汪 勇，隋 韌，于樂成，陳 亞，魏 巍，鞠 晶，許兆林，賈紹昌，沙 亮，蔣 旻

在現(xiàn)代野戰(zhàn)、恐怖襲擊、突發(fā)生產(chǎn)安全事故或地震等重大自然災(zāi)害情況下，發(fā)生生物、化學(xué)、核輻射襲擊或污染的風(fēng)險增加[1-4]。一旦發(fā)生此類事件，對災(zāi)害現(xiàn)場人員、設(shè)備、物資及環(huán)境等進行高效節(jié)水洗消就是一個重大而現(xiàn)實的問題，及時有效地保護現(xiàn)場人員、控制污染擴散、為后續(xù)救援的開展奠定基礎(chǔ)十分必要[5-6]。當前國內(nèi)外的各種洗消裝備至少存在兩大方面的不足。其一是通常采用普通市售的淋浴噴頭、水槍或噴霧器，耗水量大，洗消效率低[7-8]。其二是這些現(xiàn)有設(shè)備對使用過的廢水缺乏良好的凈化處理功能，水源不能充分循環(huán)利用，廢水往往只能在一次性使用后集中收納存儲以待日后再行專門去污處理；且由于廢水產(chǎn)生量大，其臨時存儲壓力也隨之增大。這兩大方面的不足對野外或突發(fā)事件時缺水條件下的應(yīng)急洗消尤為不利，是該領(lǐng)域亟需解決的重要問題。為此，我們通過醫(yī)、工、理多學(xué)科協(xié)作，初步研發(fā)成功基于超薄射流（ultrathin jet stream, UJS）、低溫等離子體（low temperature plasma, LTP）和協(xié)同膜處理相結(jié)合的集成模塊洗消（washing, sterilization and decontamination, WSD）新技術(shù)平臺，并試制了代號為UJS-LTP-WSD-1的新一代成套洗消驗證系統(tǒng)——超薄射流和低溫等離子體協(xié)同膜組合系統(tǒng)，以供對一系列不同種類的沾染對象進行洗消效果驗證。炭疽芽孢桿菌是潛在的生物武器或恐怖襲擊手段之一[9-11]，但不能以其進行洗消驗證實驗。因此，本研究以枯草芽孢桿菌作為替代，研究UJS-LTP-WSD-1系統(tǒng)中UJS模塊對枯草芽孢桿菌沾染的多種物體和動物的洗消效果及節(jié)水能力，以及LTP協(xié)同膜模塊對枯草芽孢桿菌菌液的凈化處理能力。

1 材料與方法

1.1 材料 UJS-LTP-WSD-1系統(tǒng)1套（圖1），含UJS噴頭和普通淋浴噴頭各1套?？莶菅挎邨U菌菌株來自南京中醫(yī)藥大學(xué)微生物學(xué)和免疫學(xué)教研室。表面積為10 cm×10 cm的自制覆漆鋼板2塊、生豬皮2塊，背部10 cm×10 cm去毛的雄性成年家兔2只。容量為2 L和6 L的潔凈玻璃水槽各1只，直徑90 mm的無菌培養(yǎng)皿，細菌培養(yǎng)基，超凈臺，無菌棉簽，散射濁度計，自然溫度市政生活自來水，煮沸后的自來水等。

圖1 UJS-LTP-WSD-1系統(tǒng)A.方艙外觀展示；B.UJS-LTP-WSD-1部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示Figure 1 UJS-LTP-WSD-1 system

1.2 實驗方案 UJS模塊對枯草芽孢桿菌沾染物體和動物洗消效果的檢驗，分為UJS洗消組（UJS組）和普通洗消組（普通組）。LTP協(xié)同膜模塊對枯草芽孢桿菌菌液去污凈化處理能力的檢驗，比較去污凈化處理前和去污凈化處理后的枯草芽孢桿菌的檢出數(shù)。

1.2.1 UJS-LTP-WSD-1系統(tǒng)洗消枯草芽孢桿菌沾染的覆漆鋼板 分為UJS組和普通組。取高溫消毒后的2 L水槽1只，裝滿煮沸后自然冷卻至室溫的自來水，再加入枯草芽孢桿菌菌液，使細菌濃度達到約1×103CFU/ml。將2塊潔凈的覆漆鋼板浸入菌液浸泡至少2 min，使其充分沾染菌液。取沾染菌液的覆漆鋼板，洗消前記錄為對照組（記為0 s），然后分別用UJS噴頭（水流速0.8 L/min，約合13.33 ml/s）和普通噴頭（水流速2.4 L/min，約合40.00 ml/s）洗消10 s、20 s、30 s、40 s、60 s、90 s。在各時間點分別取樣。每次取樣時，每塊鋼板選3個不相鄰的1 cm×1 cm正方形區(qū)域（用作重復(fù)試驗，結(jié)果取3者的平均值），用無菌棉簽充分拭取后，轉(zhuǎn)移至直徑為90 mm的裝有適量培養(yǎng)基的圓形培養(yǎng)皿，37 ℃培養(yǎng)48 h。培養(yǎng)結(jié)束后，對各培養(yǎng)皿菌落進行計數(shù)，菌落數(shù)以CFU/cm2為單位，＞300 CFU/cm2視為極限水平，即菌落極多、難以準確計數(shù)。

1.2.2 UJS-LTP-WSD-1系統(tǒng)洗消枯草芽孢桿菌沾染的生豬皮 取2塊洗凈的生豬皮，按與1.2.1相同的程序進行實驗和檢測。每塊生豬皮在各個時間點選取3個不相鄰的1 cm×1 cm正方形區(qū)域取樣檢驗，每個時間點的結(jié)果取3者的平均值。

1.2.3 UJS-LTP-WSD-1系統(tǒng)洗消枯草芽孢桿菌沾染的背部脫毛的雄性成年家兔 取潔凈60 L水槽1只，裝滿煮沸后自然冷卻至室溫的自來水，加入枯草芽孢桿菌菌液，使細菌濃度達到約1×103CFU/cm2。將2只背部脫毛雄性成年家兔浸入水槽中，使其背部充分沾染菌液。然后按1.2.1的流程和方法進行洗消（圖2）和檢測。

1.2.4 UJS-LTP-WSD-1系統(tǒng)對枯草芽孢桿菌菌液的凈化效果 取1只60 L水槽，裝滿煮沸后降至室溫的生活用自來水后，加入枯草芽孢桿菌菌液，使細菌濃度達到約1×103CFU/cm2，然后經(jīng)UJSLTP-WSD-1系統(tǒng)中LTP協(xié)同膜模塊凈化處理。用以下2種方法檢驗去污凈化處理效果，每種檢驗方法在凈化前和凈化后均各取3份樣品分別進行檢測，結(jié)果取其平均值。

圖2 應(yīng)用UJS噴頭和普通噴頭洗消背部脫毛雄性成年家兔Figure 2 Decontamination of back-depilated adult male rabbits with the UJS sprayer and conventional sprayer

取凈化前和凈化后的水樣各3 ml，分別加入9 ml滅菌肉湯培養(yǎng)基中，37 ℃培養(yǎng)48 h。培養(yǎng)結(jié)束后檢測其渾濁度，并以無菌肉湯培養(yǎng)基作為空白對照進行對比。渾濁度以散射濁度單位（NTU）表示。

取經(jīng)過LTP協(xié)同膜模塊凈化處理前的菌液、凈化后的水樣以及用作空白對照的無菌三蒸水各3 ml，分別加入直徑為90 mm的無菌培養(yǎng)皿中，然后在每個培養(yǎng)皿中另加入45 ℃滅菌肉湯瓊脂培養(yǎng)基，混勻并待其凝固，37 ℃培養(yǎng)48 h，培養(yǎng)結(jié)束后對各培養(yǎng)皿上的菌落進行計數(shù)。菌落數(shù)以CFU/cm2為單位。

1.2.5 UJS-LTP-WSD-1系統(tǒng)節(jié)水效能評估 UJSLTP-WSD-1的節(jié)水效能首先是UJS模塊的直接節(jié)水效能。其次是經(jīng)LTP協(xié)同膜模塊去污凈化處理過的水資源的再利用，雖然在水源充足時不必利用再循環(huán)水，但在野外缺水的緊急情況下則非常重要和必要。本研究主要分析UJS模塊的直接節(jié)水效能，根據(jù)檢測結(jié)果可選用以下方法之一進行評估。

方法一：Rw=[（V2×T2-V1×T1）/（V2×T2）]×100%。其中，Rw 為UJS組的節(jié)水率，V1為UJS組的水流速（13.3 ml/s），T1為UJS組剛好檢測不出細菌所需的時間（s），V2為普通組的水流速（40 ml/s），T2為普通組剛好檢測不出細菌所需的時間（s）。本法適用于2組在設(shè)定洗消時間內(nèi)均能達到檢測不出細菌的情況。

方法二：Rw=[（V2×Rb-V1）/（V2×Rb）]×100%。其中，Rw 為UJS組的節(jié)水率，V1為UJS組的水流速（13.3 ml/s），V2為普通組的水流速（40 ml/s），Rb為普通組菌落數(shù)相對于UJS組菌落數(shù)的平均倍數(shù)。Rb=開始洗消后各時點平均菌落數(shù)的比值之和/時點數(shù)。本法適用于在設(shè)定的試驗時間內(nèi)以下任一種情況：①UJS組檢測不出細菌而普通組仍能檢出細菌的情況，時點數(shù)的計算跨度從第1個洗消時點（10 s）計算至UJS組檢測不出細菌的上一時點；②2組均未達到檢測不出細菌的情況。

1.3 統(tǒng)計學(xué)處理 采用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計學(xué)處理。采用重復(fù)測量設(shè)計資料的方差分析來比較UJS組和普通組之間隨時間變化的菌落檢出數(shù)是否有差別。不滿足Mauchly球形分布時，則采用多變量方差分析檢驗各組間和各時間點是否有顯著性差異。同組數(shù)據(jù)≥3個不同時間點菌落數(shù)均值的比較采用單向方差分析。2組間同一時間點檢測結(jié)果的比較采用2樣本均數(shù)的t檢驗。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。因菌落數(shù)＞300 CFU/cm2時無法準確計數(shù)，故對應(yīng)時間點的菌落數(shù)據(jù)均不列入統(tǒng)計學(xué)比較。

2 結(jié) 果

2.1 UJS模塊對枯草芽孢桿菌沾染物的洗消效果

2.1.1 UJS模塊對枯草芽孢桿菌沾染覆漆鋼板的洗消效果 對于枯草芽孢桿菌沾染覆漆鋼板的洗消檢驗結(jié)果見表1和圖3。重復(fù)測量設(shè)計資料的方差分析顯示，2組洗消效果均隨時間延長而顯著降低枯草芽孢桿菌的檢出數(shù)（F=11 711.416，P=0.000），而UJS組的洗消效果顯著優(yōu)于普通組（F=250.436，P=0.004）。

表1 UJS組和普通組對枯草芽孢桿菌沾染覆漆鋼板的洗消效果（CFU/cm2）Table 1 UJS sprayer and conventional sprayer decontamination efficacy on the paint-coated steel plates contaminated by Bacillus subtilis(CFU/cm2)

圖3 UJS組和普通組對枯草芽孢桿菌沾染覆漆鋼板的洗消效果對比Figure 3 Comparison of the UJS sprayer and conventional sprayer decontamination efficacy on the paint-coated steel plates contaminated by Bacillus subtilis

2.1.2 UJS模塊對枯草芽孢桿菌沾染生豬皮的洗消效果 對于枯草芽孢桿菌沾染生豬皮的洗消效果見表2。UJS組在洗消時間≤30 s時，菌落極多而不可計數(shù)，從第40 s開始菌落數(shù)隨時間延長而迅速顯著下降（F=376.559，P=0.000）。普通組在洗消時間≤60 s時，菌落極多而不可計數(shù)，從第90 s時可以計算出準確菌落數(shù)。2組第90 s結(jié)果相比，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=-13.865，P=0.000）。

2.1.3 UJS模塊對枯草芽孢桿菌沾染背部脫毛雄性成年家兔的洗消效果 對于枯草芽孢桿菌沾染背部脫毛雄性成年家兔的洗消效果見表3。2組基線培養(yǎng)菌落數(shù)極多而不可計數(shù)，但分別在洗消10 s和20 s后可計算準確菌落數(shù)。重復(fù)測量設(shè)計資料的方差分析顯示，2組枯草芽孢桿菌的檢出數(shù)在第20～90 s均隨時間延長而顯著降低（F=2564.986，P=0.015），UJS組的洗消效果顯著優(yōu)于普通組（F=38.960，P=0.003）。

2.2 LTP協(xié)同膜模塊對枯草芽孢桿菌菌液的去污凈化效能 肉湯培養(yǎng)基培養(yǎng)顯示（見表4），經(jīng)LTP協(xié)同膜模塊處理前的枯草芽孢桿菌菌液樣品的渾濁度顯著高于處理后樣品和無菌肉湯培養(yǎng)基的渾濁度（P＜0.05），處理后樣品與無菌肉湯培養(yǎng)基的渾濁度相似（P＞0.05）。固體培養(yǎng)基培養(yǎng)結(jié)果顯示，枯草芽孢桿菌菌液（菌落數(shù)＞300 CFU/cm2）經(jīng)LTP協(xié)同膜模塊處理后，未能培養(yǎng)出任何菌落。

2.3 UJS-LTP-WSD-1系統(tǒng)節(jié)水效能評估

2.3.1 UJS模塊洗消枯草芽孢桿菌沾染覆漆鋼板的節(jié)水效能 根據(jù)方法一，UJS組和普通組分別在洗消40 s和90 s時培養(yǎng)菌落數(shù)為0，因此Rw=[（40.0×90-13.3×40）/（ 40.0×90）]×100%=85.2%。

根據(jù)方法二，應(yīng)計算10 s、20 s、30 s共3個時間點的菌落均數(shù)比值的平均值，因此Rb=（35.7/10.0+12.3/3.7+7.0/2.0）/3=3.5。 由 此推算Rw=（40.0×3.5-13.1）/（40.0×3.5）×100%=90.5%。

2種計算方法的結(jié)果基本接近，第二種方法計算結(jié)果略偏高。

2.3.2 UJS模塊洗消枯草芽孢桿菌沾染生豬皮的節(jié)水效能 本部分數(shù)據(jù)只有第90 s時2組均有可數(shù)的菌落。為減少取單次菌落均值之比可能導(dǎo)致Rb過高，進而導(dǎo)致估算節(jié)水率過高的風(fēng)險，對普通組第60 s的菌落數(shù)按300 CFU/cm2推算。根據(jù)方法二，Rb=（300/222.3+225.0/34.7）/2=3.9。 由 此 推 算Rw=（40.0×3.9-13.3）/（40.0×3.9）×100%=91.5%。

2.3.3 UJS模塊洗消枯草芽孢桿菌沾染背部脫毛雄性成年家兔的節(jié)水效能 根據(jù)方法二，計算第20 s、30 s、40 s、60 s、90 s共5個時間點菌落均數(shù)比值的均值，因此Rb=（209.3/115.0+86.0/42.3+45.7/24.3+27.0/19.3）/4=1.8。由此推算Rw=（40.0×1.8-13.3）/（40.0×1.8）×100%=81.5%。

3 討 論

隨著國際安全環(huán)境的惡化和全球自然災(zāi)害的頻繁發(fā)生，生物、化學(xué)、核輻射襲擊或突發(fā)事故的風(fēng)險時刻存在。一旦發(fā)生此類事件，如何對受襲或受災(zāi)人員和環(huán)境進行快速有效的洗消處理，以幫助相關(guān)人員及時脫離沾染和防控沾染蔓延是人們高度關(guān)注的問題[3-5]。因此，野戰(zhàn)洗消和凈化技術(shù)及裝備研究就成為現(xiàn)代衛(wèi)勤保障研究的重要內(nèi)容之一。衛(wèi)生防疫車、消毒噴灑車、燃氣射流車、新型淋浴車、防化偵察車、檢驗箱組、防護服、防毒面具等已在我軍相關(guān)部隊推廣使用并發(fā)揮著重要作用。但由于發(fā)展基礎(chǔ)薄弱，起步較晚，與美國、德國等發(fā)達國家相比，我國的洗消和凈化裝備體系還遠不夠完善，研制平臺相對滯后，性能與國外存在較大差距，距離實現(xiàn)強有力的保障目標還有很大差距，因此亟需加強這方面的研究。

表2 UJS組和普通組對枯草芽孢桿菌沾染生豬皮的洗消效果（CFU/cm2）Table 2 UJS sprayer and conventional sprayer decontamination efficacy on raw pig skins contaminated by Bacillus subtilis(CFU/cm2)

表3 UJS組和普通組對枯草芽孢桿菌沾染的背部脫毛成年雄性家兔的洗消效果（CFU/cm2）Table 3 UJS sprayer and conventional sprayer decontamination efficacy on the back-depilated adult male rabbits contaminated by Bacillus subtilis(CFU/cm2)

表4 濁度測定法評估LTP協(xié)同膜模塊對枯草芽孢桿菌菌液的凈化效果（NTU）Table 4 Purifying effects of LTP-collaborative membrane on the Bacillus subtilis-containing suspension detected by turbidity assay(NTU)

炭疽芽胞桿菌歷來是可能被應(yīng)用的潛在生物武器之一[9-11]。由于在通常情況下采用炭疽芽胞桿菌進行洗消效果的驗證具有較大的潛在風(fēng)險和嚴格的生物安全防控要求，因此本研究采用枯草芽孢桿菌模擬炭疽芽胞桿菌沾染進行洗消和凈化處理效果的研究。結(jié)果顯示，UJS-LTP-WSD-1系統(tǒng)的多項洗消參數(shù)顯著優(yōu)于普通洗消裝置。主要體現(xiàn)在以下四大方面。

第一，高效的洗消效果。這在3種洗消對象中均獲得體現(xiàn)。該效果主要得益于特制的UJS噴頭模塊，該噴頭具有可調(diào)扇形超薄射流水面、可調(diào)射流速度的特點。在設(shè)定的沾染條件下，對于覆漆鋼板，UJS噴淋洗消在40 s時即能獲得理想效果，而普通噴淋洗消在90 s后才能獲得類似效果。對生豬皮，在洗消90 s時，UJS組可檢測到的菌落數(shù)顯著低于普通組。對背部脫毛雄性成年家兔的脫毛部位的洗消，UJS組在90 s時菌落接近檢測不出，而普通組仍能檢測到約20.3 CFU/cm2的菌落數(shù)。

第二，理想的污水凈化能力。UJS-LTPWSD-1系統(tǒng)設(shè)計了可串聯(lián)應(yīng)用的三重去污凈化機制。其一是LTP。LTP是一種較新的滅菌手段，已被證明具有很強的殺滅微生物的作用，對細菌繁殖體、芽孢、真菌、病毒、原蟲甚至細菌毒素都有很好的殺滅或滅活效果，已越來越多地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)儀器消毒和空氣凈化等方面[2，12-15]。其二是協(xié)同膜結(jié)構(gòu)，包括超濾膜和反滲透膜，可有效濾除細菌、真菌、病毒乃至生物毒素。其三是活性炭結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需要開放或關(guān)閉連接。檢測結(jié)果顯示，在設(shè)定的條件下，污水一次性經(jīng)過本集成模塊的處理，幾乎可以完全去除病原菌。這提示，經(jīng)本設(shè)備處理過的污水，檢測無害后可直接排放至環(huán)境而不必貯集后再處理，在極端缺水的情況下還可以作為再循環(huán)水重復(fù)利用，從而進一步增加了UJS-LTP-WSD-1的供水自持能力。

第三，強大的節(jié)水性能。這不僅得益于科學(xué)設(shè)計的UJS噴頭模塊，也得益于LTP+協(xié)同膜±活性炭模塊的功能。通過合理的推算顯示，在設(shè)定的沾染條件下，達到同等洗消效果時，UJS噴頭相對于普通噴頭的節(jié)水量在覆漆鋼板可達85.2%～90.5%，在生豬皮可達91.5%，在背部脫毛雄性成年家兔可達81.5%。而如果同時考慮到在野戰(zhàn)、恐怖襲擊或特發(fā)重大安全事故時凈水可持續(xù)供應(yīng)的困難，則LTP+協(xié)同膜±活性炭模塊必將在很大程度上通過污水凈化再循環(huán)利用而緩解上述問題，同時大大緩解需要收集大批污水廢水和后期處理困難的問題。

第四，集成模塊化設(shè)計。這種設(shè)計的好處是，可以根據(jù)洗消對象和洗消環(huán)境等的不同，進行比較靈活的調(diào)整，從而適應(yīng)多場景的需求。換言之，各模塊的形狀和尺寸可以根據(jù)重點針對的不同環(huán)境進行調(diào)整；也可以根據(jù)不同的需要進行模塊數(shù)量的調(diào)整，比如增加UJS模塊的數(shù)量或增加LTP+協(xié)同膜±活性炭模塊的數(shù)量。

此外，本研究還顯示，待洗消的對象不同，洗消效率也有很大差別。覆漆鋼板易于洗消，而生豬皮和背部脫毛雄性成年兔相對需要更長的洗消時間，提示應(yīng)用UJS-LTP-WSD-1系統(tǒng)時也應(yīng)根據(jù)洗消對象的不同來調(diào)節(jié)UJS扇面、速度和時間，以便取得最佳洗消效果。

總之，UJS-LTP-WSD-1系統(tǒng)是一種擁有多項完全自主知識產(chǎn)權(quán)、集成多種先進技術(shù)、可進行高效節(jié)水洗消和污水凈化處理的新型技術(shù)平臺，代表了在野戰(zhàn)和突發(fā)事件等條件下應(yīng)對生物、化學(xué)、核輻射襲擊或事故的新型移動式三防技術(shù)平臺的一大發(fā)展方向，可有效提升處置這類突發(fā)情況的能力，值得進一步優(yōu)化設(shè)計和擴大驗證。