探討臭氧氧化技術在SARS-CoV-2 滅活中的應用可行性

 

        臭氧及其生成的二次氧化劑具有與多種細胞成分（如細胞壁）反應的能力，并能破壞DNA 和 RNA 結構，從而臭氧消毒具有高效性。近年來，隨著化學法、電解法和紫外法等臭氧發(fā)生方法的工業(yè)化進程的推進，尤其是高壓電暈法的規(guī)模化成熟，為臭氧的大規(guī)模合成及在消毒方面的應用提供了基礎。從 1886 年 De Meritens 首次將臭氧用于水中的殺菌開始，到現(xiàn)在，臭氧廣泛應用于飲用水、空氣和物體表面的消毒。此外，針對作用介質(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，包括細菌（如大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等），各類細胞芽孢、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）。 

 

        臭氧消毒的作用機制包含了化學、物理及生物多方面的共同作用。如圖 1 所示，目前普遍認為臭氧滅活致病微生物機理，歸因于臭氧擴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動力學，從而氧化降解膜及外殼結構，導致細胞質(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一步攻擊遺傳物質(zhì) DNA 或 RNA。

 

        總結而言，臭氧及產(chǎn)生的 ROS 作用機理主要為：第一，直接作用于細胞膜，致使細胞膜的通透性增加，細胞質(zhì)反向滲透外流，從而使細胞失活；第二，作用于某些微生物（如細菌）的酶，主要機制在于能氧化分解細菌內(nèi)部葡萄糖氧化酶，使酶失活，阻礙細菌的代謝；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，因為臭氧分解產(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，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，臭氧分子和活性氧物種協(xié)同攻擊病原體。 

 

        臭氧殺滅細菌、真菌等具細胞結構的微生物或病原體，是通過作用于細胞膜，首先使細胞膜受損，從而抑制其生長。而殺滅無細胞結構的病毒則是通過破壞外部結構蛋白或者直接破壞其遺傳物質(zhì)來達到目的的。用于評價臭氧等消毒劑消毒滅殺方法的常用指標為CT 值（也叫濃時積，單位 mg? min/L），其計算公式：CT=T×CR，其中 T 為消毒劑與病原體的接觸時間（單位 min），CR 為消毒劑殘余質(zhì)量濃度（單位 mg/L）。

 

        CT 值是一個廣泛用于評價消毒劑消毒效率的判斷指標，可以用于檢查病原體或微生物對某種反應物失活的敏感性，CT 值越小，消毒劑的消毒能力就越大，也即同樣條件下，能達到一定滅菌率所需的時間。 

 

        臭氧用于水處理工藝中的消毒殺菌已經(jīng)有超過一個世紀的歷史，其對各種病原體和微生物具有廣譜滅活的效果。表 1 基于CT 值或滅活率對比了臭氧對不同病原體的滅活效果。 

        總體上看，臭氧滅活細菌和病毒比原生動物有更好的效果，主要是由于細菌和病毒對臭氧的敏感性要高于原生動物。臭氧及其分解產(chǎn)生的活性氧物種對不同病原體的滅活主要是通過如上所述的三種方式，臭氧的首要目標是破壞病原體的表面，臭氧與細胞包膜中不飽和脂的雙鍵反應導致微生物裂解，進而使細胞成分和遺傳物質(zhì)泄漏，原生動物、細菌和病毒結構的差異造成了三者對臭氧敏感性的差異，尤其是原生動物體表有一層連續(xù)的界膜，也即原生質(zhì)膜（表膜）是造成其對臭氧敏感性低的主要原因。相比于對臭氧的敏感性，病原體與臭氧的反應動力學速率也決定了其被臭氧滅活的效率。N. K. Hunt 等報道了大腸桿菌（Escherichia coli）與臭氧反應的動力學常數(shù)高于孢子蟲（Cryptosporidium parvum）的幾千倍數(shù)量級，因而，他們認為在飲用水殺菌系統(tǒng)中孢子蟲更應該被關注。李洪敏等研究對比了臭氧對 4 種不同細菌的殺滅效果，當臭氧濃度在 0.92 mg/L 時，臭氧對培養(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）、結核桿菌（Tubercle bacillus）的滅活率分別達到了 92%、95%、80%、94%；而以同樣的臭氧濃度，對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）、結核桿菌（Tubercle bacillus）經(jīng)過20 min 熏蒸，滅活率分別達到 93%、93%、90%、96%，證明臭氧滅活法對空氣中和物體表面的細菌均有很好的殺滅效果。除對細菌和原生動物能有效滅活外，臭氧也能有效的滅殺病毒。 C. Wolf 等[30]研究了臭氧對艾柯病毒（Echovirus）、腺病毒（Adenovirus）和柯薩奇病毒（Coxsackieviru）的滅活動力學，對這三種病毒的滅活速率分別達到了 1.9×10-3、4.1×10-3、 8.0×10-3 mg? min/L。

 

冀豪棟，孫豐賓，賴波，劉文

1. 北京大學環(huán)境科學與工程學院水沙教育部重點實驗室，北京 100871；

2. 北京大學國家環(huán)境保護河流全物質(zhì)通量重點實驗室，北京 100871；

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

4. 中國醫(yī)學裝備協(xié)會醫(yī)院建筑與裝備分會醫(yī)院水系統(tǒng)研究中心，四川成都 610065）