用于尼罗河水和废水细菌灭活的冷等离子体

为什么更清洁的水很重要

安全的水是公共健康的基础，然而河流和废水常常携带能引发疾病的微生物，这些微生物有时能逃过传统处理工艺。该研究探索了来自现代物理学的一种工具——冷等离子体（一种室温下的电离气体），以评估其是否能够在不添加化学物质的情况下，安静而高效地消灭尼罗河水和未经处理污水中的有害细菌。

清洁污水的一种新方法

研究人员聚焦于两类常见且指示粪便污染、难以去除的细菌：作为污染指示物广泛使用的革兰氏阴性细菌大肠埃希氏菌（Escherichia coli），以及能形成耐受孢子的革兰氏阳性菌属（Bacillus）。他们采集了真实的尼罗河水和废水，而非仅用实验室净化水，以测试该方法在复杂、天然混浊样品中的表现。研究目标是确定冷等离子体能多快降低活细菌数量，以及它是否能作为一种实用、环保的水处理工艺步骤。

等离子体处理的工作原理

在他们的装置中，一根细金属丝电极置于玻璃管内水面上方，连接普通高压电源。通电并调至合适电压时，会产生柔和的、非热性的冠状放电：在金属丝与水面之间形成细小的等离子体丝状放电网络。尽管水面上方的气体温度接近室温，但其中充斥着高能电子、离子以及短寿命的活性氧和氮物种。这些反应性颗粒进入水中，生成更长寿命的化学物质，如过氧化氢和硝酸盐，能够在不使液体沸腾的情况下攻击微生物。

细菌发生了什么变化

为了追踪对细菌的影响，团队在等离子体短时处理前后分别在营养培养基平板上计数菌落。在尼罗河水中，八分钟的处理就将细菌数量至少降低了一百万倍，降至无可检测菌落。在废水中，六分钟即可使可检测细菌被消除。革兰氏阴性的大肠埃希氏菌比革兰氏阳性Bacillus更易被灭活，这反映了其更薄的细胞壁和更脆弱的外层。当科学家们在一整天内跟踪大肠埃希氏菌的生长时，发现处于活跃生长期的培养物在暴露后浊度急剧下降，幸存者出现部分再生长，随后又最终下降，表明等离子体造成的是持续性的损伤而非短暂的挫折。

细胞内部与水体的变化

扫描电子显微镜（SEM）提供了等离子体与细菌“搏斗”的近距离观察。未处理的细胞呈光滑杆状，而经等离子体处理的细胞则出现凹陷、点蚀，最终塌陷为皱缩的碎片并布满孔洞。这些形态特征是膜和支撑结构被氧化损伤的标志。同时，水体本身也发生变化：表面温度仅升至约54摄氏度，远低于典型的热灭菌温度，证实这不是一个热力学过程。pH值从近中性下降到约3的酸性范围，电导率增加，表明随着新离子的形成，活性氧氮化合物在水中累积，这与灭活微生物的化学机制一致。

这对未来水处理意味着什么

综合来看，研究结果表明基于冠状放电的冷等离子体能够在无需依赖氯或高温的情况下，显著降低河水和废水中的细菌污染。它通过化学活性物种和电场效应损伤细胞，而非通过加热杀灭，并且对相对耐受的革兰氏阳性细菌仍然有效。尽管需要进一步研究以实现放大应用并评估长期副产物，该研究表明非热等离子体有望成为在微生物污染长期存在的地区，改善饮用水安全和废水处理的有益、环保的补充技术。

引用: El-Hossary, F.M., Noureldein, E.A., El-Kassem, M.A. et al. Cold atmospheric plasma for bacterial inactivation in Nile water and wastewater. Sci Rep 16, 15749 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52839-3

关键词: 冷等离子体, 水消毒, 尼罗河, 废水处理, 细菌灭活