2. 天津城建大学能源与安全工程学院, 天津 300384
2. School of Energy and Safety Engineering, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China
环境中的微生物可通过人们在室内环境中生活和工作在人群传播。病毒、细菌等病原体严重威胁人类健康，部分可通过气溶胶传播。佩戴口罩、保持距离等措施有利于切断微生物的近距离传播，但预防气溶胶远距离传播仍具有挑战性[1]。暖通空调在提供新鲜空气的同时，其适宜的环境条件使微生物迅速生长，大大增加了污染的风险。为防止微生物通过暖通空调传播，多项动态空气消毒技术(臭氧、低温等离子体、光催化等)已广泛运用于室内空气净化[2]，但这些技术存在二次污染、需专业人员操作、生成醛和酮等危害人体健康的物质等缺点。
紫外线杀菌(ultraviolet germicidal irradiation，UVGI)历史悠久，早在1877年，太阳光就被证实具有杀菌能力，且紫蓝色光谱的杀灭能力最佳[3]。49 600 μJ/cm2的紫外线剂量可去除管道内99.98%的严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)[4]。紫外线消毒具有技术设备简单、易操作、应用广泛等优点，但紫外线穿透力不强，还会产生臭氧，危害健康。
紫外线去除室内空气中微生物气溶胶的方法主要包括照射房间内空气微生物的房间上照法和照射管道内微生物的风管内照法。对学校、食堂等公共场所，房间上照法能避免传染性疾病传播，其去除效果与每小时换气次数、空气混合均匀度和相对湿度(relative humidity，RH)等因素相关[3, 5]。
管道UVGI能有效去除空气微生物，白色葡萄球菌的去除效率高达90%[6]。在医院隔离病房等疾病容易传播的场所，通过在回风管内紫外线照射对空气进行循环消毒，能大大降低对新风补给的要求，降低能耗，提高系统运行的经济性。随着管道UVGI应用的增加，大量研究围绕如何提高和量化系统性能展开。研究紫外线如何杀灭微生物，确定紫外线对细胞中的脱氧核糖核酸(DNA)、脂质和蛋白质的损伤效应，能帮助理解微生物对紫外线敏感性的变化，并研究出高效的紫外线杀菌策略。管道内紫外线杀菌效率由多种因素决定，确定各因素的影响方式和理想的使用范围，在提高去除效率的同时也能优化系统设计。随着计算机技术的发展，模型预测广泛应用于紫外线消毒领域。模拟管道内紫外线分布、预测微生物的失活过程都有助于提高系统性能，合理利用资源。
1 紫外线照射杀灭微生物的原理对紫外线杀灭微生物过程中的DNA损伤类型、脂质组成变化和过氧化程度，以及蛋白质损伤进行分析，并探讨其失活机制，有助于确定微生物杀灭过程中的重要步骤，制定更有效的杀菌方式。
1.1 DNA损伤不同波段紫外线(UVC 200~280 nm，UVB 280~320 nm，UVA 320~400 nm)可对DNA造成不同类型损伤。UVA通过诱导产生活性氧(reactive oxygen species，ROS)损伤DNA。UVB与UVC则直接损伤DNA，生成包括环丁烷嘧啶二聚体(cyclobutane pyrimidine dimers，CPDs)、(6-4)光产物和(6-4)嘧啶酮光产物在内的光化学产物[3]。
1.1.1 UVA诱导的DNA损伤机制UVA诱导细菌损伤主要通过产生ROS，与鸟嘌呤反应间接损伤DNA，生成8-羟基-脱氧鸟嘌呤核苷。ROS中的单线态氧能破坏DNA而杀灭细菌，在UVA杀灭细菌中起重要作用。UVA照射DNA也能产生CPDs，但在相同失活水平下，UVA-LED照射大肠埃希菌后，细胞中CPDs水平显著低于UVC照射后的细胞[7]。
1.1.2 UVB与UVC诱导的DNA损伤机制UVB或UVC照射细菌后主要通过诱导CPDs和(6-4)嘧啶酮光产物的形成直接损伤DNA。随着UVC剂量的增加，黑曲霉、黄曲霉和烟曲霉的DNA含量逐渐降低，故紫外线直接破坏真菌DNA，并杀灭孢子[8]。UVC照射后，枯草杆菌芽孢不仅产生CPDs，出现DNA链断裂，还生成胸腺嘧啶-胸腺嘧啶加合物这种芽孢光化学产物，成为杀灭芽孢的主要原因[9]。照射剂量为40 mJ/cm2时，30%的DNA损伤是因为产生(6-4)光产物，42%的DNA损伤则是因为产生CPDs[10]。
1.2 脂质变化紫外线诱导细菌产生ROS，使脂质双分子层的脂肪酸氧化、跨膜离子梯度变化、磷脂双分子层发生重排而生成亲水孔，膜通透性增加使细胞膜失去完整性，同时，ROS会进一步氧化脂质分子而杀灭细胞。
1.2.1 脂质组成变化UVC照射下细菌通过调节磷脂含量，如不饱和脂肪酸含量，以及支链和直链脂肪酸比例，增加膜稳定性以减轻UVC的影响[11]。UVA照射铜绿假单胞菌时，编码去饱和酶的基因desA和desB被诱导表达，不饱和脂肪酸含量增加[12]。
1.2.2 脂质氧化细菌细胞膜中大量铁元素催化ROS产生，使细胞膜处于氧化损伤状态，膜流动性下降。Ouyang等[13]用脉冲紫外线处理蛋清中大肠埃希菌发现，随着紫外线剂量增加，ROS与多不饱和脂肪酸反应生成丙二醛(malondialdehyde，MDA)，MDA含量升高，细菌的脂质氧化水平升高。然而，UVC照射嗜酸氧化亚铁硫杆菌后的脂质氧化水平较低，可能与其含有Bcp和Ahp类过氧化物蛋白有关。研究[14]证实，Bcp和Ahp类过氧化物蛋白可有效去除脂质氧化物。
1.3 蛋白质损伤紫外线照射会引起微生物蛋白质组成变化，蛋白质氧化和抗氧化酶系统的自我调节。
1.3.1 蛋白质组成变化UVC照射可诱导志贺氏菌蛋白质表达水平改变，生成新的膜蛋白[15]。高剂量UVC照射使腺病毒的五邻体和六邻体蛋白数量减少，原始蛋白质数量减少66%~89%[16]。紫外线照射后，不动杆菌的芳香族氨基酸含量下降[17]，说明紫外线影响芳香族氨基酸的合成。
1.3.2 蛋白质氧化蛋白质氧化是细菌死亡的重要因素，且很早发生在细菌失活过程中。蛋白质羰基化水平能反映蛋白质氧化程度，且与杀灭细胞量相关。紫外线照射沙漠土壤中的厚壁菌、变形菌和热球菌，使其发生蛋白质氧化，其氧化程度明显低于大肠埃希菌[18]。
1.3.3 调节抗氧化酶系统超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、过氧化氢酶(catalase，CAT)等酶能抑制ROS产生氧化损伤，主要通过Fe SOD、Mn SOD清除自由基，CAT催化过氧化氢的转化，降低氧化损伤程度。Zhang等[19]研究结果表明，紫外线灭活养殖海水中大肠埃希菌、无乳链球菌和耐辐射球菌时，CAT活性增强。耐辐射球菌的Mn SOD对紫外线具有极强的抵抗力，该酶相关基因在皮肤细胞表达时，能保护细胞免受氧化损伤[20]。
2 影响紫外线去除管道内空气微生物效果的因素管道内紫外线杀灭效果受许多因素影响，包括微生物种类、温/湿度、紫外线照射强度等。研究紫外线杀菌效果的影响因素，不仅能提高紫外线杀灭效率，还能优化系统配置，避免资源浪费。
2.1 微生物种类不同种类微生物对紫外线的敏感性不同，其对紫外线的敏感性强弱用紫外线敏感性常数Z值表示[3]。Z值的大小与微生物种类、细胞结构、有无芽孢和核酸类型等相关，体现了微生物被紫外线杀灭的难易程度。
2.1.1 细菌与革兰阴性菌相比，革兰阳性菌有厚且坚硬的肽聚糖层，能减轻紫外线胁迫，故而对紫外线抵抗力更强。紫外线剂量为4.4×104 μJ/cm2时，革兰阳性菌金黄色葡萄球菌与革兰阴性菌大肠埃希菌的去除效率分别是20.95%、48.00%[21]。
细菌芽孢对紫外线的抵抗力很强，紫外线剂量须达到几十万μJ/cm2才能杀灭细菌芽孢。从芽孢结构和组成分析，其部分紫外线抗性是因为外层蛋白质、DNA保护蛋白及DNA修复蛋白的存在。芽孢中的DNA保护蛋白α/β类溶酸性芽孢蛋白、DNA修复蛋白Spl、ExoA的缺失使芽孢更易被杀灭[22]。芽孢紫外线耐受性的主要原因是芽孢芯含水量低、2，6-嘧啶二羧酸含量较高，能快速修复损伤。紫外线照射后，芽孢中2，6-嘧啶二羧酸含量显著减少，芽孢结构被破坏[23]。
2.1.2 真菌空气中的真菌孢子对紫外线的抗性约是营养真菌与酵母的9倍。RH较高(＞68%)时，真菌孢子的紫外线耐受力约是细菌的3倍[3]。与病毒相比，真菌的紫外线敏感性较高，容易被杀灭[24]。另有研究[25]发现，紫外线对诊所空气中细菌的杀灭效果较好，对真菌的杀灭效果较差。
Cortesão等[26]发现，1.038×105 μJ/cm2的紫外线照射剂量能杀灭90%的黑曲霉，而去除90%耐辐射球菌所需的剂量是6.6×104 μJ/cm2。黑曲霉由于分生孢子和其成熟的子囊孢子而更耐辐射。真菌孢子的尺寸、色素都会影响紫外线杀灭效果。紫外线杀灭黑曲霉、黄曲霉与烟曲霉时，黄曲霉中抗性色素最多，最难被杀灭，其次是黑曲霉，最后是烟曲霉。烟曲霉孢子尺寸最小，最易被杀灭[8]。研究[27]发现，胶红酵母对紫外线的抗性大于白念珠菌和地霉菌。
2.1.3 病毒病毒的核酸类型影响其对紫外线的敏感性。双链DNA病毒由于衣壳结构和DNA含量较多而最不易被紫外线杀灭。单链DNA病毒与单链核糖核酸(RNA)病毒的紫外线抗性较弱，相同失活效率下，双链DNA病毒与双链RNA病毒所需紫外线剂量大约是单链DNA病毒和单链RNA病毒的2~3倍[3]。紫外线照射剂量达到444~494 μJ/cm2时，单链RNA病毒phi X174的去除效率在90%左右，去除90%的双链RNA病毒phi 6所需剂量为662~863 μJ/cm2[28]。
2.2 空气温度与流速空气温度与流速影响灯管表面与空气的换热和灯管内部的温度场，从而影响其紫外线输出辐射和微生物杀灭效果。
空气流速，即风速，同样影响紫外线杀菌效果。Yang等[29]研究结果表明，紫外线消毒效果随空气流速(3~7 m/s)的增加而降低，且风速在3 m/s时对大肠埃希菌的杀灭效果最佳。风速为3 m/s时，紫外线杀灭表皮葡萄球菌的效率为99.7%；增加至6 m/s时，杀菌效率降为76.1%[30]。通常，管道紫外线杀菌系统的运行风速为2~2.54 m/s。
强对流条件(风速为3 m/s)下的管道内，与低温(15~16℃)和高温(25~26℃)相比，中温(20~21℃)的紫外线强度最高[30]。Lee等[31]研究了现实气候条件对空调管道紫外线杀菌系统性能的影响后发现，由于纽约整体温度较低，紫外线灯的输出效率最低；但是，因为空气流动速度较慢，其单次去除效率最佳。有时空气流速与温度对紫外线灯输出的影响可相互抵消，需综合考虑环境因素对杀菌效果的影响。
2.3 RHRH会影响微生物的结构、大小和质量，改变微生物对紫外线的敏感性。空气中的水分子还会影响紫外线强度，进而改变微生物的去除效果。
2.3.1 RH对微生物紫外线敏感性的影响RH较高时，微生物与水分子结合，其生物结构更稳定，因而更难被紫外线杀灭。RH在50%时，大肠埃希菌和枯草杆菌芽孢Z值最大[30]。与细菌相似，RH的增加也使病毒对紫外线敏感性降低。RH在25%~79%时，猪繁殖与呼吸综合征病毒最容易被紫外线灭活，RH＜24%和RH＞80%时，病毒对紫外线的敏感性下降[32]。
革兰阳性菌的Z值不易受到RH影响。RH由25% 提高至90%时，黏质沙雷菌和结核分枝杆菌的Z值分别减少了85.23% 和33.33%，枯草芽孢杆菌仅降低22.83%[33]。
微生物的空气动力学直径同样影响其紫外线敏感性，而微生物粒径随RH的增加而增大，导致其Z值减小。
2.3.2 RH对紫外线强度的影响随着RH的增加，水分子吸收的紫外线剂量增加，水也会折射或反射紫外线，使强度衰减而影响杀灭效果。风速为3 m/s、RH从50%增加至90%时，管道截面上紫外线强度的降幅可达34%[34]。低RH(20%)下，紫外线灯12.7 cm处的紫外线强度范围为8×103~1.01×104 μW/cm2；中RH(65%)下，紫外线强度为1.17×104 μW/cm2，相应表皮葡萄球菌的杀灭效率由54.41%提高至60.21%[35]。因此，RH较低或较高时要增强紫外线强度才能达到预期杀灭效果。
2.4 紫外线照射强度杀菌效果除了受环境温度、RH等影响外，还与紫外线照射强度有关。紫外线灯发光长度、布置方式和照射距离均会影响紫外线照射强度。
2.4.1 紫外线灯发光长度紫外线灯发光长度影响紫外线强度。视点因子法结合拉格朗日等模型的模拟结果表明，随着紫外线灯发光长度的减少，紫外线强度及分布面积逐渐缩小，实际测量也是如此[36]。此外，空气中的灰尘不能吸收紫外线，但会积累在紫外线灯表面，降低紫外线强度[37]，因此，实际应用中应避免遮挡紫外线灯。
2.4.2 紫外线灯布置方式管道紫外线灯的布置方式包括平行和垂直于气流方向两种。平行于气流的布置方式能延长微生物受紫外线照射时间，但是会导致紫外线剂量分布不均匀，可通过增加紫外线灯数量和改变灯倾斜度改善。Atci等[38]利用流体力学对四种不同灯阵数值进行分析发现，紫外线灯在垂直于气流逆时针旋转60°时的平均紫外线剂量和杀菌效率均高于其他布置方式，而在平行于气流时的剂量分布比较不均。Sobhani等[39]运用离散纵坐标模型(discrete ordinate model，DO模型)计算消毒反应器中垂直于气流的紫外线灯强度时发现，靠近管道中心的两个紫外线灯运行时的强度与四个灯同时运行时相似，两种情况下的消毒效率也非常接近。
2.4.3 紫外线照射距离紫外线照射强度随灯距的增加而减小。当照射距离由3 cm增加至7 cm时，24个UVC-LED灯集群的强度由1.520×104 μW/cm2下降至4.82×103 μW/cm2，对SARS-CoV-2的去除效率由63.35%降低至59.11%[40]。功率0.12 W的紫外线灯，随着照射距离由2 cm增加至6 cm，强度从9.2 μW/cm2下降至1.9 μW/cm2，照射1 min时对滤纸片上大肠埃希菌的去除效率由89.03%下降至42.88%[41]。
2.5 管道反射率风管内照法要求管道内衬使用反射率高的材料，以减少紫外线的吸收损耗，提高杀菌效率。UVC-LED空气管道的反射模型模拟结果显示，仅一个管道面反射时的细菌失活效果较差，四个壁面同时反射时失活率最高[42]。
实际应用中，为提高紫外线去除效率，需使用高反射材料或反射涂料。医院房间墙壁使用反射涂料和标准涂料时，紫外线照射后粪肠球菌的平均浓度分别下降66.28%和7.92%[43]。使用紫外线反射率高的材料可以缩短消毒时间。对救护车原有内表面全面消毒所需时间是234 min；救护车内部使用反射材料时，时间缩短到79 min；涂有反射涂料时，时间为59 min[44]。
3 紫外线照射去除管道内空气微生物的理论模型紫外线去除管道内微生物的理论模型包括紫外线强度计算模型和微生物去除模型。紫外线强度分布是模拟管道内紫外线空气消毒系统的主要研究内容之一，计算紫外线剂量可以评估和提升系统性能。微生物去除模型能预测紫外线照射杀灭微生物的效果，计算在空气中达到一定去除效果所需要的紫外线剂量。
3.1 紫外线强度计算模型紫外线强度计算模型分为三角模型和辐射传递模型。三角模型考虑了辐照角度与表面的数学关系，包括点、线源模型和视点因子法等。辐射传递模型能模拟紫外线光的吸收、反射和折射，包括离散纵坐标模型和修正后的P-1模型等。
3.1.1 多点源叠加模型紫外线光在介质中的反射、折射与吸收不可忽视。多点源叠加模型考虑紫外线光的反射与折射，每个点源强度总和即为紫外线灯的总输出功率。紫外线消毒器在大流量、低透光率下，多点源叠加模型计算的紫外线强度值更接近枯草芽孢杆菌失活对应的剂量值[45]。
3.1.2 无限线源模型无限线源模型忽略光的吸收作用。一个长度0.889 m、内径0.089 m的水消毒反应器，无限线源模型模拟腔内的紫外线强度与试验结果的误差较小，具有较高的准确性[46]。此模型模拟紫外线水消毒反应器内粒子接受剂量时，71.6%的粒子受到的剂量＞60 μJ/cm2；采用多点源叠加模型预测时，34%的粒子接受的紫外线照射剂量＞60 μJ/cm2；两种模型的结果均显示75%的粒子接受剂量在30~100 μJ/cm2之间[47]。
3.1.3 视点因子法视点因子法不仅能计算紫外线灯发射的紫外线强度场，还能确定管道反射材料反射的紫外线强度。空间内任意一点的紫外线强度I是紫外线灯表面的强度与总视点因子的乘积，具体见公式(1)。公式(2)可计算紫外线灯两端以外任一点的紫外线强度。
| $ I=\frac{E_s}{2 \pi r l} F_{ {total }} $ | (1) |
| $ F_{d_{1-2}}=\frac{L}{\pi H}\left[\frac{1}{L} \tan ^{-1} \frac{L}{\sqrt{H^2-1}}+\frac{X-2 H}{\sqrt{X Y}} \tan ^{-1}\right. \\ \left.\sqrt{\frac{X(H-1)}{Y(H+1)}}-\tan ^{-1} \sqrt{\frac{H-1}{H+1}}\right] $ | (2) |
其中：
l—紫外线灯长度；
x—离紫外线灯的距离；
r—紫外线灯的半径。
Yang等[29]基于视点因子法，模拟了多个紫外线灯在管道内的紫外线强度场，模拟的紫外线强度值和杀菌效果均与试验结果较为吻合。与其他模型相比，视点因子法模拟近紫外线灯处紫外线强度值的准确度更高[3]，其模拟百叶窗遮挡下的三维空间的紫外线强度时，模拟值与测量值接近[48]。
3.1.4 DO模型DO模型可模拟紫外线光的反射与折射效应，增加模拟的准确性。通过该模型计算消毒反应器内的紫外线强度分布，离散相模型计算微生物在反应器的运动轨迹和停留时间，进而确定微生物失活所需的紫外线剂量。DO模型可用于优化紫外线消毒系统设计，提高消毒系统性能。基于拉格朗日法，结合DO模型与离散相模型，刘美丽等[49]发现，与在反应器内设置挡板相比，改变紫外线强度更能提高杀灭效率。
3.1.5 修正后的P-1模型修正后的P-1模型能求解复杂几何形状反应器的紫外线强度分布。该模型计算管道中心处垂直于水流方向的紫外线强度分布时发现，每盏灯中心的强度为1.3×104 μW/cm2，远高于紫外线灯两端的光强度(1×104 μW/cm2)，相邻两盏灯之间的光强度很低，仅为8×103 μW/cm2[50]。修正的P-1模型模拟设有紫外线灯的隔离房间的紫外线强度时，同样发现灯管中心的强度高、两盏灯之间的强度较低[51]。
3.2 紫外线去除微生物模型紫外线去除微生物模型能预测微生物的失活过程。不同种类的微生物对紫外线照射的抵抗力不同，其衰减过程存在差异。紫外线去除微生物模型有很多种，包括Chick-Watson、Biphasic和Weibull模型。
3.2.1 Chick-Watson模型Chick-Watson模型主要表示化学消毒剂的消毒动力模型。修正后的Chick-Watson模型可适用于紫外线消毒，如公式(3)所示：
| $ \lg \left(N_0 / N_t\right)=k I^n t $ | (3) |
其中：N0—初始微生物浓度，CFU/mL；
Nt—反应时间为t时的微生物浓度，CFU/mL；
k—微生物失活速率常数；
I—紫外线照射强度；
n—动力学参数；
t—照射时间。
3.2.2 Biphasic模型当部分微生物的紫外线抗性较强时，灭活过程中容易出现拖尾现象。Biphasic模型分为两部分，一部分是对数线性失活阶段，表示对紫外线敏感的部分率先失活；另一部分是拖尾现象，表示较难被杀灭的部分。如公式(4)所示：
| $ \lg \left(N_t / N_0\right)=\lg \left[(1-x) \cdot e^{\left(-k_2 \cdot D_t\right)}+x \cdot\right. \\ \left.e^{\left(-k_1 \cdot D_t\right)}\right] $ | (4) |
其中：x—对紫外线敏感种群占初始种群的比例；
(1-x)—对紫外线抗性更强种群占初始种群的比例；
k1—种群x的失活速率常数；
k2—种群1-x的失活速率常数。
3.2.3 Weibull模型紫外线处理后的微生物失活曲线或呈S型，并表现出凹凸性，即Weibull模型。如公式(5)所示：
| $ \lg \frac{N_t}{N_0}=-\left(\frac{t}{\delta}\right)^p $ | (5) |
其中：t—紫外线处理时间；
δ—尺度参数；
p—形状参数，当p＜1时，曲线向上凹陷；p＞1时，曲线向下凹陷；p=1时，为一条直线。
3.2.4 三种模型的应用紫外线去除微生物模型主要用于模拟不同条件下微生物的失活过程。修正后的Chick-Watson模型、Biphasic模型和Weibull模型能模拟不同载体，如OPP薄膜、不锈钢上细菌的失活过程，模型的拟合度较好，R2均大于0.98，具体应用见表 1。
| 表 1 紫外线照射微生物失活的动力学模型应用 |
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紫外线照射能有效控制室内微生物污染，管道内紫外线去除空气微生物的研究已取得一定成果，但仍存在问题需要解决。后续可从以下领域进行相关研究：(1)不同波段紫外线杀灭空气微生物的原理和去除效果存在差异，可进一步研究单一与多种紫外线波段组合条件对去除效果的影响，找出杀灭效率最高的紫外线组合。(2)应充分考虑动态环境条件下，紫外线照射对管道内微生物气溶胶的去除效果。将空气流速和温度对紫外线强度的影响考虑到计算模型中，对相对湿度引起的紫外线强度衰减和微生物紫外线敏感性变化进行量化研究。(3)紫外线强度计算模型的改进应考虑紫外线去除技术的实际应用情况，如紫外线输出的不均匀性和衰减特性。在现有杀灭模型基础上，结合微生物特性与环境特点，确定更适合管道内的紫外线杀灭模型。
利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突。
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