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低溫等離子體-探索科學世界的一件“利器

發布日期:2020-07-24 00:00 來源:http://www.kfada.com 點擊:

低溫等離子體-探索科學世界的一件“利器”

   固體、液體、氣體,是物質通常存在的三種形態。神奇的等離子體,則是除了這三種形態之外的“物質第四態”。在自然界中,熾熱爍爍的火焰、光輝奪目的閃電、絢爛壯麗的極光等,都是等離子體參與或作用的結果。什么是等離子體以及低溫等離子體?低溫等離子體有哪些神奇的應用?記者日前走進中科院合肥物質科學研究院,深入采訪技術生物與農業工程研究所研究員黃青。

誘變育種出新奇

   靈芝素有“仙草”的美譽,自古以來就為人們所熟知。靈芝多糖含量的多少,直接影響著靈芝的藥效。近期,黃青課題組利用低溫等離子體誘變靈芝原生質體,獲得多種誘變菌株,并利用紅外光譜對其篩選檢測,鑒別篩選出靈芝多糖含量高的誘變菌株,zui終培育出多糖含量高的靈芝新品種。成果發表在近期一期國際著名學術期刊《公共科學圖書館期刊·綜合》上。

  “低溫等離子體誘變育種技術,是獲得品質改良的靈芝等食藥用真菌的一種安全高效的誘變方法?!秉S青介紹,他們課題組用低溫等離子體對靈芝原生質體進行誘變,獲得大量誘變菌株,隨后利用此前構建的基于紅外光譜的靈芝多糖定量模型,對誘變菌株的靈芝多糖含量進行篩選,zui終獲得靈芝多糖含量較高的誘變菌株,并得到酶學和電鏡結果的證實。

誘變育種是指在人為的條件下,利用物理、化學等因素,誘發生物體產生突變,從中選擇、培育動植物和微生物的新品種。它是繼選擇育種和雜交育種之后發展起來的一項現代育種技術。近年來,黃青課題組利用低溫等離子體技術,先后誘變育出雨生紅球藻突變株等多個微生物新品種,并與廣州灃芝生物科技有限公司等企業開展產學研合作,推動新品種的產業化。

  蝦青素是天然的強抗氧化劑,雨生紅球藻是天然蝦青素生產的主要來源,但在自然狀態下藻株生長速率慢、蝦青素產量低。黃青課題組與合作者通過低溫等離子體誘變技術,獲得了諸多高產蝦青素的雨生紅球藻突變株,其中較高單位蝦青素產量是誘導前的近兩倍,并驗證了突變藻株中蝦青素產量的提高與參與調控類胡蘿卜素合成的關鍵酶基因表達水平密切相關。

  等離子體即電離了的“氣體”,是一種由自由電子和帶電離子為主要成分的物質形態??此啤吧衩亍钡牡入x子體,其實是宇宙中的常見物質。就整個宇宙而言,等離子體是物質存在的主要形式,占宇宙物質總量的99%以上,如恒星、星際物質以及地球周圍的電離層等都是等離子體?!皬碾x子和電子溫度是否一致考慮,等離子體有高溫、低溫之分?!秉S青介紹,高溫等離子體離子和電子達到平衡,這只有在溫度足夠高時才能發生,如太陽就是高溫等離子體,研究熱核聚變的全超導托卡馬克利用的就是高溫等離子體;低溫等離子體在常溫下就能發生,目前在誘變育種、生物醫學、農業和環境科學等領域均有重要應用。

滅菌消毒護健康

   促進傷口愈合、治療皮膚潰瘍、殺滅癌細胞,有效消除皮膚皺紋和淡化痤瘡瘢痕……近年來,低溫等離子體技術在生物醫學領域顯示出巨大的應用前景及優勢,受到廣泛關注。其中,低溫等離子體滅菌消毒是該技術在生物醫學研究中的熱點。目前,已有多個研究顯示其在傷口消毒、醫療設備消毒、農產品安全及食品安全等領域,均具有廣闊的滅菌應用前景。
  “早在12年前,等離子體醫學國際權威弗里德曼教授等,就首次報道了低溫等離子體具有顯著促凝血作用。但是,低溫等離子體促凝血的具體原因尚不清楚?!秉S青表示,他們課題組經過研究發現,低溫等離子體處理血液樣品時,血液中血紅素分子可顯著促進促凝血效果。在此促進作用下,血液表面蛋白聚合形成薄膜,這與以前研究報道中低溫等離子體處理下血液表面形成的凝血塊相似;而分析凝血塊成分,發現它主要是由聚集的纖維蛋白組成。這項工作揭示了以往被忽視的低溫等離子體中血紅素促進促凝血的機制,也為該技術的實際臨床應用提供了有用信息。
世界上較薄的材料石墨烯,以其獨特的力學和電學特性,被稱為“神奇材料”。同時,作為一種新型二維碳材料,石墨烯不僅具有廣譜抑菌能力,還不會引發細菌產生耐藥性,這為解決日趨嚴重的細菌耐藥性問題,提供了一種可能的解決方案。但與抗生素、銀等傳統滅菌藥物/材料相比,一般的石墨烯類滅菌能力較弱。黃青課題組利用射頻驅動氫等離子體處理氧化石墨烯后,發現其滅菌能力顯著提高。未經處理的氧化石墨烯在0.5毫克/毫升濃度下,未表現出明顯的滅菌能力,而處理后的氧化石墨烯在0.02毫克/毫升濃度下,即可引起近90%細菌的滅活。
  “搞明白低溫等離子體的各種滅菌機制,是我們課題組的重要努力方向?!秉S青透露。為何氧氮混合比例下的等離子體滅菌效果較強?他們對不同氣體等離子體處理后的活性基團含量分析發現,溶液中生成的亞硝酸根含量差別,是不同氣體等離子體滅菌效果不同的主要原因。為何在氧氣等離子體處理下,溶液中氯離子存在可顯著促進滅菌效果?他們研究發現,氯離子在氧氣等離子體處理下會快速氧化生成活性氯,后者可進一步進入細菌胞內,引起細菌死亡。通過對細胞膜通透性的分析表明,氯離子通過調節等離子體處理細胞膜的損傷而改變等離子體的滅菌效果。

污染治理添利器

  每年夏天,巢湖藍藻爆發都會引起社會的廣泛關注。巢湖是全國第五大淡水湖,藍藻水華暴發嚴重影響水體景觀和水體功能,藍藻細胞死亡后釋放的微囊藻毒素則直接威脅飲用水安全和人類健康?!暗蜏氐入x子技術可去除環境中各種污染物,具有經濟實用、簡便易行、無二次污染等優點,利用該技術處理污水是當前研究熱點之一?!秉S青告訴記者。

就巢湖藍藻治理而言,黃青課題組已持續關注多年,一種新的嘗試就是利用等離子體。等離子體放電過程中,產生帶正電的離子和負電的電子,能量可達上千電子伏特。它們與水分子碰撞可以產生活性氧和自由基等,并且伴有紫外線,能氧化降解水中的多種有毒有害物質,是一種高級氧化水處理技術?!耙话闼幚砑夹g只考慮殺滅藍藻細胞或者去除藍藻毒素,而應用等離子體滅藻,方法上可能有一定優勢,在殺滅藍藻細胞的同時又能把藻細胞釋放的毒素降解去除?!秉S青透露,他們正在嘗試開發一些新的技術應用到巢湖藍藻治理中。

   當前,低溫等離子體在處理印染廢水、醫療廢水等方面,顯示出較好的應用前景。多氯苯酚類化合物是生物殺蟲劑、木材防腐劑、染料、除銹劑等產品的主要成分。該類化合物在環境中能長期穩定存在,并經食物鏈進入人體,其大量使用對人類健康造成嚴重威脅。今年4月,黃青課題組在低溫等離子體降解含多氯酚類有機廢水的研究方面取得重要進展。他們研究發現,氬氣等離子體對氯苯酚的降解速率顯著高于氮氣等離子體,而對化學需氧量的去除速率,氮氣等離子體顯著高于氬氣等離子體,這為實際應用中提高等離子體去污效果提供了依據。

   在降解抗生素方面,低溫等離子體也有神奇效果。今年7月,黃青課題組利用低溫等離子體技術對廣譜類代表性抗生素諾氟沙星進行處理,發現低溫等離子放電產生的活性因子對降解水體中的抗生素具有重要作用?!斑@一成果對利用低溫等離子體技術處理水體中抗生素提供了理論支持,也為技術實際應用如處理醫療廢水等提供了依據和方向?!秉S青表示。近年來,他們團隊先后圍繞藍藻細胞、藻毒素、含多氯酚類物質等污染物開展等離子體降解機理研究,并聯合安徽華豐節能環??萍加邢薰鹃_發醫用污水智能一體化處理設備,不斷推進新技術產業化。
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