臭氧灭菌类属于生物化学氧化反应。臭氧氧化分解了细菌内部葡萄糖所必须的酶；也可以直接与细菌、病毒发生作用，破坏其细胞壁和核糖核酸，分解DNA、RNA、蛋白质、脂质类和多糖等大分子聚合物，可以渗透到胞膜组织，进入细胞膜内的内部脂多糖于外膜脂蛋白发生反应，使细菌的物质发生通透性畸变，导致细胞的溶解死亡，并且将死亡菌体内的遗传基因、寄生菌种、寄生病毒粒子、噬菌体、支原体及热原（细菌病毒代谢产物、内毒素）等溶解变性灭亡。
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