UV-LED灭活水中致病性微生物的研究进展

王哲，冉治霖，相会强，吴启保，李绍峰

（1.沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.深圳信息职业技术学院交通与环境学院，广东 深圳518172；3.深圳职业技术学院建筑与环境工程学院，广东 深圳 518000）

UV-LED灭活水中致病性微生物的研究进展

王哲1，冉治霖2，相会强2，吴启保2，李绍峰3

（1.沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.深圳信息职业技术学院交通与环境学院，广东 深圳518172；3.深圳职业技术学院建筑与环境工程学院，广东 深圳 518000）

消毒是水处理过程中必不可少的环节，选择合适的消毒技术也就变得至关重要。国内外学者正在寻求新型消毒技术，以消除水中致病微生物所产生的公共安全风险。紫外（UV）消毒技术具有速度快、效率高、效果好，不影响水的物理性质和化学成分，便于管理和易于实现自动化等优势。紫外发光二极管技术（UV-LED）作为一种新型紫外线源，其可替代传统紫外线汞灯的发展趋势，已经引起了极大的关注。本文对国内外UV-LED灭活水中致病微生物的研究进展进行了综述。

紫外发光二极管（UV-LED）；消毒；微生物

1 UV-LED在水处理领域应用

根据紫外线的生物效应，可将紫外波长由高到低分为三个阶段，即UVA（400-315nm）、 UVB（315-280nm）和UVC（280-200nm）。UVC可透入病毒、细菌和其它病原微生物体内，可产生嘧啶二聚体，使核酸突变、阻碍其复制、转录及蛋白质的合成，同时破坏微生物的原浆蛋白与酶，最终致使其死亡。

饮用水安全是公共卫生安全体系的重要组成部分，应用有效的水处理技术灭活水中致病性微生物，对人类健康具有重要的意义。UV辐射灭活水中病毒、细菌、原生动物等十分有效，且在工业水处理方面的应用越来越广泛[1]。UV相较于氯、臭氧、二氧化氯等常规消毒剂，具有较多优点，例如无须添加化学药剂，消毒速度快、效率高，不形成有害消毒副产物（DBP），且未对细菌引入消毒剂抗性[2]。欧洲及北美的许多国家将紫外线消毒列为终端用水、用户进水端及小型给水系统的首选。在我国，紫外消毒技术因其节能环保的特性，日益受到关注和推广，具有逐步取代传统化学消毒技术的趋势，成为水处理净化重要手段。目前紫外消毒系统主要使用低压或中压汞灯，但它们依然存在一些难以解决的问题。如紫外灯管易碎，其内含对生物和环境有害、有毒的汞[3]，一定量的汞能够引起水俣病，根据水俣公约规定，2020年我国将全面禁止汞相关制品的生产和销售；汞灯具有较短的寿命（10000小时左右），需要适当的后续处置；另外，传统汞灯效率极低（15%-35%左右），耗能严重。

紫外发光二极管（UV-LEDs）不仅具有传统紫外消毒的优点，且还具有明显的环境效益，较低的能量消耗，这使得UV-LED灭活水中致病微生物的相关研究逐渐成为国内外的热点。与传统汞灯紫外光源相比，UV-LED具有光谱半峰宽度窄、效率高、功耗小、寿命长、响应快、无任何有害物质等诸多优点，具有非常广阔的应用价值和市场前景。应用不同的半导体材料可以制造出各种波长的UV-LED，据报道，应用氮化铝镓（AlGaN）可发射获得210nm至365nm波长的光源，这个范围覆盖了近紫外到深紫外整个区域[4-5]。在消毒灭菌方面，250-270nm波长范围的紫外线直接消毒灭菌效率最高。AlGaN材料被认为是最理想的深紫外线发光材料，日本凭借其在GaN基蓝光LED领域的先发优势，在紫外LED方面的进展举世瞩目，尤其是日亚化学（Nichia）公司，成功研发世界首个波长371 nm的GaN基紫外LED。另外，在实际工程中，UVLED无需预热，使其可以实现在更短时间内启动，并且可以高频率的开启和关闭[6]。根据最新操作参数，可知UV-LED电源转换效率可达75%，寿命长达100000小时。这些优势使UV-LED技术逐渐成为一种可替代传统紫外汞灯的新型能源。

2 UV-LED灭活水中致病性微生物的研究进展

2.1 灭活条件对UV-LED灭活效果的影响

（1）波长对灭活效果的影响

不同波长的紫外线对应不同能量的光子（光是物质运动的一种特殊形式，是一粒粒不连接的粒子流），波长越小，对应的光子能量越大。波长是影响水消毒效率的重要因素[7]，UV-LED可提供多种波长的优点使其成为高效消毒的新选择。 目前，UV-LED灭活水中微生物的研究波长覆盖了UV-A（315-400 nm）、UV-B（280-315 nm）和UV-C（＜280 nm）。根据目前的研究，应用365nm 波长UVA-LED 灭活大肠杆菌，获得单位对数灭活率需UV剂量达到13846mJ/cm2[8]；应用310nm UVB-LED灭活大肠杆菌，获得单位对数灭活率需达到94.8mJ/cm2的灭活剂量[9]；254nm时，需达到8mJ/cm2[10]；由此可见，灭活水中大肠杆菌，为获得单位对数灭活率，UVC-LED需要较低的紫外辐照剂量。Gough Yumu Lui等的实验也证明了这一点，其应用270、365、385和405nm的UV-LED阵列灭活水中大肠杆菌，结果显示为取得5log 10的灭活效率，所需的辐射时间因UV波长不同而存在差异[11]。研究结果显示，单独使用UVA-LED灭活微生物的效果不佳，而UVC-LED灭活微生物却能取得较好的结果。

Ayuko Takada等应用310nm UVB-LED（105mJ/cm2）照射口腔细菌，可获得30～50%的灭活率，而使用265nm UVC-LED（17.1mJ/cm2）照射可完全杀死细菌[12]。Sara E.Beck评估了在260nm、280nm和260/280双波长UVC-LED辐照下，大肠杆菌、MS2噬菌体、人腺病毒2型（HAdV2）和短小芽孢杆菌的灭活效果，并与低压和中压紫外汞灯进行了对比，结果显示，MS2噬菌体在260nmLED 照射下最为有效，而HAdV2和短小芽孢杆菌，中压汞灯灭活效果最佳[13]。Aoyagi等研究了255nm和280 nm UVCLED对噬菌体4X174，Qb和MS2的灭活效应。结果表明，在280nm辐射下单位对数灭活率对应的UV剂量分别为2.8、28.7和30.5mJ/cm2，而在255nmUV辐射下所需的UV剂量较低，分别为1.7、12.5和12.8mJ/cm2[14]。说明，波长不仅对灭活细菌有影响，而且对病毒的灭活也存在极大的影响。因此，选择合适波长的紫外光源进行消毒，对消毒效果好坏起着至关重要的作用。

（2） 水处理条件对UV-LED灭活效果的影响

UV-LED作为一种UV的替代紫外光源，具有高度的设计灵活性。由于设计选择的多样性增加了开发UV-LED反应器的难度，例如，反应器的形状、尺寸、紫外光的发射角度以及光源波长选择，以上条件均会对效果产生极大影响。Richard M.Jenny等应用一个密闭的立方体反应器灭活大肠杆菌，其内部相对侧分别排布15个254nm 波长LED灯珠。试验结果表明，此流动反应体系中，灯珠在整个反应器中的空间布置将会对实验结果产生影响。由此可见，由于UV-LED消毒技术的设计自由度很大，最佳的设计方案可能不是由经验丰富的设计师开发的[15]。

Martin Hessling等测试了一种基于单个功率25mW，波长285nm的LED，外部由矩形截面的石英管组合的小型消毒系统。结果显示，在这样一个流动系统中细菌浓度可以降低至少三个数量级[16]。Kumiko Oguma等将两个环形UV-LED单元连接到石英圆柱体上，每个单元由10个285nm 波长UV-LED灯珠组成，微生物悬浮液以一定速度流过圆柱体，改变两个单元之间的距离L，检测大肠杆菌的灭活率。经过测试，在L=20mm处，大肠杆菌显示出最高的灭活效果[17]。根据不同学者的研究可以看出，在实际应用过程中，反应器中UV-LED的分布是非常重要的，UV-LED的排列方式与水体的流动方向将影响水体接受紫外光强的大小，因此，在未来的研究中，需要开发基于反应器特定参数进行设计优化的标准，如系统中的三维配置和流体动力学。

2.2 UV-LED对不同微生物的灭活效果

紫外消毒技术是一种物理消毒方法，细胞的破坏程度取决于微生物对UV能量的吸收和对UV的抵抗力，不同微生物对某一波段紫外线的敏感性存在着差异。水体中的微生物多种多样，Joo-Yeon Shin等应用275nm波长UV-LED灭活大肠杆菌O157、H7、鼠伤寒沙门氏菌和单核细胞增生利斯特氏菌。结果显示，当UV辐射剂量从0增加到1.67mJ /cm2时，大肠杆菌O157、H7和鼠伤寒菌灭活效率达到6log10，而单核细胞增生李斯特氏菌灭活效率为5log10[18]。由此可见，UV波长是影响微生物灭活效率的重要因素，但不同微生物对UV辐射的吸收能力是存在差异的。

UV辐射对水中大多数致病微生物具有较佳的灭活效果，但各种微生物对UV能量的吸收（剂量）和对UV的抵抗力是不同的。通常，细菌比病毒更容易感光，原生动物（如隐孢子虫和贾第鞭毛虫）对UV的敏感度比细菌更高。微生物对UV的敏感程度以达到单位对数灭活率所需要的UV剂量来评价，UV剂量越低，微生物对UV越敏感。Do-Kyun Kim等应用266 nm 和279 nm 波长UV-LED 灭活噬菌体MS2、Qβ、ΦX174。研究结果为，噬菌体MS2和Qβ在UV剂量为9mJ/cm2条件下，灭活率达到7log10，对于ΦX174而言，所需UV剂量仅为1mJ/ cm2[19]。Kumiko Oguma等285nm环状LED装置灭活水体中腺病毒，实验结果显示，杀菌因子为1.15（杀菌因子为对数灭活值与紫外剂量的比值）。Jonathan B.Gillespie等应用平均辐照强度为16mW/cm2的405nm波长UV-LED照射金色葡萄球菌，发现金色葡萄球菌减少量为95%～98%[20]。Sook Hyun Nam等考察了UV-LED对饮用水的杀菌效率，结果显示在应用260nm波长UV-LED辐照下，大肠杆菌在紫外剂量为18mJ/cm2下取得3log10的灭活率，枯草芽孢杆菌在40mJ/cm2紫外剂量辐照下灭活率约为2log10[21]。

2.3 UV-LED联用技术

由于其消毒效率高，无消毒副产物，紫外线发光二极管技术日益成为水消毒用紫外线汞灯的替代品。然而，现有的紫外灯改造面临紫外线消毒效率和光复活所带来的挑战，因此，改良紫外消毒过程在实际应用是非常必要的。目前，国内外学者对改良紫外消毒的相关研究还存在很大不足。Zhou等利用低频超声对水体进行预处理，后用254nm波长UV-LED作为紫外光源灭活大肠杆菌，实验结果显示超声预处理提高了大肠杆菌的失活速率常数（从0.1605增加到0.1887）[22]。陈宏飞等对二氧化钛结合405nm LED 光催化杀灭金色葡萄球菌进行了研究，实验结果显示，经过0.2w/cm2的光波辐射3小时，材料浓度为5g/L N-TiO2时，金色葡萄球菌灭菌率达到60%[23]。可见，UV-LED消毒技术与其他消毒技术的联用将提高消毒效率，探求高效的联用方式将是学者未来的研究方向。

3 UV-LED灭活机理研究

UV辐射通过直接作用于微生物的DNA而具有杀菌效应，UV照射下，DNA 分子上的两个相邻的胸腺嘧啶（T）或胞嘧啶（C）之间可共价键连结形成环丁酰环，这种环式结构称为二聚体。胸腺嘧啶二聚体（CPDS）的形成是UV辐射伤害DNA分子的主要方式[24]。DNA主要吸收200-300nm的UV辐射，并且在260nm附近具有吸收峰。这使得UVCLED辐射能够较为有效的灭活水中各种致病微生物。然而，这种对DNA的直接损伤可能通过微生物的修复机制（光复活和暗复活）得到修复，降低UV对微生物的伤害。蛋白质的吸收光谱在280nm附近具有吸收峰，这就使得UVC辐射在损伤DNA的同时能够损伤DNA修复酶，削弱了DNA的复活率。因此，UVC-LED能够较为有效的灭活水中各种微生物。

微生物DNA对UVA的吸收是少量的，但UVALED同样具有一定的杀菌能力。UVA-LED主要通过对DNA的间接作用以及对细胞其他组分的氧化作用实现杀菌效果。UVA辐射通过光氧化形成活性氧（ROS），间接对DNA造成伤害，而且这种伤害是不可逆转的。研究表明，羟基自由基和过氧化氢是参与UVA消毒的主要活性氧物质。这些反应性中间体造成了DNA，蛋白质和细胞膜的氧化损伤并导致生长延迟，但造成这种伤害所需的时间较长[25]。另外，UVA具有更强的渗透性，对浑浊水体具有更好的消毒效果。因此，UVA-LED消毒的主要优点是能够防止微生物复活。

目前，对不同波长协同灭活微生物的机理研究较少。Chevremont等认为不同波长组合具有UV的不同属性：UVC诱导对DNA的直接损害，但这种DNA损伤可以通过光解酶修复，而通过UVA对细菌膜的氧化损伤不能修复[26]。另外，脉冲UV照射也开始被学者研究，普遍认为脉冲紫外线照射比连续紫外线照射具有更多的瞬时能量。除了通过UV损伤DNA之外，脉冲UV处理可以防止由于DNA修复系统和其他酶功能的失活引起的DNA修复[27]。脉冲UV具有更多的瞬时能量，这使得在消毒过程中可能发生局部过热和膜破坏等现象[28]。目前对于脉冲UV的灭活机理研究主要基于氙灯，关于UV-LED脉冲辐射的机理还需进一步研究。

4 研究展望

UV-LED作为杀菌紫外光的新来源，与常规汞灯相比，UV-LED具有独特的优势，在水处理领域具有很大的开发潜力。但目前关于UV-LED的研究是有限的，需要深入的研究来更好的了解UV-LED在水消毒领域的应用，以下是进一步研究的几个方向：

第一，由于其光输出功率低、成本昂贵，目前广泛的使用受到严重限制。因此，加强UV-LED材料领域的研究显得尤为重要，改进UV-LED制备工艺、提高转换效率，是目前相关研究机构和企业的重要研究方向。扩大UV-LED在目前消毒系统的影响力、效率和多功能性成为研究的热点。

第二，紫外剂量是UV-LED有效发挥消毒作用的重点，杀灭不同微生物需要不同的辐照剂量，过高会浪费不必要的能量，过低又达不到消毒的目的；UV-LED的表征和微生物灭活的标准方案需要一种有效的定量信息来评价；因此，一套测定UVLED的紫外剂量的标准方法就显得至关重要。

第三，国外对UV-LED灭活水中微生物已进行了一些研究，而国内相关研究还少之甚少。从目前的研究来看，关于UV-LED灭活水中微生物的研究存在着局限性，例如对消毒过程中浊度、有机物浓度和无机离子的影响未作深入研究。

第四，关于灭活机理，目前的研究仅限于传统紫外消毒技术的机理研究，而UV-LED作为一种新型的紫外消毒光源可能与传统消毒机理之间存在或多或少的差别，因此UV-LED灭活水中微生物的机理研究有待进一步探索。

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【责任编辑：杨立衡】

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

深圳市科技计划项目（JYCJ20160226092135176）。

王哲（1993-），女（汉），辽宁沈阳人，硕士，主要研究方向：饮用水处理。E-mail：1347946722@qq.com