探讨臭氧氧化技术在SARS-CoV-2 灭活中的应用可行性

探讨臭氧氧化技术在SARS-CoV-2 灭活中的应用可行性

 

        臭氧及其生成的二次氧化剂具有与多种细胞成分（如细胞壁）反应的能力，并能破坏DNA 和 RNA 结构，从而臭氧消毒具有高效性。近年来，随着化学法、电解法和紫外法等臭氧发生方法的工业化进程的推进，尤其是高压电晕法的规模化成熟，为臭氧的大规模合成及在消毒方面的应用提供了基础。从 1886 年 De Meritens 首次将臭氧用于水中的杀菌开始，到现在，臭氧广泛应用于饮用水、空气和物体表面的消毒。此外，针对作用介质的不同，不仅臭氧气体可用于消毒杀菌，臭氧水也用于消毒。臭氧作为消毒剂可以广泛杀灭各种病原体和致病微生物，包括细菌（如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等），各类细胞芽孢、真菌，以及病毒（如肝炎病毒、流感病毒、诺如病毒和冠状病毒等）。 

 

        臭氧消毒的作用机制包含了化学、物理及生物多方面的共同作用。如图 1 所示，目前普遍认为臭氧灭活致病微生物机理，归因于臭氧扩散到微生物膜或者蛋白外壳表面，以臭氧与病原体的快速反应动力学，从而氧化降解膜及外壳结构，导致细胞质和壳内基质的流失。再者，穿透膜和外壳的臭氧及其生成的活性氧物种能进一步攻击遗传物质 DNA 或 RNA。

 

        总结而言，臭氧及产生的 ROS 作用机理主要为：第一，直接作用于细胞膜，致使细胞膜的通透性增加，细胞质反向渗透外流，从而使细胞失活；第二，作用于某些微生物（如细菌）的酶，主要机制在于能氧化分解细菌内部葡萄糖氧化酶，使酶失活，阻碍细菌的代谢；第三，攻击遗传物质，如 DNA 或 RNA，使其失去遗传转录功能。在不同环境介质中，因为臭氧分解产生活性氧物种的差异，主要作用物种有所差异，如使用臭氧气体在气相中作用时，以臭氧分子直接攻击为主，而臭氧水作用于固相表面或液相中时，臭氧分子和活性氧物种协同攻击病原体。 

 

        臭氧杀灭细菌、真菌等具细胞结构的微生物或病原体，是通过作用于细胞膜，首先使细胞膜受损，从而抑制其生长。而杀灭无细胞结构的病毒则是通过破坏外部结构蛋白或者直接破坏其遗传物质来达到目的的。用于评价臭氧等消毒剂消毒灭杀方法的常用指标为CT 值（也叫浓时积，单位 mg‧ min/L），其计算公式：CT=T×CR，其中 T 为消毒剂与病原体的接触时间（单位 min），CR 为消毒剂残余质量浓度（单位 mg/L）。

 

        CT 值是一个广泛用于评价消毒剂消毒效率的判断指标，可以用于检查病原体或微生物对某种反应物失活的敏感性，CT 值越小，消毒剂的消毒能力就越大，也即同样条件下，能达到一定灭菌率所需的时间。 

 

        臭氧用于水处理工艺中的消毒杀菌已经有超过一个世纪的历史，其对各种病原体和微生物具有广谱灭活的效果。表 1 基于CT 值或灭活率对比了臭氧对不同病原体的灭活效果。 

        总体上看，臭氧灭活细菌和病毒比原生动物有更好的效果，主要是由于细菌和病毒对臭氧的敏感性要高于原生动物。臭氧及其分解产生的活性氧物种对不同病原体的灭活主要是通过如上所述的三种方式，臭氧的首要目标是破坏病原体的表面，臭氧与细胞包膜中不饱和脂的双键反应导致微生物裂解，进而使细胞成分和遗传物质泄漏，原生动物、细菌和病毒结构的差异造成了三者对臭氧敏感性的差异，尤其是原生动物体表有一层连续的界膜，也即原生质膜（表膜）是造成其对臭氧敏感性低的主要原因。相比于对臭氧的敏感性，病原体与臭氧的反应动力学速率也决定了其被臭氧灭活的效率。N. K. Hunt 等报道了大肠杆菌（Escherichia coli）与臭氧反应的动力学常数高于孢子虫（Cryptosporidium parvum）的几千倍数量级，因而，他们认为在饮用水杀菌系统中孢子虫更应该被关注。李洪敏等研究对比了臭氧对 4 种不同细菌的杀灭效果，当臭氧浓度在 0.92 mg/L 时，臭氧对培养基上的金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、大肠杆菌（Escherichia coli）、白色念珠菌（Candida albicans）、结核杆菌（Tubercle bacillus）的灭活率分别达到了 92%、95%、80%、94%；而以同样的臭氧浓度，对空气中的金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、大肠杆菌（Escherichia coli）、白色念珠菌（Candida albicans）、结核杆菌（Tubercle bacillus）经过20 min 熏蒸，灭活率分别达到 93%、93%、90%、96%，证明臭氧灭活法对空气中和物体表面的细菌均有很好的杀灭效果。除对细菌和原生动物能有效灭活外，臭氧也能有效的灭杀病毒。 C. Wolf 等[30]研究了臭氧对艾柯病毒（Echovirus）、腺病毒（Adenovirus）和柯萨奇病毒（Coxsackieviru）的灭活动力学，对这三种病毒的灭活速率分别达到了 1.9×10-3、4.1×10-3、 8.0×10-3 mg‧ min/L。

 

冀豪栋，孙丰宾，赖波，刘文

1. 北京大学环境科学与工程学院水沙教育部重点实验室，北京 100871；

2. 北京大学国家环境保护河流全物质通量重点实验室，北京 100871；

3. 四川大学建筑与环境学院；中德水环境与健康研究中心，四川成都 610065；

4. 中国医学装备协会医院建筑与装备分会医院水系统研究中心，四川成都 610065）