臭氧消毒的研究進展

陸偉宏 盧惠萍 方琦

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

摘? 要：臭氧是一種強氧化劑，相較于其他化學消毒劑具有顯著的優點，在消毒領域日益受到重視而廣泛應用。臭氧的制備方法有紫外線輻射法、電暈放電法、電解法，固態聚合物電解質（SPE）電解技術的快速發展讓臭氧的使用變得更經濟方便。臭氧對細菌、病毒、真菌、原蟲有很強的殺滅能力，該文介紹了近期臭氧消毒方面的研究成果。不同的種屬對臭氧的敏感性不同，針對具體的應用環境，應綜合考慮各方面因素，以提高臭氧消毒的效能。

關鍵詞：臭氧? 消毒? 細菌? 病毒? 真菌

中圖分類號：TS201.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：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年由德國化學家Schonbein發現并命名。臭氧又稱為超氧、三原子氧，化學式是O3，分子量47.998，是一種有魚腥氣味的淡藍色氣體。臭氧是一種高效的消毒劑，有很強的氧化性，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;對病毒、細菌、真菌、原蟲等有很強的滅活效果;臭氧在氧化消毒過程中轉變成分子氧，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;在醫療衛生、食品果蔬保鮮、清潔飲用水等領域已廣泛應用臭氧作為消毒技術手段。臭氧對微生物的殺滅主要機制是與細胞成分發生氧化反應，細胞膜中含有不飽和脂，脂中的雙鍵被氧化后導致胞膜受損從而引起細胞內容物外泄和細胞裂解;細胞內有些酶和蛋白質含有半胱氨酸、甲硫氨酸、色氨酸，這些對臭氧敏感的氨基酸殘基被氧化后致使酶變性失活、蛋白質失去正常功能。

1? 臭氧的制備

在常溫常壓下臭氧的半衰期一般是20～40 min，穩定性較差，需要臭氧時通常采用現場制備[1]。產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，進而形成臭氧[3]。此法制備臭氧不需要復雜的轉換設備，不易產生副產物，不足之處是得到的臭氧濃度低，不適于工業化生產和應用。實驗室等密閉空間常采用臭氧和紫外線的協同作用進行消毒。

1.2 電暈放電法

在兩個電極之間放置絕緣介質，并保持一定的放電間隙，當外加交流高壓（約1 500 V）于兩個電極時，均勻的藍紫色電暈放電出現在放電間隙，當空氣通過電暈放電區時，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，氮氣在高壓電擊時與氧氣發生反應形成二氧化氮等有毒物質造成環境污染;此方法還需要配置高壓設備、干燥系統和冷卻裝置，不僅增加投資費用而且使設備體積過大不易移動和維修。故電暈放電法在有些消毒領域的應用受到了限制。

1.3 電解法

電解法產生臭氧的技術是利用低壓直流電源對水進行電解，在陽極釋出臭氧，在陰極釋出氫氣或者進行氧還原反應。電解法制備臭氧的裝置相對輕便，主要含有電源、電解質和陰陽電極。陽極材料必須具有強抗腐蝕性、良好的導電性、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，臭氧產量低，運行費用高。

近年來，固態聚合物電解質（Solid polymer electrolyte，SPE） 電解技術快速發展起來。代替傳統的液體電解質的SPE膜是一種離子交換膜，使用時只需將去離子水加入到SPE膜復合電極體中即可發生電解反應。SPE電解技術極大程度上的增加了電解反應的比表面積，電流效率高、能耗低、臭氧產量高、臭氧純度高、不會產生氮氧化物等二次污染[5]。這些優勢使SPE電解技術成為臭氧技術發展的新趨勢，將具有巨大的市場潛力。

2? 臭氧的消毒作用

2.1 氧對細菌的滅活作用

不同屬和種的細菌對臭氧的敏感性有差異。陳夢曦等研究者[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行定量殺菌試驗，在消毒機箱內壓強為50 kPa，臭氧濃度為8.33 mg/L的條件下消毒60 s后，3種菌的殺滅對數值分別為5.91、5.90、6.04。有的學者認為革蘭氏陰性細菌相較于革蘭氏陽性菌對臭氧更為敏感，但有些實驗并不支持這個觀點。Martinelli等[7]的一項研究報道臭氧對水中金黃色葡萄球菌有很強的抑制作用，滅活率為98.9%，對嗜肺軍團菌、糞鏈球菌、銅綠假單胞菌的滅活率分別為87.5%、64.2%、57.4%，對大腸桿菌的滅活率僅為26.4%。

通常來說，對臭氧處理的抵抗力芽胞比營養細胞要強。Akbas等研究者[8]采用1.0 ppm的氣態臭氧處理蠟樣芽胞桿菌的營養細胞和芽胞，暴露相同時間后，營養細胞數量減少了3.5個對數單位，但芽胞數量只減少了2個對數單位。在另一項研究中，Ding等研究者[9]比較了5種細菌的營養細胞和3種細菌的芽胞對臭氧的抵抗力，發現營養細胞對臭氧的抗性均低于芽胞的抗性，其中抗性最強的是蠟樣芽胞桿菌的芽胞。這些研究表明要達到同樣的滅活效果，芽胞需要更高的臭氧濃度或更長的處理時間。

細菌存在的環境因素影響臭氧處理的滅活效果。Ofori等人[10]研究了4種有機溶劑乙醇、甲醇、乙酸乙酯和二甲基亞砜（DMSO）對臭氧滅活水中的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的影響。在每種有機溶劑濃度分別為2.5%和5%時測定臭氧的吸收和分解率，并構建效率因子Hom模型描述失活動力學。結果表明，乙酸乙酯和二甲基亞砜提高了臭氧的穩定性，在這兩種溶液中臭氧對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。

臭氧暴露導致細菌死亡，然而細菌可能存在一些防御調控機制來緩和這種致死作用。粘質沙雷氏菌是一種機會性病原菌，Ondarza[11]研究了色素沉積和過氧化氫酶活性對此種菌在臭氧暴露時的存活率的影響。實驗數據顯示，指數生長期的菌株過氧化氫酶活性提高了，菌株的存活率也相應增加;而靈菌紅素未能增加菌株的存活率。該結果提示過氧化氫酶可能是細菌減輕臭氧致死機制的一部分。Feng等研究者[12]研究的副溶血性弧菌實驗也得到類似結論，臭氧溶液濃度小于0.125 mg/L時，副溶血性弧菌利用過氧化氫酶和超氧化物歧化酶來進行解毒，細胞膜保持完整;當臭氧濃度大于1 mg/L，透射電鏡證實細胞膜出現損傷，臭氧水溶液通過滲漏的膜進入細胞，使酶失活DNA降解，最終導致細菌死亡。

2.2 臭氧對真菌的滅活作用

氣態臭氧和臭氧水溶液是有效的抗真菌劑，對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象，調查發現用10 mg/L的臭氧水懸液作用黑曲霉孢子，處理時間達到3 min，孢子的滅活率為100%。劉煥軍等研究者[14]從發病的獼猴桃中分離出擴展青霉菌和灰葡萄孢菌兩種病原真菌，研究了臭氧對這兩種真菌孢子萌發的影響;采用170 mg/m3的臭氧處理后，擴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%。

真菌包括單細胞的酵母菌和絲狀的霉菌，胡林鳳等研究者[15]調查了4種酵母菌在不同濃度和作用時間下對氣態臭氧的敏感性。當用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，處理時間延長為45 min，則滅活率都顯著提高，分別是66.57%、88.91%、78.66%、84.86%;當時間仍為45 min，臭氧濃度增為2 736 mg/m3，這4種念珠菌的滅活率均達到100%。數據表明隨著臭氧濃度和處理時間的增加，臭氧的殺滅真菌能力增強。

基因的甲基化程度提高會降低甚至關閉基因的表達，可能導致菌株不能存活。Gryzinska等研究者[16]分析了臭氧處理對白色念珠菌核酸甲基化的影響。結果顯示，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間長短，長時間暴露可大量地提高DNA甲基化水平。另一項研究中，Woloshuk等研究者[17]也探查了臭氧引起的基因表達改變，將黃曲霉置于亞致死劑量的臭氧中培養3 d，之后轉移到無臭氧環境中繼續培養，從去除臭氧后0、4、12、24 h的培養物分離出總RNA，將此總RNA與含有代表14 163個黃曲霉基因探針的芯片進行雜交。表達譜表明，經臭氧處理的培養物中，疏水蛋白基因和產孢基因的轉錄顯著降低;但也有少數基因的表達顯著上調，其中一個是CAT5，它是黃曲霉中5個可能的過氧化氫酶基因之一，在將臭氧處理的培養物轉移到空氣環境后4 h內，CAT5的表達即降低到對照水平。若將空氣中生長的黃曲霉轉移到臭氧環境中培養，CAT5的表達則在4 h后增加了3倍。

2.3 臭氧對病毒的滅活作用

病毒按侵染對象不同可分為噬菌體、植物病毒、脊椎動物病毒、昆蟲病毒等，有些病毒對人類健康構成威脅，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個對數單位;在另一項研究中Brié等研究者[19]也得到類似結果，將吸附在樹莓上的小鼠諾如病毒暴露于3 ppm的氣態臭氧中，1 min后導致此病毒大于3.3個對數單位的滅活。Petry等研究者[20]報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%。

不同種類的病毒對臭氧的敏感性不同。Wolf等研究者[21]測試了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）、埃可病毒11（EV）、噬菌體（MS2、Qβ、T4和 Φ174），建立起一個批處理系統可定量描述臭氧暴露與病毒滅活的關系。所測病毒的二階臭氧滅活速率常數在4.5×105～3.3×106 mol/l s之間。這些病毒中Qβ對臭氧最敏感，敏感順序依次為Qβ>CVEnv2>EV≈MS2>Φ174≈T4>HAdV>CVF≈CVEnv1。

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

2.4 臭氧對原蟲的滅活作用

原蟲為單細胞真核動物，廣泛分布于海洋、土壤、水體或腐敗物內，有一些寄生的原蟲對人體有害，例如溶組織內阿米巴、藍氏賈第鞭毛蟲等通過水源或食物傳播引起疾病流行爆發。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熒光活體染色法對臭氧滅活水中微小隱孢子蟲卵囊的效果進行了研究。結果顯示，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，達到99.99%的滅活率只需10 min，此外溫度、色度、pH對滅活效果也有一定的影響。另一項研究中，Ran等研究者的研究中也報道了相似的測試數據，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;同時通過掃描電鏡觀察隱孢子蟲細胞超微結構的變化，未接觸臭氧的細胞呈圓球形，接觸臭氧60 s時細胞折起內陷，接觸480 s時隱孢子蟲細胞膜完全皺縮、塌陷、爆裂[25]。

原蟲的包囊有較厚的壁，抗逆性強，因而能在外界環境中存活較長時間，例如藍氏賈第鞭毛蟲的包囊在水中和涼爽環境中可存活數天至1個月之久。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]檢測了臭氧對橄欖油中的賈第蟲包囊滅活情況，將橄欖油中臭氧濃度調整為32、64、96、128、160 mg/g，經過一段時間處理后此5個濃度的臭氧均導致賈第蟲包囊100%的死亡率，但達到這個死亡率的時間是有顯著差異的。Hikai等研究者[28]報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水管的污染控制。

3? 臭氧消毒的應用展望

隨著臭氧制備技術的快速進展，臭氧作為一種化學消毒劑具有低經濟成本、使用方便、作用快速、刺激性低、環保無殘留污染等特點。臭氧的消毒效果受pH值、溫度、濕度、作用時間等多種因素的影響，當介質中有機物含量很低時，對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人體正常組織細胞的損傷。因此，針對不同的應用場景，探索合適的臭氧消毒技術方法還需進一步研究。

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