UV-LED滅活水中致病性微生物的研究進(jìn)展

王哲，冉治霖，相會(huì)強(qiáng)，吳啟保，李紹峰

（1.沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與環(huán)境學(xué)院，廣東 深圳518172；3.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與環(huán)境工程學(xué)院，廣東 深圳 518000）

UV-LED滅活水中致病性微生物的研究進(jìn)展

王哲1，冉治霖2，相會(huì)強(qiáng)2，吳啟保2，李紹峰3

（1.沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與環(huán)境學(xué)院，廣東 深圳518172；3.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與環(huán)境工程學(xué)院，廣東 深圳 518000）

消毒是水處理過程中必不可少的環(huán)節(jié)，選擇合適的消毒技術(shù)也就變得至關(guān)重要。國內(nèi)外學(xué)者正在尋求新型消毒技術(shù)，以消除水中致病微生物所產(chǎn)生的公共安全風(fēng)險(xiǎn)。紫外（UV）消毒技術(shù)具有速度快、效率高、效果好，不影響水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分，便于管理和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)勢。紫外發(fā)光二極管技術(shù)（UV-LED）作為一種新型紫外線源，其可替代傳統(tǒng)紫外線汞燈的發(fā)展趨勢，已經(jīng)引起了極大的關(guān)注。本文對(duì)國內(nèi)外UV-LED滅活水中致病微生物的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

紫外發(fā)光二極管（UV-LED）；消毒；微生物

1 UV-LED在水處理領(lǐng)域應(yīng)用

根據(jù)紫外線的生物效應(yīng)，可將紫外波長由高到低分為三個(gè)階段，即UVA（400-315nm）、 UVB（315-280nm）和UVC（280-200nm）。UVC可透入病毒、細(xì)菌和其它病原微生物體內(nèi)，可產(chǎn)生嘧啶二聚體，使核酸突變、阻礙其復(fù)制、轉(zhuǎn)錄及蛋白質(zhì)的合成，同時(shí)破壞微生物的原漿蛋白與酶，最終致使其死亡。

飲用水安全是公共衛(wèi)生安全體系的重要組成部分，應(yīng)用有效的水處理技術(shù)滅活水中致病性微生物，對(duì)人類健康具有重要的意義。UV輻射滅活水中病毒、細(xì)菌、原生動(dòng)物等十分有效，且在工業(yè)水處理方面的應(yīng)用越來越廣泛[1]。UV相較于氯、臭氧、二氧化氯等常規(guī)消毒劑，具有較多優(yōu)點(diǎn)，例如無須添加化學(xué)藥劑，消毒速度快、效率高，不形成有害消毒副產(chǎn)物（DBP），且未對(duì)細(xì)菌引入消毒劑抗性[2]。歐洲及北美的許多國家將紫外線消毒列為終端用水、用戶進(jìn)水端及小型給水系統(tǒng)的首選。在我國，紫外消毒技術(shù)因其節(jié)能環(huán)保的特性，日益受到關(guān)注和推廣，具有逐步取代傳統(tǒng)化學(xué)消毒技術(shù)的趨勢，成為水處理凈化重要手段。目前紫外消毒系統(tǒng)主要使用低壓或中壓汞燈，但它們依然存在一些難以解決的問題。如紫外燈管易碎，其內(nèi)含對(duì)生物和環(huán)境有害、有毒的汞[3]，一定量的汞能夠引起水俁病，根據(jù)水俁公約規(guī)定，2020年我國將全面禁止汞相關(guān)制品的生產(chǎn)和銷售；汞燈具有較短的壽命（10000小時(shí)左右），需要適當(dāng)?shù)暮罄m(xù)處置；另外，傳統(tǒng)汞燈效率極低（15%-35%左右），耗能嚴(yán)重。

紫外發(fā)光二極管（UV-LEDs）不僅具有傳統(tǒng)紫外消毒的優(yōu)點(diǎn)，且還具有明顯的環(huán)境效益，較低的能量消耗，這使得UV-LED滅活水中致病微生物的相關(guān)研究逐漸成為國內(nèi)外的熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)汞燈紫外光源相比，UV-LED具有光譜半峰寬度窄、效率高、功耗小、壽命長、響應(yīng)快、無任何有害物質(zhì)等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有非常廣闊的應(yīng)用價(jià)值和市場前景。應(yīng)用不同的半導(dǎo)體材料可以制造出各種波長的UV-LED，據(jù)報(bào)道，應(yīng)用氮化鋁鎵（AlGaN）可發(fā)射獲得210nm至365nm波長的光源，這個(gè)范圍覆蓋了近紫外到深紫外整個(gè)區(qū)域[4-5]。在消毒滅菌方面，250-270nm波長范圍的紫外線直接消毒滅菌效率最高。AlGaN材料被認(rèn)為是最理想的深紫外線發(fā)光材料，日本憑借其在GaN基藍(lán)光LED領(lǐng)域的先發(fā)優(yōu)勢，在紫外LED方面的進(jìn)展舉世矚目，尤其是日亞化學(xué)（Nichia）公司，成功研發(fā)世界首個(gè)波長371 nm的GaN基紫外LED。另外，在實(shí)際工程中，UVLED無需預(yù)熱，使其可以實(shí)現(xiàn)在更短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)，并且可以高頻率的開啟和關(guān)閉[6]。根據(jù)最新操作參數(shù)，可知UV-LED電源轉(zhuǎn)換效率可達(dá)75%，壽命長達(dá)100000小時(shí)。這些優(yōu)勢使UV-LED技術(shù)逐漸成為一種可替代傳統(tǒng)紫外汞燈的新型能源。

2 UV-LED滅活水中致病性微生物的研究進(jìn)展

2.1 滅活條件對(duì)UV-LED滅活效果的影響

（1）波長對(duì)滅活效果的影響

不同波長的紫外線對(duì)應(yīng)不同能量的光子（光是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種特殊形式，是一粒粒不連接的粒子流），波長越小，對(duì)應(yīng)的光子能量越大。波長是影響水消毒效率的重要因素[7]，UV-LED可提供多種波長的優(yōu)點(diǎn)使其成為高效消毒的新選擇。 目前，UV-LED滅活水中微生物的研究波長覆蓋了UV-A（315-400 nm）、UV-B（280-315 nm）和UV-C（＜280 nm）。根據(jù)目前的研究，應(yīng)用365nm 波長UVA-LED 滅活大腸桿菌，獲得單位對(duì)數(shù)滅活率需UV劑量達(dá)到13846mJ/cm2[8]；應(yīng)用310nm UVB-LED滅活大腸桿菌，獲得單位對(duì)數(shù)滅活率需達(dá)到94.8mJ/cm2的滅活劑量[9]；254nm時(shí)，需達(dá)到8mJ/cm2[10]；由此可見，滅活水中大腸桿菌，為獲得單位對(duì)數(shù)滅活率，UVC-LED需要較低的紫外輻照劑量。Gough Yumu Lui等的實(shí)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)，其應(yīng)用270、365、385和405nm的UV-LED陣列滅活水中大腸桿菌，結(jié)果顯示為取得5log 10的滅活效率，所需的輻射時(shí)間因UV波長不同而存在差異[11]。研究結(jié)果顯示，單獨(dú)使用UVA-LED滅活微生物的效果不佳，而UVC-LED滅活微生物卻能取得較好的結(jié)果。

Ayuko Takada等應(yīng)用310nm UVB-LED（105mJ/cm2）照射口腔細(xì)菌，可獲得30～50%的滅活率，而使用265nm UVC-LED（17.1mJ/cm2）照射可完全殺死細(xì)菌[12]。Sara E.Beck評(píng)估了在260nm、280nm和260/280雙波長UVC-LED輻照下，大腸桿菌、MS2噬菌體、人腺病毒2型（HAdV2）和短小芽孢桿菌的滅活效果，并與低壓和中壓紫外汞燈進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示，MS2噬菌體在260nmLED 照射下最為有效，而HAdV2和短小芽孢桿菌，中壓汞燈滅活效果最佳[13]。Aoyagi等研究了255nm和280 nm UVCLED對(duì)噬菌體4X174，Qb和MS2的滅活效應(yīng)。結(jié)果表明，在280nm輻射下單位對(duì)數(shù)滅活率對(duì)應(yīng)的UV劑量分別為2.8、28.7和30.5mJ/cm2，而在255nmUV輻射下所需的UV劑量較低，分別為1.7、12.5和12.8mJ/cm2[14]。說明，波長不僅對(duì)滅活細(xì)菌有影響，而且對(duì)病毒的滅活也存在極大的影響。因此，選擇合適波長的紫外光源進(jìn)行消毒，對(duì)消毒效果好壞起著至關(guān)重要的作用。

（2） 水處理?xiàng)l件對(duì)UV-LED滅活效果的影響

UV-LED作為一種UV的替代紫外光源，具有高度的設(shè)計(jì)靈活性。由于設(shè)計(jì)選擇的多樣性增加了開發(fā)UV-LED反應(yīng)器的難度，例如，反應(yīng)器的形狀、尺寸、紫外光的發(fā)射角度以及光源波長選擇，以上條件均會(huì)對(duì)效果產(chǎn)生極大影響。Richard M.Jenny等應(yīng)用一個(gè)密閉的立方體反應(yīng)器滅活大腸桿菌，其內(nèi)部相對(duì)側(cè)分別排布15個(gè)254nm 波長LED燈珠。試驗(yàn)結(jié)果表明，此流動(dòng)反應(yīng)體系中，燈珠在整個(gè)反應(yīng)器中的空間布置將會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。由此可見，由于UV-LED消毒技術(shù)的設(shè)計(jì)自由度很大，最佳的設(shè)計(jì)方案可能不是由經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師開發(fā)的[15]。

Martin Hessling等測試了一種基于單個(gè)功率25mW，波長285nm的LED，外部由矩形截面的石英管組合的小型消毒系統(tǒng)。結(jié)果顯示，在這樣一個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)中細(xì)菌濃度可以降低至少三個(gè)數(shù)量級(jí)[16]。Kumiko Oguma等將兩個(gè)環(huán)形UV-LED單元連接到石英圓柱體上，每個(gè)單元由10個(gè)285nm 波長UV-LED燈珠組成，微生物懸浮液以一定速度流過圓柱體，改變兩個(gè)單元之間的距離L，檢測大腸桿菌的滅活率。經(jīng)過測試，在L=20mm處，大腸桿菌顯示出最高的滅活效果[17]。根據(jù)不同學(xué)者的研究可以看出，在實(shí)際應(yīng)用過程中，反應(yīng)器中UV-LED的分布是非常重要的，UV-LED的排列方式與水體的流動(dòng)方向?qū)⒂绊懰w接受紫外光強(qiáng)的大小，因此，在未來的研究中，需要開發(fā)基于反應(yīng)器特定參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)，如系統(tǒng)中的三維配置和流體動(dòng)力學(xué)。

2.2 UV-LED對(duì)不同微生物的滅活效果

紫外消毒技術(shù)是一種物理消毒方法，細(xì)胞的破壞程度取決于微生物對(duì)UV能量的吸收和對(duì)UV的抵抗力，不同微生物對(duì)某一波段紫外線的敏感性存在著差異。水體中的微生物多種多樣，Joo-Yeon Shin等應(yīng)用275nm波長UV-LED滅活大腸桿菌O157、H7、鼠傷寒沙門氏菌和單核細(xì)胞增生利斯特氏菌。結(jié)果顯示，當(dāng)UV輻射劑量從0增加到1.67mJ /cm2時(shí)，大腸桿菌O157、H7和鼠傷寒菌滅活效率達(dá)到6log10，而單核細(xì)胞增生李斯特氏菌滅活效率為5log10[18]。由此可見，UV波長是影響微生物滅活效率的重要因素，但不同微生物對(duì)UV輻射的吸收能力是存在差異的。

UV輻射對(duì)水中大多數(shù)致病微生物具有較佳的滅活效果，但各種微生物對(duì)UV能量的吸收（劑量）和對(duì)UV的抵抗力是不同的。通常，細(xì)菌比病毒更容易感光，原生動(dòng)物（如隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲）對(duì)UV的敏感度比細(xì)菌更高。微生物對(duì)UV的敏感程度以達(dá)到單位對(duì)數(shù)滅活率所需要的UV劑量來評(píng)價(jià)，UV劑量越低，微生物對(duì)UV越敏感。Do-Kyun Kim等應(yīng)用266 nm 和279 nm 波長UV-LED 滅活噬菌體MS2、Qβ、ΦX174。研究結(jié)果為，噬菌體MS2和Qβ在UV劑量為9mJ/cm2條件下，滅活率達(dá)到7log10，對(duì)于ΦX174而言，所需UV劑量僅為1mJ/ cm2[19]。Kumiko Oguma等285nm環(huán)狀LED裝置滅活水體中腺病毒，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，殺菌因子為1.15（殺菌因子為對(duì)數(shù)滅活值與紫外劑量的比值）。Jonathan B.Gillespie等應(yīng)用平均輻照強(qiáng)度為16mW/cm2的405nm波長UV-LED照射金色葡萄球菌，發(fā)現(xiàn)金色葡萄球菌減少量為95%～98%[20]。Sook Hyun Nam等考察了UV-LED對(duì)飲用水的殺菌效率，結(jié)果顯示在應(yīng)用260nm波長UV-LED輻照下，大腸桿菌在紫外劑量為18mJ/cm2下取得3log10的滅活率，枯草芽孢桿菌在40mJ/cm2紫外劑量輻照下滅活率約為2log10[21]。

2.3 UV-LED聯(lián)用技術(shù)

由于其消毒效率高，無消毒副產(chǎn)物，紫外線發(fā)光二極管技術(shù)日益成為水消毒用紫外線汞燈的替代品。然而，現(xiàn)有的紫外燈改造面臨紫外線消毒效率和光復(fù)活所帶來的挑戰(zhàn)，因此，改良紫外消毒過程在實(shí)際應(yīng)用是非常必要的。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)改良紫外消毒的相關(guān)研究還存在很大不足。Zhou等利用低頻超聲對(duì)水體進(jìn)行預(yù)處理，后用254nm波長UV-LED作為紫外光源滅活大腸桿菌，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示超聲預(yù)處理提高了大腸桿菌的失活速率常數(shù)（從0.1605增加到0.1887）[22]。陳宏飛等對(duì)二氧化鈦結(jié)合405nm LED 光催化殺滅金色葡萄球菌進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過0.2w/cm2的光波輻射3小時(shí)，材料濃度為5g/L N-TiO2時(shí)，金色葡萄球菌滅菌率達(dá)到60%[23]?？梢?，UV-LED消毒技術(shù)與其他消毒技術(shù)的聯(lián)用將提高消毒效率，探求高效的聯(lián)用方式將是學(xué)者未來的研究方向。

3 UV-LED滅活機(jī)理研究

UV輻射通過直接作用于微生物的DNA而具有殺菌效應(yīng)，UV照射下，DNA 分子上的兩個(gè)相鄰的胸腺嘧啶（T）或胞嘧啶（C）之間可共價(jià)鍵連結(jié)形成環(huán)丁酰環(huán)，這種環(huán)式結(jié)構(gòu)稱為二聚體。胸腺嘧啶二聚體（CPDS）的形成是UV輻射傷害DNA分子的主要方式[24]。DNA主要吸收200-300nm的UV輻射，并且在260nm附近具有吸收峰。這使得UVCLED輻射能夠較為有效的滅活水中各種致病微生物。然而，這種對(duì)DNA的直接損傷可能通過微生物的修復(fù)機(jī)制（光復(fù)活和暗復(fù)活）得到修復(fù)，降低UV對(duì)微生物的傷害。蛋白質(zhì)的吸收光譜在280nm附近具有吸收峰，這就使得UVC輻射在損傷DNA的同時(shí)能夠損傷DNA修復(fù)酶，削弱了DNA的復(fù)活率。因此，UVC-LED能夠較為有效的滅活水中各種微生物。

微生物DNA對(duì)UVA的吸收是少量的，但UVALED同樣具有一定的殺菌能力。UVA-LED主要通過對(duì)DNA的間接作用以及對(duì)細(xì)胞其他組分的氧化作用實(shí)現(xiàn)殺菌效果。UVA輻射通過光氧化形成活性氧（ROS），間接對(duì)DNA造成傷害，而且這種傷害是不可逆轉(zhuǎn)的。研究表明，羥基自由基和過氧化氫是參與UVA消毒的主要活性氧物質(zhì)。這些反應(yīng)性中間體造成了DNA，蛋白質(zhì)和細(xì)胞膜的氧化損傷并導(dǎo)致生長延遲，但造成這種傷害所需的時(shí)間較長[25]。另外，UVA具有更強(qiáng)的滲透性，對(duì)渾濁水體具有更好的消毒效果。因此，UVA-LED消毒的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠防止微生物復(fù)活。

目前，對(duì)不同波長協(xié)同滅活微生物的機(jī)理研究較少。Chevremont等認(rèn)為不同波長組合具有UV的不同屬性：UVC誘導(dǎo)對(duì)DNA的直接損害，但這種DNA損傷可以通過光解酶修復(fù)，而通過UVA對(duì)細(xì)菌膜的氧化損傷不能修復(fù)[26]。另外，脈沖UV照射也開始被學(xué)者研究，普遍認(rèn)為脈沖紫外線照射比連續(xù)紫外線照射具有更多的瞬時(shí)能量。除了通過UV損傷DNA之外，脈沖UV處理可以防止由于DNA修復(fù)系統(tǒng)和其他酶功能的失活引起的DNA修復(fù)[27]。脈沖UV具有更多的瞬時(shí)能量，這使得在消毒過程中可能發(fā)生局部過熱和膜破壞等現(xiàn)象[28]。目前對(duì)于脈沖UV的滅活機(jī)理研究主要基于氙燈，關(guān)于UV-LED脈沖輻射的機(jī)理還需進(jìn)一步研究。

4 研究展望

UV-LED作為殺菌紫外光的新來源，與常規(guī)汞燈相比，UV-LED具有獨(dú)特的優(yōu)勢，在水處理領(lǐng)域具有很大的開發(fā)潛力。但目前關(guān)于UV-LED的研究是有限的，需要深入的研究來更好的了解UV-LED在水消毒領(lǐng)域的應(yīng)用，以下是進(jìn)一步研究的幾個(gè)方向：

第一，由于其光輸出功率低、成本昂貴，目前廣泛的使用受到嚴(yán)重限制。因此，加強(qiáng)UV-LED材料領(lǐng)域的研究顯得尤為重要，改進(jìn)UV-LED制備工藝、提高轉(zhuǎn)換效率，是目前相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的重要研究方向。擴(kuò)大UV-LED在目前消毒系統(tǒng)的影響力、效率和多功能性成為研究的熱點(diǎn)。

第二，紫外劑量是UV-LED有效發(fā)揮消毒作用的重點(diǎn)，殺滅不同微生物需要不同的輻照劑量，過高會(huì)浪費(fèi)不必要的能量，過低又達(dá)不到消毒的目的；UV-LED的表征和微生物滅活的標(biāo)準(zhǔn)方案需要一種有效的定量信息來評(píng)價(jià)；因此，一套測定UVLED的紫外劑量的標(biāo)準(zhǔn)方法就顯得至關(guān)重要。

第三，國外對(duì)UV-LED滅活水中微生物已進(jìn)行了一些研究，而國內(nèi)相關(guān)研究還少之甚少。從目前的研究來看，關(guān)于UV-LED滅活水中微生物的研究存在著局限性，例如對(duì)消毒過程中濁度、有機(jī)物濃度和無機(jī)離子的影響未作深入研究。

第四，關(guān)于滅活機(jī)理，目前的研究僅限于傳統(tǒng)紫外消毒技術(shù)的機(jī)理研究，而UV-LED作為一種新型的紫外消毒光源可能與傳統(tǒng)消毒機(jī)理之間存在或多或少的差別，因此UV-LED滅活水中微生物的機(jī)理研究有待進(jìn)一步探索。

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【責(zé)任編輯：楊立衡】

Research Progress on inactivation of pathogenic microorganisms in water by UV-LED

WANG Zhe1,RAN Zhilin2,XIANG Huiqiang2,WU Qibao2,LI Shaofeng3
（1.School of municipal and environmental engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang 110168,China; 2.School of transportation and environment,Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen 518172,China; 3.School of architecture and environmental engineering,Shenzhen Polytechnic,Shenzhen 518000,China）

Disinfection is an essential part of the water treatment process,and the selection of appropriate disinfection technology becomes critical.Scholars are seeking new disinfection technologies to eliminate the public safety risks caused by pathogenic microorganisms in water.Ultraviolet (UV) disinfection technology has a number of advantages,such as high speed,high efficiency,good effect,does not affect the physical and chemical properties of water ,and is easy to manage and realize automation As a new type of ultraviolet source,ultraviolet light-emitting diodes (UV-LED) raises great interest as a substitute for the traditional ultraviolet mercury lamps.This paper presents a review of recent studies on the research progress of UV-LED inactivation of pathogenic microorganisms in water.

UV-LED; disinfection; microorganisms

TU991.2

A

1672-6332（2017）03-0019-06

2017-9-16

深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目（JYCJ20160226092135176）。

王哲（1993-），女（漢），遼寧沈陽人，碩士，主要研究方向：飲用水處理。E-mail：1347946722@qq.com