联用KrCl准分子灯（222 nm）和NH₂Cl实现饮用水中黑曲霉的最佳灭活

研究背景

黑曲霉（Aspergillus niger）是饮用水、输配管网滤料与生物膜中高频检出丝状真菌，常规游离氯、一氯胺（NH₂Cl）消毒对真菌孢子灭活效率有限，菌丝致密结构与胞外聚合物会削弱消毒剂穿透能力，易造成管网真菌异味、二次污染。222 nm KrCl 准分子紫外灯属于无臭氧远紫外光源，可靶向损伤微生物核酸，但单一紫外对深层包裹孢子灭活不彻底；紫外-氯胺协同耦合体系可互补两种工艺优势，目前二者协同灭活黑曲霉的剂量匹配最优条件、微观损伤分子机制尚不明确。本研究系统优化222 nm KrCl紫外耦合一氯胺工艺参数，解析协同灭活通路与菌体损伤机理，为饮用水丝状真菌高效消毒提供理论支撑。

研究方法

以纯水体系黑曲霉孢子为受试对象，设置单一222 nm KrCl 紫外、单一NH₂Cl、紫外-氯胺协同三组对照；梯度调控紫外辐照剂量、一氯胺投加浓度、体系 pH，测定不同工况下黑曲霉对数灭活率，确定最优耦合工艺参数；采用扫描电镜（SEM）观测孢子形态破损，流式细胞仪定量细胞膜完整性，分光光度法检测胞内核酸、蛋白泄漏量；结合自由基淬灭试验识别体系核心活性氧化物种（ROS），解析协同氧化损伤机制；配套灭活效率折线图、微观形貌图、自由基贡献占比图、胞内物质泄漏柱状图展示结果。

主要结果

222 nm KrCl 紫外与一氯胺存在显著协同灭活效应，存在最优耦合剂量配比实现黑曲霉最大化灭活单一222 nm紫外或单一氯胺对黑曲霉孢子灭活均存在明显平台期，单独工艺最高仅能实现2.1~2.7 log 灭活；二者耦合后协同作用显著，最优工况（特定紫外辐照剂量+中性条件低浓度 NH₂Cl）可达到 4.6 log 以上孢子灭活，证实两种工艺存在同增效作用。过高氯胺投量会产生遮光副产物、削弱紫外光子穿透，过高紫外剂量无额外增效，仅在匹配区间可实现最优协同效果；中性pH条件下协同灭活效率显著优于酸性、碱性环境。

图1.灭活动力学协同增效结果

耦合体系生成多重活性自由基，羟基自由基、氯自由基是损伤黑曲霉的核心氧化介质自由基淬灭试验证实，222 nm 紫外可光解一氯胺生成・OH、Cl・、Cl₂・⁻等多种活性氧化物种；其中羟基自由基与氯自由基对孢子灭活总贡献占比超 75%。单一氯胺仅依靠缓慢氧化作用，自由基产量极低；单一222 nm 紫外仅直接破坏DNA，无持续氧化自由基；耦合体系兼具紫外直接核酸损伤与自由基持续氧化，形成双重杀伤通路。

图2.孢子表观结构与细胞膜损伤特征

协同工艺同步破坏孢子细胞壁、细胞膜结构，引发胞内大分子大量外泄，不可逆丧失增殖能力。SEM 观测可见，协同处理后黑曲霉孢子表面褶皱、细胞壁穿孔破碎，远重于单一工艺造成的轻微皱缩；流式检测显示细胞膜完整性破损率提升60%以上，大量胞内DNA、蛋白质渗漏至水体。单一紫外仅造成核酸断裂，细胞膜结构相对完整，残留孢子存在修复复活风险；单一氯胺仅缓慢腐蚀外壁；耦合体系实现结构屏障+遗传物质双重不可逆损伤，彻底阻断孢子修复再生。

图3.不同淬灭剂下自由基灭活贡献占比定量

研究结论

222 nm KrCl 准分子紫外与一氯胺联用对黑曲霉孢子具备显著协同灭活效果，存在紫外剂量、氯胺浓度、pH 最优匹配区间，可大幅提升丝状真菌灭活效率；耦合体系通过光解一氯胺生成高活性羟基、氯自由基，结合 222 nm 紫外直接核酸破坏形成双重杀伤机制；协同消毒可不可逆损毁孢子细胞壁与细胞膜，造成胞内核心生物大分子外泄，完全消除真菌修复复活隐患。该耦合消毒方案弥补单一氯胺、传统紫外对丝状真菌灭活不足的缺陷，适用于饮用水厂、管网末端真菌污染深度控制。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.124544.