微波辐射与低温等离子体对生物气溶胶活性的影响及其机理

摘要

环境空气中的生物成分,如机会致病细菌、真菌以及病毒和过敏原等,通过呼吸暴露能引起多种健康问题,包括肺病、生物过敏性疾病、不良急性反应以及病态楼宇综合症等。近年来,室内过敏人群日益增多,在封闭、半封闭空间中病毒传播(如H1N1、SARS病毒)造成的大规模流感疫情频频发生。最近,类似SARS病毒感染的出现和H7N9禽流感事件,再次敲响人类面临大规模流行性疾病的警钟。此外,利用生物气溶胶传播的生物恐怖危险也与日俱增。研发有效的控制手段对阻断疾病的爆发具有重要意义。然而,现有的生物气溶胶控制技术在灭活效率、环境友好性及实用性上仍然存在着诸多问题。
　　本论文主要研究了微波辐射(热效应)和低温等离子体(非热效应)对生物气溶胶的活性和致敏性的影响及相关机理。本研究将实验室生成的生物气溶胶与环境中的生物气溶胶直接暴露在不同能量的微波辐射或低温等离子体不同时间后,用传统的培养方法分析对照组和暴露组细菌、真菌和病毒气溶胶活性的变化,并用酶联免疫吸附剂测定法分析过敏原气溶胶致敏性的变化。作为对照,本论文也开展了这两种技术对液体中生物成分的暴露研究。本论文利用 DNA荧光染料、叠氮溴化乙锭-定量聚合酶链式反应(EMA-qPCR)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)、聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)、逆转录聚合酶
　　链式反应(RT-PCR)和琼脂糖凝胶电泳,分别研究了细菌气溶胶的活性、微生物细胞膜表面形态、细胞内成分、过敏原的形态、细菌气溶胶的多样性和可能的基因突变、病毒的基因等,进而研究这两种技术的灭活机理。
　　研究结果显示,输出能量为700 W的微波辐射,在1.5分钟内可灭活空气中94.2％的荧光假单胞菌和91.3%的病毒MS2;输出能量为24 W的低温等离子体,在次秒内(0.12秒)可灭活100%的荧光假单胞菌和85%的病毒MS2。除了对实验室生成的生物气溶胶有很好的灭活效果,微波辐射和低温等离子体也可高效地灭活环境空气中的细菌和真菌,其中低温等离子体在0.06 s内可灭活室外环境空气中96%的细菌和87%的真菌。而且,低温等离子体还能高效地去除过敏原的致敏性,在0.06秒内降低了狗过敏原(Can f1)81%的致敏性。和常规生物气溶胶控制技术相比,微波辐射提供了一种实用性强、广谱性好、操作简单且环境友好的灭活技术;而低温等离子体则突破了常规技术在灭活时间和灭活效率上的瓶颈,提供了一种快速、高效的空气净化技术。
　　关于微波辐射和低温等离子体对生物成分的灭活机理,学术界一直存在争议。本论文通过研究这两种技术对生物气溶胶的活性和致敏性的直接影响,揭示了微波辐射对细菌存在着热效应和非热效应,主要表现为引起细胞膜损伤、细胞内成分变性和基因突变;常温条件下的低温等离子体则主要通过活性氧物质(如OH自由基和单原子氧)和带电粒子起到灭活细菌的作用,主要表现为破坏细胞结构和基因的完整性。本论文还揭示了微波辐射和低温等离子体对病毒灭活的基本机理,即微波辐射和低温等离子体破坏了病毒 A蛋白和复制酶的编码基因,导致病毒不能繁殖而失去活性。
　　相比已有的研究,本论文提出了利用微波辐射直接灭活生物气溶胶的简单实用方法,系统地研究了微波辐射和低温等离子体对空气中细菌、真菌、病毒和过敏原的影响,为发展相关灭活技术提供了科学依据。这两种技术在较短的时间内实现了对病毒高达90%的灭活效率,有望用于防范、阻断与控制经空气传播的SARS病毒、H1N1和H5N1等病毒,防止疾病大规模爆发。论文的研究成果在封闭及半封闭环境如中央空调系统、医院、飞机机舱、军事基地等的空气消毒上具有很好的应用前景。

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第一章 绪 论

1.1 生物气溶胶简介

1.2 生物气溶胶的负面健康效应及其他影响

1.3 生物气溶胶控制技术

1.4 本论文的研究意义、拟探讨的科学问题和研究内容

第二章 实验材料和研究方法

2.1 实验装置

2.2 微生物样品的制备

2.3 实验设计

2.4 分析方法

2.5 本章小结

第三章 微波辐射和低温等离子体对细菌气溶胶活性的影响及机理研究

3.1 微波辐射对细菌气溶胶活性的影响及其机理研究

3.2 低温等离子体对细菌气溶胶活性的影响及其机理研究

3.3 本章小结

第四章 微波辐射和低温等离子体对真菌气溶胶活性的影响及机理研究

4.1 微波辐射对真菌气溶胶的活性影响及其机理研究

4.2 低温等离子体对环境真菌气溶胶活性的影响

4.3 本章小结

第五章 微波辐射和低温等离子体对病毒气溶胶活性的影响及机理研究

5.1 微波辐射对病毒气溶胶活性的影响及其机理研究

5.2低温等离子体对病毒气溶胶活性的影响及其机理研究

5.3 本章小结

第六章 微波辐射和低温等离子体对过敏原气溶胶致敏性的影响及机理研究

6.1 微波辐射对过敏原气溶胶致敏性的影响及其机理研究

6.2 低温等离子体对过敏原气溶胶的致敏性的影响

6.3 本章小结

第七章 结论和展望

7.1 本论文的主要结论

7.2 本论文的主要创新点

7.3 展望

参考文献

附 录

致谢