耐高壓臭氧發(fā)生器用于超濾膜曝氣污水處理應(yīng)用

一、研究背景與意義

1. 水傳播病原體危害：水傳播病原體與傳染病相關(guān)，是公共衛(wèi)生的重大威脅，全球每年約100萬(wàn)人因飲用水不安全、環(huán)境衛(wèi)生不足和手部衛(wèi)生差死于腹瀉疾病。

2. 傳統(tǒng)消毒方式局限：常用消毒劑如氯、二氧化氯和臭氧存在問題，過量使用化學(xué)消毒劑會(huì)產(chǎn)生有毒消毒副產(chǎn)物，還會(huì)導(dǎo)致微生物耐藥性，對(duì)公共衛(wèi)生造成額外風(fēng)險(xiǎn)。

3. 臭氧消毒的優(yōu)缺點(diǎn)：臭氧因氧化電位高（2.07V）且產(chǎn)物無(wú)毒（O?），被美國(guó)環(huán)保署推薦為替代傳統(tǒng)氯消毒的消毒劑，能有效殺滅微生物，如20ppm臭氧可在4分鐘內(nèi)滅活空氣中的煙曲霉菌，且臭氧化過程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑羥基自由基（?OH）輔助消毒。但傳統(tǒng)臭氧化在水中的傳質(zhì)速率有限（約0.04min?1），導(dǎo)致臭氧消耗量大、能耗高，限制了其廣泛應(yīng)用。

4. 傳統(tǒng)曝氣方式不足：依賴鈦合金曝氣器或沖擊器的傳統(tǒng)臭氧曝氣通常產(chǎn)生毫米氣泡，這類氣泡上升速度快、氣液接觸面積有限，傳質(zhì)效率低，氧氣轉(zhuǎn)移效率僅6%-10%，需更高臭氧劑量才能達(dá)到預(yù)期效果，增加能耗并造成環(huán)境負(fù)面影響。

5. 微氣泡曝氣的潛力：微氣泡曝氣能提高臭氧轉(zhuǎn)移速率，微氣泡直徑1-100μm，可將臭氧利用率提升至65%-79%。陶瓷超濾膜曝氣能耗低、設(shè)備簡(jiǎn)單，是極具應(yīng)用潛力的微氣泡曝氣方法，但目前關(guān)于陶瓷膜微氣泡系統(tǒng)在水中的消毒性能及強(qiáng)化微生物消毒機(jī)制的研究有限，故開展本研究。

二、研究材料與方法

（一）材料與化學(xué)試劑

1. 培養(yǎng)基類：營(yíng)養(yǎng)肉湯、MS2噬菌體液體培養(yǎng)基、Luria-Bertani（LB）營(yíng)養(yǎng)瓊脂、營(yíng)養(yǎng)瓊脂和MS2噬菌體半固體培養(yǎng)基。

2. 化學(xué)試劑：對(duì)氯苯甲酸（pCBA，>99.0%，GC）、2,4-二硝基苯肼（98%，AR，用于HPLC）、冰醋酸（99.5%，AR）和靛藍(lán)三磺酸鉀（55%，用于HPLC）；麥克林生化科技有限公司提供甲酸（99%，用于HPLC）、十二水合磷酸氫二鈉（99%，GR）、磷酸二氫鈉（99.9%）、硫代硫酸鈉（99%）和磷酸（AR）；蘇州安特食品有限公司提供無(wú)水乙醇；上海羅恩化學(xué)科技有限公司提供乙酸鈉；上海安譜科學(xué)儀器有限公司提供叔丁醇（TBA，用于HPLC）和乙腈（HPLC級(jí)）。

3. 實(shí)驗(yàn)用水：采用Milli-Q水系統(tǒng)（美國(guó)Millipore）制備去離子水，經(jīng)高壓滅菌器（松下MLS-3751L）滅菌，除非另有說明，所有溶液均用滅菌去離子水配制。

（二）臭氧曝氣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1. 臭氧來源：由高壓臭氧發(fā)生器（北京同林代理的加拿大Absolute Ozone ATLAS P30）使用99.999%純氧提供臭氧。

2. 流量與濃度監(jiān)測(cè)：通過質(zhì)量流量計(jì)（北京杰銳TSK621）控制進(jìn)氣臭氧流量，利用臭氧在線分析儀（北京同林科技3S-J5000）監(jiān)測(cè)進(jìn)出口氣態(tài)臭氧濃度。

3. 反應(yīng)裝置：在有機(jī)玻璃制成的反應(yīng)器（內(nèi)徑6.8cm、高度30cm、體積1.2L）內(nèi)進(jìn)行曝氣，反應(yīng)器下方設(shè)有磁力攪拌器以保證氣泡均勻分布。

4. 曝氣方式：將平板陶瓷膜（7.4mm×6mm×0.38mm）固定在反應(yīng)器底部用于微氣泡曝氣，氣態(tài)臭氧通過陶瓷膜 pores（直徑50nm）產(chǎn)生微氣泡；采用鈦微孔曝氣器進(jìn)行毫米氣泡曝氣，通過氣管連接在玻璃反應(yīng)器底部。

（三）微生物選擇與制備

1. 選擇的微生物：從中國(guó)普通微生物菌種保藏中心（CGMCC）購(gòu)買4種水中常見細(xì)菌，以大腸桿菌（E. coli；CGMCC 1.3373）和銅綠假單胞菌（P. aeruginosa，CGMCC 1.12483）作為革蘭氏陰性菌代表，金黃色葡萄球菌（S. aureus，CGMCC 1.12409）和糞腸球菌（E. faecalis，CGMCC 1.2135）作為革蘭氏陽(yáng)性菌代表；選用MS2噬菌體（ATCC 15597）作為非包膜病毒模型，其為單鏈RNA病毒，與腸道病毒相似。

2. 微生物制備：詳細(xì)步驟見支持信息（Text S1）。

（四）消毒實(shí)驗(yàn)

1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)置：模型微生物初始濃度，細(xì)菌為3.8-7.2×10?菌落形成單位/毫升（CFU/mL），病毒為3.8-7.2×10?空斑形成單位/毫升（PFU/mL）。向反應(yīng)器內(nèi)1L滅菌磷酸鹽緩沖液（PBS，5mM，pH 7.16）中加入1mL模型微生物儲(chǔ)備液，進(jìn)行臭氧曝氣，臭氧進(jìn)口濃度設(shè)定為10mg/L并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)總臭氧劑量（TOD）計(jì)算臭氧投加量。

2. 樣品處理：取樣時(shí)用1.5倍化學(xué)計(jì)量比的硫代硫酸鈉淬滅樣品，收集的樣品用于評(píng)估消毒效果。

3. 實(shí)際水樣實(shí)驗(yàn)：將大腸桿菌加入自來水、河水和二級(jí)出水樣品中，所有水樣使用前經(jīng)0.22μm聚醚砜膜過濾去除原有細(xì)菌，4℃儲(chǔ)存，然后按上述方法進(jìn)行消毒實(shí)驗(yàn)，水樣水質(zhì)參數(shù)見支持信息（Table S1）。

4. 濃度測(cè)定：采用標(biāo)準(zhǔn)涂布平板法[20]測(cè)定細(xì)菌濃度，雙瓊脂層法[57]測(cè)定病毒濃度，詳細(xì)方法見Text S2；通過總臭氧劑量（TOD，公式1）衡量氣態(tài)臭氧暴露量，公式中V為水樣體積（L），t為曝氣時(shí)間（min），[O?]inlet?和[O?]outlet?分別為進(jìn)出口氣態(tài)臭氧濃度（mg/L），Q為氣態(tài)臭氧流量（mL/min）[16]。

（五）分析方法

1. 細(xì)胞形態(tài)分析

    -細(xì)菌形態(tài)：采用掃描電子顯微鏡（SEM）[21]評(píng)估消毒前后細(xì)菌形態(tài)，8000rpm離心收集細(xì)菌樣品，加入1.5%戊二醛在4℃下固定過夜，PBS洗滌三次后，用不同濃度乙醇溶液（10%、30%、50%、70%、80%、90%或100%）脫水，再加入叔丁醇（50%、70%或100%）置換乙醇，冷凍干燥機(jī)（日本Eyela FDU-1110）干燥后，通過SEM（日本Hitachi SU8010）觀察。

    -病毒形態(tài)：采用透射電子顯微鏡（TEM）觀察病毒形態(tài)，消毒前后樣品中加入2%戊二醛在4℃下固定過夜，1%磷鎢酸染色后，將一滴病毒樣品滴在銅網(wǎng)上進(jìn)行透射電子顯微鏡觀察。

2. 膜損傷流式細(xì)胞術(shù)分析

    -膜完整性：使用細(xì)菌活力試劑盒（美國(guó)Thermo Fisher Scientific LIVE/DEAD BacLight L7007）表征細(xì)菌膜完整性，該試劑盒含SYTO 9和碘化丙啶（PI）兩種染料，按1:6摩爾比將SYTO 9和PI混合物加入1mL細(xì)菌樣品中，暗處孵育15min后進(jìn)行流式細(xì)胞術(shù)（美國(guó)Beckman CytoFLEX）分析[23,22]。

    -膜電位：使用雙-(1,3-二丁基巴比妥酸)三甲川氧雜蒽醇（DiBAC4(3)，美國(guó)Biotium）表征膜電位，向1mL細(xì)菌樣品中加入5μM DiBAC4(3)，37℃孵育30min后進(jìn)行流式細(xì)胞術(shù)分析。

3. 細(xì)菌代謝活性檢測(cè)：采用Alamar Blue試劑（中國(guó)Maokang MX3006）分析細(xì)菌代謝活性，將細(xì)菌樣品與Alamar Blue染料和營(yíng)養(yǎng)肉湯混合置于黑色96孔板中，孵育6h后，通過熒光酶標(biāo)儀（美國(guó)Molecular Devices Spectra Max I3）測(cè)定樣品熒光強(qiáng)度，按公式（2）計(jì)算細(xì)菌代謝活性，其中F?為陰性對(duì)照組平均熒光強(qiáng)度，F(xiàn)?為陽(yáng)性對(duì)照組平均熒光強(qiáng)度，F(xiàn)為樣品平均熒光強(qiáng)度。

4. DNA損傷分析：采用凝膠電泳進(jìn)行DNA損傷分析[23,42]，使用Magen HiPure細(xì)菌DNA提取試劑盒（中國(guó)Magen D3146-02）提取大腸桿菌DNA，凝膠成像儀（美國(guó)Bio-Rad Gel Doc XR）對(duì)含DNA的凝膠成像，詳細(xì)步驟見Text S3。

5. 臭氧曝氣分析：激光粒度分析儀（英國(guó)Malvern Mastersizer 3000）測(cè)定曝氣臭氧氣泡的直徑分布；靛藍(lán)三磺酸鉀法[3]測(cè)定水中臭氧濃度；通過叔丁醇（TBA）與?OH的反應(yīng)（Text S4）[49]確定?OH產(chǎn)率；采用高效液相色譜（日本Shimadzu LC-2030）按先前研究[16]描述的方法檢測(cè)對(duì)氯苯甲酸（pCBA）濃度。

6. 臭氧傳質(zhì)模擬：采用有限元法和ANSYS Fluent軟件模擬臭氧分布，針對(duì)單個(gè)微氣泡和毫米氣泡分析，根據(jù)氣泡實(shí)際尺寸建立二維模型；曝氣過程中建立反應(yīng)器二維軸對(duì)稱模型，利用Fluent計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬微氣泡和毫米氣泡曝氣，依據(jù)薄材料傳遞模擬臭氧傳質(zhì)，模擬過程中使用的參數(shù)（Table S2）反映實(shí)際曝氣條件。

7. 能耗計(jì)算：能耗是評(píng)估成本和環(huán)境影響的重要指標(biāo)，本研究中大部分能耗為臭氧產(chǎn)生所需電能[28,48]，通過公式（3）計(jì)算單位階躍電能（EEO），其中P??為產(chǎn)生1g臭氧所需電能（10Wh/g-O?），TOD為消毒所需總臭氧劑量（mg/L），V為微生物懸浮液體積（L）。

8. 統(tǒng)計(jì)分析：使用Origin軟件進(jìn)行Tukey事后檢驗(yàn)分析顯著差異，概率小于一定值時(shí)認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

臭氧曝氣系統(tǒng)。(a)臭氧曝氣系統(tǒng)的氣路。1)氧氣瓶；2)臭氧發(fā)生器；3)流量計(jì);4)臭氧氣體濃度檢測(cè)器；5)質(zhì)量流量計(jì)；6)磁力攪拌器；7)微泡曝氣塔；8)微泡曝氣塔；9)出口臭氧氣體濃度檢測(cè)儀。(b)陶瓷膜曝氣示意圖。(c)微泡與細(xì)菌示意圖。

三、研究結(jié)果與討論

（一）臭氧曝氣消毒性能

1. 不同曝氣方式對(duì)比：對(duì)比臭氧微氣泡曝氣與毫米氣泡曝氣對(duì)五種代表性微生物（兩種革蘭氏陰性菌：大腸桿菌和銅綠假單胞菌；兩種革蘭氏陽(yáng)性菌：金黃色葡萄球菌和糞腸球菌；一種模型病毒：MS2噬菌體）的消毒性能，總體而言，達(dá)到五種微生物4個(gè)數(shù)量級(jí)（99.99%）滅活效果，毫米氣泡曝氣所需臭氧劑量是微氣泡曝氣的三倍以上（圖2a-2e和Table S3）。

2. 對(duì)不同細(xì)菌的消毒效果

    -革蘭氏陰性菌：微氣泡曝氣在極低總臭氧劑量（0.026mg/L）下對(duì)大腸桿菌實(shí)現(xiàn)3.2個(gè)數(shù)量級(jí)滅活，而該劑量下毫米氣泡曝氣無(wú)明顯消毒效果；總臭氧劑量分別增至0.15mg/L和0.75mg/L時(shí)，大腸桿菌和銅綠假單胞菌實(shí)現(xiàn)完全滅活（>6個(gè)數(shù)量級(jí)）。

    -革蘭氏陽(yáng)性菌：革蘭氏陽(yáng)性菌對(duì)臭氧抗性更強(qiáng)，總臭氧劑量增至0.05mg/L時(shí)，微氣泡曝氣對(duì)金黃色葡萄球菌的滅活率快速達(dá)到3.1個(gè)數(shù)量級(jí)，總臭氧劑量1.78mg/L時(shí)，滅活率進(jìn)一步提升至6.4個(gè)數(shù)量級(jí)；而毫米氣泡曝氣在該總臭氧劑量下僅實(shí)現(xiàn)約3個(gè)數(shù)量級(jí)滅活。

3. 細(xì)菌抗性差異原因：革蘭氏陰性菌更易被滅活，這與其細(xì)胞膜組成有關(guān)，革蘭氏陰性菌外膜成分是脂蛋白和脂多糖[40]，易被臭氧氧化；而革蘭氏陽(yáng)性菌細(xì)胞上有更厚的肽聚糖層，對(duì)臭氧抗性更強(qiáng)[62]。總體而言，相同總臭氧劑量下，微氣泡曝氣比毫米氣泡曝氣提高了臭氧消毒效率。

4. 實(shí)際水樣消毒效果：評(píng)估臭氧微氣泡曝氣在實(shí)際水樣（自來水、湖水和二級(jí)出水）中的消毒性能（圖2f），所有情況下，總臭氧劑量1.0mg/L內(nèi)均實(shí)現(xiàn)大腸桿菌4個(gè)數(shù)量級(jí)（99.99%）滅活；自來水和河水中，總臭氧劑量分別為0.38mg/L和0.72mg/L時(shí)，大腸桿菌實(shí)現(xiàn)完全滅活，表明臭氧微氣泡曝氣在不同實(shí)際水樣中均具有有效的消毒效果。

（二）消毒性能增強(qiáng)機(jī)制

1. 微氣泡物理特性與消毒貢獻(xiàn)：陶瓷膜產(chǎn)生的臭氧微氣泡直徑范圍為9.25-92.05μm（圖3a），微氣泡中位直徑（25.5±1.3μm）僅為毫米氣泡（1646.7±270.6μm）的1.5%（Figure S2）。已有研究表明微氣泡與毫米氣泡物理特性不同，微氣泡的破裂和收縮可產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械剪切應(yīng)力和壓力波，并產(chǎn)生自由基[24]，可能有助于消毒。通過氧氣微氣泡曝氣研究物理力對(duì)消毒的貢獻(xiàn)（圖3b-3c），與臭氧微氣泡曝氣相比，氧氣微氣泡曝氣對(duì)大腸桿菌或金黃色葡萄球菌無(wú)明顯消毒效果，表明本系統(tǒng)中微氣泡物理力的貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)；而臭氧微氣泡曝氣對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌分別實(shí)現(xiàn)6.3個(gè)數(shù)量級(jí)和4.5個(gè)數(shù)量級(jí)滅活，說明臭氧化的化學(xué)氧化作用在微生物消毒中起主導(dǎo)作用。

2. 臭氧傳質(zhì)與?OH生成：臭氧微氣泡曝氣促進(jìn)臭氧傳質(zhì)和?OH生成，由于微氣泡曝氣高效的臭氧氣液傳質(zhì)，其平衡水中臭氧濃度是毫米氣泡曝氣的2.38倍（圖3d），這歸因于臭氧表觀傳遞速率，是毫米氣泡曝氣的2.80倍（Figure S3）。溶解臭氧越多，?OH暴露量越大，微氣泡曝氣的累積?OH是毫米氣泡曝氣的3.68倍（圖3e），具體而言，微氣泡曝氣的?OH產(chǎn)率比毫米氣泡曝氣提高2.40倍（Figure S4），從而產(chǎn)生更多?OH。以pCBA為探針評(píng)估?OH穩(wěn)態(tài)濃度（圖3f），微氣泡曝氣下pCBA降解更快，進(jìn)一步證明臭氧微氣泡曝氣導(dǎo)致更高的?OH暴露量。

3. 臭氧與?OH的消毒貢獻(xiàn)：為探究臭氧直接消毒和?OH間接消毒的貢獻(xiàn)，對(duì)比有無(wú)叔丁醇（TBA）時(shí)臭氧微氣泡曝氣的消毒性能，TBA常被用于猝滅?OH，且對(duì)細(xì)菌無(wú)明顯殺滅作用[49]。添加TBA導(dǎo)致大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的滅活速率常數(shù)均略有下降（圖3g），表明臭氧氧化和?OH氧化均有助于消毒，且臭氧分子的直接氧化是微生物滅活的主要原因。

4. 臭氧傳質(zhì)有限元模擬：采用有限元模擬進(jìn)一步分析微氣泡曝氣的臭氧傳質(zhì)，構(gòu)建單個(gè)氣泡模型以了解氣泡尺寸對(duì)臭氧傳質(zhì)的影響，直徑25.5μm的微氣泡比毫米氣泡具有更強(qiáng)的傳質(zhì)能力，1秒內(nèi)氣泡中95.82%的臭氧從氣相轉(zhuǎn)移到液相（不考慮氣泡的收縮和破裂）（圖3h）；而直徑1.65mm的毫米氣泡中僅1.27%的臭氧從氣相轉(zhuǎn)移到液相。相同流量下，微氣泡曝氣產(chǎn)生更多氣泡，傳質(zhì)熱點(diǎn)大幅增加，因此微氣泡曝氣導(dǎo)致更高的臭氧暴露和?OH暴露。反應(yīng)器內(nèi)曝氣模擬結(jié)果顯示，5秒內(nèi)微氣泡曝氣的平均臭氧濃度達(dá)到0.82mg/L，而毫米氣泡曝氣僅為0.041mg/L（圖3i），臭氧微氣泡曝氣在整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生更高的臭氧暴露（Figure S5），對(duì)微生物造成更大損害，提高消毒性能。

5. 能耗對(duì)比：計(jì)算兩種臭氧曝氣系統(tǒng)的EEO值，對(duì)于所有微生物，臭氧微氣泡曝氣的EEO值均低于毫米氣泡曝氣（圖3j），表明臭氧微氣泡曝氣是一種高效且經(jīng)濟(jì)的微生物完全滅活方法。

（三）臭氧誘導(dǎo)微生物損傷表征

1. 微生物形態(tài)變化：通過掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）觀察微生物形態(tài)變化以研究臭氧曝氣后的細(xì)胞結(jié)構(gòu)損傷（圖4a）?；畹拇竽c桿菌表面光滑、結(jié)構(gòu)完整[38,47]；毫米氣泡曝氣后，大腸桿菌表面略有收縮，但結(jié)構(gòu)仍相對(duì)完整，表明損傷較??；而微氣泡曝氣后，大腸桿菌表面塌陷且出現(xiàn)孔洞。革蘭氏陽(yáng)性菌（金黃色葡萄球菌）經(jīng)臭氧微氣泡曝氣后發(fā)生收縮，而臭氧毫米氣泡曝氣后未觀察到明顯的結(jié)構(gòu)變化（圖4b），表明細(xì)胞壁更厚的革蘭氏陽(yáng)性菌對(duì)臭氧損傷的抗性更強(qiáng)。MS2噬菌體經(jīng)臭氧微氣泡曝氣后，衣殼明顯扭曲和斷裂（圖4c），說明與毫米氣泡曝氣相比，微氣泡曝氣對(duì)細(xì)菌細(xì)胞和病毒衣殼結(jié)構(gòu)造成更嚴(yán)重的破壞。

2. 大腸桿菌膜完整性與膜電位：采用流式細(xì)胞術(shù)進(jìn)一步評(píng)估大腸桿菌細(xì)胞膜完整性（圖4d），SYTO 9可穿透所有細(xì)菌的膜并與細(xì)胞核結(jié)合標(biāo)記所有細(xì)菌，PI僅能穿透受損細(xì)菌，可用于標(biāo)記細(xì)胞膜受損的細(xì)菌并評(píng)估膜損傷程度[52]。根據(jù)PI和SYTO 9信號(hào)強(qiáng)度，流式熒光點(diǎn)圖分為四個(gè)象限（Q1-Q4），Q1為SYTO 9信號(hào)高、PI信號(hào)弱的完整細(xì)胞，Q2為SYTO 9和PI信號(hào)均高的輕度受損細(xì)胞，Q3為PI信號(hào)高、SYTO 9信號(hào)低的嚴(yán)重受損細(xì)胞，Q4為未明顯染色的細(xì)胞碎片[31]。處理前，91.94%的細(xì)菌處于Q1；微氣泡曝氣后，98.51%的細(xì)菌處于Q3，表明該處理造成嚴(yán)重的細(xì)胞損傷；毫米氣泡曝氣后，43.56%的細(xì)菌處于Q2，51.34%的細(xì)菌處于Q3，表明毫米氣泡曝氣造成的損傷較小，這與SEM表征結(jié)果一致。細(xì)胞膜電位變化也與此相符（圖4e）。

3. 大腸桿菌代謝活性：采用Alamar Blue（一種無(wú)毒且可穿透細(xì)胞的染料）評(píng)估大腸桿菌的代謝活性（圖4f），該藍(lán)色染料可被細(xì)胞攝取并在細(xì)胞內(nèi)還原為粉紅色的試鹵靈，通過測(cè)量熒光可確定細(xì)菌的代謝活性。毫米氣泡曝氣后細(xì)菌的代謝活性高達(dá)處理前的90%；而微氣泡處理后，細(xì)菌的代謝活性僅為處理前的3.19%。結(jié)果表明，微氣泡曝氣提高了臭氧濃度，造成嚴(yán)重的細(xì)胞膜損傷，使臭氧能夠進(jìn)入細(xì)胞并氧化細(xì)胞內(nèi)成分，從而破壞細(xì)胞代謝活性，臭氧微氣泡曝氣極大地?fù)p害了細(xì)胞活力并誘導(dǎo)細(xì)胞死亡[59]。

4. 大腸桿菌DNA損傷：通過凝膠電泳評(píng)估DNA完整性，證實(shí)臭氧微氣泡曝氣對(duì)細(xì)胞內(nèi)成分的損傷[25]。活細(xì)菌的DNA條帶亮度集中在42.5kb處（圖4g）；微氣泡曝氣0.5min后，核酸條帶分散，曝氣1.5min后無(wú)明顯條帶，表明持續(xù)的臭氧氧化使DNA完全破壞或斷裂成小片段。細(xì)胞膜受損時(shí)，臭氧可能進(jìn)入細(xì)菌并氧化細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)和DNA。對(duì)于毫米氣泡曝氣，處理1min時(shí)仍可觀察到核酸條帶，之后隨著曝氣時(shí)間增加才逐漸分散，表明即使在低總臭氧劑量下，微氣泡曝氣對(duì)DNA的損傷也比毫米氣泡曝氣更大。

（四）微氣泡曝氣增強(qiáng)臭氧消毒機(jī)制

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的消毒機(jī)制如圖5所示，微氣泡曝氣顯著提高了臭氧的傳質(zhì)速率，使水中的平衡臭氧濃度更高（圖3d）。此外，在相同流速下，與毫米氣泡曝氣相比，微氣泡曝氣產(chǎn)生更多的氣泡，增加了臭氧與微生物的接觸面積[61]。因此，微生物暴露在更高濃度的臭氧中，導(dǎo)致更嚴(yán)重的膜損傷（圖5a），這種損傷是由于臭氧與細(xì)菌接觸后迅速降解細(xì)胞膜表面成分[10]，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物泄漏和細(xì)菌收縮（圖4a-4b）。此外，臭氧通過受損的細(xì)胞膜迅速進(jìn)入細(xì)胞，氧化并破壞DNA等細(xì)胞內(nèi)成分（圖4g），導(dǎo)致細(xì)胞活力大幅下降（圖5b）?？傮w而言，微氣泡曝氣是一種增強(qiáng)臭氧對(duì)微生物消毒效果的有效方法，與毫米氣泡曝氣相比，微氣泡曝氣實(shí)現(xiàn)微生物完全滅活所需的臭氧劑量更低。

四、研究結(jié)論

1. 消毒效果顯著：低總臭氧劑量（約1.0mg/L）即可有效實(shí)現(xiàn)完全消毒，降低了大腸桿菌和MS2噬菌體6個(gè)數(shù)量級(jí)滅活所需的總臭氧劑量，同時(shí)將金黃色葡萄球菌和糞腸球菌的消毒效果提升了3個(gè)數(shù)量級(jí)。

2. 傳質(zhì)與?OH生成優(yōu)勢(shì)：優(yōu)異的消毒性能源于臭氧傳質(zhì)能力的增強(qiáng)和?OH生成的增加，與毫米氣泡曝氣相比，微氣泡曝氣有效提高了平衡水中臭氧濃度（1.38倍）和?OH產(chǎn)率（2.40倍）。

3. 微生物損傷嚴(yán)重：細(xì)菌膜的成分和結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌DNA被氧化和斷裂，導(dǎo)致細(xì)胞活力大幅下降（>80%），降低了基因釋放到水中的風(fēng)險(xiǎn)。

4. 實(shí)際應(yīng)用潛力與挑戰(zhàn)：本研究中使用的耐腐蝕陶瓷膜延長(zhǎng)了微氣泡曝氣在實(shí)際應(yīng)用中的使用壽命，但實(shí)際水體成分復(fù)雜（含膠體、顆粒、溶解性有機(jī)物和離子），可能導(dǎo)致膜污染或堵塞?？赏ㄟ^預(yù)處理、工藝參數(shù)優(yōu)化和定期清洗等策略延長(zhǎng)膜的使用壽命，未來需進(jìn)一步研究不同水質(zhì)條件下微氣泡曝氣的長(zhǎng)期性能。

5. 綜合效益良好：微氣泡曝氣對(duì)多種病原微生物（包括各種革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽(yáng)性菌以及病毒）表現(xiàn)出優(yōu)異的消毒性能，且對(duì)不同微生物的能耗降低了37.2%以上。通過降低所需氧化劑劑量，臭氧微氣泡曝氣為更可持續(xù)、更安全的水處理做出了貢獻(xiàn)。

五、環(huán)境意義

臭氧實(shí)際應(yīng)用中存在傳質(zhì)速率低的問題，需高臭氧劑量和高能耗才能達(dá)到消毒目標(biāo)。本研究提出的微氣泡曝氣方法克服了傳統(tǒng)曝氣的局限性，能以低臭氧需求量實(shí)現(xiàn)對(duì)多種微生物的綠色高效消毒，微生物滅活能耗降低37.2%，研究結(jié)果凸顯了微氣泡曝氣在降低臭氧消毒總成本和環(huán)境影響方面的潛力。 

六、附錄說明

與本文相關(guān)的補(bǔ)充數(shù)據(jù)可在在線版本（doi:10.1016/j.jhazmat.2025.138174）中找到。