豬場(chǎng)紫外消毒技術(shù)研究進(jìn)展

趙 鋮，樊士冉，杜曉冬，鄧啟偉，劉 聰

（山東新希望六和集團(tuán)有限公司養(yǎng)豬研究院，山東青島 266100）

生物安全防控是現(xiàn)代畜牧業(yè)中的重要環(huán)節(jié)[1-2]。目前，化學(xué)消毒方式因其操作方便、殺菌（毒）效果好等特點(diǎn)而被豬場(chǎng)普遍采用[3]。但該消毒方式存在殘留、易引發(fā)二次污染等問(wèn)題[4]；豬場(chǎng)使用的消毒劑種類(lèi)眾多，不同消毒對(duì)象所用的消毒劑種類(lèi)和用法也不同[5]，導(dǎo)致化學(xué)消毒工作繁瑣復(fù)雜；且消毒劑對(duì)手機(jī)、藥品、電腦等易造成損害。因此化學(xué)消毒方式無(wú)法滿(mǎn)足豬場(chǎng)生物安全所有場(chǎng)景和需求。

紫外消毒是一種物理消毒方式，其作用機(jī)理是利用254 nm 波長(zhǎng)的紫外線(xiàn)照射，對(duì)微生物遺傳物質(zhì)（RNA 和DNA）產(chǎn)生光化學(xué)傷害，進(jìn)而阻礙遺傳物質(zhì)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄以及蛋白質(zhì)合成，最終致使微生物死亡，達(dá)到消毒目的[6]。相比化學(xué)消毒方式，紫外消毒在消毒效果、使用成本及安全性方面，具有消毒時(shí)間短、效率高、殺菌譜廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地小、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便、無(wú)二次污染等特點(diǎn)[7]。紫外消毒目前已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括空氣消毒[8-9]、凈水和廢水處理[10-11]、食品和飲料保存和醫(yī)療應(yīng)用[12-15]等。近幾年，紫外消毒技術(shù)也逐步應(yīng)用于豬場(chǎng)生物安全[16-17]。影響紫外殺菌（毒）效果的因素有很多，不同豬病原體滅活所需的劑量也不同，其在豬場(chǎng)應(yīng)用的最佳工作對(duì)象和作業(yè)場(chǎng)景尚需探究。鑒于紫外消毒合理化應(yīng)用是當(dāng)前豬場(chǎng)消毒研究工作的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，本文將各因素進(jìn)行綜合分析，以期提高豬場(chǎng)紫外消毒效果和效率。

1 影響微生物滅活效果的因素

紫外線(xiàn)滅活微生物受多種因素影響，可歸結(jié)為3 方面：紫外燈工作參數(shù)、外界條件和被照射物情況。對(duì)于紫外設(shè)備而言，紫外燈的光照強(qiáng)度、照射時(shí)間、照射距離、照射角度等因素決定了微生物所在位置的紫外線(xiàn)劑量，進(jìn)而影響對(duì)微生物的滅活效果；外界條件如溫濕度、是否有遮擋物等，影響紫外線(xiàn)傳播；微生物所依附的照射物材料，也會(huì)影響消毒效果。對(duì)紫外燈滅活微生物的影響因素進(jìn)行探究和總結(jié)，有助于提高紫外消毒在豬場(chǎng)的應(yīng)用效率。

1.1 紫外燈工作參數(shù)

微生物所接收到的紫外照射劑量決定了其滅活程度。微生物接收的紫外劑量定義[18]為

式中：

Dose——紫外劑量，單位為mW·S/cm2或mJ/cm2；

I——微生物在其運(yùn)動(dòng)軌跡上某一點(diǎn)接收到的紫外光照強(qiáng)度，單位為mW/cm2；

t——曝光時(shí)間或照射時(shí)間，單位為s。

公式（1）表明，紫外燈的照射時(shí)間和光照強(qiáng)度決定紫外照射劑量大小。Xu 等[19]對(duì)非洲豬瘟病毒進(jìn)行了紫外滅活研究，重點(diǎn)集中于照射時(shí)間和照射強(qiáng)度等因素對(duì)滅活效果的影響，結(jié)果表明紫外照射時(shí)間越長(zhǎng)，非洲豬瘟病毒核酸損傷越嚴(yán)重。對(duì)于不同紫外強(qiáng)度的滅活效果，當(dāng)光照強(qiáng)度為110～120 μW/cm2時(shí)，完全滅活非洲豬瘟病毒所需的輻照時(shí)間為30 min；而當(dāng)光照強(qiáng)度為3 600 μW/cm2時(shí)，僅需3 s 即可滅活完全。Conner-Kerr 等[20]檢測(cè)了紫外照射對(duì)耐抗生素金黃色葡萄球菌的滅活有效性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)光照強(qiáng)度為15.54 mW/cm2、紫外燈與細(xì)菌距離為25.4 mm、金黃色葡萄球菌滅活率為99.9%時(shí)，需照射5 s；當(dāng)滅活率為100%時(shí)，需照射90 s。由此得出紫外光照強(qiáng)度越大、消毒時(shí)間越長(zhǎng)，殺菌效率越高。

不同照射距離處的光照強(qiáng)度不同，光照強(qiáng)度與照射距離關(guān)系遵循公式（2）[21]

式中：

I1——位置1 處的光照強(qiáng)度，單位為mW/cm2；

I2——位置2 處的光照強(qiáng)度，單位為mW/cm2；

D1——位置1 至光源的距離，單位為cm；

D2——位置2 至光源的距離，單位為cm。

由公式（2）可知，離紫外燈越近的物體，光照強(qiáng)度越大。Nerandzic 等[22]探討了不同距離對(duì)紫外線(xiàn)滅活金黃色葡萄球菌效果的影響，將承載菌落總數(shù)為5 個(gè)對(duì)數(shù)滴度的載玻片分別放置于距離紫外燈不同輻射范圍內(nèi)，照射相同時(shí)長(zhǎng)，結(jié)果顯示在0.15、1.22 和3.05 m 距離下，金黃色葡萄球菌對(duì)數(shù)滴度分別減少3.3、1.8 和0.7，說(shuō)明增加病原體與紫外裝置的距離，大大降低了紫外照射的滅活效果。與此同時(shí)，距離被照物越近，紫外燈可照射的范圍也越有限（圖1）。因此為確保紫外滅活效果，需平衡好紫外強(qiáng)度大小與紫外照射范圍，在紫外線(xiàn)光源和目標(biāo)物體之間選擇適當(dāng)距離。

圖1 紫外傳播遵循平方反比定律[23]

根據(jù)朗伯余弦定律（Lambert's cosine law）[24]可知，隨著紫外線(xiàn)與被照物表面之間的夾角增大，被照物表面上的紫外輻射功率隨之發(fā)生余弦變化，在紫外線(xiàn)垂直于被照射物表面時(shí)，紫外光照強(qiáng)度最大（圖2）。因此照射角度的變化也影響滅活效果[25]。Katelyn 等[26]和孫巍等[27]對(duì)比了大腸桿菌和銅綠假單胞菌在紫外燈不同角度位置處的滅活效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)正對(duì)紫外燈的情況下，對(duì)大腸桿菌和銅綠假單胞菌滅活效果最好，而與紫外光相平行的情況下，兩種細(xì)菌滅活效果最差。

圖2 紫外光照強(qiáng)度隨角度變化情況[25]

1.2 外界條件

溫度和濕度是影響紫外光照強(qiáng)度的重要因素。韓雪玲等[28]觀(guān)察了溫度對(duì)紫外光照強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度由18 ℃增加到30 ℃時(shí)，紫外光照強(qiáng)度由103 μW/cm2增加到122 μW/cm2；葉圣勤等[29]報(bào)道了在5～20 ℃范圍內(nèi)，紫外光照強(qiáng)度在81.5～109.3 μW/cm2范圍內(nèi)上升，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)（R=0.991）。紫外光照強(qiáng)度隨溫度增加而上升，而光照強(qiáng)度又影響著微生物的滅活率。Gayán等[30]研究表明：紫外線(xiàn)與熱處理滅菌產(chǎn)生協(xié)同作用，紫外線(xiàn)工作環(huán)境溫度低于45 ℃時(shí)滅菌效果保持不變，超過(guò)45 ℃后隨著溫度增加，滅菌效果呈指數(shù)增長(zhǎng)；在環(huán)境溫度為55℃時(shí)，協(xié)同作用百分比最高，為40.3%。

相對(duì)濕度對(duì)紫外殺菌（毒）的影響較復(fù)雜。Cutler 等[31]探究了不同濕度范圍對(duì)豬繁殖與呼吸綜合征病毒（PRRSV）的滅活效果，發(fā)現(xiàn)在相對(duì)濕度為25%～79%時(shí)病毒滅活率最高，相對(duì)濕度＜24%時(shí)病毒滅活率其次，相對(duì)濕度＞80%時(shí)滅活率最低。Tseng 等[32]對(duì)比不同濕度下被測(cè)病毒滅活所需紫外劑量，發(fā)現(xiàn)相對(duì)濕度85%時(shí)病毒滅活所需的紫外劑量顯著高于相對(duì)濕度55%。Peccia等[33]對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了分析，表示高濕度條件下，附著在病毒表面的水可導(dǎo)致紫外光照強(qiáng)度衰減。

紫外消毒也有一定局限性。紫外光在直接照射物體表面情況下消毒效果最佳，而在有遮擋情況下消毒效果較差。Aaron 等[34]以豬流行性腹瀉病毒（PEDV）為研究對(duì)象，對(duì)比了在紫外燈直接照射和間接照射（培養(yǎng)皿蓋遮擋）處理下PEDV 的減少量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)照射前PEDV 半數(shù)組織細(xì)胞感染量（TCID50）為1 萬(wàn)左右，紫外照射1 min 后，被直接照射的PEDV TCID50下降了4 個(gè)對(duì)數(shù)滴度，而被間接照射的PEDV 僅下降了0.68 個(gè)對(duì)數(shù)滴度。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因是由于紫外線(xiàn)穿透力差，遮擋物使得紫外線(xiàn)照射強(qiáng)度變?nèi)?，與無(wú)遮擋處理相比，PEDV 接收到的紫外線(xiàn)大幅度下降，滅活效果隨之變差。附著在紫外燈管的灰塵因遮擋紫外光源，也會(huì)降低紫外光照強(qiáng)度，因此須定期擦拭紫外燈管積攢的灰塵，防止因灰塵遮擋降低紫外燈滅活效果[35]。對(duì)于遮擋物，除石英玻璃以外，紫外線(xiàn)不能透過(guò)普通玻璃和其他非透明材料。因此石英也被用來(lái)制造紫外燈外層[36]。

1.3 被消毒物品材料

紫外消毒可以快速有效滅活豬場(chǎng)常見(jiàn)病毒[34-35]。豬場(chǎng)需要消毒的常見(jiàn)物品較多，如橡膠膠鞋、一次性乳膠或布手套、塑料袋、混凝土地板、疫苗玻璃瓶、裝載物品的紙板箱等，因此需消毒的材料種類(lèi)也較多。材料種類(lèi)和表面粗糙情況不同，紫外滅活效果也不同。Chelsea 等[37]以塞內(nèi)卡病毒（SVA）為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)比了該病毒附著于豬場(chǎng)常見(jiàn)材料（紙板、塑料和布）的紫外滅活效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)紫外消毒能有效降低塑料上的SVA 對(duì)數(shù)滴度，其下降超過(guò)7，而在紙板和布表面的病毒對(duì)數(shù)滴度最大下降僅為2。推測(cè)原因，紙板和布表面粗糙，紫外線(xiàn)不易照射到分布在材料表面凹處的病毒，而塑料表面光滑度較高，紫外照射情況優(yōu)于粗糙表面的紙板等材料，因而塑料表面的病毒滅活效果最好。

2 滅活常見(jiàn)豬病原體紫外劑量

病原體滅活程度與所使用的紫外劑量直接相關(guān)，合適的紫外劑量對(duì)大多數(shù)致病微生物具有較佳滅活效果。在紫外照射劑量不足情況下，很多失活卻未被徹底殺滅的微生物可憑借光的協(xié)助作用修復(fù)自身被破壞結(jié)構(gòu)，從而復(fù)活[38]。各種微生物對(duì)紫外線(xiàn)的吸收劑量和抵抗力不盡相同[30]，相同紫外劑量下，細(xì)菌比病毒更容易感光，細(xì)菌會(huì)更快被完全滅活。

為有效抑制某些微生物修復(fù)能力，不同豬病原體（完全滅活）所需紫外劑量需要設(shè)計(jì)適當(dāng)。微生物滅活效果用對(duì)數(shù)尺度進(jìn)行分級(jí)，具體為使用輻照前后微生物濃度比值的對(duì)數(shù)值Lg（N/N0）來(lái)表示滅活率[39]，其中N0為初始微生物濃度，N為紫外輻照后微生物存活濃度。表1 和表2 分別為文獻(xiàn)中獲取到的豬場(chǎng)常見(jiàn)細(xì)菌減少量（Lg）所需的紫外照射劑量和常見(jiàn)病毒減少量所需的紫外照射劑量。表中，Lg-1 對(duì)應(yīng)滅活率為90%，Lg-2 對(duì)應(yīng)滅活率為99%，Lg-3 對(duì)應(yīng)滅活率為99.9%，Lg-4 對(duì)應(yīng)滅活率為99.99%[40]。表中列出了病原體每一級(jí)減少所需的紫外照射劑量，以及公布數(shù)據(jù)來(lái)源的參考文獻(xiàn)。

表1 豬場(chǎng)常見(jiàn)致病性細(xì)菌對(duì)數(shù)滴度下降與紫外照射劑量對(duì)照 單位：mJ/cm2

表2 豬場(chǎng)常見(jiàn)致病性病毒對(duì)數(shù)滴度下降與紫外照射劑量對(duì)照 單位：mJ/cm2

由表中數(shù)據(jù)可知，對(duì)于試驗(yàn)豬場(chǎng)常見(jiàn)細(xì)菌和病毒，紫外劑量在小于150 mJ/cm2時(shí)，豬病原體就已被完全滅活。同時(shí)，大部分豬病原體，如豬肺炎支原體、偽狂犬病病毒、豬瘟病毒等常見(jiàn)病原體紫外滅活所需劑量未見(jiàn)公布。豬病原體滅活所需紫外劑量是促進(jìn)豬場(chǎng)高效利用紫外消毒的重要依據(jù)。雖然相關(guān)研究人員在不同豬病原體微生物滅活所需紫外劑量方面做了長(zhǎng)足工作，但目前該部分研究仍較為缺乏。因此，亟需測(cè)試豬場(chǎng)常見(jiàn)病原體滅活紫外劑量，為豬場(chǎng)紫外消毒設(shè)備設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考，為進(jìn)一步研發(fā)創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。

3 紫外消毒在豬場(chǎng)的應(yīng)用

作為綜合生物安全計(jì)劃的一部分，豬場(chǎng)紫外消毒設(shè)備的應(yīng)用在過(guò)去幾年有所增加。紫外消毒箱是豬場(chǎng)常見(jiàn)消毒設(shè)備，如圖3 所示。通常它被設(shè)計(jì)為傳遞窗形式，放置于豬場(chǎng)入口處或隔離點(diǎn)，具體操作是將被消毒物品從傳遞窗一側(cè)（相對(duì)臟區(qū)）放入，照射處理后，從傳遞窗另一側(cè)（相對(duì)凈區(qū)）取出。

圖3 紫外消毒傳遞窗（Bio-shift 公司）

使用紫外消毒箱的物品主要為手機(jī)、電腦、小工具和藥物等小到中等尺寸物品[35]。化學(xué)消毒可能會(huì)對(duì)這些物品造成腐蝕從而無(wú)法使用，而紫外消毒可避免該情況發(fā)生。這些物品通常表面無(wú)臟污，物體表面可完全被紫外線(xiàn)照射，消毒效果可得到保證。此外，對(duì)于塑料和紙板材質(zhì)物品，紫外消毒方法并不適用。重復(fù)暴露在紫外線(xiàn)下的塑料會(huì)發(fā)生變化，如顏色變淺或產(chǎn)生氣味；而紙板表面粗糙多孔，孔內(nèi)存在紫外線(xiàn)無(wú)法照射到的地方，導(dǎo)致該處病原體不能被完全滅活。

紫外線(xiàn)也可以用來(lái)凈化豬場(chǎng)污水。李同等[16]探討了不同透射率、紫外線(xiàn)殺菌裝置內(nèi)水深和水力停留時(shí)間對(duì)沼液絮凝上清液的殺菌效果。結(jié)果顯示，當(dāng)紫外光照強(qiáng)度為395 μW/cm2，沼液絮凝上清液透射率為0.69%、水力停留時(shí)間為15 min、紫外線(xiàn)殺菌裝置內(nèi)水深為2 cm 時(shí)，沼液絮凝上清液中糞大腸菌群數(shù)量從3.9×106個(gè)/L 下降至檢出限（3個(gè)/L）以下。John 等[49]對(duì)比了氯和紫外消毒方式對(duì)豬場(chǎng)廢水的消毒效果，發(fā)現(xiàn)紫外線(xiàn)可滅活氯無(wú)法殺死的耐氯菌，因此紫外線(xiàn)滅活廢水的細(xì)菌數(shù)量高于氯消毒后的滅活細(xì)菌數(shù)量，但因豬場(chǎng)污水未做絮凝處理，達(dá)到滅活效果所消耗的能量較高，相對(duì)于氯處理，其經(jīng)濟(jì)性較差。

紫外線(xiàn)也可凈化空氣中的病原菌。現(xiàn)代規(guī)?；i場(chǎng)使用空氣過(guò)濾器攔截病菌[50]，然而，某項(xiàng)研究表明，空氣過(guò)濾系統(tǒng)并未使豬舍空氣中的細(xì)菌數(shù)量顯著減少[51]?；诖饲闆r，Lisa 等[52]研制了安裝紫外燈的空氣過(guò)濾器，以金黃色葡萄球菌、胸膜肺炎放線(xiàn)桿菌、豬細(xì)小病毒、豬繁殖與呼吸綜合征病毒等易在空氣中傳播的病原體為試驗(yàn)對(duì)象，探究該設(shè)備殺菌（毒）效果，并與未安裝紫外燈的空氣過(guò)濾器作對(duì)比。數(shù)據(jù)分析得出單獨(dú)使用空氣過(guò)濾器時(shí)，豬病原體數(shù)量平均減少67.51%，而紫外線(xiàn)照射與空氣過(guò)濾器聯(lián)合使用時(shí)，病原體減少99%以上。

4 小結(jié)和展望

紫外消毒技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是豬場(chǎng)生物安全不可或缺的一部分。但是，目前關(guān)于豬場(chǎng)紫外消毒應(yīng)用的研究有限，相關(guān)科研人員仍需在已有研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究該技術(shù)在豬場(chǎng)生物安全領(lǐng)域的應(yīng)用方向。其未來(lái)研究方向可概括為以下3個(gè)方面：

4.1 紫外工作參數(shù)及環(huán)境參數(shù)對(duì)消毒效果影響

目前，紫外殺菌（毒）仍存在不能徹底滅活等問(wèn)題。為保證紫外線(xiàn)在物體表面有良好的殺菌（毒）效果，應(yīng)針對(duì)不同作用對(duì)象，探究紫外線(xiàn)最優(yōu)作業(yè)參數(shù)以及組合形態(tài)，包括光照強(qiáng)度、光照時(shí)長(zhǎng)、照射距離和燈管個(gè)數(shù)、位置分布、間距等，以提高滅活效率。

4.2 豬只病原體紫外滅活所需劑量

充足的紫外劑量才可將微生物徹底滅活，而不同病原體對(duì)紫外線(xiàn)的敏感度不同，所需劑量也不一樣。目前，很多常見(jiàn)豬只病原體所需的紫外滅活劑量仍未公布。下一步需加大對(duì)這些豬只病原體滅活所需劑量的研究，為豬場(chǎng)紫外消毒應(yīng)用設(shè)備研發(fā)提供指導(dǎo)。

4.3 紫外消毒技術(shù)改進(jìn)和應(yīng)用場(chǎng)景

現(xiàn)有紫外消毒技術(shù)仍面臨光復(fù)活所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，因此改進(jìn)紫外消毒技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用非常必要。紫外聯(lián)合消毒技術(shù)是未來(lái)發(fā)展方向。相關(guān)研究[30，53]表明：紫外線(xiàn)與高溫、紫外線(xiàn)與臭氧具有協(xié)同滅菌效果，能提升殺菌效率；對(duì)于紫外線(xiàn)僅可殺死物體表面病毒的局限性，聯(lián)合消毒方式可以彌補(bǔ)紫外線(xiàn)無(wú)法滅活物體內(nèi)部病原體的不足。應(yīng)用方面，較為成熟的是利用紫外消毒箱對(duì)手機(jī)等小物品進(jìn)行消毒，而對(duì)豬場(chǎng)其他場(chǎng)景和對(duì)象的消毒效果未作深入研究，紫外消毒優(yōu)點(diǎn)未被最大化利用。因此，紫外消毒技術(shù)在豬場(chǎng)相關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)景有待進(jìn)一步探索。