陸偉宏 盧惠萍 方琦

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2103-5042-3695

摘? 要：臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，相較于其他化學(xué)消毒劑具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，在消毒領(lǐng)域日益受到重視而廣泛應(yīng)用。臭氧的制備方法有紫外線輻射法、電暈放電法、電解法，固態(tài)聚合物電解質(zhì)（SPE）電解技術(shù)的快速發(fā)展讓臭氧的使用變得更經(jīng)濟(jì)方便。臭氧對(duì)細(xì)菌、病毒、真菌、原蟲有很強(qiáng)的殺滅能力，該文介紹了近期臭氧消毒方面的研究成果。不同的種屬對(duì)臭氧的敏感性不同，針對(duì)具體的應(yīng)用環(huán)境，應(yīng)綜合考慮各方面因素，以提高臭氧消毒的效能。

關(guān)鍵詞：臭氧? 消毒? 細(xì)菌? 病毒? 真菌

中圖分類號(hào)：TS201.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）03（b）-0072-05

Research Progress in Ozone Disinfection

LU Weihong1? LU Huiping1? ?FANG Qi2

（1.Medical School of Jinhua Polytechnic， Jinhua， Zhejiang Province， 321007 China; 2.Jinhua Runda Environmental Protection Technology Co.， Ltd.， Jinhua， Zhejiang Province， 321000? China）

Abstract： Ozone is a strong oxidant， which has obvious advantages over other chemical disinfectants and is widely used in the field of disinfection. Ozone can be prepared by ultraviolet irradiation， electric corona discharge and electrolysis. With the rapid development of solid polymer electrolyte （SPE） electrolysis technology the use of ozone is becoming more economical and convenient. Ozone has prominent ability to inactivate bacteria， viruses， fungi and protozoa，and the recent research developments of ozone disinfection are introduced in this paper.The susceptibility of different species to ozone is different. Various factors of a certain application environment should be comprehensively considered to improve the efficacy of ozone disinfection.

Key Words： Ozone; Disinfection; Bacteria; Viruses; Fungi

臭氧是氧氣的同素異形體，1840年由德國(guó)化學(xué)家Schonbein發(fā)現(xiàn)并命名。臭氧又稱為超氧、三原子氧，化學(xué)式是O3，分子量47.998，是一種有魚腥氣味的淡藍(lán)色氣體。臭氧是一種高效的消毒劑，有很強(qiáng)的氧化性，在水中的氧化還原電位是2.07 V，氧化能力高于雙氧水（1.98 V）、氯（1.36 V）和二氧化氯（1.50 V），僅次于氟;對(duì)病毒、細(xì)菌、真菌、原蟲等有很強(qiáng)的滅活效果;臭氧在氧化消毒過程中轉(zhuǎn)變成分子氧，不存在任何殘留物，避免了其他消毒劑易引起二次污染的問題;在醫(yī)療衛(wèi)生、食品果蔬保鮮、清潔飲用水等領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用臭氧作為消毒技術(shù)手段。臭氧對(duì)微生物的殺滅主要機(jī)制是與細(xì)胞成分發(fā)生氧化反應(yīng)，細(xì)胞膜中含有不飽和脂，脂中的雙鍵被氧化后導(dǎo)致胞膜受損從而引起細(xì)胞內(nèi)容物外泄和細(xì)胞裂解;細(xì)胞內(nèi)有些酶和蛋白質(zhì)含有半胱氨酸、甲硫氨酸、色氨酸，這些對(duì)臭氧敏感的氨基酸殘基被氧化后致使酶變性失活、蛋白質(zhì)失去正常功能。

1? 臭氧的制備

在常溫常壓下臭氧的半衰期一般是20～40 min，穩(wěn)定性較差，需要臭氧時(shí)通常采用現(xiàn)場(chǎng)制備[1]。產(chǎn)生臭氧的方法主要有紫外線輻射法（Ultraviolet irradition）、電暈放電法（Electric corona discharge）和電解法（Electrolysis）等[2]。

1.1 紫外線輻射法

利用波長(zhǎng)小于200 nm的紫外線照射干燥的空氣，其中一部分氧分子獲得能量后被激活解離出氧原子，進(jìn)而形成臭氧[3]。此法制備臭氧不需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)換設(shè)備，不易產(chǎn)生副產(chǎn)物，不足之處是得到的臭氧濃度低，不適于工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)室等密閉空間常采用臭氧和紫外線的協(xié)同作用進(jìn)行消毒。

1.2 電暈放電法

在兩個(gè)電極之間放置絕緣介質(zhì)，并保持一定的放電間隙，當(dāng)外加交流高壓（約1 500 V）于兩個(gè)電極時(shí)，均勻的藍(lán)紫色電暈放電出現(xiàn)在放電間隙，當(dāng)空氣通過電暈放電區(qū)時(shí)，氧氣被高速電子轟擊繼而分解出氧原子，相互碰撞后形成臭氧[4]。電暈放電法制備臭氧效率較高，可控性較好。但是采用空氣作為原料氣時(shí)，氮?dú)庠诟邏弘姄魰r(shí)與氧氣發(fā)生反應(yīng)形成二氧化氮等有毒物質(zhì)造成環(huán)境污染;此方法還需要配置高壓設(shè)備、干燥系統(tǒng)和冷卻裝置，不僅增加投資費(fèi)用而且使設(shè)備體積過大不易移動(dòng)和維修。故電暈放電法在有些消毒領(lǐng)域的應(yīng)用受到了限制。

1.3 電解法

電解法產(chǎn)生臭氧的技術(shù)是利用低壓直流電源對(duì)水進(jìn)行電解，在陽(yáng)極釋出臭氧，在陰極釋出氫氣或者進(jìn)行氧還原反應(yīng)。電解法制備臭氧的裝置相對(duì)輕便，主要含有電源、電解質(zhì)和陰陽(yáng)電極。陽(yáng)極材料必須具有強(qiáng)抗腐蝕性、良好的導(dǎo)電性、較高的釋氧電位，常用的材料有二氧化錫（SnO2）、玻璃碳、硼摻雜金剛石（BDD）和二氧化鉛（PbO2）等。陰極材料要求不被電解液腐蝕和較低的析氫電位，例如不銹鋼、鎳、鍍鉑金屬等。電解質(zhì)是一些酸或鹽類，如H2SO4、HClO4、NaPF6、Na2SO4等，溶于水后形成電解液。早期的電解法是采用電解液加入到電解槽中，電解面積小，臭氧產(chǎn)量低，運(yùn)行費(fèi)用高。

近年來，固態(tài)聚合物電解質(zhì)（Solid polymer electrolyte，SPE） 電解技術(shù)快速發(fā)展起來。代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液體電解質(zhì)的SPE膜是一種離子交換膜，使用時(shí)只需將去離子水加入到SPE膜復(fù)合電極體中即可發(fā)生電解反應(yīng)。SPE電解技術(shù)極大程度上的增加了電解反應(yīng)的比表面積，電流效率高、能耗低、臭氧產(chǎn)量高、臭氧純度高、不會(huì)產(chǎn)生氮氧化物等二次污染[5]。這些優(yōu)勢(shì)使SPE電解技術(shù)成為臭氧技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)，將具有巨大的市場(chǎng)潛力。

2? 臭氧的消毒作用

2.1 氧對(duì)細(xì)菌的滅活作用

不同屬和種的細(xì)菌對(duì)臭氧的敏感性有差異。陳夢(mèng)曦等研究者[6]以鼠傷寒沙門菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌為受試菌種進(jìn)行定量殺菌試驗(yàn)，在消毒機(jī)箱內(nèi)壓強(qiáng)為50 kPa，臭氧濃度為8.33 mg/L的條件下消毒60 s后，3種菌的殺滅對(duì)數(shù)值分別為5.91、5.90、6.04。有的學(xué)者認(rèn)為革蘭氏陰性細(xì)菌相較于革蘭氏陽(yáng)性菌對(duì)臭氧更為敏感，但有些實(shí)驗(yàn)并不支持這個(gè)觀點(diǎn)。Martinelli等[7]的一項(xiàng)研究報(bào)道臭氧對(duì)水中金黃色葡萄球菌有很強(qiáng)的抑制作用，滅活率為98.9%，對(duì)嗜肺軍團(tuán)菌、糞鏈球菌、銅綠假單胞菌的滅活率分別為87.5%、64.2%、57.4%，對(duì)大腸桿菌的滅活率僅為26.4%。

通常來說，對(duì)臭氧處理的抵抗力芽胞比營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞要強(qiáng)。Akbas等研究者[8]采用1.0 ppm的氣態(tài)臭氧處理蠟樣芽胞桿菌的營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞和芽胞，暴露相同時(shí)間后，營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞數(shù)量減少了3.5個(gè)對(duì)數(shù)單位，但芽胞數(shù)量只減少了2個(gè)對(duì)數(shù)單位。在另一項(xiàng)研究中，Ding等研究者[9]比較了5種細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞和3種細(xì)菌的芽胞對(duì)臭氧的抵抗力，發(fā)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞對(duì)臭氧的抗性均低于芽胞的抗性，其中抗性最強(qiáng)的是蠟樣芽胞桿菌的芽胞。這些研究表明要達(dá)到同樣的滅活效果，芽胞需要更高的臭氧濃度或更長(zhǎng)的處理時(shí)間。

細(xì)菌存在的環(huán)境因素影響臭氧處理的滅活效果。Ofori等人[10]研究了4種有機(jī)溶劑乙醇、甲醇、乙酸乙酯和二甲基亞砜（DMSO）對(duì)臭氧滅活水中的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的影響。在每種有機(jī)溶劑濃度分別為2.5%和5%時(shí)測(cè)定臭氧的吸收和分解率，并構(gòu)建效率因子Hom模型描述失活動(dòng)力學(xué)。結(jié)果表明，乙酸乙酯和二甲基亞砜提高了臭氧的穩(wěn)定性，在這兩種溶液中臭氧對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的滅活率，相較于在甲醇和乙醇溶液中增加了大約2倍。

臭氧暴露導(dǎo)致細(xì)菌死亡，然而細(xì)菌可能存在一些防御調(diào)控機(jī)制來緩和這種致死作用。粘質(zhì)沙雷氏菌是一種機(jī)會(huì)性病原菌，Ondarza[11]研究了色素沉積和過氧化氫酶活性對(duì)此種菌在臭氧暴露時(shí)的存活率的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，指數(shù)生長(zhǎng)期的菌株過氧化氫酶活性提高了，菌株的存活率也相應(yīng)增加;而靈菌紅素未能增加菌株的存活率。該結(jié)果提示過氧化氫酶可能是細(xì)菌減輕臭氧致死機(jī)制的一部分。Feng等研究者[12]研究的副溶血性弧菌實(shí)驗(yàn)也得到類似結(jié)論，臭氧溶液濃度小于0.125 mg/L時(shí)，副溶血性弧菌利用過氧化氫酶和超氧化物歧化酶來進(jìn)行解毒，細(xì)胞膜保持完整;當(dāng)臭氧濃度大于1 mg/L，透射電鏡證實(shí)細(xì)胞膜出現(xiàn)損傷，臭氧水溶液通過滲漏的膜進(jìn)入細(xì)胞，使酶失活DNA降解，最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡。

2.2 臭氧對(duì)真菌的滅活作用

氣態(tài)臭氧和臭氧水溶液是有效的抗真菌劑，對(duì)真菌的殺滅作用因物種而異。張丹等研究者[13]以黑曲霉孢子作為研究對(duì)象，調(diào)查發(fā)現(xiàn)用10 mg/L的臭氧水懸液作用黑曲霉孢子，處理時(shí)間達(dá)到3 min，孢子的滅活率為100%。劉煥軍等研究者[14]從發(fā)病的獼猴桃中分離出擴(kuò)展青霉菌和灰葡萄孢菌兩種病原真菌，研究了臭氧對(duì)這兩種真菌孢子萌發(fā)的影響;采用170 mg/m3的臭氧處理后，擴(kuò)展青霉菌孢子的抑制率為58.5%，灰葡萄孢菌孢子的抑制率為73%。

真菌包括單細(xì)胞的酵母菌和絲狀的霉菌，胡林鳳等研究者[15]調(diào)查了4種酵母菌在不同濃度和作用時(shí)間下對(duì)氣態(tài)臭氧的敏感性。當(dāng)用240 mg/m3的臭氧處理15 min，白色念珠菌、熱帶念珠菌、近平滑念珠菌、光滑念珠菌的滅活率分別為28.25%、41.6%、44.89%、52%;如果保持臭氧濃度不變，處理時(shí)間延長(zhǎng)為45 min，則滅活率都顯著提高，分別是66.57%、88.91%、78.66%、84.86%;當(dāng)時(shí)間仍為45 min，臭氧濃度增為2 736 mg/m3，這4種念珠菌的滅活率均達(dá)到100%。數(shù)據(jù)表明隨著臭氧濃度和處理時(shí)間的增加，臭氧的殺滅真菌能力增強(qiáng)。

基因的甲基化程度提高會(huì)降低甚至關(guān)閉基因的表達(dá)，可能導(dǎo)致菌株不能存活。Gryzinska等研究者[16]分析了臭氧處理對(duì)白色念珠菌核酸甲基化的影響。結(jié)果顯示，臭氧具有顯著的作用，總的DNA甲基化的程度取決于白色念珠菌暴露在臭氧中的時(shí)間長(zhǎng)短，長(zhǎng)時(shí)間暴露可大量地提高DNA甲基化水平。另一項(xiàng)研究中，Woloshuk等研究者[17]也探查了臭氧引起的基因表達(dá)改變，將黃曲霉置于亞致死劑量的臭氧中培養(yǎng)3 d，之后轉(zhuǎn)移到無(wú)臭氧環(huán)境中繼續(xù)培養(yǎng)，從去除臭氧后0、4、12、24 h的培養(yǎng)物分離出總RNA，將此總RNA與含有代表14 163個(gè)黃曲霉基因探針的芯片進(jìn)行雜交。表達(dá)譜表明，經(jīng)臭氧處理的培養(yǎng)物中，疏水蛋白基因和產(chǎn)孢基因的轉(zhuǎn)錄顯著降低;但也有少數(shù)基因的表達(dá)顯著上調(diào)，其中一個(gè)是CAT5，它是黃曲霉中5個(gè)可能的過氧化氫酶基因之一，在將臭氧處理的培養(yǎng)物轉(zhuǎn)移到空氣環(huán)境后4 h內(nèi)，CAT5的表達(dá)即降低到對(duì)照水平。若將空氣中生長(zhǎng)的黃曲霉轉(zhuǎn)移到臭氧環(huán)境中培養(yǎng)，CAT5的表達(dá)則在4 h后增加了3倍。

2.3 臭氧對(duì)病毒的滅活作用

病毒按侵染對(duì)象不同可分為噬菌體、植物病毒、脊椎動(dòng)物病毒、昆蟲病毒等，有些病毒對(duì)人類健康構(gòu)成威脅，而臭氧是一種有效的病毒滅活劑。諾如病毒可引起人類急性胃腸炎，Shin等研究者[18]采用濃度為0.37 mg/L的臭氧溶液處理諾如病毒，10 s后該病毒被滅活大于3個(gè)對(duì)數(shù)單位;在另一項(xiàng)研究中Brié等研究者[19]也得到類似結(jié)果，將吸附在樹莓上的小鼠諾如病毒暴露于3 ppm的氣態(tài)臭氧中，1 min后導(dǎo)致此病毒大于3.3個(gè)對(duì)數(shù)單位的滅活。Petry等研究者[20]報(bào)告了將單純皰疹病毒1（HSV-1）和牛皰疹病毒1（BoHV-1）暴露于臭氧中3 h，兩者的滴度下降分別為90.0%和99.62%。

不同種類的病毒對(duì)臭氧的敏感性不同。Wolf等研究者[21]測(cè)試了5種腸道病毒和4種噬菌體，分別是柯薩奇病毒B5（CVF、CVEnv1和CVEnv2）、人腺病毒（HadV）、?？刹《?1（EV）、噬菌體（MS2、Qβ、T4和 Φ174），建立起一個(gè)批處理系統(tǒng)可定量描述臭氧暴露與病毒滅活的關(guān)系。所測(cè)病毒的二階臭氧滅活速率常數(shù)在4.5×105～3.3×106 mol/l s之間。這些病毒中Qβ對(duì)臭氧最敏感，敏感順序依次為Qβ>CVEnv2>EV≈MS2>Φ174≈T4>HAdV>CVF≈CVEnv1。

一些學(xué)者對(duì)臭氧滅活病毒的機(jī)理進(jìn)行了分析研究。Jiang等研究者[22]采用細(xì)胞培養(yǎng)、長(zhǎng)重疊RT-PCR和斑點(diǎn)雜交等方法，探討臭氧誘導(dǎo)脊髓灰質(zhì)炎病毒1型（PV1）失活的機(jī)制。結(jié)果表明，臭氧主要通過破壞PV1基因組的5'-非編碼區(qū)（5'-NCR）使PV1失活，臭氧對(duì)5'-NCR的80～124核苷酸（nt）區(qū)域有特異性的損傷;重組病毒基因組RNA感染模型證實(shí)缺少該區(qū)域的PV1是非傳染性的。Tizaoui[23]通過分子建模評(píng)估SARS-CoV-2病毒結(jié)構(gòu)中具有代表性的關(guān)鍵分子對(duì)臭氧的反應(yīng)性，建模顯示臭氧能攻擊病毒包膜刺突上的蛋白質(zhì)和脂類，特別是針對(duì)色氨酸、蛋氨酸、半胱氨酸，以及花生四烯酸、亞油酸和油酸;從建模結(jié)果推斷臭氧可能起到滅活SARS-CoV-2的作用。

2.4 臭氧對(duì)原蟲的滅活作用

原蟲為單細(xì)胞真核動(dòng)物，廣泛分布于海洋、土壤、水體或腐敗物內(nèi)，有一些寄生的原蟲對(duì)人體有害，例如溶組織內(nèi)阿米巴、藍(lán)氏賈第鞭毛蟲等通過水源或食物傳播引起疾病流行爆發(fā)。臭氧的氧化性高于氯、二氧化氯、氯胺，是一種更有效的滅活原蟲寄生蟲的消毒劑。王尚等研究者[24]采用DAPI和PI熒光活體染色法對(duì)臭氧滅活水中微小隱孢子蟲卵囊的效果進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，臭氧濃度為0.3 mg/L處理60 min，滅活率為99.81%，若將濃度提高到3 mg/L，達(dá)到99.99%的滅活率只需10 min，此外溫度、色度、pH對(duì)滅活效果也有一定的影響。另一項(xiàng)研究中，Ran等研究者的研究中也報(bào)道了相似的測(cè)試數(shù)據(jù)，濃度高于3 mg/L的臭氧處理隱孢子蟲7 min可獲得顯著的滅活效果;同時(shí)通過掃描電鏡觀察隱孢子蟲細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的變化，未接觸臭氧的細(xì)胞呈圓球形，接觸臭氧60 s時(shí)細(xì)胞折起內(nèi)陷，接觸480 s時(shí)隱孢子蟲細(xì)胞膜完全皺縮、塌陷、爆裂[25]。

原蟲的包囊有較厚的壁，抗逆性強(qiáng)，因而能在外界環(huán)境中存活較長(zhǎng)時(shí)間，例如藍(lán)氏賈第鞭毛蟲的包囊在水中和涼爽環(huán)境中可存活數(shù)天至1個(gè)月之久。Nakada等研究者[26]的研究顯示了較低濃度的臭氧（5 mg/L）并不能完全滅活水中的賈第蟲包囊。而Boland-Nazar等研究者[27]檢測(cè)了臭氧對(duì)橄欖油中的賈第蟲包囊滅活情況，將橄欖油中臭氧濃度調(diào)整為32、64、96、128、160 mg/g，經(jīng)過一段時(shí)間處理后此5個(gè)濃度的臭氧均導(dǎo)致賈第蟲包囊100%的死亡率，但達(dá)到這個(gè)死亡率的時(shí)間是有顯著差異的。Hikai等研究者[28]報(bào)道臭氧是有效的消毒劑，能殺死棘阿米巴的包囊，可將臭氧用于牙科中相關(guān)水管的污染控制。

3? 臭氧消毒的應(yīng)用展望

隨著臭氧制備技術(shù)的快速進(jìn)展，臭氧作為一種化學(xué)消毒劑具有低經(jīng)濟(jì)成本、使用方便、作用快速、刺激性低、環(huán)保無(wú)殘留污染等特點(diǎn)。臭氧的消毒效果受pH值、溫度、濕度、作用時(shí)間等多種因素的影響，當(dāng)介質(zhì)中有機(jī)物含量很低時(shí)，對(duì)微生物和原蟲的滅活能力主要取決于臭氧濃度。臭氧已廣泛應(yīng)用于水消毒（飲用水、游泳池、污水）、空氣消毒、食品貯藏保鮮、抗感染治療等方面。目前尚有一些問題亟待解決，例如：臭氧在殺滅食品上的病原生物時(shí)如何減少與食品成分相互作用，抗感染治療中如何避免臭氧對(duì)人體正常組織細(xì)胞的損傷。因此，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，探索合適的臭氧消毒技術(shù)方法還需進(jìn)一步研究。

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