第一作者：Zhiting Liang
通讯作者：张潇源
通讯单位：清华大学
研究速览：
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。
要点分析：
要点：在这项研究中，量化了 •OH 对臭氧化过程中病毒灭活的贡献，并评估和比较了臭氧和 •OH 对病毒结构造成损害的相对程度和机制。两种病毒替代物 Phi6 和 PhiX174 的臭氧灭活实验是使用连续淬灭流系统在很短的时间内进行的。量化了有机基质中臭氧介导的病毒灭活过程中 •OH 的暴露，并使用 Chick-Watson 模型进一步分析了其灭活动力学和贡献。综合评估了参数 （pH 和温度） 对病毒灭活中表观臭氧效率以及 •OH 产生的影响。对•OH 对病毒基因组造成的损伤进行了定量和比较分析。此外，利用密度泛函理论 （DFT） 通过静态分析和模拟，对臭氧和 •OH 对病毒核苷酸的结合位点和反应性进行了独立预测。本研究破译了 •OH 在臭氧化过程中扩增病毒灭活的具体机制和关键影响因素，为臭氧生成的 •OH 在高级氧化过程中的应用奠定了坚实的基础，以实现有效的病原体控制。
图文导读
图 1. （a） Phi6 在两种不同基质中在不同初始臭氧浓度下的灭活过程中的臭氧浓度。（b） 在两种不同基质中，Phi6 感染性的对数减少与臭氧 CT 的函数关系的比较。M1 和 M2 分别表示水矩阵 1 和 2。反应条件：pH = 7.0 ± 0.2，T = 20 °C。噬菌体的初始浓度 = ~107 PFU mL−1。
图 2. M2 中 （a） Phi6 和 （b） PhiX174 的灭活动力学，有和没有 20 mM t-BuOH。符号表示重复测量的平均值，误差线表示三个平行实验之间的标准偏差。（c） 臭氧灭活过程中溶液中的 ESR 谱图，在 M2 中，有和没有 20 mM t-BuOH。反应条件：pH = 7.0 ± 0.2，T = 20 °C。噬菌体的初始浓度 = ~107 PFU mL−1。
图 3. •OH 的病毒灭活动力学。（a） 病毒灭活过程中的 OH 暴露是 M2 中臭氧暴露的函数。（b） 灭活速率常数为（b） 3.0 ×1011 2.0 k·OH 病毒 （M−1·s−1） 1.0 0.0 Phi6 PhiX174 Phi6 PhiX174 两种病毒由 •OH.反应条件：pH = 7.0 ± 0.2，T = 20 °C。初始 pCBA 浓度 = 2 μM。初始 O3 浓度 = 0.285 毫克 L-1。噬菌体的初始浓度 = ~107 PFU mL−1。
图 4. 病毒 （a） Phi6 和 （b） PhiX174 在 M2 中不同 pH 值的臭氧灭活动力学。（c） 不同 pH 值下表观臭氧灭活速率常数 （kapp） 的比较。反应条件：T = 20 °C。噬菌体的初始浓度 = ~107 PFU mL−1。•M2 病毒灭活期间 （d） Phi6 和 （e） PhiX174 的 OH 暴露与臭氧暴露的关系。（f） 在不同 pH 值下 M2 中臭氧灭活期间溶液中的 ESR 谱图。对照组表示未添加臭氧的 M2 ESR 光谱。
图 5.病毒 （a） Phi6 和 （b） PhiX174 在 M2 中不同温度下的臭氧灭活动力学。（c） 不同温度下表观臭氧灭活速率常数 （kapp） 的比较。（d） 不同温度下 M2 中臭氧灭活过程中的 Rct 值（•OH 暴露与臭氧暴露的比率）。反应条件：pH = 7.0 ± 0.2。噬菌体的初始浓度 = ~107 PFU mL−1。
图 6.臭氧介导的灭活过程中 （a） Phi6 和 （b） PhiX174 的基因拷贝水平的对数减少作为臭氧 CT 的函数。在臭氧 CT 值为 3 × 10−6 M·s 的臭氧介导灭活过程中，（c） Phi6 和 （d） PhiX174 在不同条件下臭氧介导的灭活过程中病毒感染性衰减和基因丢失的比较。
图 7 氧化剂和病毒核糖核苷酸的 ESP。（a） 臭氧分子，（b） •OH（c） DNA A-T 碱基对，（d） DNA G-C 碱基对，（e） RNA A-U 碱基对，（f） RNA G-C 碱基对。（原子的颜色：O-红色、N-蓝色、H-白色、C-青色、P-黄色;紫色和橙色的小球体分别对应于表面最大值和最小值）。
图 8.示意图说明了分子臭氧和 •OH 自由基灭活病毒的机制。
结论
本研究定量比较了 •OH 和臭氧在同一系统内对病毒灭活的动力学和贡献，并通过理论计算和实验验证相结合的方式，比较考察了它们各自对病毒基因组的作用机制。使用 Chick-Watson 模型计算的 Phi6 和 PhiX174 的 •OH 灭活速率常数分别为 9.67 × 1010 和 3.85 × 1010 M–1 s–1，显著高于分子臭氧 4–5 个数量级。在 20 °C，pH 7.0 时，COD = 20 mg L-1 和 [O3] 0 = 0.2 mg L–1，系统的 Rct 值处于 ~10–5 水平，•OH 对病毒灭活的贡献范围为 11.3% 至 52.7%。升高的 pH 值促进了系统内 •OH 的产生，导致水中病毒的表观灭活率更高。相反，随着温度的升高，病毒灭活的加速主要归因于氧化剂和病毒之间反应性的增强，而不是 •OH 产量的变化。使用 qPCR 测定评估灭活过程中对病毒基因组的损伤，结果显示，在臭氧暴露 3 × 10-6 M·s 时，系统中 •OH 的存在使病毒基因组损伤增加了 1.97 倍和 2.43 倍，与单独的臭氧分子相比。通过静态 DFT 计算和 ESP 图谱分析，预测和讨论了臭氧分子和 •OH 与核苷酸的结合位点和反应性。结果表明，•OH 在病毒灭活动力学和病毒基因组 24 损伤方面均显著优于臭氧。在实际处理过程中，可以通过促进臭氧化过程中 •OH 的产生（例如，通过添加催化剂）来提高水环境中病毒缓解的有效性。本研究的综合见解为臭氧介导的 •OH 高级氧化技术在水中病毒灭活奠定了坚实的基础，对于在实际应用中有效缓解病毒在水中传播和确保水生物安全具有重要意义。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122982
参考文献：Zhiting Liang , Chenyang Xu , Xirui Zhou , Xia Huang , Xiaoyuan Zhang , Deciphering the virucidal potential of hydroxyl radical during ozonation: Implications for waterborne virus inactivation, Water Research (2024)
doi: https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122982
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