Là một chất khí có tính oxy hóa khử mạnh, ozone được biết đến là chất khử trùng hiệu quả, chúng được ứng dụng trong xử lý nước và khí. Vậy, nguyên lý kháng khuẩn của ozone là gì?
Cơ chế kháng khuẩn của ozone
Bên cạnh tác động trực tiếp của ozone lên các vi sinh vật quan tâm (bất hoạt điện di trực tiếp), quá trình khử hoạt tính của vi sinh vật bằng ozone cũng có thể là gián tiếp. Bất hoạt gián tiếp liên quan đến tác động của các loại oxy hóa phản ứng ((ROS) bao gồm OH • , HO 2 • , O 2 ®• , O 3 ®• , HO 3 ®• , H 2 O 2 , O ® có thể hình thành trong quá trình tự phát phân hủy ozon trong nước hoặc không khí. Cần chỉ ra tập hợp cụ thể của các loại oxy hóa phản ứng được hình thành phụ thuộc vào môi trường ứng dụng (không khí hoặc nước) và có xu hướng khác nhau. Ví dụ, gốc hydroxyl (OH • ) rất không ổn định và dễ dàng phản ứng với các hợp chất khác để nhận electron bị thiếu. Nó có khả năng oxy hóa cao hơn (2,80 V) so với chính ozone (2,07 V). Trong quá trình xử lý bằng ozone, những loài phản ứng này phá hủy màng tế bào của vi sinh vật, cuối cùng dẫn đến sự bất hoạt của chúng.
Một số đề xuất đã được đưa ra liên quan đến cơ chế khử hoạt tính vi sinh vật của ozone đối với các vi sinh vật khác nhau (bao gồm vi khuẩn, vi rút và nấm). Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh một số phát hiện chính từ các nghiên cứu đưa ra bằng chứng về hoạt động của ozone thông qua kính hiển vi điện tử. Hình dưới cho thấy khả năng bất hoạt vi khuẩn và nấm của ozon, quá trình oxy hóa dần dần các hợp chất quan trọng của tế bào, từ bề mặt tế bào, dường như là một quan sát phổ biến. Có thể thấy rằng ozone trước tiên tấn công các axit béo không bão hòa đa (peroxy hóa lipid tế bào), do đó làm thay đổi màng tế bào. Điều này tiếp tục bắt đầu một phản ứng dây chuyền, biến đổi các axit béo này thành malondialdehyd (MDA), cuối cùng dẫn đến sự bất hoạt của chúng.
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) vi khuẩn và nấm, cho thấy các khiếm khuyết về hình thái tế bào do xử lý ôzôn và kết quả là các mảnh vỡ phát nổ – Db (a) E. coli , 6 ppmv dung dịch nước O 3 trong 30 giây; (b) E. coli , 20 ppmv khí O 3 trong 8 phút; (c) C. albicans , nước ozone 0,8 ppm; (d) B. subtilis , 0,167 ppm/min dung dịch O 3 trong 30 và 60 phút; (e) S. aureus 0,8 ppm dung dịch nước O3; (f) Salmonellasp., 0,167 ppm/phút dung dịch nước O 3 trong 30 và 60 phút; (g) E. coli trên sợi dệt, 20 ppmv khí O 3 trong 8 phút; (h) B. atrophaeus , khí ozon 4000 ppmv trong 3 giờ; (i) F. fujikuroi , 1 L/phút dung dịch nước O 3 trong 30 giây; (j) P. aeruginosa , khí ozon 10 ppmv trong 10 phút; (k) C. albicans , khí ozon 10 ppmv trong 10 phút ; (l) S. aureus , khí ozon 10 ppmv trong 10 phút.
Các gốc oxy cũng gây ra sự ly giải tế bào thông qua sự thâm nhập vào màng tế bào khi có độ ẩm; điều này ảnh hưởng đến sự ổn định thẩm thấu của tế bào và làm thay đổi quá trình trao đổi chất của tế bào. Tác giá nghiên cứu đã quan sát thấy sự thay đổi bề mặt (làm nhám) của các tế bào E. coli khi tiếp xúc với nước/ôzôn hòa tan (6 ppm trong 30 giây ) so với các tế bào không được ozon hóa của cùng một loại vi khuẩn. Trong nghiên cứu gần đây cho thấy những thay đổi hình thái tương tự trong các tế bào E. coli , nhưng cũng chứng minh được sự rò rỉ của các thành phần tế bào do tiếp xúc với khí ozone ở 20 ppmv trong 8 phút, những thay đổi về hình thái và cấu trúc ( thông qua sự phá vỡ thành tế bào), dẫn đến sự hiện diện nhiều của các mảnh vụn tế bào; nước ozone (0,8 ppm) đã được sử dụng trong nghiên cứu của họ. Sự hình thành mụn nước trên bề mặt tế bào của C. albicans đã được quan sát bởi dos Santos – một dấu hiệu cho thấy sự gia tăng tính thấm của màng sinh chất. Tuy nhiên, các cơ chế gây tổn thương tế bào nội bào thông qua quá trình oxy hóa protein, tổn thương DNA và sự gián đoạn hoạt động của enzyme cũng xảy ra, mặc dù không thể quan sát được bằng SEM.
Sự ức chế tăng trưởng, biến dạng và ly giải tế bào cũng được quan sát thấy trong các vi ảnh điện tử quét của Thanomsub đối với B. subtilis và Salmonella sp. sau khi xử lý bằng nước ozone (0,167 ppm/phút trong 30 và 60 phút). Việc khử hoạt tính của Fusarium fujikuroi (loại nấm gây bệnh bakanae trên lúa) bằng nước ozone, cũng cho thấy sự biến dạng bề mặt tế bào đáng kể thông qua quá trình peroxy hóa các phospholipid màng. Cũng dựa theo hình trên, có thể thấy rằng sự biến dạng cấu trúc của các tế bào E. coli bởi khí ozone cũng xảy ra, với sự hiện diện của các sợi, có thể đóng vai trò là lá chắn chống lại tác động của ozone. Mặc dù các nghiên cứu trên luôn cho thấy tổn thương cấu trúc của các tế bào vi khuẩn và nấm tiếp xúc với ozone, nhưng điều này đã không được quan sát thấy trong công trình của Mahfoudh et al. Nghiên cứu của họ liên quan đến sự tiếp xúc của các bào tử vi khuẩn ( Bacillus atrophaeus , Bacillus pumilus , Geobacillus stearothermophilus và Deinococcus radiodurans ) với khí ozone khô (4.000 ppmv, 3 giờ, độ ẩm tương đối < 2 %). Do đó, quá trình ly giải tế bào (sự phá vỡ màng tế bào) có thể được bỏ qua trong quá trình vô hiệu hóa vi khuẩn bằng ozone ở dạng khí, do sự khuếch tán trực tiếp của ozone vào tế bào để gây ra sự phá hủy oxy hóa của các thành phần nội bào. Tuy nhiên, dưới ứng dụng ozone làm ẩm, bào tử sưng lên là điều hiển nhiên; do đó cho phép tăng sự di chuyển của các loại oxy hóa phản ứng và cuối cùng là sự sụp đổ/vỡ vụn. Hơn nữa, ly giải tế bào không phải là cơ chế bất hoạt chính của ozone đối với E. coli ; thay vào đó, việc xóa các gen liên quan đến stress oxy hóa được nhấn mạnh là lý do chính làm tăng độ nhạy cảm của các tế bào E. coli đối với xử lý ozone. Đây là một cải tiến đáng kể đối với sự hiểu biết chung về hoạt động của ozone, đặc biệt là dựa trên các nghiên cứu trước đây cho rằng mục tiêu chính của hoạt động của ozone là bề mặt tế bào.
Ozone và các loại oxy hóa phản ứng của nó có thể tấn công virus có vỏ bọc hoặc không có vỏ bọc tại các vị trí khác nhau trong cấu trúc của chúng, khiến chúng không thể lây nhiễm sang vật chủ, đây là điều được thể hiện ở hình dưới đây. Cũng như đối với vi khuẩn và nấm, điều này có thể xảy ra thông qua quá trình peroxy hóa lipid và protein, làm hỏng lớp vỏ lipid và capsid protein của virus. Điều này dẫn đến sự thâm nhập sâu hơn của ROS, làm hỏng capsid bộ gen và RNA, cuối cùng ảnh hưởng đến khả năng sinh sản của nó. Phản ứng của chúng với ROS cũng có thể tạo ra các loài phản ứng thứ cấp lan truyền quá trình khử hoạt tính. Tác động hủy diệt của ozone đối với axit nucleic của virus đã được nhấn mạnh là cơ chế bất hoạt của virus bại liệ. Sự tấn công của Ozone vào bộ gen cũng đã được chứng minh để vô hiệu hóa virus. Hơn nữa, vì virus không thể sửa chữa những hư hỏng do quá trình oxy hóa gây ra nên chúng rất dễ bị xử lý bằng ozone so với các vi sinh vật khác. Một nghiên cứu mô phỏng phân tử gần đây cũng đã xác nhận rằng ozone có thể phá vỡ cấu trúc protein và lipid của vi rút bằng cách tấn công sulfhydryl và axit amin (đặc biệt là methionine, cysteine, tryptophan và axit béo). Các nghiên cứu trên cung cấp bằng chứng mạnh mẽ về hiệu quả của ozone đối với nhiều loại vi sinh vật.
Hoạt động oxy hóa của ozone đối với vi rút SARS-CoV-2, cho thấy một cơ chế tiềm năng để khử hoạt tính của nó, thông qua quá trình oxy hóa trực tiếp và gián tiếp
So sánh cơ chế khử hoạt tính của ozone so với các phương pháp khử nhiễm khác như thế nào?
Hình dưới đây minh họa thêm về cơ chế khử hoạt tính ozone của tế bào vi khuẩn so với các phương pháp khử nhiễm khác. Có thể quan sát thấy rằng việc tạo ra và chuyển giao các loại oxy hóa phản ứng là một cơ chế phổ biến, và hiệu ứng này được tạo điều kiện bởi sự gia tăng độ ẩm xung quanh, như đã được chứng minh bởi một số nghiên cứu. Việc áp dụng kết hợp các phương pháp này đã được chứng minh là nhìn chung cải thiện hiệu quả của việc bất hoạt vi sinh vật so với ứng dụng độc lập của chúng. Trong số các kết hợp có thể khác nhau, Ozone + UVC, Ozone + H 2 O 2 và UVC + H 2 O2 đã nhận được sự quan tâm nghiên cứu đáng kể và đặc biệt hữu ích cho việc khử trùng nước và bề mặt. Các phương pháp thường được áp dụng khác bao gồm ozone + plasma và ozone + siêu âm. Hiệu quả vô hiệu hóa vi sinh vật nói chung thông qua ozone có thể được tăng lên bằng cách tối ưu hóa các điều kiện xung quanh được ghi lại. Tùy thuộc vào môi trường ứng dụng của ozone. Ví dụ, nhiệt độ thấp giúp tăng cường sự ổn định của ôzôn trong không khí và nước; do đó làm giảm tốc độ phân hủy tự phát thành oxy. Việc sử dụng các chất phụ gia (axit xitric, muối cacbonat, chất hoạt động bề mặt) cũng đã được khám phá để cải thiện độ ổn định của nước ôzôn để khử hoạt tính của vi sinh vật trong thời gian dài. Hơn nữa, sự xâm nhập của ôzôn vào các chất nền xốp có thể đạt được bằng cách tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa áp suất của buồng và áp suất đầu vào của khí ôzôn. Ứng dụng của bọt nano ôzôn cũng có tiềm năng to lớn để cải thiện hiệu quả kháng khuẩn của ôzôn hòa tan/nước cũng như tính ổn định của nó.
Cơ chế khử ô nhiễm ozone so với các phương pháp khử trùng khác
Nguồn tin: ncbi.nlm.nih.gov