大气压下等离子体失活微生物的机理研究

论文摘要

目前为止，国内外对等离子体失活微生物的研究多是从等离子体产生角度着手，如采用不同气体、不同放电方式或不同的激励电源等物理角度推理和验证微生物失活的原因，得出等离子体中起主要作用的活性成份，但观点各不相同。迄今从生物角度解释大气压等离子体失活微生物机理的报道较少。本文从生物及生物化学角度，对大气压等离子体失活微生物机理进行了理论和实验两方面研究。 本文首先选用面包酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）为生物模型，研究大气压氦气介质阻挡放电（He DBD）等离子体对其产生的生物化学效应。从线粒体琥珀酸脱氢酶系的活性、细胞外蛋白质浓度、细胞形貌及酵母菌菌液的状态四方面分析该等离子体失活酵母菌的原因。采用电子扫描显微镜观察大气压He DBD等离子体处理后的酵母菌细胞，发现细胞严重破裂，破裂程度远大于现有的报道结果。考马斯亮蓝染色法测量细胞外蛋白质浓度发现，随等离子体处理时间的延长，胞外蛋白质的含量呈上升趋势，证明细胞内蛋白质发生泄漏。3-（4，5二甲噻唑-2-y1）-2，5-2苯基-四唑溴盐染色法检测菌体内线粒体琥珀酸脱氢酶系的活性发现，当大气压He DBD等离子体处理时间为1.0-2.5min时该酶活性陡然下降。酵母菌菌液和培养基的pH值随大气压He DBD等离子体处理时间的延长而大幅度降低。等离子体处理后立即检测和2h后检测发现这种pH大幅度变化的现象可以维持。该现象在国内外尚未见到有关报道。等离子体改变细胞培养基的酸性，增强了细胞内外生化环境的失衡性，破坏细胞结构的稳定性，加剧细胞裂，从而导致细胞死亡。 其次选用大肠杆菌，研究细胞的生理生长阶段和细胞浓度对大气压氦气等离子体射流（He APPJ）失活效果的影响。光学发射光谱检测到达细胞表面的等离子体射流温度为室温，大气压He APPJ在失活大肠杆菌的过程中无热效应。该等离子体处理2min后，细胞结构的完整性遭到破坏。本文首次将Baranyi模型应用到对大气压He APPJ等离子体失活大肠杆菌的模拟。大肠杆菌细胞浓度从107增加到1011／cm2时，He APPJ对细胞的最大失活速率常数kmax由19.59／min降到1.03／min；指数生长期、稳定期前期及稳定中期细胞的kmax依次为6.21／min、6.80／min和5.49／min。稳定期前期的细胞比指数期细胞对大气压He APPJ等离子体更敏感，稳定期中期的细胞对该等离子体的抗性最强。细胞的生理生长阶段和细胞浓度是影响大气压He APPJ等离子体失活大肠杆菌效果的两个重要因素。Baranyi模型模拟的结果与实验结果符合地很好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 综述
• 1.1 引言
• 1.2 传统消毒灭菌法的缺点与局限性
• 1.3 低温等离子体基本性质及其消毒灭菌技术优点
• 1.3.1 低温等离子体基本性质
• 1.3.2 低温等离子体消毒灭菌的技术优点
• 1.4 等离子体消毒灭菌的应用
• 1.4.1 医学生物材料的杀菌消毒应用
• 1.4.2 食品加工和生物技术方面的消毒灭菌应用
• 1.4.3 航天器及太空设施的消毒灭菌应用
• 1.5 大气压等离子体消毒灭菌机理国内外研究状况
• 1.5.1 国外研究进展
• 1.5.2 国内研究进展
• 1.6 小结
• 2 大气压下氦气介质阻挡放电等离子体失活酵母菌的研究
• 2.1 引言
• 2.1.1 酵母菌介绍
• 2.1.2 酵母菌选取依据和意义
• 2.2 酵母菌来源及培养
• 2.2.1 培养基及缓冲液的准备
• 2.2.2 接种及培养
• 2.3 大气压下氦气介质阻挡放电等离子体处理酵母菌
• 2.3.1 实验装置
• 2.3.2 实验过程
• 2.3.3 放电伏安特性及放电现象
• 2.3.4 对照实验
• 2.4 酵母菌经等离子体处理后细胞形貌的变化
• 2.4.1 国外对细胞形貌变化的研究状况
• 2.4.2 电子扫描显微镜观察细胞形貌的变化
• 2.4.3 原子力光子扫描隧道组合显微镜观察细胞形貌的变化
• 2.5 线粒体琥珀酸脱氢酶系活性测定
• 2.5.1 MIT法测试过程
• 2.5.2 MTT物质对实验结果影响的对照实验
• 2.5.3 结论与分析
• 2.6 蛋白质浓度测定
• 2.6.1 蛋白质浓度测定法的确定
• 2.6.2 Bradford法测试过程
• 2.6.3 Bradford法测定细胞外蛋白质浓度
• 2.7 酵母菌菌液及培养基pH考察
• 2.7.1 实验结果
• 2.7.2 分析与讨论
• 2.7.3 培养基各成分pH变化
• 2.8 大气压下氦气和空气介质阻挡放电等离子体对酵母菌液作用效果比较
• 2.8.1 放电参数及放电波形
• 2.8.2 酶活性变化
• 2.8.3 处理前后酵母菌细胞形貌变化
• 2.8.4 菌液pH变化
• 2.9 大气压下氦气介质阻挡放电等离子体处理淀粉
• 2.9.1 处理过程
• 2.9.2 淀粉溶液pH及葡萄糖含量变化
• 2.9.3 淀粉颜色反应实验
• 2.9.4 淀粉酸水解反应
• 2.9.5 高效液相色谱（HPLC）分析淀粉水解产物
• 2.9.6 淀粉水解机理
• 2.10 小结
• 3 大气压下氦气等离子体射流失活大肠杆菌的研究
• 3.1 引言
• 3.2 大气压下等离子体射流失活大肠杆菌的研究意义
• 3.3 大肠杆菌的培养
• 3.3.1 培养基及缓冲液的准备
• 3.3.2 接种及培养
• 3.4 大肠杆菌样品制备
• 3.5 大肠杆菌生长阶段确定
• 3.6 大气压下氦气等离子体射流处理大肠杆菌
• 3.6.1 等离子体装置及处理过程
• 3.6.2 不同生长阶段及不同浓度细胞的存活状况
• 3.6.3 同一生长阶段（稳定阶段中期）不同浓度细胞的存活状况
• 8/ml）不同生长阶段细胞的存活状况'>3.6.4 同一细胞浓度（10⁸/ml）不同生长阶段细胞的存活状况
• 3.7 Baranyi模型模拟大气压氦气等离子体射流失活大肠杆菌状况
• 3.7.1 Baranyi模型
• 3.7.2 Baranyi模型模拟结果
• 3.8 大气压下等离子体射流处理前后细胞形貌变化
• 3.8.1 荧光显微镜观察细胞形貌的变化
• 3.8.2 电子扫描显微镜观察细胞形貌的变化
• 3.9 大气压下氦气等离子体射流温度诊断
• 3.10 小结
• 4 结论与展望
• 4.1 本文主要结论
• 4.1.1 大气压下氦气介质阻挡放电等离子体失活酵母菌
• 4.1.2 大气压下氦气等离子体射流失活大肠杆菌
• 4.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书