原位等离子体活化水对致病性大肠杆菌和金黄色葡萄球菌生物膜的抗菌机制研究

为解决生物膜对传统消毒方法的耐药性问题，研究人员开展等离子体活化水(PAW)处理研究，发现其对大肠杆菌UTI89和金黄色葡萄球菌NCTC8325生物膜具有显著灭活效果(6.76±0.01和6.82±0.02 log CFU/mL)，通过破坏EPS基质、增加膜通透性和诱导活性氧氮物种(RONS)积累实现快速杀菌，为控制多重耐药生物膜提供新策略。

　　

生物膜如同微生物的"钢铁堡垒"，由细菌分泌的胞外聚合物(EPS)构成复杂三维结构，使常见消毒剂难以穿透。这种特性让医疗设备、供水管道等场景中的致病菌生物膜成为顽固污染源，其中大肠杆菌和金黄色葡萄球菌更是医院感染的主要元凶。传统抗生素面对生物膜时效果骤降1000倍，迫使科学家寻找能同时破坏EPS基质和杀菌的新型武器。

悉尼科技大学(University of Technology Sydney)的研究团队将目光投向等离子体活化水(PAW)——这种通过大气压冷等离子体处理的水富含活性氧氮物种(RONS)，如同微生物界的"特洛伊木马"。研究人员创新性地采用原位气泡火花放电(BSD)系统，直接在生物膜周围生成PAW，实现了对两种典型病原体生物膜的快速瓦解。相关突破性成果发表在《Biofilm》期刊。

研究采用BSD反应器生成PAW，通过结晶紫染色定量生物膜生物量，SYTOX Blue/SYPRO Ruby/ConA荧光探针标记EPS组分，扫描电镜观察形貌变化，NPN和DiSC₃(5)检测膜通透性与去极化，DCFDA/DAF-FM探针测定胞内RONS积累。

3.1 原位PAW处理灭活生物膜细胞

BSD系统生成的PAW在13分钟内完全灭活大肠杆菌(6.76 log CFU/mL)，金黄色葡萄球菌仅需11分钟(6.82 log CFU/mL)。5分钟处理即可实现>99%杀灭率，显示PAW对革兰氏阴阳性菌均具高效性。

3.2 PAW对生物膜生物量的影响

结晶紫检测显示处理15分钟后，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌生物量分别减少53.5%和50.2%。SEM观察到菌体从不锈钢表面显著脱落，细胞呈现扁平化变形。

3.3 PAW处理对EPS基质的影响

荧光成像揭示PAW对多糖基质的破坏最显著(15分钟减少97%)，eDNA呈现先释放后降解的动态变化，蛋白质基质则持续存在但发生重排。这种多靶点破坏使生物膜结构瓦解，增强PAW渗透。

3.5 PAW处理对膜完整性的影响

NPN荧光显示1分钟内膜通透性骤增，DiSC₃(5)检测到金黄色葡萄球菌膜去极化更剧烈。这与革兰氏阳性菌更厚的肽聚糖层被快速破坏有关，解释其灭活更快现象。

3.6 PAW诱导胞内RONS积累

DCFDA检测显示PAW处理组胞内ROS增加4倍，金黄色葡萄球菌累积量更高；DAF-FM显示RNS同步上升，证实氧化应激是致死关键机制。

该研究首次系统阐明原位PAW通过三重机制协同杀菌：物理破坏EPS屏障、化学修饰膜结构、生物诱导氧化爆发。特别值得注意的是，与传统消毒剂不同，PAW对残留的EPS基质持续氧化，阻断生物膜"死灰复燃"。这种多靶点攻击特性使其能规避细菌耐药性，为水处理、医疗器械消毒等领域提供新方案。研究者建议后续探索PAW对混合菌群生物膜的效果，并优化反应参数以适应不同应用场景。