摘要：水作为生物赖以生存的基本资源，特别是对人类的健康生存至关重要，对水的消毒杀菌问题越来越得到重视。大肠杆菌是一种食源性致病菌，水是其主要传播媒介，可作为水质分析的指标。目前广泛使用的几种消毒水的方法，包括使用臭氧、紫外线照射和氯化工艺，都有一些缺点。为此研究提出一种基于深紫外激光对水中大肠杆菌进行消杀灭活的方法，利用266 nm的紫外激光在水管中多次反射穿行，对微生物基因组进行破坏，使其失活，抑制其复制，最终导致它们丧失繁殖能力并因此消亡。实验中通过控制水流量探究紫外激光对大肠杆菌的灭活效率，结果表明在水流量小于240 mL/min时紫外激光对水中大肠杆菌的灭活效率可超过98%，随着水流量的增大，大肠杆菌的灭活效率仅下降到97%，表明此时紫外激光仍能实现大肠杆菌的高效率灭活。因此，紫外激光可用于水中大肠杆菌消杀，是一种高效的杀菌技术。

　　关键词：紫外激光；大肠杆菌；水消毒

　　0引言

　　随着化工业的不断发展，水资源污染和短缺的问题日益明显[1-3]，由于水污染可导致霍乱、伤寒、病毒性腹泻等水媒疾病，严重威胁着人类的生命安全。特别是新冠疫情的爆发后，饮用水中的微生物安全问题更是备受关注[4-6]。调查表明，全世界仍有11亿人口无法获取安全饮用水，每年仍有约40万名5岁以下儿童死于不安全饮用水和个人卫生问题造成的微生物污染[7]。

　　目前广泛使用的水消毒方法有臭氧消毒、氯化工艺和紫外线照射[8]。其中氯化工艺的原理是含氯化合物通过水解形成高氧化性物质使菌体蛋白质变性，从而达到杀菌效果。但是在杀菌过程中会产生多种消毒副产物对人体健康产生危害，存在安全隐患[9]。臭氧消毒是依托臭氧的强氧化性直接破坏菌体的细胞壁导致菌体破裂，随后菌体破裂泄露的核酸或者蛋白质被氧化失活以达到灭菌效果。但是该过程会受到水体pH、温度和水中溶解的有机物的含量等多种因素影响，并且臭氧会与水中溶解的金属和有机物发生反应产生有害的副产物，同样威胁生命安全。因此尽管臭氧在水净化中的应用是去除水中细菌的有效方法，但由于其高反应性、毒性、昂贵的成本和定期维护要求，臭氧的使用还是存在一定的局限性[10-11]。紫外线照射是利用适当波长的紫外线破坏细菌的遗传物质结构，抑制细菌繁殖从而达到灭菌的效果，但是传统的紫外灯随着照射距离的增大，辐射的强度大幅下降，对于流速较高的流体杀菌效果差；并且由于传统的紫外灯的辐照能量和功率密度较低，光线无法深入渗透到悬浮固体颗粒或可溶性有机物浓度较高的浑浊水中，因此消毒的有效性降低，要在短时间内完成杀菌任务需要的设备规模较大，导致灭菌成本升高，无法用于日常使用[12–14]。因此，迫切需要一种成本低、无毒且快速的水消毒方法。

　　凭借激光可传播而不分散的特性，使用激光辐射进行水消毒可以克服上述的局限性，并且可以带来更好的杀菌效果[15]。其中短波紫外线（UVC）辐射与病原体的相互作用已经被广泛研究[16-17]，研究表明病原体的核酸或者壳蛋白会直接吸收UVC并失活从而丧失繁殖能力[18]。进一步的研究表明病原体对波长在260~270 nm间的激光反应最为敏感，特别是波长为266 nm的紫外激光具有超快的灭活性能[19]。

　　本文研究根据深紫外激光的灭菌消毒机制，开展了利用深紫外激光对水中大肠杆菌8099进行灭活杀菌的实验，该实验的目的是阐述短波紫外激光技术可作为一种新型安全且环保的消毒技术，同时验证评估紫外激光技术消杀污染水中大肠杆菌的性能。

　　1实验装置

　　紫外激光大肠杆菌水消杀实验共进行静态水消杀和动态水消杀两组实验，其中静态水消杀是通过紫外激光器对玻璃管中的静止水体进行灭活消杀，用于探究并验证紫外激光的高效灭活性能；动态水消杀是通过紫外激光束对玻璃管中的流动水进行灭活消杀，以便探究紫外激光消杀灭活功能的实际应用效果。

　　静态水消杀的实验装置如图1所示，照射实验中使用的激光器最大功率为30 mW，产生的激光中心波长为266 nm，通过使用光学器件将激光器产生的激光形成均匀的圆形光斑，实验中使用制备的大肠杆菌水溶液，将适量的大肠杆菌水溶液装入玻璃管中，同时将激光束从灌装口同轴照射，以探究紫外激光对大肠杆菌的消杀灭活效率。

　　实验过程中通过严格控制紫外激光的照射时间来控制照射入玻璃管中的光能量密度，同时设置了未照射的参考阳性对照组，通过研究分析不同紫外光能量密度对水中大肠杆菌的消杀效率来探究紫外激光对大肠杆菌的灭活性能。

　　动态水消杀实验装置结构如图2所示，实验中使用的激光功率为1.3 W，波长为266 nm，激光光斑直径为4 mm，激光由激光器产生，通过窗口片传输进入含有大肠杆菌的待测水管，激光穿行的水管直径为10 mm，水管长度为70 cm，水管最左端贴有266 nm激光反射镜，含有大肠杆菌的水从进水口进入，大肠杆菌含菌量达到5×104~5×105 CFU/100 mL，紫外激光在含有大肠杆菌的水中穿行，经反射镜反射后两次通过待作用水域，作用完后的水从出水口流出。

　　实验过程中通过控制含大肠杆菌的水溶液流量来探究紫外激光对大肠杆菌的灭活效率，为保证实验结果的真实可靠性，便于进行统计学验证，对每个流量实验组重复进行3次，并且设置阳性对照组（无紫外激光作用时的菌量），通过分析不同流量下紫外激光对大肠杆菌的灭活性能来评估紫外激光水消杀的实际应用效果。

　　2实验结果

　　通过在相同环境下对各实验组的大肠杆菌水溶液进行培养和计数定量，定量方法采用平板计数法。该方法用于确定样本中的菌落形成的单位数量，从而表明活微生物的数量。在培养皿中每个点代表一个单一的生物体，它通过繁殖成长为宏观可见的群落。这样的点被称为集落形成单位（CFU）。

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