纳米TiO2在紫外光辐射条件下会产生光生电子和光生空穴，它们分别与其表面吸附的水和氧分子发生反应，生成强氧化性的羟基自由基和超氧离子自由基等活性氧物质（ROS）。与细菌等微生物接触时，这些活性物质能够通过氧化分解细菌体内的辅酶A、破坏其细胞壁膜的渗透性和使其DNA的结构受损等方式，导致其生命体系中电子传输中断而发挥光催化抗菌作用（图5-10）。

图5-10　纳米TiO2粒子的光催化抗菌作用机理

5.4.1.1　辅酶A氧化机理

微生物的细胞主要是由碳、氢、氧和氮等元素通过化学键组合而构成的有机体系。纳米TiO2表面产生的活性氧物质都具有较高的氧化能力，特别是其中的羟基自由基的氧化电位高达2.70V，这使得细菌等微生物与之接触时被氧化甚至完全矿化。在使用纳米TiO2杀灭大肠杆菌的实验中，其细胞内的辅酶A被氧化形成二聚体辅酶A，导致细胞呼吸作用衰退并引起菌体死亡。从图5-11可知，随着光辐射时间的延长，大肠杆菌中辅酶A浓度（CceA）逐渐降低，而二聚体辅酶A浓度（CBceA）不断提高。因为光生空穴通过从辅酶A接受一个电子而使之发生氧化反应，导致其通过双硫键结合而生成二聚体辅酶A。因其参与细胞呼吸过程的多个酶反应，故细胞内辅酶A的氧化反应抑制了微生物细胞的呼吸作用而使得微生物被杀死。

图5-11　光催化反应过程中大肠杆菌辅酶A和二聚体辅酶A的浓度变化

5.4.1.2　细胞壁（膜）破坏机制(www.daowen.com)

微生物的细胞壁和细胞膜多由半透膜构成，这使微生物能够选择性地允许物质出入细胞体内，以保证其正常生理代谢效应的进行。纳米TiO2光催化反应产生的活性氧物质能够破坏细胞壁（膜）结构，导致其中的离子性和小分子物质（特别是钾离子）迅速泄漏，引起细胞渗透功能紊乱，进而引起细胞死亡。在使用纳米TiO2对大肠杆菌进行光催化灭杀实验中，发现当紫外光辐射1天后，其细胞外膜已经发生了初步氧化作用，而辐射6天后，细菌的细胞体几乎被完全氧化降解。在杀菌过程中，光催化产生的活性氧物质首先进攻大肠杆菌的细胞壁，进而破坏其细胞质膜，不仅导致其半渗透性的紊乱和丧失，而且还使得细胞内物质泄漏，最终使细胞失活。另外的研究表明，负载型纳米TiO2对大肠杆菌的杀菌过程存在着一个诱导期，在此期间杀菌速度较为缓慢，当超过诱导期后杀菌速率明显变快，说明大肠杆菌的细胞外壁对光催化杀菌过程具有明显的阻碍作用。而当细胞壁外层发生降解反应时会引发了一系列光催化杀菌反应，使细菌快速失活。

5.4.1.3　遗传物质（DNA）损坏机制

研究表明，纳米TiO2光催化反应产生的含氧活性物质对微生物细胞内的DNA双链具有显著的损伤效应。会使DNA双链由超卷曲结构逐渐转变为松散结构，直至最终完全变为直线。众所周知，DNA的双螺旋结构是由脱氧核糖、含氮碱基和磷酸三个部分，通过含氮碱基互相连接而成的两条主链构成。纳米TiO2光催化反应产生的含氧活性物质能够通过氧化作用，导致DNA链中的碱基之间磷酸二酯键的断裂，使得DNA分子的双螺旋结构遭到损伤，进而破坏其细胞的DNA复制及细胞膜的代谢效应。在使用纳米TiO2对微生物细胞内DNA进行的氧化反应中，发现了NO-3、NH4+以及磷酸盐和CO2的生成，进一步说明其中DNA的主链骨架结构已受到明显的氧化降解作用。

5.4.1.4　纳米TiO2对大肠杆菌的光催化灭杀过程

在使用纳米TiO2的光催化抗菌实验中，大肠杆菌多被使用作为模型细菌。大肠杆菌属于革兰氏阴性短杆菌，其细胞结构主要由脂多糖、磷脂和肽聚糖等构成。其细胞壁不仅能够维持细胞形状和防止渗透，而且细胞壁内侧的质膜则是新陈代谢的重要中心，而介于细胞壁和质膜中间的周质间隔含有酶和蛋白质等用来缓冲和抵御外来物。当大肠杆菌被吸附到纳米TiO2粒子表面时，活性氧物质氧化其细胞壁并使其破损或断裂，随后大肠杆菌的质膜也发生破坏而导致周质间隔膨胀。纳米TiO2粒子能够进入菌体内部，使其细胞壁和质膜相继丧失维持渗透功能和抵御异物入侵的能力。随着光催化反应的进行，细胞壁和质膜结构的断裂加剧而引起细胞变形，以至于细胞质和染色体凝聚且严重破损，最后其质膜完全溶解，类核区解体，丝状染色体消失，菌体发生空化而引发死亡。