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浅析电化学杀菌 陈柏摘要：长期以来在水处理领域中的杀菌方法分为化学法和物理法两类，其中化学法指向待处理水溶液中加入化学剂，如C12、NaClO、O2、H2O2等来杀灭细菌，成本低，效果理想，但对环境不友好，物理法则通过紫外线，超声波等技术手段来杀菌，环保但是不能持续杀菌。而作为兼顾环保和杀菌的电化学杀菌法正迅速发展，目前电化学杀菌的两种主要方法是通电杀菌和高压电脉冲杀菌，其作用机理也分两种，直接杀菌和间接杀菌。直接杀菌：通过电场作用直接导致细菌细胞膜分解或发生电穿孔现象从而使细菌死亡。间接杀菌：通过电解产生的强氧化性中间产物来杀灭细菌。但在实际操作过程中，电化学法杀菌还是存在缺陷的，比如能耗高，成本高，杀菌效果与传统化学杀菌相比还是较低。特别是通过高压电脉冲法使细菌细胞膜发生电穿孔现象从而导致细菌死亡的过程中，部分发生穿孔的细胞膜能够复原，这种现象导致杀菌效率的降低。我们是否能够通过分析细菌的一些基本生理结构和代谢途径，结合一些化学或者物理的方法，在现有的电化学杀菌理论的基础上做一些调整从而提高电化学杀菌的效率，本文将做一些浅显的分析。 关键字：电化学；杀菌；细胞结构 1电化学杀菌法的优点与不足 1.1电化学杀菌的两个主要机理：直接作用和间接作用 直接作用：在电场的作用下，电能产生的机械压缩作用能够使细胞膜发生不可逆形变，使细胞膜分解，细胞质部分或全部流出。造成细菌最终死亡。电穿孔作用则是由于电场的作用使得细菌细胞膜的磷脂双分子层及蛋白质失稳，因此小分子的物质能够自由透过细胞膜进入细胞内，从而引起细胞膜的膨胀破裂。 间接作用：在电解的过程中产生一些强氧化性的中间产物，列如臭氧，次氯酸等物质，当这些物质通过细胞壁穿透到细菌内部时氧化细菌的酶系统而使细菌死亡。 1.2 电化学杀菌的两个主要方法：电解杀菌和高压电脉冲杀菌法 电解杀菌法：电解杀菌法的机理有直接作用也有间接作用，且电场对细胞膜的不可逆破坏是杀菌的主要原因。另外，电吸附作用、细胞的电灼烧现象、以及影响细菌代谢功能的电渗析和电泳现象，均能对杀菌作用产生贡献。但是电解法杀菌的缺点也很明显，电流效率较低是影响电化学杀菌技术广泛应用的一个重要原因。目前，电化学杀菌法的电流效率较低，能耗高，与化学法杀菌相比，成本较高。 高压电脉冲杀菌法：高压电脉冲杀菌是利用在高压脉冲电场下，负向脉冲波峰的出现对细胞膜形成一个快速变化的压力，使其结构松散，与正向脉冲峰协同作用能迅速破坏细胞膜的透性压电脉冲。由于细胞膜两表面堆积的异号电荷相互吸引，引起膜的挤压；当电场强度增大到一个临界值时，细胞膜的通透性剧增，腹上出现许多小孔，使膜的强度降低；进一步的作用使细胞膜产生不可修复的大穿孔，使细胞组织破裂、崩溃，导致微生物失活。但是高压电脉冲杀菌法中也存在很多待解决的问题，列如电穿孔后细胞膜的自动复原，这种现象将直接导致杀菌效率的降低。 电化学杀菌法的优点是显而易见的相比传统的化学杀菌法更加环保，比物理杀菌法有更好的持续杀菌效果。但目前存在的问题也是明显的，从杀菌机理来说主要也集中在通过破坏细胞膜来杀灭细菌。但是细胞膜是以磷脂双分子层为基本骨架，期中镶嵌蛋白质，有些细胞膜外表面也存在多糖。这就意味着细胞膜的一个重要特性：流动性。电穿孔后发生复原现象与细胞膜的流动性有直接的关系。但是细菌作为一种原核生物，不止有细胞膜这一种主要结构，还有细胞壁，细胞质，核区DNA，核糖体等一些结构，通过分析这几种结构，是否可以改进电化学杀菌法，另辟蹊径找到更有效的杀菌方法呢，下面将做简单分析。 2 电化学法破坏细胞结构对细菌的影响 2.1 细胞壁 细菌细胞壁较厚，主要成分为肽聚糖，肽聚糖由双糖单位，四肽尾，和肽桥3部分组成。其功能为保持细胞外形；抑制机械很渗透损伤；介导细胞相互作用；防止大分子入侵；协助细胞运动和分裂。理论上，若能够彻底的破坏细胞壁，那么对杀灭细菌是很有帮助的，但是在细胞壁内还有细胞膜，显然破坏细胞膜的方法更为直接，另一方面，通过一些酶来溶解细胞壁的技术手段已经很成熟。所以通过电化学法破坏细菌细胞壁来杀菌的理论在可行性上较低。 2.2 细胞膜 细菌的细胞膜以磷脂双分子层（20%-30%）为基本骨架，结合蛋白质（50%-70%）构成。其主要生理功能为：选择性的控制细胞内外的营养物质和代谢产物的运送；维持细胞内渗透压；合成细胞壁和各种糖被的重要基地；膜上含有氧化磷酸化得酶系，是细胞产能的场所。由此可见，细胞膜在细菌构成上占着举足轻重的地位，破坏细菌细胞膜是非常有效的杀菌手段。但是，无论是电解杀菌还是高压电脉冲杀菌，对细胞膜的破坏都是集中在破坏其基本骨架上。其中高压电脉冲主要是对细胞膜造成电穿孔现象，但是由于细胞膜具有流动性使得一些电穿孔造成