揭秘臭氧化过程中羟基自由基的病毒灭活潜力：对水传播病毒灭活的影响

水中病毒污染相关的公共卫生风险增加，导致人们非常重视有效的消毒策略。臭氧是一种广泛用于灭活病原体的强效消毒剂，但详细说明臭氧化过程中产生的羟基自由基 （•OH） 的杀病毒功效的综合报告有限。本研究详细破译了 •OH 在臭氧消毒过程中的作用和影响因素，从动力学和分子生物学的角度阐明了 •OH 如何增强臭氧介导的病毒灭活。Phi6 （9.67 × 1010 M^–1 s^–1） 和 PhiX174 （3.85 × 1010 M^–1 s^–1） 的臭氧衍生 •OH 的灭活速率常数比臭氧分子高 4-5 个数量级。在 20 °C 和 pH 7.0 时，•OH 对降低病毒感染性的贡献已被量化为 11.3% 至 52.7%。当 pH 值从 6.0 升高到 8.0 时，•OH 的产量显着增加，这是臭氧加速病毒表观灭活率的主要原因。温度升高 （10–30 °C） 对 •OH 产量的影响可以忽略不计，但通过增强氧化剂与病毒颗粒的反应性来促进病毒去除。•OH 对病毒基因组造成的损害大大超过臭氧造成的损害，在 •OH 存在下基因拷贝的减少是单独使用臭氧观察到的效果的 297%–343%。使用密度泛函理论静态计算预测臭氧和 •OH 与病毒遗传物质的潜在相互作用位点，并进一步进行比较。本研究为 •OH 有效控制 3 种水生病毒的灭活能力和潜在机制提供了全面的见解，为利用臭氧衍生的 •OH 的高级氧化特性开发创新的水消毒策略奠定了理论基础。

正文：

研究背景

水传播病毒是全球人类健康威胁之一，例如诺如病毒和轮状病毒，它们通过污染水源传播，导致人类胃肠炎。因此，污水处理厂生化反应后有效灭活水传播病毒对于降低病原体风险至关重要。

研究方法

研究者选择了Phi6和PhiX174两种噬菌体作为人类病毒的替代品，它们分别与假单胞菌和大肠杆菌共生。通过连续淬灭流动系统进行臭氧灭活实验，量化了•OH在病毒灭活中的贡献，并分析了其动力学。

研究发现

研究发现，与臭氧分子相比，臭氧衍生的•OH对Phi6和PhiX174的灭活速率常数高出4-5个数量级。在20°C和pH 7.0的条件下，•OH对病毒传染性减少的贡献比例在11.3%到52.7%之间。pH值从6.0上升到8.0时，•OH的产量显著增加，这是臭氧加速病毒灭活率的主要原因。温度从10°C升高到30°C对•OH产量影响不大，但通过增强氧化剂与病毒颗粒的反应性，有助于病毒的去除。

研究意义

•OH对病毒基因组的损伤远超臭氧，其基因副本的对数减少在•OH存在下比单独臭氧作用时高出297-343%。通过密度泛函理论静态计算预测了臭氧和•OH与病毒遗传物质的潜在作用位点，并进行了比较。这项研究为有效控制水传播病毒的•OH灭活能力和作用机制提供了深入见解，为利用臭氧衍生的•OH的高级氧化特性开发创新的水消毒策略奠定了理论基础。

结论： 本研究在相同系统中定量比较了•OH和臭氧对病毒灭活的速率和贡献，并通过对病毒基因组的作用机制进行了理论计算和实验验证的比较分析。研究结果表明，•OH在臭氧介导的病毒灭活中起着重要作用，不仅显著提高了灭活效率，而且在靶向和破坏病毒遗传物质方面表现更优。这些发现对于实际处理过程中提高水环境中病毒缓解的有效性具有重要意义，有助于保障公共水安全，促进环境健康，并为可持续水管理做出贡献。

图 1. 示意图说明了分子臭氧和 •OH 自由基灭活病毒的机制。

参考文献：

Liang, Z., Xu, C., Zhou, X., Huang, X., Zhang, X. (2025). Deciphering the virucidal potential of hydroxyl radical during ozonation: Implications for waterborne virus inactivation. Water Research, 272, 122982.