探討臭氧氧化技術(shù)在SARS-CoV-2 滅活中的應(yīng)用可行性

 

        臭氧及其生成的二次氧化劑具有與多種細(xì)胞成分（如細(xì)胞壁）反應(yīng)的能力，并能破壞DNA 和 RNA 結(jié)構(gòu)，從而臭氧消毒具有高效性。近年來(lái)，隨著化學(xué)法、電解法和紫外法等臭氧發(fā)生方法的工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，尤其是高壓電暈法的規(guī)?；墒?，為臭氧的大規(guī)模合成及在消毒方面的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。從 1886 年 De Meritens 首次將臭氧用于水中的殺菌開(kāi)始，到現(xiàn)在，臭氧廣泛應(yīng)用于飲用水、空氣和物體表面的消毒。此外，針對(duì)作用介質(zhì)的不同，不僅臭氧氣體可用于消毒殺菌，臭氧水也用于消毒。臭氧作為消毒劑可以廣泛殺滅各種病原體和致病微生物，包括細(xì)菌（如大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等），各類(lèi)細(xì)胞芽孢、真菌，以及病毒（如肝炎病毒、流感病毒、諾如病毒和冠狀病毒等）。 

 

        臭氧消毒的作用機(jī)制包含了化學(xué)、物理及生物多方面的共同作用。如圖 1 所示，目前普遍認(rèn)為臭氧滅活致病微生物機(jī)理，歸因于臭氧擴(kuò)散到微生物膜或者蛋白外殼表面，以臭氧與病原體的快速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，從而氧化降解膜及外殼結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)和殼內(nèi)基質(zhì)的流失。再者，穿透膜和外殼的臭氧及其生成的活性氧物種能進(jìn)一步攻擊遺傳物質(zhì) DNA 或 RNA。

 

        總結(jié)而言，臭氧及產(chǎn)生的 ROS 作用機(jī)理主要為：第一，直接作用于細(xì)胞膜，致使細(xì)胞膜的通透性增加，細(xì)胞質(zhì)反向滲透外流，從而使細(xì)胞失活；第二，作用于某些微生物（如細(xì)菌）的酶，主要機(jī)制在于能氧化分解細(xì)菌內(nèi)部葡萄糖氧化酶，使酶失活，阻礙細(xì)菌的代謝；第三，攻擊遺傳物質(zhì)，如 DNA 或 RNA，使其失去遺傳轉(zhuǎn)錄功能。在不同環(huán)境介質(zhì)中，因?yàn)槌粞醴纸猱a(chǎn)生活性氧物種的差異，主要作用物種有所差異，如使用臭氧氣體在氣相中作用時(shí)，以臭氧分子直接攻擊為主，而臭氧水作用于固相表面或液相中時(shí)，臭氧分子和活性氧物種協(xié)同攻擊病原體。 

 

        臭氧殺滅細(xì)菌、真菌等具細(xì)胞結(jié)構(gòu)的微生物或病原體，是通過(guò)作用于細(xì)胞膜，首先使細(xì)胞膜受損，從而抑制其生長(zhǎng)。而殺滅無(wú)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的病毒則是通過(guò)破壞外部結(jié)構(gòu)蛋白或者直接破壞其遺傳物質(zhì)來(lái)達(dá)到目的的。用于評(píng)價(jià)臭氧等消毒劑消毒滅殺方法的常用指標(biāo)為CT 值（也叫濃時(shí)積，單位 mg? min/L），其計(jì)算公式：CT=T×CR，其中 T 為消毒劑與病原體的接觸時(shí)間（單位 min），CR 為消毒劑殘余質(zhì)量濃度（單位 mg/L）。

 

        CT 值是一個(gè)廣泛用于評(píng)價(jià)消毒劑消毒效率的判斷指標(biāo)，可以用于檢查病原體或微生物對(duì)某種反應(yīng)物失活的敏感性，CT 值越小，消毒劑的消毒能力就越大，也即同樣條件下，能達(dá)到一定滅菌率所需的時(shí)間。 

 

        臭氧用于水處理工藝中的消毒殺菌已經(jīng)有超過(guò)一個(gè)世紀(jì)的歷史，其對(duì)各種病原體和微生物具有廣譜滅活的效果。表 1 基于CT 值或滅活率對(duì)比了臭氧對(duì)不同病原體的滅活效果。 

        總體上看，臭氧滅活細(xì)菌和病毒比原生動(dòng)物有更好的效果，主要是由于細(xì)菌和病毒對(duì)臭氧的敏感性要高于原生動(dòng)物。臭氧及其分解產(chǎn)生的活性氧物種對(duì)不同病原體的滅活主要是通過(guò)如上所述的三種方式，臭氧的首要目標(biāo)是破壞病原體的表面，臭氧與細(xì)胞包膜中不飽和脂的雙鍵反應(yīng)導(dǎo)致微生物裂解，進(jìn)而使細(xì)胞成分和遺傳物質(zhì)泄漏，原生動(dòng)物、細(xì)菌和病毒結(jié)構(gòu)的差異造成了三者對(duì)臭氧敏感性的差異，尤其是原生動(dòng)物體表有一層連續(xù)的界膜，也即原生質(zhì)膜（表膜）是造成其對(duì)臭氧敏感性低的主要原因。相比于對(duì)臭氧的敏感性，病原體與臭氧的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率也決定了其被臭氧滅活的效率。N. K. Hunt 等報(bào)道了大腸桿菌（Escherichia coli）與臭氧反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)常數(shù)高于孢子蟲(chóng)（Cryptosporidium parvum）的幾千倍數(shù)量級(jí)，因而，他們認(rèn)為在飲用水殺菌系統(tǒng)中孢子蟲(chóng)更應(yīng)該被關(guān)注。李洪敏等研究對(duì)比了臭氧對(duì) 4 種不同細(xì)菌的殺滅效果，當(dāng)臭氧濃度在 0.92 mg/L 時(shí)，臭氧對(duì)培養(yǎng)基上的金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、大腸桿菌（Escherichia coli）、白色念珠菌（Candida albicans）、結(jié)核桿菌（Tubercle bacillus）的滅活率分別達(dá)到了 92%、95%、80%、94%；而以同樣的臭氧濃度，對(duì)空氣中的金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、大腸桿菌（Escherichia coli）、白色念珠菌（Candida albicans）、結(jié)核桿菌（Tubercle bacillus）經(jīng)過(guò)20 min 熏蒸，滅活率分別達(dá)到 93%、93%、90%、96%，證明臭氧滅活法對(duì)空氣中和物體表面的細(xì)菌均有很好的殺滅效果。除對(duì)細(xì)菌和原生動(dòng)物能有效滅活外，臭氧也能有效的滅殺病毒。 C. Wolf 等[30]研究了臭氧對(duì)艾柯病毒（Echovirus）、腺病毒（Adenovirus）和柯薩奇病毒（Coxsackieviru）的滅活動(dòng)力學(xué)，對(duì)這三種病毒的滅活速率分別達(dá)到了 1.9×10-3、4.1×10-3、 8.0×10-3 mg? min/L。

 

冀豪棟，孫豐賓，賴(lài)波，劉文

1. 北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院水沙教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871；

2. 北京大學(xué)國(guó)家環(huán)境保護(hù)河流全物質(zhì)通量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871；

3. 四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院；中德水環(huán)境與健康研究中心，四川成都 610065；

4. 中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備協(xié)會(huì)醫(yī)院建筑與裝備分會(huì)醫(yī)院水系統(tǒng)研究中心，四川成都 610065）