功率空气传播超声波与紫外线辐射联合对细菌的杀菌效果

《Ultrasonics Sonochemistry》：Sterilization effect of power airborn ultrasound combined with ultraviolet radiation on bacteria

本研究通过结合超声波和紫外线光处理，评估了其对气溶胶中大肠杆菌的杀菌效果，并探讨了其作用机制。实验结果表明，联合处理在120秒内实现了超过95%的杀菌效率，显著优于单独处理。通过电镜观察、电导率测定、β-半乳糖苷酶活性和ATP含量分析，发现超声波和紫外线协同作用破坏了细菌的细胞壁和内部结构，干扰能量代谢，从而高效灭活病原体。该研究为快速、高效控制呼吸道疾病传播提供了新方法。

　　本研究聚焦于如何高效地控制急性呼吸道感染，这在公共卫生领域具有重要意义。急性呼吸道感染（ARIs）是全球范围内对人类健康构成重大威胁的疾病之一，其高发病率和死亡率使开发有效的消毒方法成为当务之急。呼吸道病毒主要通过气溶胶传播，而气溶胶具有高度传染性，能够迅速扩散并引发严重并发症，例如呼吸衰竭和器官功能障碍。因此，探索一种快速、高效的消毒技术，以有效灭活空气中传播的病原体，对于控制疾病传播至关重要。

目前，常用的空气消毒方法包括化学消毒剂、紫外线光催化、微波、紫外线、等离子体、物理吸附、臭氧消毒等。尽管这些技术在某些应用场景中取得了显著成效，但它们在处理气溶胶中包被的病原体时，往往表现出一定的局限性。许多研究集中在消毒的抑制效果，而对消毒过程中的微观机制探讨相对较少。这种知识的缺乏限制了消毒技术的进一步优化和应用。因此，深入了解这些机制对于提升消毒效率具有重要意义。

在这一背景下，研究者提出了一种将空气传播的超声波（US）与紫外线（UV）相结合的新型消毒方法。空气传播的超声波技术因其环保、非热性、高安全性等优点，在饮用水消毒、食品卫生和医疗领域广泛应用。然而，单独使用中等至高强度的超声波可能不足以有效灭活病原体。而将超声波与紫外线相结合，可以显著增强灭菌效果。超声波的机械剪切和空化效应能够增强液体的动态清洁能力，破坏悬浮的固体颗粒，生成空化气泡，从而提高紫外线的穿透力和灭菌效率。此外，超声波在非接触式微生物灭活方面也展现出潜力，使其成为一种有前景的空气消毒手段。

本研究使用一种定制的设备，该设备能够同时发射40瓦、频率为20-30千赫兹的空气传播超声波，以及由六个0.6瓦深紫外LED灯发出的275纳米紫外线。实验中，研究人员使用了包裹在气溶胶中的大肠杆菌（*Escherichia coli*）作为研究对象，评估该联合处理对细菌的灭活效果。研究结果表明，联合处理对细菌的内外结构产生了显著的影响。超声波的空化效应导致细菌表面结构受损，而微流体效应则破坏了细胞质基质。同时，细菌壁的破坏程度可以通过电导率和β-半乳糖苷酶活性的变化来衡量。研究发现，联合处理显著提高了电导率和β-半乳糖苷酶活性，这表明细菌壁的完整性已被破坏，导致细胞内容物的泄漏。

此外，细胞内物质如可溶性蛋白质和三磷酸腺苷（ATP）含量的显著下降，进一步支持了超声波导致的细胞内容物泄漏。超声波处理后，ATP酶活性也明显降低，表明细菌的能量代谢受到了干扰。联合使用空气传播超声波和紫外线处理后，细菌的灭活效率显著提高。在120秒内，联合处理能够实现超过95%的细菌灭活，而对照组在未处理的情况下，细菌存活数为930±156.986 CFU，而联合处理组在120秒后仅剩下56.667±15.965 CFU。这种效果在15秒内就已经显现，显著优于单独使用紫外线或超声波处理的效果。

从实验结果来看，空气传播超声波与紫外线的联合使用在气溶胶中的灭菌效果远超单一方法。这一发现为控制呼吸道病毒传播提供了新的技术路径。传统上，超声波与紫外线在液体或固体介质中的灭菌效果已被广泛验证，但其在气溶胶中的应用仍处于探索阶段。本研究首次系统地验证了该技术在气溶胶灭菌中的有效性，并且在处理时间上表现出显著优势。例如，与其他超声波结合技术相比，本研究的优化超声波-紫外线系统能够在几秒钟内达到与传统方法在几分钟内相似的灭菌效果。这一突破性进展不仅提高了处理效率，还解决了当前空气中病原体控制面临的技术瓶颈。

研究团队通过多种方法评估了联合处理对细菌结构和代谢的影响。其中包括扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）用于观察细菌形态的变化，电导率和β-半乳糖苷酶活性用于衡量细胞壁的完整性，以及蛋白质含量和ATP水平的检测用于评估细胞内容物的泄漏情况。这些方法共同揭示了联合处理对细菌结构和功能的破坏机制。例如，SEM图像显示，未经处理的细菌具有连续、光滑、完整的细胞壁，而紫外线处理后，细菌形态基本保持不变，仅出现少量的孔隙。相比之下，超声波处理后，细菌表面变得粗糙，细胞结构明显受损。联合处理则导致了更严重的细胞壁破裂、细胞内容物泄漏和细胞碎片的形成。

透射电子显微镜（TEM）进一步揭示了联合处理对细菌内部结构的破坏。结果显示，超声波处理后的细菌内部结构出现了明显的紊乱，细胞质中的物质被破坏并释放到细胞外。这种细胞内容物的泄漏与电导率和β-半乳糖苷酶活性的增加相吻合，表明细胞膜的完整性已被破坏。此外，ATP含量的显著下降也表明细菌的能量代谢受到了影响。ATP酶活性的降低进一步支持了这一结论，表明超声波与紫外线的联合使用可能干扰了细菌的能量供应系统，从而影响其代谢功能。

为了更全面地评估联合处理的效果，研究团队还进行了细菌存活率的对比实验。实验中，细菌被分别暴露于紫外线、超声波以及联合处理条件下，并在不同时间点（15秒、30秒、60秒、90秒和120秒）测量其存活数量。结果显示，联合处理在短时间内（15秒）就能显著降低细菌的存活数量，而在120秒时，存活数量仅为56.667±15.965 CFU，远低于紫外线或超声波单独处理的效果。这一结果表明，联合处理在灭菌效率上具有显著优势，尤其适用于需要快速响应的高风险环境，如医疗机构和公共空间。

本研究的意义不仅在于验证了超声波与紫外线联合处理的灭菌效果，还在于揭示了其作用机制。通过分析细菌的结构变化、细胞内容物的泄漏以及代谢功能的干扰，研究团队为理解这一新型灭菌技术提供了理论支持。此外，研究还强调了该技术在实际应用中的潜力，特别是在快速灭活气溶胶中的病原体方面。与传统的灭菌方法相比，该技术能够在极短的时间内达到高效的灭菌效果，这为未来开发更高效、更快速的空气消毒设备提供了科学依据。

综上所述，本研究展示了空气传播超声波与紫外线联合处理在灭活气溶胶中病原体方面的显著优势。通过实验，研究团队不仅验证了该技术的高效性，还揭示了其作用机制，为未来在医疗和公共健康领域的应用奠定了基础。随着技术的不断进步，这种结合超声波与紫外线的灭菌方法有望成为控制呼吸道感染传播的重要工具。