利用空化-等离子体（SuperPlasma）技术灭活水样中的人类诺如病毒和MS2：水基质及水相关参数的影响

《Process Safety and Environmental Protection》：Inactivation of human norovirus and MS2 in water using supercavitation–plasma (SuperPlasma) technology: influence of water matrix and water-related parameters

　　**摘要**在多种水质条件下实现有效的病毒灭活，仍然是推动基于等离子体的水处理技术走向实际应用的重大挑战。本研究在环境相关条件下对SuperPlasma性能进行了全面评估，突破了以往仅在水中进行测试的局限。研究采用具有感染性的人类诺如病毒（HuNoV）这一重要水传播病原体及其替代指示物噬菌体MS2，在多种水质基质及广泛的物理化学参数范围内评估病毒灭活效果。结果显示，在去离子水中处理30秒、在自来水和污水处理厂尾水中处理2分钟、在人工污水尾水中处理6分钟，均可实现超过5-log的MS2灭活效果。单独改变pH值、温度或无机物含量均不会对病毒灭活产生负面影响，而有机物则会有负面影响，且其组成比其浓度更为重要。较高的初始病毒浓度需要更长的处理时间，而较低浓度则灭活更快。对于HuNoV，观察到了类似趋势，在去离子水中的灭活速度快于自来水，分别在5分钟和10分钟后未检测到病毒。此外，处理过程中还产生了各种活性等离子体粒子。这些结果表明，SuperPlasma能够在多种水质条件下有效灭活病毒，支持其在现实水处理应用中的潜力。**引言**随着水中有害生物性污染物和非生物性污染物数量及种类的增多，迫切需要开发新的、环境友好的技术来去除或灭活这些污染物。当今世界面临的重大挑战之一是水资源短缺，这要求解决方案能够确保水资源的可用性和水安全，因为全氟和多氟烷基物质（PFAS）、抗生素、药物、农药、微塑料和致病微生物等污染物对环境、健康和经济均构成严重风险（Official Journal of the European Union, 2020）。水传播病毒带来了重大挑战，植物病毒可导致严重的作物损失，进而引发经济压力和食物短缺，而人类水传播病毒则导致住院率增加甚至死亡。在人类水传播病原体中，肠道病毒（如人类诺如病毒HuNoV）尤其棘手（Carlson et al., 2024）。肠道病毒每年在全球范围内造成数百万感染，最常导致胃肠道疾病，且症状可能非常严重。某些病毒在低浓度下即可引起感染，并且在水环境中长时间保持传染性，即使经过各种技术处理后仍可能存活（Fong and Lipp, 2005, Haramoto et al., 2018）。因此，肠道病毒是一个持续的全球健康问题，必须有效减轻其水传播途径。作为对有效病毒灭活需求的回应，一种结合超空化和冷等离子体的环境友好技术——SuperPlasma被开发出来（Filipi? et al., 2023, Primc et al., 2023）。该技术利用冷等离子体的抗菌能力，通过活性等离子体粒子（RPPs），如活性氧物种（ROS），对水进行净化（Mozeti? et al., 2019）。然而，由于等离子体需要气相才能点火，其直接应用于水面临挑战。为解决这一问题，将等离子体与超空化技术相结合，后者是一种流体力学空化形式，能够产生适合等离子体点火的水蒸气稳定气泡（Filipi? et al., 2023, Primc et al., 2023）。当循环水中的压力因流道几何结构的缩径（即文丘里缩径）而充分降低时，就会发生超空化，液态水转变为水蒸气（Franc and Michel, 2005）。由于此类气泡在空间和时间上是稳定的，它能够支持等离子体的产生和维持。在我们先前的工作中，我们证明了SuperPlasma技术能够灭活水中的病毒（Filipi? et al., 2023）。然而，那些实验仅限于在自来水中以一套默认参数进行。在现实中，不同的水源，从淡水到再生废水，被用于不同的人类用途，从饮用灌溉不等，它们的参数（如pH值、温度和有机及无机污染物浓度）可能存在差异。由于所有这些因素都可能影响水处理的有效性，因此评估不同水质基质及其参数对处理效率的影响至关重要，这也是本研究的核心内容。这一点尤为重要，因为在现有研究中，利用基于等离子体的技术评估不同水质参数对水传播污染物灭活或降解成功的影响的研究很少。具体来说，大多数现有研究每次仅关注一个参数，且通常在理想化的实验室条件下进行，例如在去离子水或Milli-Q水中，这并不一定反映现实世界的复杂性。这一局限性也被Kumar等人（2021）指出，他们强调需要在代表性参数下进行更全面的综合研究。因此，本研究利用等离子体技术对病毒灭活过程中不同水质基质及个别水质参数的影响进行了彻底分析。为此，使用了两种病毒：噬菌体MS2（人类肠道病毒的替代物）和HuNoV。纳入HuNoV尤为重要，因为它是一种临床相关且高度普遍的人类病原体，使得能够对最具问题的水传播病毒之一进行评估。然而，使用具有感染性的HuNoV存在诸多挑战，其等离子体介导灭活的动力学研究仍然匮乏。因此，评估其灭活效果尤为重要。由于HuNoV感染性实验的局限性，HuNoV仅在两种最相关的水质基质（去离子水和自来水）中进行了评估，而MS2的实验则进一步扩展至污水尾水（WWE）和人工污水尾水（AWWE）。此外，还评估了关键参数（包括pH值、温度、初始病毒浓度以及有机和无机化合物浓度）对MS2的影响。**章节摘要****SuperPlasma技术**在本研究中，我们使用了SuperPlasma技术，该技术已在论文（Filipi? et al., 2023）和专利（Primc et al., 2023）中详细说明，但进行了两处修改：两台泵被替换为一台UP2 12V齿轮泵（Marco, Italy）。因此，处理体积从430 mL减少至300 mL（图1）。简而言之，该设备由三个主要部分组成：水容器、带有文丘里缩径的部分（5 mm × 0.5 mm，17°收敛角（α）和10°扩散角（β））。**结果与讨论**等离子体技术已被用于测试各种病毒的灭活。然而，它们很少关注水中的病毒灭活，尤其是在较大体积（即超过1 mL）的情况下（Zver et al., 2023）。这主要是因为将等离子体及其活性物种直接引入液体具有挑战性。大多数关于基于等离子体的病毒灭活的研究涉及常压等离子体。在此类装置中，优选惰性气体，因为它们具有较低的电离能。**结论**我们的结果表明，MS2在较不复杂的水（去离子水）中灭活最快，在30秒内即可实现5-log灭活。在pH值、温度和无机物浓度不同的自来水中处理效率相似，均在两分钟内实现超过5-log灭活。有机物对灭活的影响更为明显；然而，有机化合物的组成比其浓度更为重要。**伦理声明**作者未从参与者或其法定代理人处获得知情同意。粪便样本在常规医院诊断程序期间采集，经匿名化处理后转移至研究实验室。本研究包含器官或组织捐赠者。本研究使用人类生物材料，已获捐赠者或其近亲属或法定代理人的同意，用于本研究及论文发表。本研究中使用的样本……**CRediT作者贡献声明****Rok Zaplotnik：** 撰写——审阅与编辑，可视化，调查，资金获取。**Tamara Ko?ir：** 撰写——审阅与编辑，调查。**David Dobnik：** 撰写——审阅与编辑。**?pela Er?ulj：** 撰写——审阅与编辑，调查。**Beatriz Alcaine Bellido：** 撰写——审阅与编辑，调查。**Gregor Primc：** 撰写——审阅与编辑，可视化。**Arijana Filipi?：** 撰写——审阅与编辑，撰写——原稿，监督，调查，资金获取。**生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明**在本文准备过程中，使用了InstaText和ChatGPT来纠正拼写和语法错误。使用这些工具后，作者对内容进行了审阅和编辑，并对出版物内容承担全部责任。**利益冲突声明**作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的经济利益/个人关系：Arijana Filipic拥有美国专利#US11807555B2"液体消毒的方法与装置"（US11807555B2）。作者无其他声明事项。如有其他作者，他们声明没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本论文所报告的工作。**致谢**作者感谢Tja?a Jakomin和Ivanka Vode提供的卓越技术协助。本工作得到斯洛文尼亚研究与创新署（ARIS）通过研究核心基金（项目编号P4-0463和P2-0082）及项目（项目编号Z7-50151和L7-3184）的支持。作者感谢ARIS通过IO-0004资助项目支持本工作所使用的基础设施。作者还感谢"PEMSTA"项目（PID2023-149211OB-C32, MCIN/AEI/10.13039/501100011033）的支持。