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酸性氧化电位水(Electrolyzed Oxidizing Water,EOW)作为一种高效、快速、广谱、环保型灭菌消毒剂,正日益广泛地应用于生活、医疗和卫生等方面。
本文采用ESEM、EDX和AUTOLAB电化学工作站对四种商用电极进行了表征；采用两槽隔膜式电解槽进行了动态制备EOW的工艺研究,探讨了制备条件对水质和能耗的影响及其规律；以大肠杆菌、白色念珠菌、金黄色葡萄球菌和枯草杆菌黑色变种芽孢为杀灭对象,系统地考察了EOW的各杀菌因子对灭菌效果的影响；通过TTC-脱氢酶活性测定、透射电镜、电泳技术等手段,从分子生物学水平初步探讨了EOW的杀菌机理。
商用电极的表征表明:电极B3和B4较低的析氧电位与其涂层催化活性物质RuO2和IrO2有关；综合考虑电解出水水质、单位能耗、电解时间及电极成本等因素,选择电极B4做为动态制水的工作电极。
酸性氧化电位水的动态制备研究表明:有效氯浓度ACC与电解质浓度CNaCl(C)、电解时间t呈线性相关,与电压U呈指数相关；氧化还原电位ORP与CNaCl、t呈线性相关,与U呈对数相关；pH值与CNaCl、t呈对数相关,与U呈线性相关。电解槽适宜的制水条件:CNaCl为6.0～9.0g·L-1、U为5.0～7.0V、t为2.0～6.0s。建立了EOW的水质指标数学模型:ACC=2.753e0.1888UCt-36.82t×e-0.2152U-37.23Ce-0.5124U+87.24e-0.05856U,R2=0.9945,(α<0.001)；pH=2.869×10-2UlntlnC-0.1278lnClnt-4.182×10-2Ulnt-0.1271×10-2UlnC-0.1210U-5.003×10-2lnt-0.4512lnC+4.563,R2=0.9847,(α<0.001):ORP=1.101CtlnU-2.711tC-12.63ClnU-10.55tlnU+156.4lnU+31.43C+28.91t+798.7,R2=0.9796,(α<0.001)。平均相对误差为1.09％,能精确控制出水水质,应用于制水机的自控系统,可省去在线检测装置,显著降低制造成本。
酸性氧化电位水的灭菌效果及影响因素研究表明:EOW的杀菌能力远高于单一ACC、低pH值及高ORP作用的简单加和,它是以ACC为主导,低pH值及高ORP为重要促进的三者协同作用的结果。其ACC越高、pH值越低、ORP越高,灭菌效果就越好。EOW具有高效、快速的杀菌能力,无干扰物时,EOW对大肠杆菌(ACC:33.1 mg·L-1、0.5min)、金黄色葡萄球菌(ACC:57.6 mg·L-1、1min)、白色念珠菌(ACC:53.7 mg·L-1、3min)和枯草杆菌黑色变种芽孢(ACC:191 mg·L-1、20min)的灭菌率均能达到100％。EOW对病原菌的杀灭能力强弱次序:大肠杆菌>金黄色葡萄球菌>白色念珠菌>枯草杆菌黑色变种芽孢。
ACC在EOW的高效杀菌能力中起了关键作用。Na2SO4、NaNO3电解出水因不含ACC,灭菌效果均显著低于EOW。但ACC并不单独决定EOW的杀菌能力,因为碱性的NaClO灭菌能力均远低于相同ACC的EOW,只有当NaClO的ACC比EOW高3～10倍,两者灭菌效果才相近。
低pH值(高ORP)在灭菌中起了重要的促进作用。对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌:有干扰物时,pH值越低灭菌效果越好；无干扰物时,在pH≤6,EOW(ACC分别为74.2、84.4和113 mg·L-1)在1min内能分别将这三种菌完全杀灭,在pH>6时,灭菌效果均随pH上升而快速下降。对枯草杆菌黑色变种芽孢,无论是否有干扰物,在pH值为5.88时EOW灭菌效果最好。但低pH值(高ORP)并不具备高效杀菌能力,Na2SO4、NaNO3电解水的灭菌能力远低于EOW,pH为2.50的H3PO4、HCl溶液的灭菌效果都很差。
活性氧并非EOW具有高效杀菌能力的主要因为。高TOSs(224mg·L-1)的H2O2对白色念珠菌作用2min,灭菌率只有54.4％(KL=0.34),有效氯和活性氧联用对灭菌无协同作用。有机干扰物对EOW的杀菌能力有较强的抑制作用,浓度越高,抑制作用越明显,抑制程度与杀菌能力的顺序相反。
酸性氧化电位水的消毒灭菌机理研究表明:病原菌的失活致死是由于细胞膜的通透性屏障被迅速破坏,重要胞内物如蛋白质、DNA及K+等快速泄漏,脱氢酶活性迅速下降,菌体蛋白质被破坏等多种因素综合所致。EOW能快速降低大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的脱氢酶活性；EOW能迅速增大细胞膜的通透性,使菌液电导率发生突跃；超微结构显示EOW破坏了病原菌的胞壁,胞内物质泄漏,并使核区结构受到不同程度破坏；蛋白质、DNA及K+的检出确证了病原菌的细胞壁、细胞膜已被破坏,细胞内含物泄漏。在EOW分别作用1、1、3、20min时,四种菌的蛋白质泄漏量达到峰值；SDS-PAGE凝胶电泳显示EOW能破坏菌体蛋白质,使蛋白质条带染色变浅、模糊、甚至消失；基因DNA电泳说明EOW造成大肠杆菌的死亡是坏死现象而不是凋亡。电泳带强度的减弱以至消失是由于细胞壁的完整性被EOW破坏后而产生的胞内内容物不同程度泄露的结果。