冷等离子体处理有机废水：通过后处理增强细菌灭活效果及其机制研究

针对冷大气等离子体(CAP)在有机废水处理中抗菌效率不足的问题，瑞士洛桑联邦理工学院团队通过表面介质阻挡放电(SDBD)直接处理含微生物的LB培养基和去离子水，发现24小时的后处理可显著提升微球菌(M. luteus)和大肠杆菌(E. coli)灭活效果，能耗(0.49 kWh/L)低于高压灭菌(0.58 kWh/L)。研究揭示了有机质通过缓冲作用维持NO2?稳定性并保护细菌膜电位的机制，为CAP替代传统灭菌技术提供了实验依据。

　　

随着全球水资源短缺问题加剧，开发高效废水处理技术成为迫切需求。冷大气等离子体(CAP)因其能产生活性氧氮物种(RONS)而展现出卓越的抗菌潜力，但在含有机质的实际废水中效果大幅降低——这是阻碍其工业应用的关键瓶颈。传统高压灭菌虽可靠却能耗巨大，而化学处理又存在二次污染风险。瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的Aleksandra Lavrikova团队在《Journal of Water Process Engineering》发表的研究，通过创新性地引入"后处理时间"概念，为这一难题提供了突破性解决方案。

研究采用表面介质阻挡放电(SDBD)装置，直接处理悬浮于去离子水或LB培养基的微生物。通过离子色谱定量RONS浓度动态变化，结合流式细胞术分析膜完整性和膜电位变化，系统评估了不同介质中细菌灭活效率与等离子体参数的关联性。

3.1 理化性质表征

SDBD处理后去离子水(PAW)pH骤降至2.4，而含50%和100% LB培养基(PALB-50%和PALB)仅降至4.5-5.0。关键发现是LB培养基显著延缓NO₂^?分解，48小时后PALB中仍保留255 mg/L，而PAW中已完全转化为NO₃^?。这种缓冲作用直接影响了后续抗菌效果。

3.2 后处理增强灭活

在去离子水中，3分钟处理即可完全灭活M. luteus(10⁷ CFU/mL)，而E. coli需要10分钟。但在LB培养基中，仅延长后处理时间至24小时才能达到同等效果。特别值得注意的是，能耗计算显示处理LB培养基仅需0.49 kWh/L，优于高压灭菌的0.58 kWh/L。流式细胞术揭示E. coli可能出现"存活但不可培养"(VBNC)状态，而M. luteus则发生直接裂解。

3.3 膜电位机制

膜电位检测显示PAW中细菌膜完全去极化(红绿荧光比降至1.0)，而PALB中维持正常电位。这解释了有机质通过维持近中性pH保护细菌的分子机制，也为优化处理参数提供了重要依据。

该研究首次系统论证了后处理时间对CAP处理有机废水效果的决定性影响，提出"能量-时间"权衡策略：适度延长后处理时间可大幅降低能耗。发现LB培养基通过双重机制(稳定NO₂^?和维持膜电位)影响灭菌效率，为复杂成分废水的处理方案设计提供了理论框架。团队开发的SDBD装置展现出工业化应用潜力，其模块化设计可适配不同规模处理需求。未来研究可进一步探索有机质-RONS相互作用的具体分子途径，以及如何通过等离子体参数调控来突破有机屏蔽效应。这项成果不仅为实验室废水处理提供了更经济的解决方案，更为CAP技术在食品加工、医疗废水等领域的推广应用奠定了关键技术基础。