通过施加脉冲电场来灭活生物气溶胶中的病毒

《Environmental Pollution》：Inactivation of bio-aerosolized viruses by applying pulsed electric field

脉冲电场灭活气溶胶中包膜及非包膜病毒研究：通过优化实验条件（1mL病毒悬液，20L/min流速，1分钟回收）发现10kV/15分钟处理可使phi6和MS2的log减量分别达3.62±0.33和3.56±0.08，证实PEF对两种结构病毒均有效，其机制可能与改变病毒宿主识别位点的蛋白质结构相关。

　　

古川隆（Takashi Furukawa）| 上野隆久（Takahisa Ueno）| 森石堇（Suzuha Moroishi）| 星子由纪（Yuki Hoshiko）| 前波翔太郎（Shotaro Maehana）| 阿马拉西里莫汉（Mohan Amarasiri）| 清和和成（Kazunari Sei）

北里大学联合健康科学学院健康科学系，日本相模原市北里1-15-1，邮编252-0373

摘要

新型冠状病毒病（COVID-19）大流行凸显了有效应对措施的重要性，以防止生物气溶胶中传染性病毒的传播，尤其是在通风不良的室内环境中。脉冲电场（PEF）能够电捕获气溶胶并灭活其中的微生物。本研究旨在利用PEF建立一种新的空间净化技术，明确PEF对气溶胶中病毒的灭活效果。我们分别使用噬菌体phi6和MS2作为有包膜病毒和无包膜病毒的替代品进行实验。通过初步研究优化了实验条件，以评估气溶胶病毒去除效果。根据phi6的回收效率和实验时间，确定条件A（气溶胶量：1 mL，真空泵流量：20 L/min，回收时间：1 min）为最合适的灭活实验条件。在10 kV的脉冲电场作用下作用15分钟后，phi6和MS2的最大对数减少值（LRV）分别为3.62 ± 0.33和3.56 ± 0.08。因此，PEF能够有效灭活生物气溶胶中的有包膜病毒和无包膜病毒，表明其灭活效果与病毒颗粒结构无关。此外，在所有脉冲电场应用条件下，两种噬菌体的cDNA浓度均未发生变化（p > 0.05），这表明PEF可能通过改变病毒识别位点的蛋白质结构使其失去传染性。

引言

大多数呼吸道病毒主要通过感染者打喷嚏或咳嗽产生的较大飞沫传播（Wang等人，2021年）。因此，呼吸道病毒的传播途径被认为是飞沫传播——另一个宿主吸入感染者释放的飞沫，导致其附着在黏膜上——或接触传播——另一个宿主接触被飞沫污染的表面，最终将病毒转移到黏膜上。由于颗粒重量，感染者释放的飞沫通常在1至2米范围内落下。全球公共卫生机构建议人们在感染控制指南中保持至少2米的物理距离，正是基于这一事实。相比之下，空气传播发生在传染性气溶胶和/或飞沫核（颗粒大小≤5 μm）超过2米的物理距离后被另一个宿主吸入时（Wang等人，2021年）。携带细菌、真菌、孢子和病毒的传染性气溶胶被称为生物气溶胶（Zemouri等人，2017年）。 导致最近新型冠状病毒病（COVID-19）大流行的严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）最初被认为主要通过飞沫传播和接触传播。然而，2021年12月，世界卫生组织正式承认空气传播也是SARS-CoV-2的有效传播途径（世界卫生组织，2021年）。在通风不良的室内环境中，空气传播更易发生，因此通风成为关键的预防措施（Allen和Marr，2020年；Morawska和Milton，2020年；Zhang等人，2020年）。然而，COVID-19大流行进一步凸显了有效应对空气传播病毒的需求，尤其是在通风不良的封闭空间中，结构限制阻碍了充分通风，或者通风本身可能恶化室内空气质量并增加健康风险（Klompas等人，2020年）。在这种通风不良的室内环境中，建议引入便携式空气净化器作为防止空气传播病原体的补充措施（美国环境保护署，2018年）。 多项综述论文描述了基于空气过滤器（高效颗粒空气过滤器：HEPA和超低渗透空气过滤器：ULPA）、紫外线（UV）、臭氧、等离子体、纳米材料方法和静电沉淀器等技术在消除或灭活气溶胶中微生物方面的效果、可用性和局限性（Alvarenga等人，2023年；Assadi等人，2021年；Chen等人，2023年；Dlamini等人，2024年；Dubuis等人，2020年；Giampieri等人，2025年；Rada等人，2024年）。虽然新的标准（国际标准化组织（ISO）16000）规定了评估这些空气净化设备去除气溶胶中微生物性能的标准化测试方法（国际标准化组织，2018年），但许多情况下仍使用不符合ISO标准的方法进行性能评估，例如美国环境保护署（EPA）的OCSPP810.2500指南（美国环境保护署，2013年）或日本电气制造商协会（JEMA）的指南（日本电气制造商协会，2011年）。因此，由于不同标准和研究中的评估指标和条件不同，病毒去除性能无法统一比较（Scheipers等人，2023年）。此外，已发布的标准大多使用大型密封腔室（30 m3或更大）。虽然这有助于明确实际生活空间中空气传播微生物的去除效果，但也存在成本高、实验重复性差以及在研发阶段难以评估新技术等缺点。 当强度超过某个临界能量阈值的脉冲电场（PEF）作用于微生物时，细胞壁会通过不可逆的电穿孔形成大量孔洞，从而灭活微生物（Pillet等人，2016年；Vernier等人，2013年；Wasson等人，2020年）。PEF的微生物灭活能力已在食品（Lytras等人，2024年；Syamsiana等人，2025年）、饮用水和废水（Furukawa等人，2022年；Gusbeth等人，2009年；Narsetti等人，2006年）、水培营养液（Furukawa等人，2025年）以及水产养殖用水（Balazinski等人，2025年）中得到验证。特别是，这种非热灭菌技术已实现商业化。另一方面，由于与大气的离子相互作用，空气中的几乎所有颗粒（包括生物气溶胶）都带有负电荷（Mainelis等人，2001年）。因此，当施加脉冲电场时，带负电荷的颗粒会被电吸引并聚集到电极侧（阳极）。因此，结合PEF的微生物灭活能力和气溶胶捕获能力可能成为一种新的空间净化技术。 在本研究中，我们首先开发了一个台式气溶胶病毒灭活实验装置，可以方便且低成本地评估气溶胶病毒去除效果。利用该装置，我们明确了PEF对气溶胶病毒的灭活效果，并对其灭活机制有了基本了解。

实验部分片段

phi6和MS2噬菌体储备液的制备及通过斑块测定法确定噬菌体浓度

噬菌体储备液的制备方法与我们之前的研究相同，但进行了少量修改（Furukawa等人，2024年）。使用假单胞菌噬菌体phi6（phi6，NITE生物资源中心（NBRC）105899）和大肠杆菌噬菌体MS2（MS2，NBRC 102619）分别作为有包膜病毒和无包膜病毒的替代品。假单胞菌（NBRC 14084）和大肠杆菌（NBRC 13965）分别作为phi6和MS2噬菌体的宿主细胞。

实验系统中气溶胶病毒回收的最佳条件及回收率

美国环境保护署（EPA）的OCSPP 810.2500指南要求空气消毒剂的病毒颗粒浓度至少减少3个对数单位（99.9%）作为性能评估标准（美国环境保护署，2013年）。为了计算减少率，PEF处理后的噬菌体浓度必须高于斑块测定法的最低定量限（10 PFU/mL）。因此，在本研究中，噬菌体的回收目标设定为10^5 PFU或更高。

结论

本研究的目的是明确PEF对生物气溶胶中病毒的灭活效果，并对其灭活机制获得基本了解。首先，成功构建了一个台式实验装置来评估气溶胶病毒的灭活效果。我们发现，该装置的最佳条件为：病毒悬浮液的气溶胶量为1 mL，真空泵流量为20 L/min，回收时间为1分钟。

作者贡献声明

古川隆：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、项目管理、方法论、研究经费获取、数据分析、概念化。 阿马拉西里莫汉：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督。 清和和成：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督。 星子由纪：撰写 – 审稿与编辑、验证。 前波翔太郎：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

资金来源 本研究得到了日本科学技术机构（JST）的“A-STEP”（目标驱动型研发）计划、JSPS KAKENHI（日本学术振兴会）资助（项目编号JPMJTR21RF）、日本北里大学医学科学研究生院综合研究计划（项目编号23K26235和24K00877）、以及北里大学联合健康科学学院的资助（项目编号2023-1001和2024-1002）的支持。