌体(Bacteriophage-λ)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus, S. aureus)作为模式微生物，通过比较单一DBD、PCD与耦合系统的灭活效率，结合电压参数优化、溶液离子组成分析、活性物质捕获实验等技术手段，系统评估了该技术的性能与机制。

比较PCD、DBD和DBD & PCD对λ噬菌体和S. aureus的灭活效果
实验数据显示，单独PCD处理需24分钟才能使λ噬菌体滴度从7.8×10⁶
PFU·mL^?1
降至检测限，而DBD & PCD联合处理仅需15分钟。对S. aureus的完全灭活时间从单独PCD的36分钟缩短至联合处理的18分钟。动力学分析揭示，联合系统对λ噬菌体和S. aureus的灭活效率常数分别达0.143 min^?1
和0.100 min^?1
，显著高于单一技术效率之和，证实存在协同效应。

关键参数影响机制
提高外加电压和初始pH值可增强灭活效率，氧气作为载气时效果最优。碳酸氢根(HCO₃
^?
)和碳酸根(CO₃
^2?
)会抑制灭活过程，而硫酸根(SO₄
^2?
)则表现出促进作用。蛋白质电泳和核酸定量表明，600秒处理即可完全降解病毒衣壳蛋白和细菌核酸；流式细胞术显示97%的S. aureus细胞膜完整性在180秒内被破坏。

活性物质作用解析
通过自由基捕获剂实验发现，过氧化氢(H₂
O₂
)对灭活贡献有限，臭氧(O₃
)在后期蛋白/核酸降解中非主导因素。单线态氧(¹
O₂
)被证实是核心灭活介质，其通过氧化损伤微生物关键生物大分子发挥作用。生物毒性测试证实处理后的水体对大肠杆菌(E. coli)和S. aureus生长无抑制，验证了技术安全性。

该研究首次揭示DBD与PCD等离子体的协同灭活机制，突破单一技术对微生物结构靶向性的局限——DBD更易破坏病毒表面糖蛋白，而PCD擅长损伤内部核酸。耦合系统通过产生更丰富的活性自由基（特别是¹
O₂
），实现对微生物多靶点的同步攻击。这项技术为应对耐药菌传播、减少消毒副产物提供了创新解决方案，其600秒快速灭活特性尤其适合应急水处理场景。研究团队指出，未来可进一步优化反应器设计以提升能量效率，推动该技术向实际应用转化。