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低温等离子体 探索科学世界的“一扇窗”

2018年10月16日 08:53:03 来源: 安徽日报

    固体、液体、气体,是物质通常存在的三种形态。神奇的等离子体,则是除了这三种形态之外的“物质第四态”。在自然界中,炽热烁烁的火焰、光辉夺目的闪电、绚烂壮丽的极光等,都是等离子体参与或作用的结果。什么是等离子体以及低温等离子体?低温等离子体有哪些神奇的应用?记者日前走进中科院合肥物质科学研究院,深入采访技术生物与农业工程研究所研究员黄青。

    9月6日,中科院合肥物质科学研究院研究员黄青(右二)与科研人员讨论如何有效利用和改进医用污水智能一体化处理设备。记者 徐旻昊 摄

    诱变育种出新奇

    灵芝素有“仙草”的美誉,自古以来就为人们所熟知。灵芝多糖含量的多少,直接影响着灵芝的药效。最近,黄青课题组利用低温等离子体诱变灵芝原生质体,获得多种诱变菌株,并利用红外光谱对其筛选检测,鉴别筛选出灵芝多糖含量高的诱变菌株,最终培育出多糖含量高的灵芝新品种。成果发表在最新一期国际著名学术期刊《公共科学图书馆期刊·综合》上。

    “低温等离子体诱变育种技术,是获得品质改良的灵芝等食药用真菌的一种安全高效的诱变方法。 ”黄青介绍,他们课题组用低温等离子体对灵芝原生质体进行诱变,获得大量诱变菌株,随后利用此前构建的基于红外光谱的灵芝多糖定量模型,对诱变菌株的灵芝多糖含量进行筛选,最终获得灵芝多糖含量较高的诱变菌株,并得到酶学和电镜结果的证实。

    诱变育种是指在人为的条件下,利用物理、化学等因素,诱发生物体产生突变,从中选择、培育动植物和微生物的新品种。它是继选择育种和杂交育种之后发展起来的一项现代育种技术。近年来,黄青课题组利用低温等离子体技术,先后诱变育出雨生红球藻突变株等多个微生物新品种,并与广州沣芝生物科技有限公司等企业开展产学研合作,推动新品种的产业化。

    虾青素是天然的强抗氧化剂,雨生红球藻是天然虾青素生产的主要来源,但在自然状态下藻株生长速率慢、虾青素产量低。黄青课题组与合作者通过低温等离子体诱变技术,获得了诸多高产虾青素的雨生红球藻突变株,其中最高单位虾青素产量是诱导前的近两倍,并验证了突变藻株中虾青素产量的提高与参与调控类胡萝卜素合成的关键酶基因表达水平密切相关。

    等离子体即电离了的“气体”,是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态。看似“神秘”的等离子体,其实是宇宙中的常见物质。就整个宇宙而言,等离子体是物质存在的主要形式,占宇宙物质总量的99%以上,如恒星、星际物质以及地球周围的电离层等都是等离子体。 “从离子和电子温度是否一致考虑,等离子体有高温、低温之分。 ”黄青介绍,高温等离子体离子和电子达到平衡,这只有在温度足够高时才能发生,如太阳就是高温等离子体,研究热核聚变的全超导托卡马克利用的就是高温等离子体;低温等离子体在常温下就能发生,目前在诱变育种、生物医学、农业和环境科学等领域均有重要应用。

    灭菌消毒护健康

    促进伤口愈合、治疗皮肤溃疡、杀灭癌细胞,有效消除皮肤皱纹和淡化痤疮瘢痕……近年来,低温等离子体技术在生物医学领域显示出巨大的应用前景及优势,受到广泛关注。其中,低温等离子体灭菌消毒是该技术在生物医学研究中的热点。目前,已有多个研究显示其在伤口消毒、医疗设备消毒、农产品安全及食品安全等领域,均具有广阔的灭菌应用前景。

    “早在12年前,等离子体医学国际权威弗里德曼教授等,就首次报道了低温等离子体具有显著促凝血作用。但是,低温等离子体促凝血的具体原因尚不清楚。 ”黄青表示,他们课题组经过研究发现,低温等离子体处理血液样品时,血液中血红素分子可显著促进促凝血效果。在此促进作用下,血液表面蛋白聚合形成薄膜,这与以前研究报道中低温等离子体处理下血液表面形成的凝血块相似;而分析凝血块成分,发现它主要是由聚集的纤维蛋白组成。这项工作揭示了以往被忽视的低温等离子体中血红素促进促凝血的机制,也为该技术的实际临床应用提供了有用信息。

    世界上最薄的材料石墨烯,以其独特的力学和电学特性,被称为“神奇材料”。同时,作为一种新型二维碳材料,石墨烯不仅具有广谱抑菌能力,还不会引发细菌产生耐药性,这为解决日趋严重的细菌耐药性问题,提供了一种可能的解决方案。但与抗生素、银等传统灭菌药物/材料相比,一般的石墨烯类灭菌能力较弱。黄青课题组利用射频驱动氢等离子体处理氧化石墨烯后,发现其灭菌能力显著提高。未经处理的氧化石墨烯在0.5毫克/毫升浓度下,未表现出明显的灭菌能力,而处理后的氧化石墨烯在0.02毫克/毫升浓度下,即可引起近90%细菌的灭活。

    “搞明白低温等离子体的各种灭菌机制,是我们课题组的重要努力方向。 ”黄青透露。为何氧氮混合比例下的等离子体灭菌效果较强?他们对不同气体等离子体处理后的活性基团含量分析发现,溶液中生成的亚硝酸根含量差别,是不同气体等离子体灭菌效果不同的主要原因。为何在氧气等离子体处理下,溶液中氯离子存在可显著促进灭菌效果?他们研究发现,氯离子在氧气等离子体处理下会快速氧化生成活性氯,后者可进一步进入细菌胞内,引起细菌死亡。通过对细胞膜通透性的分析表明,氯离子通过调节等离子体处理细胞膜的损伤而改变等离子体的灭菌效果。

    污染治理添利器

    每年夏天,巢湖蓝藻爆发都会引起社会的广泛关注。巢湖是全国第五大淡水湖,蓝藻水华暴发严重影响水体景观和水体功能,蓝藻细胞死亡后释放的微囊藻毒素则直接威胁饮用水安全和人类健康。 “低温等离子技术可去除环境中各种污染物,具有经济实用、简便易行、无二次污染等优点,利用该技术处理污水是当前研究热点之一。 ”黄青告诉记者。

    就巢湖蓝藻治理而言,黄青课题组已持续关注多年,一种新的尝试就是利用等离子体。等离子体放电过程中,产生带正电的离子和负电的电子,能量可达上千电子伏特。它们与水分子碰撞可以产生活性氧和自由基等,并且伴有紫外线,能氧化降解水中的多种有毒有害物质,是一种高级氧化水处理技术。 “一般水处理技术只考虑杀灭蓝藻细胞或者去除蓝藻毒素,而应用等离子体灭藻,方法上可能有一定优势,在杀灭蓝藻细胞的同时又能把藻细胞释放的毒素降解去除。 ”黄青透露,他们正在尝试开发一些新的技术应用到巢湖蓝藻治理中。

    当前,低温等离子体在处理印染废水、医疗废水等方面,显示出较好的应用前景。多氯苯酚类化合物是生物杀虫剂、木材防腐剂、染料、除锈剂等产品的主要成分。该类化合物在环境中能长期稳定存在,并经食物链进入人体,其大量使用对人类健康造成严重威胁。今年4月,黄青课题组在低温等离子体降解含多氯酚类有机废水的研究方面取得重要进展。他们研究发现,氩气等离子体对氯苯酚的降解速率显著高于氮气等离子体,而对化学需氧量的去除速率,氮气等离子体显著高于氩气等离子体,这为实际应用中提高等离子体去污效果提供了依据。

    在降解抗生素方面,低温等离子体也有神奇效果。今年7月,黄青课题组利用低温等离子体技术对广谱类代表性抗生素诺氟沙星进行处理,发现低温等离子放电产生的活性因子对降解水体中的抗生素具有重要作用。 “这一成果对利用低温等离子体技术处理水体中抗生素提供了理论支持,也为技术实际应用如处理医疗废水等提供了依据和方向。 ”黄青表示。近年来,他们团队先后围绕蓝藻细胞、藻毒素、含多氯酚类物质等污染物开展等离子体降解机理研究,并联合安徽华丰节能环保科技有限公司开发医用污水智能一体化处理设备,不断推进新技术产业化。(桂运安)

[责任编辑: 吴万蓉 ]
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