固體、液體、氣體，是物質(zhì)通常存在的三種形態(tài)。神奇的等離子體，則是除了這三種形態(tài)之外的“物質(zhì)第四態(tài)”。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(jié)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(yīng)用？記者日前走進中科院合肥物質(zhì)科學研究院，深入采訪技術(shù)生物與農(nóng)業(yè)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。最近，黃青課題組利用低溫等離子體誘變靈芝原生質(zhì)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，最終培育出多糖含量高的靈芝新品種。成果發(fā)表在最新一期國際著名學術(shù)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(shù)，是獲得品質(zhì)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(zhì)體進行誘變，獲得大量誘變菌株，隨后利用此前構(gòu)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，最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(jié)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(fā)生物體產(chǎn)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(fā)展起來的一項現(xiàn)代育種技術(shù)。近年來，黃青課題組利用低溫等離子體技術(shù)，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(yè)開展產(chǎn)學研合作，推動新品種的產(chǎn)業(yè)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(chǎn)的主要來源，但在自然狀態(tài)下藻株生長速率慢、蝦青素產(chǎn)量低。黃青課題組與合作者通過低溫等離子體誘變技術(shù)，獲得了諸多高產(chǎn)蝦青素的雨生紅球藻突變株，其中最高單位蝦青素產(chǎn)量是誘導前的近兩倍，并驗證了突變藻株中蝦青素產(chǎn)量的提高與參與調(diào)控類胡蘿卜素合成的關(guān)鍵酶基因表達水平密切相關(guān)。
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(zhì)形態(tài)?？此啤吧衩亍钡牡入x子體，其實是宇宙中的常見物質(zhì)。就整個宇宙而言，等離子體是物質(zhì)存在的主要形式，占宇宙物質(zhì)總量的99%以上，如恒星、星際物質(zhì)以及地球周圍的電離層等都是等離子體。“從離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(fā)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(fā)生，目前在誘變育種、生物醫(yī)學、農(nóng)業(yè)和環(huán)境科學等領(lǐng)域均有重要應(yīng)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(shù)在生物醫(yī)學領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景及優(yōu)勢，受到廣泛關(guān)注。其中，低溫等離子體滅菌消毒是該技術(shù)在生物醫(yī)學研究中的熱點。目前，已有多個研究顯示其在傷口消毒、醫(yī)療設(shè)備消毒、農(nóng)產(chǎn)品安全及食品安全等領(lǐng)域，均具有廣闊的滅菌應(yīng)用前景。
“早在12年前，等離子體醫(yī)學國際權(quán)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(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)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(shù)的實際臨床應(yīng)用提供了有用信息。
世界上最薄的材料石墨烯，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(fā)細菌產(chǎn)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(tǒng)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(qū)動氫等離子體處理氧化石墨烯后，發(fā)現(xiàn)其滅菌能力顯著提高。未經(jīng)處理的氧化石墨烯在0.5毫克/毫升濃度下，未表現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)，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(nèi)，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(diào)節(jié)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(fā)都會引起社會的廣泛關(guān)注。巢湖是全國第五大淡水湖，藍藻水華暴發(fā)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(shù)可去除環(huán)境中各種污染物，具有經(jīng)濟實用、簡便易行、無二次污染等優(yōu)點，利用該技術(shù)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(xù)關(guān)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(chǎn)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(chǎn)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(zhì)，是一種高級氧化水處理技術(shù)?！耙话闼幚砑夹g(shù)只考慮殺滅藍藻細胞或者去除藍藻毒素，而應(yīng)用等離子體滅藻，方法上可能有一定優(yōu)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(fā)一些新的技術(shù)應(yīng)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(yī)療廢水等方面，顯示出較好的應(yīng)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(chǎn)品的主要成分。該類化合物在環(huán)境中能長期穩(wěn)定存在，并經(jīng)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(fā)現(xiàn)，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(yīng)用中提高等離子體去污效果提供了依據(jù)。
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(shù)對廣譜類代表性抗生素諾氟沙星進行處理，發(fā)現(xiàn)低溫等離子放電產(chǎn)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(shù)處理水體中抗生素提供了理論支持，也為技術(shù)實際應(yīng)用如處理醫(yī)療廢水等提供了依據(jù)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(zhì)等污染物開展等離子體降解機理研究，并聯(lián)合安徽華豐節(jié)能環(huán)保科技有限公司開發(fā)醫(yī)用污水智能一體化處理設(shè)備，不斷推進新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。
本文出自：安徽日報