臭氧是一种强氧化剂，能够通过多种方式进行灭菌。这些方式包括：
1. 臭氧可以氧化分解细菌内部降解葡萄糖所需的酶，从而阻止细菌进行TCA循环，导致细菌无法产生所需的ATP，最终导致细菌死亡。
2. 臭氧可以直接与细菌和病毒作用，破坏它们的细胞器和DNA、RNA，干扰细菌的新陈代谢，最终导致细菌死亡。
3. 臭氧可以透过细胞膜组织，作用于外膜的脂蛋白和内部的脂多糖，导致细菌发生通透性畸变并溶解死亡。
臭氧对细菌的灭活反应非常迅速。与其他杀菌剂不同的是，臭氧能够与细菌细胞壁脂类双键反应，穿入菌体内部，作用于蛋白和脂多糖，改变细胞的通透性，从而导致细菌死亡。此外，臭氧还可以作用于细胞内的核物质，破坏DNA中的嘌呤和嘧啶。
臭氧对病毒的作用首先是破坏病毒的衣体壳蛋白，损伤RNA，特别是破坏形成病毒的蛋白质。经过臭氧氧化的噬菌体在电镜下观察可见其表皮被破碎成碎片，释放出大量核糖核酸，干扰病毒吸附到寄主细胞上。臭氧的杀菌效果是非常彻底的。
臭氧的灭菌或抑菌作用通常是物理、化学和生物学等多方面综合结果的产物。其作用机制可以总结为：
1. 作用于细胞膜，增加细胞膜的通透性，导致细胞内物质外流，使细胞失去活动能力。
2. 使细胞活动所需的酶失去活性。
3. 破坏细胞内的遗传物质或使其失去功能。臭氧杀灭病毒是通过直接破坏核糖核酸或脱氧核酸完成的。而杀灭细菌和霉菌等微生物则是臭氧首先作用于细胞膜，损伤细胞膜的构成，导致新陈代谢障碍并抑制其生长，随后臭氧继续渗透破坏膜内的脂蛋白和脂多糖，改变细胞通透性，最终导致细胞溶解和死亡。
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