电子束辐照用于化学和生物战剂模拟物去污的可行性研究：剂量学与操作评估

《Applied Radiation and Isotopes》：Feasibility study of electron beam irradiation for decontamination of chemical and biological warfare agent simulants: Dosimetric and operational evaluation

电子束辐照技术可有效降解化学战剂DMMP和灭活生物战剂枯草芽孢杆菌，剂量依赖性分析表明间接作用（羟基自由基）主导DMMP降解，50kGy以上去除率超90%，副产物可控；5kGy辐照使芽孢灭菌率达99.6%。该技术无化学添加剂、低环境负担，适合移动式CBRN防御系统开发。

　　

何素琪 | 朴正美 | 金裕 | 崔英俊 | 洪成勋 | 孙志永 | 李正坤 | 康库

韩国化学、生物和放射防御研究所，首尔瑞草区Naegok-dong 12-555，邮编06790

摘要

本研究评估了电子束（e-beam）辐照作为一种可持续技术的可行性，该技术具有应用于化学战剂（CWAs）和生物战剂（BWAs）现场去污的潜力。对于化学战剂，剂量学分析表明，由羟基自由基（$?$OH）介导的间接作用在二甲基甲基膦酸酯（DMMP）的放射分解中起主导作用，在50 kGy及以上的剂量下可去除超过90%的DMMP。研究还识别出主要的副产物，包括甲基甲基膦酸酯和甲基膦酸。相比之下，直接电子相互作用的效果有限，这突显了反应中间体的重要性。

对于生物战剂，电子束辐照实现了Bacillus subtilis孢子的剂量依赖性灭活，在5 kGy时杀菌率超过99.6%。这些结果表明，电子束技术能够在产生最小量二次废物的同时有效去污，且无需化学添加剂，为缓解化学和生物威胁提供了实用且环保的替代方案。

引言

大规模杀伤性武器（WMDs）由于其造成大规模人员伤亡的潜力（Pitschmann, 2014, Cirincione et al., 2004, Bennett, 2012, Oren and Solomon, 2015, Bae et al., 2025, Jang et al., 2025）、对环境的危害（Madsen, 2001, Bartelt-Hunt et al., 2008）以及对国际和平的破坏作用（Parachini, 2003），继续对全球安全构成严重威胁。在整个20世纪以及现代冲突中，化学战剂（CWAs）和生物战剂（BWAs）的研发、储存和偶尔使用给军事和平民人口带来了灾难性后果（Szinicz, 2005, Aroniadou-Anderjaska et al., 2020）。化学和生物威胁的管理与去污受到国际监管框架的约束，特别是《化学武器公约》（CWC）（Mesilaakso, 2005），由禁止化学武器组织（OPCW）（Dunworth, 2022, Follows, 2005）执行，以及《生物武器公约》（BWC）（Leitenberg, 2001），该公约得到联合国裁军事务办公室（UNODA）的支持。

尽管付出了这些努力，大规模杀伤性武器的威胁仍然存在。2018年英国索尔兹伯里发生的诺维乔克中毒事件（Carlsen, 2019, Vale et al., 2018, Chai et al., 2018）凸显了化学战剂在针对性恐怖主义行动中的风险。同样，COVID-19大流行展示了生物威胁的全球影响（Bruinen de Bruin et al., 2020, Djalante et al., 2020），再次强调了为自然疫情和生物恐怖主义做好准备的重要性。朝鲜继续成为这一问题的例证，据报道其拥有大量化学战剂（如沙林和VX）和生物战剂（如炭疽和肉毒杆菌毒素）的库存（Doctor et al., 2024, Kang et al., 2025）。多个情报来源表明，这些能力是其非对称战争战略的核心部分，通过非法融资、网络行动和扩散网络得以维持（Bennett, 2012, Scobell, 2007）。此外，安全处置现有大规模杀伤性武器库存所带来的挑战加剧了开发可扩展且有效去污技术的紧迫性（Pearson and Magee, 2002, Nawa?a et al., 2019, Chi et al., 2025）。

传统的化学战剂和生物战剂去污方法主要依赖于化学中和、热处理和灭菌协议（Huang et al., 2008, Yeoh et al., 2021）。化学战剂通常在现场条件下使用水溶性试剂处理，或通过集中焚烧或化学中和进行处理（Love et al., 2011, N. R. Council et al., 2000）。虽然这些技术有效，但往往资源密集、物流复杂且对环境造成负担。焚烧虽然在大规模应用时效率较高，但需要不可移动的设施，并引发排放问题。同样，生物战剂的去污通常涉及熏蒸、高压灭菌或高温焚烧，这些方法都需要专门的基础设施，不适合快速、大规模部署（Kenar et al., 2007, Wood and Adrion, 2019, Seto, 2011）。

为了解决这些限制，人们研究了替代方法。其中，电子束（e-beam）辐照因其快速作用、低试剂依赖性和最小的二次废物产生而成为一种有前景的解决方案（Pavlov et al., 2022）。电子束技术已广泛应用于微生物食品安全（Mazhar et al., 2024, Truc et al., 2021, Silindir Gunay and Ozer, 2009）、无菌包装（Mittendorfer et al., 2002）和废水处理（Shin et al., 2002）等领域，证明了其操作可行性。先前的研究探讨了电子束诱导的二甲基甲基膦酸酯（DMMP）的放射分解，结果显示在$\gamma$射线和电子束照射下具有高降解效率（Kurucz et al., 2002, Weihua et al., 2002）。然而，这些研究通常只考察了有限的浓度和辐照剂量范围。同样，针对生物战剂的研究也探讨了Bacillus cereus和Bacillus subtilis孢子的灭活，发现电子束照射后其热敏感性增加（De Lara et al., 2002）。尽管这些发现很有前景，但大多数研究都局限于受控实验室环境，未探讨可扩展性或可变操作条件。

为了在代表性条件下评估去污效果，本研究使用了DMMP（Zheng et al., 2010, Saya et al., 2024, Kim et al., 2026, Lee et al., 2025）和Bacillus subtilis孢子（Zhang et al., 2025, Lee et al., 2011）作为经过验证的模拟物，分别代表G系列神经剂和炭疽杆菌。DMMP因其结构与沙林（GB）的相似性及其在电离辐射下的可预测分解途径而被广泛认为是放射分解研究的模型。同样，B. subtilis因其强大的抗性而被广泛用作评估高能电子束灭菌能力的标准生物指示物。本研究旨在通过在更广泛的实际应用条件下评估电子束辐照的有效性来扩展现有研究。具体而言，我们研究了化学战剂的直接和间接放射分解作用以及生物战剂的灭活。使用DMMP和实验室培养的Bacillus subtilis作为代表性模拟物，我们考察了不同浓度下的剂量依赖性反应，以确定最佳去污条件。总体目标是评估电子束辐照作为下一代化学和生物威胁缓解平台的可扩展性、操作可行性和环境可持续性。

这项工作是一项初步的可行性研究，旨在弥合基于设施的辐射科学与未来现场部署的CBRN防御系统的操作要求之间的差距。通过使用国际公认的模拟物建立系统的剂量学基准，本研究为后续移动电子束平台的工程设计提供了必要的技术参数。

方法论

本研究的主要目标是评估电子束辐照作为有效去污化学战剂和生物战剂方法的潜力。如图1所示，研究考察了直接作用的效果，重点关注电子束辐照直接分解化学战剂和灭活生物战剂的能力。对于化学战剂，研究还扩展到了间接作用，特别是通过水放射分解的作用。

直接作用结果

在直接作用实验中，当DMMP在没有任何溶剂或介质的情况下进行辐照时，所有测试剂量（10–100 kGy）下观察到的降解都很微小。如表2所示，没有溶剂（标记为N/A）的情况下，几乎没有发生分解。

在最低剂量10 kGy时，未检测到DMMP浓度的变化，表明其在直接电子束照射下具有结构稳定性。即使在更高的剂量50和100 kGy下，电子束

电子束去污的机制洞察

本研究证实，电子束辐照可以有效降解化学战剂并灭活生物战剂，特别是在利用间接放射分解途径时。通过比较直接和间接作用模式，特别是$?$OH的作用得到了清晰的解释。

对于化学战剂，直接电子束照射DMMP在所有测试剂量（10–100 kGy）下均未导致明显降解。这一结果突显了有机磷化合物的固有稳定性

结论

本研究确立了电子束辐照作为化学和生物战剂模拟物去污方法的剂量学和机制可行性。与传统技术相比，电子束辐照具有显著优势，包括减少对化学试剂的依赖、产生最少二次副产物以及更低的环境影响。这些特点凸显了其在快速高效去污方面的潜力

CRediT作者贡献声明

何素琪：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，项目管理，方法论，调查，数据分析，概念化。朴正美：调查，数据分析。金裕：方法论，数据分析。崔英俊：调查，数据分析。洪成勋：调查，数据分析。孙志永：概念化，撰写 – 审稿与编辑。李正坤：数据分析。康库：撰写 – 审稿与编辑，

利益冲突声明

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