微波等离子体对细菌细胞结构、存活率及膜完整性的影响机制研究

本研究针对传统灭菌方法存在的毒性、热敏感材料不兼容等问题，创新性地采用2.45 GHz非热微波（MW）等离子体技术，系统探究其对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和沙门氏菌（S. abony）的灭活效果。研究发现，300秒处理可实现6-log细菌灭活，其机制源于活性氧（ROS）如OH和H2O2的氧化应激作用，导致膜去极化、DNA损伤及胞内物质泄漏。该研究为医疗灭菌、感染控制和食品安全提供了高效环保的新方案。

　　

在医疗灭菌和食品安全领域，传统方法如高温、化学消毒剂和辐射存在明显局限：热敏感材料易受损，化学残留可能引发毒性，而辐射设备成本高昂。这些挑战催生了非热等离子体技术的探索，但其分子机制和参数优化仍不明确。尤其微波等离子体虽以高能量密度和快速反应著称，却因作用机制研究不足而难以商业化。

针对这一空白，来自印度等离子体研究所工业等离子体技术促进中心等机构的研究人员Tejal Barkhade、Kushagra Nigam等团队在《Scientific Reports》发表研究，通过多模态分析揭示了微波等离子体对革兰氏阳性菌（S. aureus）和革兰氏阴性菌（S. abony）的灭活机制。研究采用0.3-0.5 mbar低压环境下2.45 GHz微波激发的空气-臭氧混合等离子体，结合光谱学、显微成像和流式技术，系统解析了细菌死亡的分子路径。

关键技术方法包括：1）光学发射光谱（OES）鉴定等离子体活性成分；2）荧光光谱法量化羟基自由基（OH）和过氧化氢（H₂O₂）；3）场发射扫描电镜（FE-SEM）观察形态损伤；4）流式细胞术（FACS）和共聚焦显微镜评估膜完整性；5）紫外光谱与ATR-FTIR分析DNA泄漏和分子构象变化。

研究结果
非热微波等离子体光学表征
OES检测到320 nm（OH）、510 nm（O III）等特征峰，证实等离子体富含ROS。低压环境（0.3-0.5 mbar）增强电子平均自由程，促进活性物种生成。

对数CFU/mL减少分析
300秒处理使S. aureus和S. abony均达到6-log灭活。革兰阴性菌S. abony初期灭活更快（60秒时3.8-log vs S. aureus的4.5-log），归因于其外膜孔蛋白加速ROS渗透，但180秒后差异消失。

活性氧过量产生
荧光探针显示，300秒处理后S. aureus和S. abony的H₂O₂分别增加173.27%和391.84%，OH增加30.30%和40.13%。Fenton反应（H₂O₂ + Fe²⁺ → OH + OH^- + Fe³⁺）进一步放大氧化损伤。

共聚焦成像分析死细胞
碘化丙啶（PI）染色显示，随着处理时间延长，红色荧光死细胞比例上升。S. aureus因厚肽聚糖层保留更多PI，而S. abony因外膜脂多糖破坏呈现不均匀荧光。

流式细胞术分析细胞活性
300秒处理后，FACS检测到S. aureus和S. abony的死细胞比例分别为88%和95%，未培养存活菌（VBNC状态）占比差异反映革兰氏阳性菌更强的应激耐受。

微波等离子体诱导的细菌形态变化
FE-SEM显示S. aureus从光滑球形变为杯状凹陷，S. abony则出现皱缩和膨胀。膜破裂导致胞质泄漏，印证氧化损伤的不可逆性。

DiOC₂(3)分析膜电位
荧光蓝移表明膜去极化，S. aureus和S. abony的电位变化分别达2870 cm^-1和2921 cm^-1（ATR-FTIR），证实离子梯度崩溃。

DNA泄漏与超色效应
260 nm吸光度上升揭示DNA碱基氧化（如G-C对断裂），ATR-FTIR中1016 cm^-1（PO₂）峰增强佐证核酸泄漏。

结论与意义
该研究首次系统阐明低压微波等离子体通过三重机制灭活细菌：1）ROS爆发引发膜脂质和蛋白质氧化；2）膜去极化与孔洞形成导致胞内物质泄漏；3）DNA链断裂阻断复制。相较于传统DC等离子体，微波技术将灭活时间缩短至300秒，且无需外源气体，更具应用潜力。

研究为医疗器械灭菌、食品包装消毒提供了新范式，其环保特性（无化学残留）与兼容性（适用于热敏感材料）尤其突出。未来可进一步优化参数以实现临床规模化应用，例如调整功率与气体比例以针对耐药菌。这一成果标志着等离子体医学从实验室走向产业化的关键一步。