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臭氧消毒研究進展及對新型冠狀病毒的滅活啟示

［摘要］新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）疫情給人類社會造成了巨大威脅，因新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）在不同環境介質中穩定性的差異，使如何高效殺滅 SARS-CoV-2 成為關注的重要問題。在綜述臭氧及其協同技術在病原體滅活中應用的基礎上，探討了臭氧氧化技術在 SARS-CoV-2 滅活中的應用可行性，重點闡述了該類技術對于病毒的滅活行為及機理。該綜述可為臭氧氧化技術應用于水中新冠病毒滅活及其在不同媒介中的次生傳播阻斷提供理論依據和實踐參考。

2019 年末暴發的由新型冠狀病毒（SARS-CoV-2，簡稱“新冠病毒”）導致的全球性大規模新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）疫情給人類社會帶來了深遠的影響，到 2021 年5 月為止，全球范圍內已累計報道確診病例超過 1 億例。新冠病毒在人群中主要通過空氣（呼吸道飛沫）和物理接觸進行傳播。SARS-CoV-2 不具有細胞結構，而是由核糖核酸（RNA）和結構蛋白組成，因外觀像“皇冠”而得名。其中 RNA 是病毒的遺傳物質，而其結構蛋白包括囊膜蛋白（E）、膜蛋白（M）、核衣殼蛋白（N）和刺突蛋白（S）4 種組分，起到保護病毒核酸和與宿主細胞結合的作用。目前，有研究表明新冠病毒的刺突蛋白會首先與人體細胞中的血管緊張素轉化酶 2（ACE2）結合進而達到攻擊人體細胞的目的，其中刺突蛋白1（S1）與 ACE2 結合的能力是 SARS 病毒（SARS-CoV，同屬冠狀病毒，導致 2013 年 SARS疫情）的 10~20 倍，這也是 SARS-CoV-2 相比于 SARS-CoV 傳染性高和致病性強的內在原因。因此基于新冠病毒的結構組成和致病原理，阻斷其傳播致病的途徑主要有：（1）抑制和干擾 SARS-CoV-2 的刺突蛋白與人體細胞的結合路徑；（2）直接破壞 SARS-CoV-2 的刺突蛋白結構，使病毒無法與宿主細胞結合從而失去感染性；（3）破壞 SARS-CoV-2 的核衣殼蛋白結構，進而使 RNA 失去保護而解體；（4）破壞 SARS-CoV-2 的 RNA 鏈，使病毒喪失繁殖能力。

目前而言，切斷病毒在介質中傳播的主要手段仍以紫外消毒、氯制劑消毒和臭氧技術的傳統消毒為主。其中傳統的氯制劑，如廣泛使用的 84 消毒液，主要是依靠次氯酸的氧化作用實現物體表面和環境的消毒。雖然次氯酸能穿透細菌的細胞壁，破壞細菌的酶系統，使細菌死亡，但是對無細胞結構的病毒的殺滅效果差，因而存在消毒效率低和持續性差等缺點。紫外消毒是通過破環微生物的壞脫氧核糖核酸（DNA）和 RNA，干擾其復制和轉錄，從而達到滅活的目的，該方法具有效率高、不產生二次污染、廣譜性的優勢，但是由于需額外提供紫外光源，因而會受到能耗、光利用率、運行成本和維護成本的限制。臭氧（O3）作為一種高反應活性分子，其氧化電位為 2.07 V，高于過氧化氫、二氧化氯、氯氣和高錳酸根等氧化劑，分子本子即具有強的氧化能力。此外，臭氧在水中也能轉化形成活性更高的活性氧物種（ROS），如羥基自由基（•OH，氧化電位 2.8 V），進而進行間接氧化作用。臭氧的直接和間接氧化不僅可以降解水中污染物，還可以消毒殺菌，如臭氧及其衍化產生的自由基能夠滅活各種病原體，如細菌、原生動物、真菌和病毒等。因而，臭氧氧化及其協同技術在阻斷新冠病毒傳播和滅殺方面的具有很好的應用前景。臭氧用作消毒劑，相比于氯制劑更有效、反應時間更短且微生物再生率低。此外，臭氧技術還可以提高下游工段的效率，如能減少膜工藝中的結垢，同時過量的臭氧氣體能在較短的時間內分解為氧氣，因而次生環境問題相比于氯消毒技術來說大大降低。但是當前的臭氧技術也面臨多種多樣的問題，如為了達到有效消毒常投加高臭氧劑量，過量的臭氧雖然可以同時去除有機微污染物，但也會腐蝕管道設備，且與溶解的有機微污染物發生不完全氧化反應會產生毒害消毒副產物，這一過程不僅增加了能耗，而且會帶來一定的環境健康風險。因而針對實際應用，優化臭氧消毒技術及臭氧耦合消毒工藝的開發也成為了未來的重要發展方向。

筆者通過綜述臭氧及臭氧協同技術在原生動物、細菌和病毒等病原微生物滅活中的應用，并結合很新關于臭氧技術用于滅活新冠病毒 SARS-CoV-2 的研究，深入探究臭氧對新冠病毒的滅活行為及機理，提出此類技術的適用性及未來發展方向，由此可為臭氧氧化技術應用于新冠病毒滅活及其在不同媒介中的次生傳播阻斷提供理論依據和實踐參考。

冀豪棟，孫豐賓，賴波，劉文

1. 北京大學環境科學與工程學院水沙教育部重點實驗室，北京 100871；

2. 北京大學國家環境保護河流全物質通量重點實驗室，北京 100871；

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

4. 中國醫學裝備協會醫院建筑與裝備分會醫院水系統研究中心，四川成都 610065）