《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Multi-Level Synergistic Inactivation Mechanisms Against Viral Aerosols by CuMnCeO?
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•Cu–Mn–Ce/Al?O? 在液相中 120 分钟内实现了 95±2% 的 MS2 灭活率。•非接触式处理在 2 小时内实现了约 90±3% 的 MS2 灭活率。•在测试条件下，·OH 对 MS2 灭活做出了主要贡献。•衣壳损伤和可扩增基因组完整性丧失导致 MS2 灭活。
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Cu–Mn–Ce/Al?O? 在液相中 120 分钟内实现了 95±2% 的 MS2 灭活率。
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非接触式处理在 2 小时内实现了约 90±3% 的 MS2 灭活率。
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在测试条件下，·OH 对 MS2 灭活做出了主要贡献。
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衣壳损伤和可扩增基因组完整性丧失导致 MS2 灭活。
引言
气溶胶传播的病毒，如流感病毒和新型冠状病毒（COVID-19），对全球公共卫生构成了持续且严峻的威胁。据世界卫生组织（WHO）报告，截至 2024 年 4 月，全球 COVID-19 相关死亡总人数已达 6,972,152 例[1]。由于病毒气溶胶是主要的传播方式，在密闭环境中对其进行有效且持续的控制已成为一项紧迫的挑战，也是呼吸道疾病的关键传播途径[2]、[3]、[4]。当前主流的空气消毒技术，如紫外线照射和化学消毒，存在固有局限性，包括存在盲区[5]、长期暴露可能对人体有害[6]、化学残留可能持续存在，以及微生物可能对化学消毒剂产生耐药性从而导致消毒效率降低等问题[7]、[8]。因此，开发能够主动、持续、安全地灭活气溶胶病毒的新材料和技术具有重要意义。最近的研究表明，工程化纳米复合过滤器可实现显著的气溶胶病毒去除效果；例如，纳米 Ag/TiO?-壳聚糖过滤器结合负离子空气净化器可实现高达 97% 的气溶胶 MS2 去除率，凸显了多功能材料在室内空气病毒控制方面的潜力[9]。
在多相催化领域，非贵金属氧化物因其卓越的氧化还原性质和催化活性而在环境消毒方面展现了巨大潜力[5]。特别是铜、锰和铈的合金协同效应以及其三元复合氧化物[10]、[11]、[12]、[13]，为通过直接接触氧化和活性氧物种（ROS）的产生来捕获和灭活病毒气溶胶提供了极具前景的平台[14]、[15]。例如，在催化臭氧系统中，富含氧空位的 MnO?/镍泡沫可显著增强臭氧在大气浓度下对生物气溶胶的灭活效果，灭活率高达 91.6%[16]。最近的研究进一步表明，富含氧空位的多金属异质结可在环境空气处理条件下增强氧活化和界面氧化还原反应，凸显了缺陷相关结构和混合价态金属中心在催化氧化过程中的重要作用[17]。类似地，正电荷二氧化铈纳米粒子分散体对流感病毒表现出强效活性，在 1 小时内将病毒滴度降低超过 4.0 log?? PFU/mL，在 15 秒内将感染性滴度降低 2.2 log?? PFU/mL[18]。这表明非贵金属氧化物作为新型环境消毒材料具有巨大潜力。
Cu–Mn–Ce/Al?O? 体系的选取基于 Cu、Mn 和 Ce 互补的氧化还原性质以及 γ-Al?O? 为分散活跃组分提供稳定载体的能力。Cu、Mn 和 Ce 物种中多种价态共存，有利于界面电子转移和氧活化，而负载构型则提高了结构稳定性和可重复使用性。在本研究中，三元 Cu–Mn–Ce 体系并未被先验假设为最优选择，而是通过与相应单金属和双金属材料的系统比较后选定的。与之前报道的金属氧化物抗病毒体系相比，由于病毒类型、初始滴度、反应器构型、湿度、暴露时间和外部氧化剂或能量来源的使用在各研究中差异显著，直接对灭活效率进行数值排序并不恰当。本体系的显著特点是，在未使用外部光照或添加氧化剂的情况下观察到抗病毒活性，并在液相、非接触气相、气溶胶和表面条件下进行了评估。
尽管先前的研究报道了某些非贵金属氧化物材料的病毒灭活效果，但大多数研究仍停留在有效性验证阶段[19]、[20]，灭活的分子水平机制仍在研究中。因此，阐明这些材料主要是导致衣壳蛋白变性、聚集还是降解至关重要。或者，确定它们能否穿透衣壳直接破坏核酸完整性同样重要。这种理解对于抗病毒材料的进一步发展至关重要。
为了理解消毒剂如何在分子水平上有效且精确地破坏病毒结构完整性并将其灭活，本研究选择了 MS2 噬菌体作为模式病毒。病毒的感染性取决于其结构蛋白的完整性和内部基因组的生物功能。MS2 噬菌体是一种结构简洁、高度稳定且无致病性的单链 RNA 病毒[21]，被广泛用作人类病原病毒的替代物，为在分子水平上阐明灭活机制提供了理想模型。尽管 MS2 噬菌体基因组较小，但它通过基因重叠高效编码了四个必需基因区域[22]，负责病毒复制、结构组成和宿主裂解等关键功能[23]。特别是成熟蛋白在宿主识别和吸附中发挥关键作用，研究表明它们是光动力灭活等氧化消毒过程的主要靶标[24]，这表明灭活的分子机制可能聚焦于关键功能位点而非整体结构的破坏。然而，不同灭活方法的分子靶标是否一致等问题仍有待进一步阐明。
本研究系统研究了负载在活性氧化铝上的 Cu–Mn–Ce 混合金属复合材料（简称 CuMnCeO?/Al?O?）对 MS2 噬菌体的灭活效果。本工作的创新性在于从材料设计到抗病毒机制对三元 Cu–Mn–Ce 体系进行了综合评估。首先，系统比较了单金属、双金属和三元金属体系的抗病毒性能，以评估 Cu–Mn–Ce 组合的协同贡献。其次，将混合价态氧化还原特性和与氧空位相关的缺陷结构与无需外部能量输入的情况下 ROS 的产生联系起来。第三，不仅在液相接触实验中评估了抗病毒活性，还在非接触气相、气溶胶和污染表面条件下进行了评估。最后，将感染性测定与 TEM 和 RT-qPCR 相结合，检查了处理相关的衣壳结构损伤和区域依赖性的可扩增基因组完整性变化。综合来看，这些方面提供了一个多层次框架，将材料性质、ROS 产生、抗病毒性能和病毒结构与基因组损伤联系在一起。
章节摘要
材料制备与选择
本研究采用 MS2 噬菌体作为模式病毒。大肠杆菌噬菌体 MS2 和大肠杆菌 BW39773 均购自中国典型培养物保藏中心。根据培养基说明书，大肠杆菌 BW39773 在液体 LB 培养基、半固体 LB 培养基和固体 LB 琼脂平板中培养，作为 MS2 的宿主菌株。通过双层平板法计数噬菌体噬菌斑来计算消毒效率。
一系列负载催化剂……
材料选择
首先，采用悬浮振荡法（图 1A）系统评估了七种不同复合材料的即时病毒灭活效果。在所有测试材料中，CuMnCeO?/Al?O? 三元复合材料表现出优异的灭活性能，优于其他材料。在 120 分钟的接触时间内，其对 MS2 噬菌体的灭活效率高达 95±2%，灭活效率高于……
结论
合成了 CuMnCeO?/Al?O? 混合金属复合材料，并证明其对 MS2 噬菌体具有显著的灭活性能。负载于 Al?O? 上的三元 Cu–Mn–Ce 复合材料表现出强烈的协同效应，在 120 分钟内实现了 95% 的病毒灭活率，并在连续十个循环中保持稳定效率。经过十个循环后，液相中金属累积浸出量仍然很低（Cu：约 1.2%，Mn：约 0.8%，Ce：<0.1%），支持了良好的化学稳定性和可重复使用性……
CRediT 作者贡献声明
Mika Sillanp??：撰写——审阅与编辑。Bo Gao：撰写——审阅与编辑。Jiadong Liu：撰写——审阅与编辑。Yang Wang：撰写——原始草稿。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到了陕西省重点研发计划（项目编号：2026HZ-YBXM-74）和陕西省自然科学基金（项目编号：2025JC-YBMS-426）的支持。
Yang Wang|Jiadong Liu|Bo Gao|Mika Sillanp??
