综述：冷大气压等离子体用于水消毒的机制、效能及耐药菌灭活

这篇综述系统阐述了冷大气压等离子体（CAP）作为新型水消毒技术的机制与应用前景，重点解析了其通过活性氧氮物种（RONS）协同酸性环境（pH≈2.6-3.2）和氧化还原电位（ORP>500 mV）灭活抗生素耐药菌（ARB）及降解耐药基因（ARG）的多靶点作用，为应对医院废水中的ESKAPE病原体（如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌MRSA）提供了绿色解决方案。

　　

冷大气压等离子体水消毒技术全景解析

5 微生物灭活机制
当CAP作用于水体时，其产生的活性氧物种（ROS）如羟基自由基（OH•）、过氧化氢（H₂O₂）和活性氮物种（RNS）如过氧亚硝酸盐（ONOO^-）通过三重机制协同杀菌：

1. 细胞膜透化：OH•引发脂质过氧化，破坏革兰阴性菌外膜（如铜绿假单胞菌）和阳性菌肽聚糖层；
2. DNA断裂：H₂O₂穿透细胞后通过Fenton反应生成OH•，导致碱基氧化和链断裂；
3. 酶失活：ONOO^-使关键代谢酶（如苹果酸脱氢酶）巯基硝基化。对MRSA的实验显示，15分钟处理可实现6 log灭活，其效果优于传统氯消毒（仅2 log）。

6 耐药菌特异性作用
CAP对ARB的独特优势在于：

• 耐药基因降解：臭氧（O₃）直接攻击tetA和blaTEM-1等基因的嘌呤环，30分钟处理使ARG拷贝数下降5.8 log；
• 生物膜穿透：等离子体射流（APPJ）产生的微气泡（直径<50 μm）可渗透生物膜基质，对铜绿假单胞菌生物膜的灭活效率比浮游菌高3倍；
• 无耐药性诱导：连续20代亚致死剂量暴露后，大肠杆菌未出现CAP耐受性突变，这与抗生素处理形成鲜明对比。

7 关键效能参数
7.1 反应器设计

• 介质阻挡放电（DBD）：采用5 mm电极间距和10 kHz交流电源时，OH•产率最高（120 μM/min）；
• 射流类型：氩气射频射流（13.56 MHz）比空气DBD产生多50%的H₂O₂（约80 mg/L）；
• 气液界面：水下等离子体比气相处理硝酸盐浓度高3倍，但对设备腐蚀风险增加。

7.4 气体组成

• 空气vs惰性气体：空气等离子体产生的NO₂^-/NO₃^-（约200 μM）使pH降至2.8，而氩气处理仅达pH 4.2；
• 氧掺杂效应：氦气中添加1% O₂可使大肠杆菌灭活率提升40%。

8 未来挑战
当前瓶颈包括：

1. 有机干扰：高COD废水（>500 mg/L）会消耗50%以上的RONS；
2. 规模化难题：处理1 m³水需约50 kW·h能耗，是紫外消毒的3倍；
3. 残留毒性：长期接触亚硝酸盐（>0.1 mg/L）的生态风险需评估。

这项技术正从实验室走向医院废水处理试点，德国某医疗中心的中试装置（10 L/min流量）已实现对碳青霉烯耐药鲍曼不动杆菌的持续灭活。随着电极材料和电源效率的改进，CAP有望成为对抗后抗生素时代耐药菌传播的关键武器。