二氧化氯在水中幾乎100%以分子狀態(tài)存在，易透過細(xì)胞膜，二氧化氯在水溶液中的氧化還原電位高達(dá)1.5V，其分子結(jié)構(gòu)外層存在一個(gè)未成對(duì)電子——活潑自由基，具有很強(qiáng)的氧化作用，通過強(qiáng)氧化性殺滅微生物。
其殺菌作用主要是通過滲入細(xì)菌及其它微生物細(xì)胞內(nèi)，與細(xì)菌及其它微生物蛋白質(zhì)中的部分氨基酸發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使氨基酸分解破壞，進(jìn)而控制微生物蛋白質(zhì)合成，導(dǎo)致細(xì)菌死。同時(shí)，對(duì)細(xì)胞壁有較好吸附和透過性能，可有效地氧化細(xì)胞內(nèi)含硫基的酶。除對(duì)一般細(xì)菌有殺死作用外，對(duì)芽抱、病毒、藻類、鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原菌和真菌等均有很好的殺滅作用。
二氧化氯對(duì)病毒的滅活作用在于其能迅速地對(duì)病毒衣殼上的蛋白質(zhì)中的酪氨酸起破壞作用，從而抑制了病毒的特異性吸附，阻止了對(duì)宿主細(xì)胞的感染。氨基酸與反應(yīng)能力順序?yàn)椋豪野彼幔旧彼幔景腚装彼幔镜鞍彼帷６趸鹊乃芤翰粫?huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的三氯甲烷，殘留生成物為水、氯化鈉和微量的二氧化碳，有機(jī)糖等無毒物質(zhì)。
能較好地殺滅細(xì)菌、病毒，卻不會(huì)對(duì)動(dòng)植物機(jī)體產(chǎn)生損傷。原因在于細(xì)菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)與高等動(dòng)植物截然不同。細(xì)菌是原核細(xì)胞生物，而動(dòng)物及人類是真核細(xì)胞生物。原核生物細(xì)胞中絕大多數(shù)酶系統(tǒng)分布于細(xì)胞膜近表面，易受到攻擊；而真核生物細(xì)胞的酶系統(tǒng)深人到細(xì)胞里面，不易受到二氧化氯的攻擊，不會(huì)對(duì)其造成傷害。
生物體對(duì)二氧化氯的敏感性順序?yàn)椋悍羌?xì)胞病毒＞單細(xì)胞原核生物（細(xì)菌）＞單細(xì)胞真核生物＞多細(xì)胞真核生物＞高等動(dòng)植物。高等動(dòng)植物不僅具有多細(xì)胞復(fù)雜的有機(jī)結(jié)構(gòu)，而且體內(nèi)還形成能抵抗各種氧化劑的保護(hù)系統(tǒng)。所以，二氧化氯對(duì)動(dòng)植物和人類機(jī)體無礙。Akin和Hoff等人對(duì)臭氧、二氧化氯、氯及氯胺4種消毒劑進(jìn)行比較，消毒效率：臭氧＞二氧化氯＞氯＞氯胺；穩(wěn)定性：氯胺＞二氧化氯＞氯＞臭氧。
二氧化氯處理水后生成物為水、氯化物、二氧化碳和有機(jī)糖等無毒物質(zhì)，不會(huì)與酚類結(jié)合生成氯酚化合物、不致畸、不致癌。由于二氧化氯及其它無機(jī)產(chǎn)物(亞氯酸鹽)有可能在動(dòng)物體內(nèi)引起高鐵血紅蛋白血癥，國(guó)內(nèi)外對(duì)其毒性問題非常重視，進(jìn)行了大量研究。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明，只有接觸高濃度二氧化氯或亞氯酸鹽時(shí)，才會(huì)對(duì)動(dòng)物產(chǎn)生不利影響，低劑量接觸一股不會(huì)影響健康。有人實(shí)驗(yàn)大白鼠長(zhǎng)期飲用含二氧化氯為19mg/L的水，兩年后并未檢出對(duì)動(dòng)物健康有害的作用。
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