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(jìn)中科院合肥物質(zhì)科學(xué)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(yù)，自古以來(lái)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(duì)其篩選檢測(cè)，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(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《公共科學(xué)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。”黃青介紹，他們課題組用低溫等離子體對(duì)靈芝原生質(zhì)體進(jìn)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(duì)誘變菌株的靈芝多糖含量進(jìn)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(xué)和電鏡結(jié)果的證實(shí)。
誘變育種是指在人為的條件下，利用物理、化學(xué)等因素，誘發(fā)生物體產(chǎn)生突變，從中選擇、培育動(dòng)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(lái)的一項(xiàng)現(xiàn)代育種技術(shù)。近年來(lái)，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(gè)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(xué)研合作，推動(dòng)新品種的產(chǎn)業(yè)化。
蝦青素是天然的強(qiáng)抗氧化劑，雨生紅球藻是天然蝦青素生產(chǎn)的主要來(lái)源，但在自然狀態(tài)下藻株生長(zhǎng)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(dǎo)前的近兩倍，并驗(yàn)證了突變?cè)逯曛形r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(dá)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)。看似“神秘”的等離子體，其實(shí)是宇宙中的常見物質(zhì)。就整個(gè)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。”黃青介紹，高溫等離子體離子和電子達(dá)到平衡，這只有在溫度足夠高時(shí)才能發(fā)生，如太陽(yáng)就是高溫等離子體，研究熱核聚變的全超導(dǎo)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(xué)、農(nóng)業(yè)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域均有重要應(yīng)用。
滅菌消毒護(hù)健康
促進(jìn)傷口愈合、治療皮膚潰瘍、殺滅癌細(xì)胞，有效消除皮膚皺紋和淡化痤瘡瘢痕……近年來(lái)，低溫等離子體技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景及優(yōu)勢(shì)，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(xué)研究中的熱點(diǎn)。目前，已有多個(gè)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(xué)國(guó)際權(quán)威弗里德曼教授等，就首次報(bào)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。”黃青表示，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(shí)，血液中血紅素分子可顯著促進(jìn)促凝血效果。在此促進(jìn)作用下，血液表面蛋白聚合形成薄膜，這與以前研究報(bào)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(xiàng)工作揭示了以往被忽視的低溫等離子體中血紅素促進(jìn)促凝血的機(jī)制，也為該技術(shù)的實(shí)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(dú)特的力學(xué)和電學(xué)特性，被稱為“神奇材料”。同時(shí)，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(huì)引發(fā)細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性，這為解決日趨嚴(yán)重的細(xì)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(dòng)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(xì)菌的滅活。
“搞明白低溫等離子體的各種滅菌機(jī)制，是我們課題組的重要努力方向。”黃青透露。為何氧氮混合比例下的等離子體滅菌效果較強(qiáng)？他們對(duì)不同氣體等離子體處理后的活性基團(tuán)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(jìn)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(huì)快速氧化生成活性氯，后者可進(jìn)一步進(jìn)入細(xì)菌胞內(nèi)，引起細(xì)菌死亡。通過對(duì)細(xì)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(xì)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(lán)藻爆發(fā)都會(huì)引起社會(huì)的廣泛關(guān)注。巢湖是全國(guó)第五大淡水湖，藍(lán)藻水華暴發(fā)嚴(yán)重影響水體景觀和水體功能，藍(lán)藻細(xì)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。“低溫等離子技術(shù)可去除環(huán)境中各種污染物，具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用、簡(jiǎn)便易行、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，利用該技術(shù)處理污水是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。”黃青告訴記者。
就巢湖藍(lán)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(fù)電的電子，能量可達(dá)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(jí)氧化水處理技術(shù)。“一般水處理技術(shù)只考慮殺滅藍(lán)藻細(xì)胞或者去除藍(lán)藻毒素，而應(yīng)用等離子體滅藻，方法上可能有一定優(yōu)勢(shì)，在殺滅藍(lán)藻細(xì)胞的同時(shí)又能把藻細(xì)胞釋放的毒素降解去除。”黃青透露，他們正在嘗試開發(fā)一些新的技術(shù)應(yīng)用到巢湖藍(lán)藻治理中。
當(dāng)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(zhǎng)期穩(wěn)定存在，并經(jīng)食物鏈進(jìn)入人體，其大量使用對(duì)人類健康造成嚴(yán)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(jī)廢水的研究方面取得重要進(jìn)展。他們研究發(fā)現(xiàn)，氬氣等離子體對(duì)氯苯酚的降解速率顯著高于氮?dú)獾入x子體，而對(duì)化學(xué)需氧量的去除速率，氮?dú)獾入x子體顯著高于氬氣等離子體，這為實(shí)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(duì)廣譜類代表性抗生素諾氟沙星進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)低溫等離子放電產(chǎn)生的活性因子對(duì)降解水體中的抗生素具有重要作用。“這一成果對(duì)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(shí)際應(yīng)用如處理醫(yī)療廢水等提供了依據(jù)和方向。”黃青表示。近年來(lái)，他們團(tuán)隊(duì)先后圍繞藍(lán)藻細(xì)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(jī)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(jìn)新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。
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