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人类文明的发展史, 也是一部与病原微生物的斗争史[1]. 历史上曾多次出现过由病原微生物导致的重大传染病事件. 古希腊“雅典大瘟疫”导致雅典在战争中失败, 古希腊文明由盛转衰[2 − 3]. 古罗马“安东尼瘟疫”, 夺取了数百万人的生命[4]. 拜占庭“查士丁尼瘟疫”持续了将近1年时间[5]. 欧洲黑死病夺走了
2500 万欧洲人的性命, 占当时欧洲总人口的1/3[6]. 20世纪末的埃博拉病毒导致了当今世界上最致命的病毒性出血热[7 − 9]. 新世纪以来, 人类再次遭遇了2003年SARS和2019年新型冠状病毒肺炎疫情, 两次疫情均给人类健康和社会经济发展带来了不可估量的重创, 从某种意义上讲, 甚至影响了人类发展的历史进程[10 − 13]. 因此, 如何防控重大新发突发传染病、动植物疫情, 应对生物恐怖及生物战导致的病原微生物大规模传播是人类面临的巨大挑战.病原微生物的传播过程有三个要素: 传染源、传播途径、易感人群, 其传播方式包括两大类, 一是亲代关系之间的纵向垂直传播, 如胎盘传播、产道传播等, 二是群体或个体之间的横向水平传播, 如水媒传播、接触传播、空气传播等[14]. 常见病原微生物类型如表1所示, 相较于纵向垂直传播, 横向水平传播的方式更为复杂和广泛. 病原微生物可以通过水媒进行传播, 人饮用不清洁的水体后可以引起霍乱、腹泻、疟疾等疾病, 一般通过过滤、煮沸等方法可以截留和杀死水体中绝大多数病原微生物. 而对于空气传播而言, 由于人90%的活动时间均在室内, 一些病原微生物即使存在浓度非常低, 也能随人体的呼吸或接触活动进入体内, 引发感染. 如图1所示, 通风不畅或无法通风会导致病原微生物难以稀释, 加之以飞沫、气溶胶形式在空气中传播的病原微生物较难控制, 因此极易形成大规模病原微生物感染事件, 如2003年的SARS病毒和2019年的新型冠状病毒均通过空气传播, 并导致了严峻的疫情[15 − 18]. 显然, 切断宿主间病原微生物的传播途径是防控病原微生物感染事件的重要途径之一, 而对空气和物表进行消毒可以有效地阻断病原微生物的传播[19 − 22]. 利用空气消毒技术, 可以破坏病原微生物细胞膜或细胞壁, 改变细胞的通透性, 还能作用于DNA、RNA、磷脂、蛋白质和酶等物质, 影响其复制、转录和翻译等活动, 进而导致病原微生物灭活[23 − 26]. 在生物科学技术飞速发展和生物安全问题日趋严峻的当下, 以这些技术为核心的空气消毒器在家庭生活、社会运转中的作用越来越重[27 − 29].
防控经由空气传播病原微生物大规模传染的关键在于加强空气消毒技术及设备研发, 尽管各大企业纷纷加入空气消毒器市场, 但单一消毒手段和模式存在消毒不彻底、副产物残留等问题, 如Lanao等[30]在研究中使用O3和H2O2一起处理产气芽孢杆菌, 3.6 mg·L−1 O3处理58.2 s后达到99.99%的杀菌效率, 而2.7 mg O3与1.14 mmol·L−1 H2O2共同处理, 仅45 s就达到了99.99%的杀菌效率. Balagna等[31]用银纳米簇/硅涂层复合在玻璃、金属纤维空气过滤器上来处理呼吸道合胞病毒（RSV）和A型流感病毒（FluVA）, 结果表明相较于无涂层的玻璃纤维过滤器, 有涂层的玻璃纤维过滤器处理后, RSV病毒滴度减少近3个数量级, FluVA病毒滴度减少约两个数量级, 而传统空气过滤滤芯仅能实现物理吸附和截留. 而He等[32]在综述中阐明, 与贵金属或碳纳米材料复合后, TiO2的光催化剂性可以改进. 这是因为贵金属负载后能诱导产生表面等离子体共振效应和肖特基势垒, 而具有可调控结构的碳纳米材料可以提高复合材料的载流子分离性能, 提升材料催化性能. 尽管一些技术的处理性能优异, 但其本身或副产物残留问题易对人造成危害, 如使用臭氧消毒, 其残留问题会导致眼睛刺激、头痛以及呼吸道疾病和心血管问题的加剧[33 − 34]. 使用化学消毒剂过程中试剂泄露、使用后未处理排放或化学残留等, 都会对人类和动物健康产生副作用, 同时破坏生态环境平衡[35]. 而高压放电技术过程中也可能会产生臭氧等副产物, 危害人体健康[36 − 37]. 因此, 研发智慧化、多因子、高效能消毒灭菌材料及设备对疫情防控、经济发展、社会稳定和国家生物安全体系的构建具有重大意义.
本文分析了病原微生物的危害及消毒策略, 综述了各种消毒技术的消毒特点及其作用机理, 阐述了空气消毒器的研发现状及未来发展趋势.
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目前, 空气消毒器主要采用多重基于物理、化学和生物手段进行消毒的技术, 包括高效过滤、紫外消毒、静电吸附等3种物理型消毒技术, 臭氧消毒、消毒剂雾化两种化学型消毒技术, 高压放电技术、光催化技术、纳米银技术3种物理-化学消毒技术和溶菌酶技术这一生物化学消毒技术. 表2对比了不同消毒技术的特点, 它们的消毒能力、能耗、处理对象和处理范围各不相同, 有的技术通过截留和富集的方式抑制病原微生物的扩散, 有的技术在运行时甚至还会产生有害副产物, 但大多都是通过破坏细胞结构或分解生物大分子致使病原微生物失活或完全分解.
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高效过滤可以实现颗粒物或病原微生物的过滤及截留, 常见滤芯材料包括聚丙烯基纤维（PP）、聚丙烯腈基纤维（PAN）、聚乙烯醇基纤维（PVA）、新型高分子聚合物材料、纳米纤维材料等. 单一成分制备的过滤材料存在强度低、不可再生、功能单一、过滤效果差等问题, 开发多组分功能过滤材料来实现对多种污染物的截留与去除的意义重大[53]. 由多组份玻璃纤维制成的High Efficiency Particulate Air Filter（HEPA）材料过滤性能显著, 对0. 3 μm以上的颗粒物去除效率高达99. 99%[54 − 55]. HEPA已应用到绝大多数空气消毒设备中, 但过滤并未将空气中的病原微生物杀灭, 仅实现了物理拦截, 颗粒污染物在过滤介质上的沉积将会降低其工作效率, 而病原微生物在过滤材料上的富集将造成二次污染[56 − 57], 因此, 开发具备杀菌性能的复合膜过滤材料和高功能过滤材料是未来的重点发展方向. 近年来, 有研究采用复合涂层的方式, 利用有机纤维良好的生物降解性、丰富的官能团含量、极大的比表面积等优点, 将具有灭菌抗病毒性能的材料与有机纤维进行复合, 极大程度上提升了过滤和消毒效率, 如Balagna等[31]将纳米银/硅复合涂层应用在空气过滤器上, 抑制了微生物膜的形成；Park等[58]将碳纳米管负载在玻璃纤维过滤介质上, 实现了病毒的灭活. 而离心过滤等技术的出现, 可使静止的过滤部件通过旋转产生离心力, 进而减慢气溶胶的迁移速率, 提高过滤效率[59]. 过滤技术可实现颗粒物或病原微生物的截留, 但表面积尘问题仍未解决, 因此开发具备自清洁能力的滤膜十分迫切. 目前, 高效过滤多与其他消毒技术联用进行前端处理.
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紫外光波波长为10—400 nm, 位于320—400 nm的UVA区能量最小, 杀伤力最弱；位于280 nm—320 nm的UVB区虽然能造成辐射伤害, 但不足以灭活病原微生物；位于200—280 nm的UVC区具有一定的穿透力和极强的杀伤力, 能够杀死病原微生物. 紫外线杀菌辐射（GUV）正是利用UVC区紫外线的特点, 来实现病原微生物的消毒. 如图2所示, DNA和RNA的紫外吸收峰出现在260 nm处, DNA中的胸腺嘧啶和胞嘧啶、RNA中尿嘧啶和胞嘧啶吸收光子能量后会形成嘧啶二聚体, 抑制了DNA的复制、RNA的转录和蛋白质的翻译过程, 进而阻止了病原微生物的繁殖[40 − 41, 60]. 由于紫外线的成本低廉、操作简单、且消毒效率高, 因此已广泛应用到社会生产及日常生活中, 其激发光源多使用成本较低的单色汞灯, 它可以损伤病原微生物的遗传物质. 研究表明, 与单色汞灯相比, 多色灯可以通过多种机制破坏病原微生物内部结构（包括蛋白质结构）, 而采用高频无电极光源还可以通过填充不同的元素改变光谱的波长, 显著提升对病毒的消毒效果[61 − 62]. 但由于单色汞灯对眼睛刺激性较强, 可致白内障和致癌, 且汞含有剧毒, 而多色灯中也掺杂了重金属, 一旦泄漏会对人体和环境造成严重损害, 因此无法与人共存运行, 这也在一定程度上限制了紫外消毒的应用环境. 近年来, 紫外发光二极管（UV-LED, 波长< 400 nm）、深紫外发光二极管（DUV-LED, 波长< 300 nm）成为了研究的热门, 这种灯具备绿色、环保、可控的特点, 解决了传统灯管存在的重金属污染、能耗较高等问题, 在空气消毒领域表现出了较大的潜力[63]. Shimoda等[64]的研究表明, 265 nm深紫外线发光二极管（DUV-LED）辐照有效地灭活了SARS-CoV-2, 其水平与254 nm紫外线冷阴极灯相似, 且高于280 nm DUV-LED灯. 当采用紫外消毒进行大面积消杀时, 需配置大量的紫外灯管, 这会导致能耗的大幅增加, 因此紫外消毒也多与其他消毒技术进行联用处理.
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在静电吸附系统中, 电晕放电使污染物通过静电作用富集在极板上, 进而实现空气的净化[42]. 由于静电吸附技术具备吸附效率高、压降低、成本低等优点, 现已成为空气消毒设备中的常见模块. 当污染物聚集后, 可会出现反电晕现象, 粒子相互排斥甚至被局部击穿, 既消耗了大量的电能, 又降低了去除效率. Xiong等[65]用Comsol软件模拟了一个集尘通道内的流场、电场和粒子轨迹. 仿真结果表明, 在一段时间的粉尘负荷后, 通道内电场降低了, 这是因收集电极表面累积的带电粒子互相排斥所致, 实际实验结果也与仿真结果相似. 解决反电晕现象也成为科研人员关注和急需解决的重点. 有的研究试图在集电极上添加介电层来优化静电除尘效率, Mo等[66]在排斥电极上添加了一层对苯二甲酸二乙酯薄膜, 累积在颗粒物上的电荷可以通过收集电极传输到地面, 进而克服了粒子排斥的弊端使得两电极之间的击穿电压从-4 kV提升至-9 kV, 对0.3—0.5 μm颗粒的去处效率从60%提升至了92%. 但不管是对集电极还是对排斥电极进行处理, 其目的都是试图通过消除反电晕放电来提高收集效率, 并未实现病原微生物的消毒灭活, 因此, 开发具备空气消毒功能的静电消毒器十分重要. 在最新的研究成果中, FENG[67]等开发了一款静电消毒器, 通过施加6.5 kV的高压来产生更高的离子浓度, 如图3所示, 这些离子可以与病原微生物作用并使其失活, 在电荷空间密度为3.6×10−6 C·m−3的条件下, 实现了100%的病原微生物消毒效率, 与HEPA相比, 静电消毒器在不牺牲消毒效率的情况下节省99%的能耗. 尽管静电吸附的应用已十分广泛, 但电晕放电过程中可能产生会大量的臭氧，侯雯琪等[68]研究了某静电型空气净化器的臭氧释放行为, 发现运行一段时间后, 设备释放的臭氧量会存在超过室内空气标准（160 μg·m−3）的情况, 室内人员能够明显感受到异味. 且环境的相对湿度变化和运行风量与臭氧释放量成正比例关系, 而运行温度对臭氧释放量的影响呈先促后抑的关系. 因此需对这类副产物进行后续处理, 如加装活性炭滤网等[34, 69].
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作为一种廉价、高效、广谱的强氧化剂, 臭氧消毒已广泛应用于各大领域. 臭氧消毒能迅速生成大量的超氧自由基（·O2−）、过氧自由基（HO2）和羟基自由基（·OH）等强氧化物, 这些自由基能进攻反应底物并将其氧化降解[70 − 71]. 具体而言, 自由基可以作用于蛋白质和脂质, 破坏细胞膜或细胞壁, 改变细胞的通透性. 进入细胞内部后, 它能和细胞内部的DNA、RNA、蛋白质和酶等进行反应, 影响细胞的复制、转录和翻译等活动, 最终导致细胞裂解或死亡[23, 43]. Bernardi等[72]总结了近年来的研究成果, 结果表明了臭氧不仅适用于灭活类似SARS-CoV-2的病毒, 还能实现对噬菌体（MS2）、甲型流感（WSN菌株）、H1N1流感（A/PR/8/34）、小鼠诺如病毒等绝大多数病原微生物的高效灭活, 其灭活机理见图4. Yano等[73]在研究中将携带SARS-CoV-2病毒的不锈钢板置于臭氧反应体系中, 分别在1.0 mg·L−1和6.0 mg·L−1臭氧浓度下处理60 min和55 min, 其病毒滴度下降了3到4个数量级, 首次验证了臭氧可以灭活SARS-CoV-2. 最新研究成果表明, 臭氧可以对已使用过的口罩等进行消毒, 使其能重复利用, 这在一定程度上缓解了疫情期间防疫物资短缺的问题[74].
虽然臭氧消毒效果十分显著, 但臭氧残留问题仍不可避免, 尤其对通风条件较差的场所进行臭氧消毒后, 其残留量较大, 臭氧残留容易损伤人体呼吸系统, 且对某些物表也具有一定的腐蚀性. 因此研发臭氧湮灭催化剂等消除臭氧和改善人类健康状况的新策略十分重要[75]. 同样臭氧很少作为单一消毒技术进行使用, 通常多与其他消毒技术进行联用处理, 且使用在臭氧进行消毒后, 常伴有臭氧分解或通风处理.
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常见化学消毒剂包括含卤素类消毒剂、过氧化物类消毒剂、醇类消毒剂等[44, 45]. 当消毒剂与病原微生物接触时, 有效成分可直接与病原微生物的脂质及蛋白等发生作用, 抑制遗传物质的复制、转录及翻译过程, 导致病原微生物灭活死亡[26, 76]. 化学消毒剂成本廉价, 操作简单, 现已成为应用最为广泛的一种消毒方法, 表3列举了14种常用消毒剂的病毒灭活效果, 不难发现, 正确使用消毒剂可以切断病毒传播途径, 控制传染病流行[77]. Goyal等[78]在评估过氧化氢蒸气的灭活功效时发现, 即使在最低蒸汽气化体积下, 体系对Feline Calicivirus（FCV）、腺病毒、Transmissible Gastro Enteritis Virus（TGEV）、Avian Influenza Virus（AIV）的消毒效率仍可高达99. 99%. Meyers等[79]在研究中采用多种浓度的乙醇、异丙醇和次氯酸钠对硬物表面进行消毒, 发现其均能有效灭活SARS-CoV-2. 尽管使用化学消毒剂的消毒效果好, 但消毒过程中易造成试剂泄露, 消毒结束后难免会产生化学残留, 若未进行合理的用量和配比控制, 消毒剂将对人类和动物健康产生副作用, 加快或改变材料物表的腐蚀速率和机制, 同时给环境和生态平衡造成有害影响[34]. 叶利兰等[80]针对疫情防控期间含氯消毒剂大量使用这一问题, 提出了要对消毒剂进行源头消减、过程控制和末端治理. 此外, 化学消毒通常无法应用于对于精密仪器、食具等的消毒.
而作为拥有几千年历史的中药, 其在空气消毒中也起到了非常重要的作用, 相较于传统的化学消毒剂, 中药消毒具备无毒、无臭、无腐蚀性、无刺激性、受环境因素影响小等优点, 在国内得到了广泛应用[81]. 章洁等[82]使用桂枝、细辛、厚朴、矮地茶、连翘、佩兰等中药, 按照比例进行取药, 煮沸熏蒸后进行呼吸科病室的空气消毒, 以紫外消毒作为对照, 结果发现不同消毒方式的病室细菌菌落数值无显著差异（P > 0. 05）, 且患者对中药煮沸熏蒸的接受程度明显高于紫外消毒. 尽管中药空气消毒剂研究已取得较大成果, 但其质量标准不统一, 消毒机理不明确, 成分有效利用率较低, 因此仍需要在其配方规律、消毒机制等方面投入研究.
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高压放电技术在不同条件下可以产生不同的活性物质, 如等离子体、负离子等, 这类物质均可用于病原微生物的消毒.
通过介质阻挡放电、大气压等离子射流、电晕放电和滑动弧放电等形式可以产生等离子体. 一般来说, 等离子体包含有激发的气体分子、高能带正电和带负电的离子、自由电子、中性活性氧/氮（ROS/RNS）、自由基和分子碎片等粒子, 这些粒子能对病原微生物和有机污染物等产生极强的破坏和降解作用, 其作用机理如图5[83 − 85]. 等离子技术弥补了传统消毒方法带来的耐药性等诸多问题, 因此成为了一种非常有前景的消毒技术. Qin等[86]首次研究了低温大气等离子体（CAP）对冠状病毒和SARS-CoV-2变异体的消杀作用, 结果表明其消杀效果优异, 尽管CAP会氧化SARS-CoV-2的突刺蛋白, 但不会破坏病毒的RNA. 在最新的研究中, 有学者以过氧化氢为灭菌剂, 引入了过氧化氢等离子技术, 其处理性能得到了明显提升, 微生物病原体的细胞膜和遗传物质也被破坏[87 − 88]. Ibanez等[89]使用过氧化氢等离子体处理被SARS-CoV-2 和ESKAPE 细菌污染的 N95口罩, 处理后均未监测到SARS-CoV-2 和ESKAPE 细菌. 但低温等离子技术在运行过程中会产生臭氧、氮氧化物等副产物, 如何解决这些副产物成为研究的一大难点. 近年来, 等离子活化水技术作为一种新兴技术得到了广泛研究, 等离子体中活性组分与水作用可以形成过氧化氢、亚硝酸根、过氧亚硝酸根等活性物, 使得其性能由于单一的等离子体, 能有效的作用于核酸及蛋白质, 灭活SARS-CoV-2和其他病原微生物[90 − 91], 但该技术的研发尚未成熟, 作用机理还不清晰, 且运行成本较高, 其有效性还有待进一步评估.
素有“空气维生素”之称的负离子, 不仅可以与空气中的病原微生物、有机污染物、细微颗粒等反应, 从而改善空气质量, 还可以增强人体免疫系统、辅助治疗各种疾病, 因此成为医疗领域的研究热门[19, 92 − 93]. 常见空气负离子包括OH-、·O2-等负离子, 还包括这些离子与水分子形成的负离子簇, 如O−（H2O）n、O3−（H2O）n等, 这些物质可以破坏病原微生物的细胞膜、细胞壁、核酸、蛋白等, 导致微生物死亡[47]. Nunayon等[94]在研究中发现负离子对大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌和表皮沙门氏菌有一定的灭活效果, 但随着空气流速的增加而下降. 有研究预测, 负氧离子簇和碳酸氢根离子簇可能作为新冠患者的一种治疗手段, 负离子可以中和COVID-19 病毒刺突蛋白上的正电荷, 使酸性支气管环境变成中性或碱性环境, 一方面抑制了SARS-CoV-2与呼吸道细胞的结合, 另一方面有助于感染者肺部气体交换的进行, 提升体内血氧水平[95]. 但负离子灭菌的其作用范围较小, 作用效果有限, 不能将空气中的病原微生物彻底灭活, 因此提高负离子消毒的效率是研发的重点. 且持续运行时可能会导致绝缘表面上的电荷积累, 使得灰尘迅速降沉, 出现“黑墙”现象[96].
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光催化材料吸收光辐射后, 材料内部电子受激发生跃迁, 产生载流子（光生电子和光生空穴）. 载流子与材料表面吸附的O2、H2O等发生反应, 生成·O2−、HO2、·OH等活性自由基团, 它们可以破坏细胞膜、细胞壁, 损坏遗传物质、蛋白质, 进而将污染物和病原微生物氧化降解[48 − 49], 其作用过程如图6.
光催化氧化（PCO）是供暖行业、中央空调行业不断发展和应用的一种办法, 常见光催化材料包括TiO2、氮化碳等, 但这些材料光响应范围窄, 载流子复合速率大, 因此设计设计高效且持久的光催化剂来实现空气病原微生物的消杀成为研究的热点. 对光催化材料进行改性, 如元素掺杂、贵金属表面修饰、半导体复合、晶面调控等, 可以提高催化剂的消杀效率. 在众多光催化材料中, 纳米TiO2因其化学性质稳定、催化活性强、成本造价低等优点, 现已成为被研究得最多的光催化材料, 其对甲型H1N1流感病毒、小鼠诺如病毒（MNV）、单纯疱疹病毒（HSV）、新城疫病毒（NDV）、SARS-CoV-2等都具有优异的灭活性能, 而改性后的TiO2基光催化材料性能更是明显优于单一TiO2材料[97 − 98]. 近年来, 有学者受自然界中生物矿化材料启发, 使用生物有机分子制备无机纳米材料. 与传统方法相比, 这种仿生生物矿化过程可以在室温和较广的pH范围下使用[99]. 如Xa等[100]利用多巴胺作为生物诱导剂, 合成了TiO2-Ag-AgCl复合材料, 该材料对大肠杆菌的灭活性能显著, 同时还能降解罗丹明B和环丙沙星. Danilenko等[101]将光催化剂与石墨烯衍生物进行复合, 所得催化剂不仅具备光催化性能, 其锋利的边缘也可以对病原微生物造成物理损害. 然而, 商业光催化剂绝大多都需要在紫外条件下才能发挥其功效, 且以金属催化剂为主, 因此制备能在可见光下响应的光催化剂和利用非金属材料制备低成本的光催化剂十分重要. 此外光催化剂自身缺陷、表面环境（如灰尘等）等因素的影响, 其催化性能会不可避免的逐渐下降, 因此, 具备自清洁能力的光催化剂也亟待开发.
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银具有安全、高效、绿色、光谱等优点, 一直是抗菌材料的研究热点. 如图7所示, 纳米银催化剂释放出来的Ag+可以吸附到带负电的细胞膜或细胞壁上, 诱导细胞形态改变, 破坏细胞膜, 并与胞内核酸、蛋白等发生作用, 致使病原微生物灭活死亡[102]. 尽管Ag基抗菌材料已被广泛应用, 但Ag纳米离子在基体中的团聚和泄漏问题依然存在, 使材料的循环性和消杀效率下降.
在实际研究过程中, 多将纳米银与其他材料进行复合来解决这一问题. 如Shuai等[103]以多巴胺为还原剂, 实现了银在介孔生物活性玻璃材料上的原位生长, 该材料具有高比表面积和大孔隙体积, 这位Ag的附着提供了巨大的位点, Ag可以通过静电吸附进入介孔通道, 同时也能控制Ag释放, 解决了银离子团聚和泄漏问题. Faria等[104]利用石墨烯巨大的比表面积和优异的电子、机械和热性能, 成功制备用纳米银颗粒负载的石墨烯氧化物, 该材料对假单胞菌属表现出了良好的抗菌性. 考虑到Ag成本较高, 因此减少Ag的消耗和选用廉价材料作为载体成为产业研究的热门. 由于银的费米能级低, 把银负载在光催化剂界面上可形成肖特基势垒, 可以有效促进电子-空穴对的分离, 激发材料表面等离子共振效应, 因此可以提高灭菌效率[102, 105]. Yang等[106] 通过超临界溶热工艺制备了Ag/TiO2-N光催化剂, 并用其处理鲍曼不动杆菌, Ag纳米颗粒和TiO2-N的协同效应会导致病原微生物 K+离子的泄漏, 细胞膜的矿化, 并抑制其进行自我修复, 进而诱导细菌的结构变化, 导致最终的细胞死亡. 改性后的银基纳米材料都具备较强的消毒性能, 但在长期使用过程中, 灰层等因素会使催化剂性能下降, 因此需关注及时检测性能状态.
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溶菌酶是一种天然的抗菌剂, 具有非常高的抗菌效率和生物安全性, 如图8所示, 它可以催化细胞壁中肽聚糖的N-乙酰胞壁酸和N-乙酰氨基葡萄糖之间的β-1, 4糖苷键水解, 进而导致细菌死亡, 这也使得溶菌酶拥有独特的抗菌靶点[52, 107]. 目前商品化溶菌酶主要是蛋清溶菌酶, 由于细胞壁的性质不同, 其抑制效果仅可作用于革兰氏阳性菌[108]. 由于溶菌酶对病原微生物具有响应特异性, 且其在应用时存在稳定性差、重复利用性差和材料浸出流失等缺点, 因此如何对其进行改性修饰, 使其具备抗菌稳定性和广谱性成为研究的重点.
近年来, 众多科研机构致力于开发改良的新型溶菌酶. 研究表明, 采用一些物理、化学或生物技术对其进行修饰能有效解决这一问题. Zhang等[52]将溶菌酶固定在用聚多巴胺修饰的Ti3C2TX MXene 纳米片上, 抗菌实验表明该材料可以有效抑制耐甲氧西林金黄色葡萄球菌菌落的增殖, 抑菌性能约为98%. Hamdani等[107]通过美拉德反应将溶菌酶与瓜尔胶进行复合, 所得复合材料的耐热度得到提升, 对革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性病原体的抗菌活性也显著增加. 溶菌酶具有还原性, 它在接触银离子后可以将因自理还原成纳米银颗粒, 自身仍能保持水解活性[109 − 110]. 因此有学者将两者的杀菌活性耦合, 并负载在具有多孔结构和高比表面积的蒙脱土上, 制备得到的Ag/lyz-Mt 纳米颗粒, 该材料对革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌都表现出优异的抗菌活性[111]. 上述这类将溶菌酶与高分子材料进行复合的方法可以极大程度拓宽溶菌酶应用范围和场所, 减少使用过程中溶菌酶的流失, 提高材料的活性及消毒效率, 并实现溶菌酶的控释, 可以预测该技术在空气消毒领域将具有独特的优势和广阔的应用前景.
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根据世界卫生组织数据显示, 每年约670万人因接触环境和家庭中的空气污染物而死亡, 约99%的人口呼吸的空气都超出了世卫组织的推荐极值, 而现代形污染（如环境空气污染和有毒化学污染）造成的死亡人数增加了66%[112]. 空气污染源众多, 主要包括工业污染源（工业生产排放烟尘、氮氧化物、有机化合物等）、生活污染源（生活炉灶或供暖设施所带来的灰尘、二氧化硫、一氧化碳等）、交通运输源（火车、汽车、轮船等设备排放的一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等）、自然灾害源（森林火灾、火山喷发等带来了大量烟尘硫化物等）, 这些污染源释放了大量的细微和超细微颗粒, 加重了人体肺部负担, 一些物质会对人体造成较大的神经毒性和生殖毒性, 严重威胁人体健康. 2021年中国339个城市环境空气质量检测中, 以PM2.5、O3、PM10为首要污染物的超标天数分别占总超标天数的 39.7%、 34.7%、 25.2%, 形势十分严峻[113 − 114]. 而现有空气消毒器大多只针对6项污染物中（PM2.5、PM10、 O3、 SO2、NO2和CO）的某一或某几种污染, 难以应对日趋严重的空气污染问题.
人类文明的发展史, 也是一部与病原微生物的斗争史, 而传染病是文明发展过程中一直存在的敌人. 20世纪以来, 随着工业化、城市化、经济全球化的不断发展, 生态环境破坏和污染问题变得日趋严重, 随之而来的是全球传染病感染和发病的爆发. 大多数传染病病原体可以依托空气气溶胶进行传播, 导致传染病呈现“新传染病不断出现, 旧传染病死灰复燃”的趋势[115 − 116]. 一方面, 一些已实现良好控制的传染病死灰复燃, 如结核病、疟疾等, 再一次对人类社会形成威胁, 另一方面, 新型病原体和新型传染病的不断出现, 如猴痘、埃博拉、新型冠状病毒等, 加重了人类社会的负担, 并造成了巨大的危害[117]. 据世界卫生组织数据, 截至2023年5月16日, 全球已有超过8. 7万例猴痘确诊病例和140例猴痘死亡病例[118], 截至2023年5月17日, 全球已有超过7. 66亿例新冠肺炎确诊病例和690多万例新冠肺炎死亡病例[119]. 而现有空气消毒器的消毒性能具有很大的局限性, 尤其是对耐药菌等的消杀还处于较低水平, 因此难以应付传染病威胁. 随着空气消毒设备的普及, 消费者对产品的要求也在不断提升, 价格、品牌、效果等, 都是用户考虑的重点. 而现有空气消毒器很难满足用户的不断提升的需要[120 − 122].
表4列举了现有不同厂商空气消毒器的特点及功能参数, 这些设备搭载消毒技术的不同, 其所针对的目标污染物、适用场所和维护方式往往也不同, 但仍存在以下五点问题. 第一, 单一技术效率有限. A到K共12款产品设备中都采用了高效过滤技术, 但该技术只能实现污染物的截留和富集等, 因此多与其他技术联用. 通过耦合不同技术的优点, 可以获得更高的消毒效率；第二, 催化剂活性不稳定. A、J、K等3款产品都含有不同类型的催化剂, 但污染物可能会覆盖或与催化剂活性组分发生反应, 使催化活性降低. 此外, 不当的操作（如剧烈碰撞等）也会造成催化剂活性的下降；第三, 生物毒性尚不清晰. B、L产品的残留问题难以解决, F、G、H、I等5款产品采用高压放电技术, 在一些情况下不可避免的会生成O3、NxOy等副产物, 这些残留、副产物或耗材泄漏可能会对人体或环境造成损害；第四, 系统智能化程度低. 大多产品已实现简单的物联化和智能化, 但能集成通信技术、AI技术等, 主动依靠数据处理和反馈对外部环境作出决策和行动的智能设备还较少, 如智能启停功能等, 12款产品中仅H产品能实现智能启停；第五, 新兴技术产业化难. 新兴技术绿色安全高效, 但从研发到产业化的过程复杂, 涉及技术比较、市场分析、投资分析等众多环节, 这些不确定性使得科研成果只能“被搁置”, 表4中仅K产品使用了溶菌酶技术. 总的来说, 现有的商用空气消毒器难以应对日趋严重的空气污染问题、频繁爆发的传染病威胁和不断提高的用户需求.
因此, 科研单位或企业在开发及推广空气消毒器时, 可以从以下几个方面进行探索. 一是要开发实时监测系统. 集成颗粒物自动监测模块、微生物自动监测模块、有机污染物自动监测模块等, 实现分析仪系统、消毒系统、监测系统等一体化, 用于监测去除多种污染物（甲醛等气态污染物、细菌等病原微生物、PM2. 5等固体污染物）；二是要注重经济安全耐用. 空气消毒器价格功能越多、效果越好, 价格往往也越贵. 一些技术虽成本昂贵, 但绿色无毒, 使其在某些场所具备不可替代性. 因此, 开发成本低、效果好、周期长、毒性低的技术或设备将成为未来的趋势；三是提高催化材料效率. 采用多种方式固定催化剂, 如制备催化材料涂料涂层, 凝胶, 颗粒等. 利用材料的亲疏水性, 开发具备自清洁能力和稳定性高的催化剂, 解决设备长期运行时存在的积尘堵塞和活性位点丢失等问题. 四是全面提高净化能力. 强化集尘能力, 提高处理风量, 开发新型高效过滤材料, 实现对更细微尘粒的收集. 强化除醛除臭能力, 运用新型绿色技术, 吸附和降解各种挥发性的有机物. 强化消毒能力, 对病原微生物灭活后的细胞内部物质进行深度降解.
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切断病原微生物的传播途径是疫情防控的重要手段, 空气消毒可以有效阻断病原微生物以气溶胶的形式进行传播. 本文综述了9种不同消毒技术和12种不同空气消毒器的研究进展. 结果表明, 高效过滤和静电吸附两种技术虽经济实惠, 但几乎只能实现病原微生物截留和沉降, 无法将其消毒灭活；紫外消毒、臭氧消毒和消毒剂雾化三种技术虽简单便捷, 但其本身或使用过程中产生的副产物会对人体有害, 因此需在无人时使用；高压放电技术、光催化技术、纳米银技术和溶菌酶技术四种技术虽高效安全, 但作用范围较小, 无法实现大面积消毒.
综上可知, 单一的技术往往难以实现病原微生物的快速高效消毒. 尽管多种消毒技术联用已应用于商用空气消毒器, 但技术和设备存在的单一技术效率有限、催化剂活性不稳定、生物毒性尚不清晰、系统智能化程度低、新兴技术产业化难等不足和弊端, 难以应对日趋严重的环境污染问题、频繁爆发的传染病威胁和不断提高的用户需求. 因此, 开发实时监测、经济耐用、高效催化和强力净化的智慧化、多因子、多功能的高效能消毒材料及装备是未来的重要发展方向. 同时, 这也对疫情防控、经济发展、社会稳定和国家生物安全体系的构建具有重大意义.
室内空气病原微生物消毒技术与设备研究进展
Advance of indoor air pathogenic disinfection technology and equipment
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摘要: 以飞沫、气溶胶形式在空气中传播的病原微生物较难控制，极易形成大规模病原微生物感染事件，如2003年的SARS病毒和2019年的新型冠状病毒均通过空气传播，导致了严峻的疫情. 而对空气、物表面进行消毒，能有效阻断经空气传播病原微生物的大规模感染. 本文综述了近年来空气消毒技术及设备的最新进展，指出了现有技术和产品存在单一技术效率有限、催化剂活性不稳定、生物毒性尚不清晰、系统智能化程度低、新兴技术产业化难等不足和弊端，提出了消杀设备未来的研发趋势在于实时监测、经济耐用、高效催化和强力净化. 总的来说，单一功能的空气消毒机无法对空气中的病原微生物进行彻底、高效的消杀，开发智慧化、多因子、多功能的高效能消毒材料及装备是未来的重要发展方向.Abstract: It is difficult to control the pathogenic microorganisms that are transmitted to air in the form of droplets and aerosols, and which could easily cause large-scale pathogenic microbial infections. For example, the SARS-CoV in 2003 and the SARS-CoV-2 in 2019 were transmitted through air and resulted in a severe epidemic. Disinfecting the air and the surface of objects can effectively block the large-scale infection of airborne pathogenic microorganisms. This paper summarizes the latest developments in air disinfection technology and equipment in recent years, and points out that existing technologies and products have many shortcomings, for instance, a single technology with limited efficiency, unstable catalytic activity, unclear biological toxicity, low degree of system intelligence, and difficulties in the industrialization of emerging technologies, etc. The future research and development trend on air disinfection is proposed to develop equipment with real-time monitoring, economical and durable, efficient catalysis and powerful purification. In general, the single-function air disinfecting machine could not eliminate pathogenic microorganisms in the air completely and efficiently. Therefore, the development of intelligent, multi-factor and high-efficient disinfection materials and equipment is a significant and considerable development direction in the future.
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Key words:
- pathogenic microorganisms /
- air disinfection /
- research progress /
- development tendency.
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表 1 常见病原微生物
Table 1. Common pathogenic microorganisms
病原体类型
Type微生物结构
Structure感染症状
Symptoms常见病原微生物
Microorganisms致死温度
Lethal Temperature真菌 真核细胞型 皮肤粘膜疾病 酵母菌、毛霉菌、曲霉菌等 60 ℃以上可部分致死 细菌 原核细胞型 化脓、各类感染等 大肠杆菌、结核杆菌、链球菌等 大部分100 ℃时死亡 病毒 非细胞型 肠道感染等 新冠肺炎病毒、乙肝病毒等 60 ℃以上可部分致死 螺旋体 原核细胞型 梅毒, 回归热等 梅毒螺旋体、雅司螺旋体等 40 ℃以上可部分致死 放线菌 原核细胞型 骨炎、颅骨髓炎等 灰色链霉菌、金霉素链霉菌等 50 ℃以上可多数致死 衣原体 原核细胞型 生殖感染、沙眼等 肺炎衣原体、沙眼衣原体等 50 ℃以上可多数致死 支原体 原核细胞型 肺炎、生殖感染等 肺炎支原体、人型支原体等 40 ℃以上可多数致死 立克次氏体 原核细胞型 斑疹伤寒等 普氏立克次氏体、汉赛巴通体等 60 ℃以上可部分致死 
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表 2 不同消毒技术的特点
Table 2. Characteristics of different disinfection technologies
消毒技术
Techno-logies消毒
能力
Ability消毒机理
Mechanism产品功耗Consu-mption 有无耗材
Consu-mables残/副产物
By-products产物危害
Products
hazards处理对象
Processing objects处理范围
Processing
scope参考文献
References细胞壁/膜
CW/CM核酸
Nuclein蛋白质
Protein1 — — — — 高 √ — 无 空气 过滤区 [38 − 39] 2 强 √ √ √ 低 — 少量O3 强 空气/物表 辐照区 [24, 40 − 41] 3 — — — — 低 — 少量O3 中 空气 电场区 [42] 4 强 √ √ √ 低 — 残留物 强 空气/物表 大 [23, 43] 5 强 √ √ √ 无 — 残留物 强 空气/物表 大 [44 − 45] 6 强 √ √ √ 高 — O3等 中 空气/物表 放电区 [46 − 47] 7 较强 √ √ √ 低 √ — 低 空气/物表 催化区 [48 − 49] 8 较强 √ √ √ 低 √ — 低 空气/物表 催化区 [50 − 51] 9 中 √ — — 低 √ — 低 空气/物表 催化区 [52] 注：1. 高效过滤；2. 紫外消毒；3. 静电吸附；4. 臭氧消毒；5. 消毒剂雾化；6. 高压放电技术；7. 光催化技术；8. 纳米银技术；9. 溶菌酶技术.
1. Efficient filtration; 2. Ultraviolet disinfection; 3. Electrostatic adsorption; 4. Ozone disinfection; 5. Disinfectant atomization technologies; 6. High-voltage discharge technology; 7. Photocatalysis technology; 8. Nano-silver technology 9. Lysozyme.
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产品类型
Product type不同时间的病毒灭活TCID50
Virus inactivation TCID50 at different times有机物浓度/%
Concentration of organics作用时间/ min
React time方法
methods0.5T T 1. 5T 0.4 g·L−1 次氯酸钠 5.22 5.22 5.22 3. 0 1 悬液法 0. 5 g·L−1 二氯异氰尿酸钠 4. 28 4.28 4. 28 0. 3 1 悬液法 0. 1 g·L−1 次氯酸 4. 22 4. 22 4. 22 0. 3 1 悬液法 70%—80% 乙醇（V/V） 4. 28 4. 28 4. 28 3. 0 1 载体法 （0. 13土0. 013）% 过氧化氢（W/V） + （80+5）% 乙醇（V/V） 3. 00 4. 00 4. 11 0. 3 1 载体法 0. 1 g·L−1 二氧化氯 3. 28 4. 00 4. 16 3. 0 1 悬液法 1% 过氧化氢 4. 22 4. 22 4. 22 3. 0 1 悬液法 0.36% 过氧乙酸 4. 94 4. 94 4. 94 0. 3 10 悬液法 0.2 g·L−1 单过硫酸氢钾复合盐 4. 22 4. 22 4. 22 3. 0 10 载体法 1.12 g·L−1 有效碘（聚维酮碘） 3. 34 4. 00 4. 39 3. 0 1 载体法 （2. 4+0.24） g·L−1 复合季铵盐 3. 11 4. 05 4. 17 0. 3 40 载体法 0.2%—0.3% 苯扎氯铵+
15 000—25 000 U·mL−1 溶菌酶1.17 1. 40 1. 40 0. 3 20 载体法 0.1 g·L−1 银离子 2.33 2. 66 2. 77 3. 0 30 载体法 0.4% 聚六亚甲基双胍 2.27 2.50 3. 44 0. 3 30 载体法
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表 4 不同厂商空气消毒器的特点
Table 4. Characteristics of air sterilizers of different manufacturers
品牌
Brand应用技术
Technology目标污染
Targets维护方式
Maintenance method适用场所
Places功能参数（CADR）
Parameters（CADR）A 18 ①②③④ 更换耗材, 除尘 ACD s: 1100 m3·h−1、g: 400 m3·h−1B 146 ①②③④ 更换耗材, 除尘 A s: 302 m3·h−1、g: 302 m3·h−1 C 13 ②③④ 除尘 AB s: 850 m3·h−1、g: 500 m3·h−1 D 12 ②③④ 更换耗材, 除尘 A s: 666 m3·h−1、g: 548 m3·h−1 E 18 ①②③④ 更换耗材, 除尘 A s: 700 m3·h−1、g: 400 m3·h−1 F 16 ①③④ 更换耗材, 除尘 A s: 405 m3·h−1、g: 144 m3·h−1 G 168 ①②③④ 更换耗材, 除尘 AC s: 330 m3·h−1、g: 150 m3·h−1 H 136 ①②③④ 更换耗材, 除尘 AB s: 430 m3·h−1、g: 270 m3·h−1 I 168 ①②③④ 更换耗材, 除尘 AC s: 800 m3·h−1、g: 550 m3·h−1 J 17 ①②③④ 更换耗材, 除尘 AC s: 684 m3·h−1、g: 400 m3·h−1 K 139 ①②③④ 更换耗材, 除尘 A s: 390 m3·h−1、g: 243 m3·h−1 L 5 ③④ 除尘 CD — 应用技术: 1. 高效过滤；2. 紫外消毒；3. 静电吸附；4. 臭氧消毒；5. 消毒剂雾化；6. 高压放电技术；7. 光催化技术；8. 纳米银技术；9. 溶菌酶技术. 目标污染物: ①异味；②颗粒物；③病原微生物；④有害气体. 适用场所: A. 小型场所；B. 大型公共人员聚集场所；C. 公共交通工具；D. 医院.
Application technology: 1. Filtration; 2. Ultraviolet disinfection; 3. Electrostatic adsorption; 4. Ozone disinfection; 5. Disinfectant atomization; 6. High-voltage discharge technology; 7. Photocatalytic technology; 8. Nano-silver technology; 9. Lysozyme technology. Target pollutants: ① odor; ② particulate matter; ③ pathogenic microorganisms; ④ harmful gases. Applicable places: A. Small place; B. Large gathering places for public personnel; C. Public transportation; D. Hospital.
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