臭氧消毒研究进展及对新型冠状病毒的灭活启示
［摘要］新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情给人类社会造成了巨大威胁，因新型冠状病毒（SARS-CoV-2）在不同环境介质中稳定性的差异，使如何高效杀灭 SARS-CoV-2 成为关注的重要问题。在综述臭氧及其协同技术在病原体灭活中应用的基础上，探讨了臭氧氧化技术在 SARS-CoV-2 灭活中的应用可行性，重点阐述了该类技术对于病毒的灭活行为及机理。该综述可为臭氧氧化技术应用于水中新冠病毒灭活及其在不同媒介中的次生传播阻断提供理论依据和实践参考。
2019 年末暴发的由新型冠状病毒（SARS-CoV-2，简称“新冠病毒”）导致的全球性大规模新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情给人类社会带来了深远的影响，到 2021 年5 月为止，全球范围内已累计报道确诊病例超过 1 亿例。新冠病毒在人群中主要通过空气（呼吸道飞沫）和物理接触进行传播。SARS-CoV-2 不具有细胞结构，而是由核糖核酸（RNA）和结构蛋白组成，因外观像“皇冠”而得名。其中 RNA 是病毒的遗传物质，而其结构蛋白包括囊膜蛋白（E）、膜蛋白（M）、核衣壳蛋白（N）和刺突蛋白（S）4 种组分，起到保护病毒核酸和与宿主细胞结合的作用。目前，有研究表明新冠病毒的刺突蛋白会首先与人体细胞中的血管紧张素转化酶 2（ACE2）结合进而达到攻击人体细胞的目的，其中刺突蛋白1（S1）与 ACE2 结合的能力是 SARS 病毒（SARS-CoV，同属冠状病毒，导致 2013 年 SARS疫情）的 10~20 倍，这也是 SARS-CoV-2 相比于 SARS-CoV 传染性高和致病性强的内在原因。因此基于新冠病毒的结构组成和致病原理，阻断其传播致病的途径主要有：（1）抑制和干扰 SARS-CoV-2 的刺突蛋白与人体细胞的结合路径；（2）直接破坏 SARS-CoV-2 的刺突蛋白结构，使病毒无法与宿主细胞结合从而失去感染性；（3）破坏 SARS-CoV-2 的核衣壳蛋白结构，进而使 RNA 失去保护而解体；（4）破坏 SARS-CoV-2 的 RNA 链，使病毒丧失繁殖能力。
目前而言，切断病毒在介质中传播的主要手段仍以紫外消毒、氯制剂消毒和臭氧技术的传统消毒为主。其中传统的氯制剂，如广泛使用的 84 消毒液，主要是依靠次氯酸的氧化作用实现物体表面和环境的消毒。虽然次氯酸能穿透细菌的细胞壁，破坏细菌的酶系统，使细菌死亡，但是对无细胞结构的病毒的杀灭效果差，因而存在消毒效率低和持续性差等缺点。紫外消毒是通过破环微生物的坏脱氧核糖核酸（DNA）和 RNA，干扰其复制和转录，从而达到灭活的目的，该方法具有效率高、不产生二次污染、广谱性的优势，但是由于需额外提供紫外光源，因而会受到能耗、光利用率、运行成本和维护成本的限制。臭氧（O3）作为一种高反应活性分子，其氧化电位为 2.07 V，高于过氧化氢、二氧化氯、氯气和高锰酸根等氧化剂，分子本子即具有强的氧化能力。此外，臭氧在水中也能转化形成活性更高的活性氧物种（ROS），如羟基自由基（•OH，氧化电位 2.8 V），进而进行间接氧化作用。臭氧的直接和间接氧化不仅可以降解水中污染物，还可以消毒杀菌，如臭氧及其衍化产生的自由基能够灭活各种病原体，如细菌、原生动物、真菌和病毒等。因而，臭氧氧化及其协同技术在阻断新冠病毒传播和灭杀方面的具有很好的应用前景。臭氧用作消毒剂，相比于氯制剂更有效、反应时间更短且微生物再生率低。此外，臭氧技术还可以提高下游工段的效率，如能减少膜工艺中的结垢，同时过量的臭氧气体能在较短的时间内分解为氧气，因而次生环境问题相比于氯消毒技术来说大大降低。但是当前的臭氧技术也面临多种多样的问题，如为了达到有效消毒常投加高臭氧剂量，过量的臭氧虽然可以同时去除有机微污染物，但也会腐蚀管道设备，且与溶解的有机微污染物发生不完全氧化反应会产生毒害消毒副产物，这一过程不仅增加了能耗，而且会带来一定的环境健康风险。因而针对实际应用，优化臭氧消毒技术及臭氧耦合消毒工艺的开发也成为了未来的重要发展方向。
笔者通过综述臭氧及臭氧协同技术在原生动物、细菌和病毒等病原微生物灭活中的应用，并结合很新关于臭氧技术用于灭活新冠病毒 SARS-CoV-2 的研究，深入探究臭氧对新冠病毒的灭活行为及机理，提出此类技术的适用性及未来发展方向，由此可为臭氧氧化技术应用于新冠病毒灭活及其在不同媒介中的次生传播阻断提供理论依据和实践参考。
冀豪栋，孙丰宾，赖波，刘文
1. 北京大学环境科学与工程学院水沙教育部重点实验室，北京 100871；
2. 北京大学国家环境保护河流全物质通量重点实验室，北京 100871；
3. 四川大学建筑与环境学院；中德水环境与健康研究中心，四川成都 610065；
4. 中国医学装备协会医院建筑与装备分会医院水系统研究中心，四川成都 610065）
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