Resistance differences of representative model microorganisms in different disinfection processes: ZIF-67, UVC and ozone

作者：Xiang Zheng, Qingwen Yang, Jincheng Xia, Rong Cheng, Haiyan Li, Jianzhong Zheng

Water Cycle, Volume 5, 2024, Pages 259-265, ISSN 2666-4453

https://doi.org/10.1016/j.watcyc.2024.06.004

1 / 文章亮点

● 使用模型微生物分析消毒技术抗性

● 对于传统消毒技术噬菌体比大肠杆菌具有更强的抵抗力

● Phix174噬菌体对紫外的抗性最强而MS2对臭氧的抗性最强

● ZIF-67对所有三种微生物具有强大的消毒能力

● 选择消毒技术时有必要考虑微生物抗性

2 / 研究内容简介

自Covid-19爆发以来，人们更加关注环境中的有害和致病性微生物。消毒是抑制微生物生长的关键步骤，可以有效地从环境中清除有害微生物。目前，已经开发了几种消毒技术，包括臭氧、UVC和纳米材料。近年来，纳米材料，尤其是基于金属的复合物，通过暴露金属离子、产生活性氧化物等机制展示出消灭微生物的能力，可作为一种替代性抗菌化合物。沸石咪唑盐骨架（ZIFs）是一种三维结构的金属有机框架（MOFs），其结构类似于沸石。已有研究表明ZIF-67具有抗菌能力。ZIF-67纳米颗粒的SEM图像如图1所示，为菱形十二面体纳米晶体，表面光滑，没有明显的空隙，平均大小约为200 nm。

然而，致病性微生物可能会产生消毒抗性。研究不同消毒技术中不同微生物模型之间的抗性差异对于指导消毒技术的实际应用具有重要意义。大肠杆菌是消毒研究中的典型微生物，MS2噬菌体和Phix174噬菌体是典型的病毒模型，大肠杆菌噬菌体由于与动物病毒的相似性而被广泛用于病毒消毒研究。因此，本文选择MS2和PHIX174为模型病毒、大肠杆菌为模型细菌，来研究不同消毒技术下几种模型微生物的抗性差异。考虑到ZIF-67出色的抗菌和抗病毒作用，我们将其与传统消毒技术（臭氧、UVC）进行对比，研究对不同微生物的消毒作用。

本研究中表征微生物去除能力的方程如下：

如图2所示，ZIF-67对于MS2噬菌体具有很好的灭活作用。当系统中ZIF-67的剂量为100 mg L^-1 ，MS2的去除率在30分钟时为2 log，在90分钟时为3 log，在480分钟时约为4 log。而PhiX174噬菌体比MS2噬菌体具有对ZIF-67更好的抗性，去除率在90分钟时<0.5 log，在480分钟时<1 log。同时，根据图2，ZIF-67对于宿主大肠杆菌的灭活率高于噬菌体。在ZIF-67系统中，90分钟后，两种宿主大肠杆菌的去除率接近3 log。 480分钟后，将两种宿主大肠杆菌完全灭活。

图3展示了在520μWcm^-2的辐照强度下UVC的消毒效果。在3分钟内，所研究的噬菌体和大肠杆菌可以被完全灭活。其中，PhiX174对UVC更为敏感，去除率比辐照90s（46.8MJ/cm²）下的MS2噬菌体高2log。同时可以发现，噬菌体比宿主大肠杆菌更具抗性，并且宿主大肠杆菌的灭活率比噬菌体高1-3log。

紫外消毒可以对细胞膜和核酸起破坏作用。与细菌相比，病毒具有更强的紫外抗性。同时，DNA病毒比RNA病毒更容易受到损害，而单链DNA/RNA病毒比双链RNA/DNA病毒更容易受到损害。PhiX174是单链DNA病毒，而MS2是单链RNA病毒，这解释了为什么在紫外消毒下，PhiX174比MS2更敏感。

图4展示了臭氧消毒下的消毒效果。根据图4，Phix174噬菌体对于臭氧的消毒抗性高于MS2噬菌体（尽管在臭氧处理的初试阶段，MS2表现更高的消毒抗性）。此外还可发现，噬菌体的对臭氧的抗性比大肠杆菌强。在相同的臭氧浓度下，宿主大肠杆菌的灭活率比噬菌体高1-2log。

通常，臭氧通过破坏核酸或衣壳蛋白来使病毒失活。此外，臭氧可以破坏病毒中的特定核酸区域。本研究中，MS2比PhiX174更敏感，这可能与核酸组成有关。MS2是单链RNA病毒，而PhiX174是单链DNA病毒。在PhiX174的核酸中，95%是编码区域，这可能导致对臭氧的抗性。

3 / 重要结论

在传统消毒技术中，噬菌体比细菌具有更强的消毒抗性。此外在传统技术中，MS2噬菌体对臭氧更敏感，而PhiX174噬菌体对紫外更为敏感。ZIF-67材料对噬菌体和细菌都表现出良好的消毒作用，但是不同微生物的抗性具有明显差异。本研究中，模型微生物对ZIF-67表现出的抗性顺序为PhiX74>MS2>大肠杆菌。

4 / 原文信息

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