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水体中存在的大量致病微生物严重威胁人类健康，而传统饮用水消毒杀菌技术如氯消毒等则存在诸多弊端，如产生致癌消毒副产物、余氯影响饮用水口感、无法彻底杀灭包囊微生物等。因此寻求更高效、安全的饮用水消毒替代技术已成为当前水消毒领域的研究热点。基于半导体光催化剂的光催化/光电催化消毒技术因为其具有更强的消毒能力、节能环保、不生成毒害副产物及可实现系统自净化等优势近年来倍受研究者关注。但是由于目前所采用的光催化杀菌研究体系存在一定的差异性，诸如催化剂、目标微生物及检测方法和指标等，导致对于光催化/光电催化消毒机理的研究并不透彻。因此，本论文主要的研究目标是通过选择较典型的模式微生物建立一套用于研究光催化/光电催化杀菌机理的系统方法，并在此基础上选取特定细菌细胞结构或功能位点，对光催化/光电催化杀灭细菌机理进行深入剖析。本论文主要的研究内容如下: (1)选择目前研究最为透彻且突变菌株数目最多的典型革兰氏阴性细菌大肠杆菌(E.coli)作为目标微生物，系统研究光催化(PC)/光电催化(PEC)杀灭处理对于细菌细胞的作用机制，建立一套具有普遍参照价值的光催化/光电催化灭菌机理研究的系统方法。即首先研究了光电催化杀菌体系中起主导作用的杀菌剂，通过将体系活性氧物种(ROSs)淬灭实验与细菌杀灭动力学实验相结合，辅以体系ROSs浓度的测量，证明了光电催化体系中发挥杀菌作用的主要活性物种是体系中原位生成的H2O2，不同于悬浮粉末催化剂杀菌体系(该体系中主要杀菌ROSs是光生空穴或·OH)。光电催化杀菌体系中，在细菌胞外环境中生成的ROSs，特别是H2O2，能够穿透细胞膜进入细胞内，导致细菌胞内ROSs水平升高。细胞内外环境中急剧上升的ROSs水平，导致细菌氧化应激体系失灵，即抗氧化酶如过氧化氢酶(catalase，CAT)及超氧化物歧化酶(SOD)逐渐失活，而细菌的细胞膜也在ROSs的攻击下发生了损伤，其完整性被破坏，通透性增加，细胞质中的重要电解质如K+发生泄漏，体积较大的分子如碘化丙啶等则能够进入细胞，而此时大部分的细菌已经死亡或失去增殖能力。细菌样品的扫描电镜图像显示，更长时间的光电催化处理可导致细菌细胞壁及细胞膜的严重破坏，从而导致细菌胞内生物大分子物质特别是蛋白质及核酸的泄漏，以及细胞结构组分蛋白质氧化性损伤水平的持续上升。死亡细菌的残骸及其泄漏的细胞质组分经过足够长时间的光电催化处理后逐渐发生矿化，证明光电催化杀菌体系具有传统消毒方式无可比拟的自净能力。 (2)基于上文中建立的研究体系，利用E.coli BW25113及其单基因敲除突变菌株E.coli JW3914-1(CAT合成缺陷)和E.coli JW3879-1(SOD合成缺陷)，研究细菌抗氧化酶在光电催化杀菌机理中的作用。研究表明处于对数生长期中期的细菌，其CAT及SOD酶活水平均高于其他生长期的细菌，相应地，其对光电催化杀灭处理的抗性更强;而同处于对数生长期中期的细菌，光电催化杀灭效率则呈现出JW3914-1＞JW3879-1＞BW25113的趋势。ROSs浓度测试结果表明，光电催化杀菌体系中对杀灭效率影响最显著的ROSs是H2O2，当向体系中加入CAT后，H2O2浓度显著降低，同时PEC杀菌效率也急剧降低，且光电催化杀菌曲线的动力学参数与CAT浓度间呈现出剂量效应相关性。E.coliBW25113经过低浓度H2O2预培养后，细菌的CAT水平显著提升，且CAT水平与预培养的H2O2浓度间正相关。与此相对，预培养后，光电催化杀菌效率则降低，且细菌CAT水平与其光电催化杀菌曲线的起始延迟长度呈现线性正相关。相反，JW3914-1经H2O2预处理后无论CAT水平还是光电催化杀灭效率均未有显著变化。以上结果表明H2O2是光电催化体系中主要杀菌ROSs，而细菌则通过过氧化氢酶淬灭光电催化体系中的H2O2来抵抗光电催化处理的杀灭效应。光电催化杀灭处理使胞内活性氧水平上升，但E.coli氧化应激体系则未能有效响应以提升其CAT或SOD水平，因而导致细菌胞内ROSs水平过高，CAT及SOD被逐渐杀灭，E.coli细胞发生氧化损伤，如细胞膜破坏，K+泄漏以及蛋白质的氧化损伤。与BW25113比较，抗氧化酶缺陷的单基因缺陷菌JW3914-1和JW3879-1发生上述细胞氧化性损伤的时间更早、速度更快、水平更高，进一步证明细菌抗氧化酶活性对于其应对光电催化杀灭处理的重要性。 (3)基于同样的光电催化杀菌体系，利用同样的E.coli母菌种BW25113及细菌细胞脂肪酸生物合成功能缺陷的单基因敲除突变菌株(JW3935-4和JW1077-1)进行对照研究，考察光催化/光电催化杀灭处理对于细菌细胞膜的作用机制。分别对比研究了基因缺陷菌株及母菌株的光电催化杀灭效率、细胞通透性、细胞膜结构破坏以及细胞膜相关生物功能损伤的情况。三种细菌主要的区别在于细胞膜脂肪酸成分的差异，基因突变菌株E.coli JW3935-4和JW1077-1相对于BW25113，不饱和脂肪酸含量显著增加，其光电催化杀灭效率也较高，在光电催化处理过程中发生K+泄漏及细胞膜完整性的丧失也较早。另外，三种细菌在经过光电催化处理后，其细胞不饱和脂肪酸比例都呈现了不同程度的降低，显示不饱和脂肪酸组分在光电催化杀灭中的破坏是细胞膜结构完整性丧失的重要原因。但体系中并未检测到脂质过氧化产物丙二醛水平的增加，说明脂肪酸的损伤不是经羟基由自由基引发的脂质过氧化反应途径发生的。脂肪酸破坏导致细胞膜骨架结构损伤，细胞通透性增加，该损伤发生后细菌已经死亡，表明其为不可逆损伤。相对于细胞膜结构损伤，膜蛋白功能的破坏发生的时间更早，例如细菌好氧呼吸活性在光电催化杀灭中快速下降，显示光电催化处理破坏了呼吸作用中重要的膜蛋白，阻断了呼吸链。但此时细菌尚未完全杀灭，显示呼吸活性的下降是一种可以修复的可逆损伤。细菌呼吸活性的降低导致其能量代谢功能严重受损，三磷酸腺苷(ATP)的生成速率也随之下降。值得注意的是，细菌ATP生成速率下降、K+外泄及细菌杀灭呈现出高度的时间一致性，说明光电催化杀灭的机理可能是通过破坏细菌能量代谢功能导致细菌缺乏代谢、修复、生长必需的能量而失活，K+外泄也是因为缺乏能量维持由胞外至胞内的K+主动运输所致。