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借助臭氧杀毒灭菌,打赢新冠疫情之役

周牧之东京经济大学教授、云河都市研究院院长

面对新型冠状病毒肺炎疫情带来的巨大挑战,国际社会有必要加强沟通,携手合作打赢疫情防控阻击战。东京经济大学教授、云河都市研究院院长周牧之在接受中国网采访时提出,臭氧或许可以成为新冠病毒克星的。以下为建议全文。

地球大气层0~10km左右的最低层叫对流层,温度与高度的关系是上冷下热。对流层之上有一个10~50km左右的平流层,温度与高度的关系正好相反,是上热下冷。在高空的平流层里,存在一个浓度为10~20ppm的臭氧层。这个臭氧层通过吸收对地球生物造成危害的紫外线波段,屏蔽了紫外线对生物细胞DNA的破坏,给地球上的生命提供了生存条件。

臭氧层达到接近现今浓度的时间与地球上的生命从海洋登上陆地的时间基本一致。换言之,在臭氧层还比较稀薄的时候,生命只能潜伏于海洋之中,一直等到臭氧层浓度升高到一定程度后,才从海洋延展到陆地。

可以说,如果没有臭氧层的保护,地球上甚至连一个细菌都不可能存在,就更没有今天纷繁生命的繁衍和绽放。

由于产业活动排放的大量氟利昂、挥发性有机化合物(VOC:Volatile Organic Compounds)等对臭氧层的破坏,造成削弱人类免疫系统,增加皮肤癌和白内障发病率等危害,由是臭氧层空洞成为与全球变暖并列的全球性环境问题。臭氧层破坏问题同时也是让臭氧进入一般大众视野的重要契机,有感于臭氧对地球生命的保护作用,臭氧层被舆论称之为“地球卫士”。

臭氧由三个氧原子组成。臭氧产生的主要途径是太阳光紫外线打击双原子的氧分子,把它分解为两个原子,然后氧原子再与没有分裂的氧分子合并成臭氧。臭氧和氧气是氧元素的同素异构体,呈淡蓝色,有特殊气味,故名臭氧(OZEIN:希腊文,臭味的意思)。

高浓度的臭氧层作为一道天然屏障,使地球生命免于太阳光中有害紫外线波段的侵袭,堪称是地球生命繁衍的保护神。

臭氧不仅存在于高空的平流层,也存在于我们的周围。由于氧分子低空多高空少,而氧原子低空少高空多,导致在既有氧分子又有氧原子的平流层形成高浓度的臭氧层,而地面和更高的高空,臭氧浓度稀薄。也就是说,大气中的臭氧含量从距地面大约10km左右的地方开始逐渐升高,在平流层,臭氧浓度达到了最大值,再往上臭氧含量又急剧减少。

对流层的臭氧浓度一般在0.02~0.06ppm,这个自然界浓度的臭氧对包括人类在内的大型生物无害。但是高浓度的臭氧却可能给人带来不适的感觉,还可能刺激和损害眼睛、呼吸系统等黏膜组织。因此美国食品药品监督管理局(FDA)规定的室内环境标准中臭氧最大浓度为0.05ppm,日本产业卫生学会规定的工作环境中臭氧的允许浓度为0.1ppm,中国卫生部也将臭氧安全浓度规定为0.1ppm。

真正让臭氧“臭名昭著”的是光化学烟雾污染。光化学烟雾是指由工厂和机动车排放的氮氧化物(NOx)和挥发性有机化合物(VOC)等一次污染物,以及其受紫外线照射后产生的臭氧等二次污染物,两者混为一体造成的大气污染。NOx和VOC虽然是导致光化学烟雾的主要生成物质,但是光化学烟雾中的臭氧成分却可以高达90%左右。因此人们往往把光化学烟雾污染直接等同为臭氧污染。

光化学烟雾不仅刺激眼睛、呼吸系统等黏膜组织,可能引发眼睛疼痛、头痛、咳嗽和气喘等健康危害,还抑止植物生长导致农作物减产,更有形成酸雨,降低大气能见度等危害。

产业革命以来,大量NOx的排放导致对流层臭氧不断增加,过去一百年全球对流层臭氧量已经增加至4倍。特别是随着以中国为首的东亚开启急速的工业化和城市化,NOx等光化学烟雾生成物质的排放量急剧增大,进一步加速了对流层臭氧的增加趋势。

对流层的臭氧含量虽然只有平流层的十分之一,但臭氧却是继二氧化碳(CO2)、甲烷(CH₄)之后的第三大导致地球温暖化的温室气体。

凡此种种,造成世人普遍存在“对流层臭氧是对生物有害污染物”的认识,遂有臭氧“在天是佛,在地是魔”之说。在日本等发达国家,如何观察和防范对流层臭氧地球规模的越境污染是重要的国家课题。

需要替臭氧澄清的是,光化学烟雾的臭氧并不是对流层自然界正常存在的浓度,而是人为污染排放造成的一种超自然的高浓度。同时光化学烟雾还混杂着大量的NOx和VOC等有害物质,这也与自然界纯净的臭氧截然不同。自然界的臭氧浓度虽然根据季节和地域时有差异,但一般不会对人体造成伤害。例如,雷电的高压放电,电离空气中的氧气是自然界产生臭氧另外一个原因。得益于臭氧对空气的净化之功,雷电过后往往能够呼吸到更加鲜美的空气。又比如,晴天时的海岸和森林,因为臭氧浓度偏高,空气更加清新。

可以说,自然界臭氧不仅无害,反而有益。因此一定要认识到自然界的此臭氧与光化学烟雾的彼臭氧之间的不同,不能让臭氧为人类的污染排放“背黑锅”。

对流层臭氧其实也是人类生存的保护神,只是长期以来对于这一莫大恩惠的研究和认知太过欠缺。

自然界的臭氧浓度虽然对大型生物无害,但是对微生物而言却是超级杀手。具有强氧化能力的臭氧,一直在自然界抑制微生物繁殖,守护着地球的生态平衡。遗憾的是,臭氧在地球生命体中抑制微生物的作用没有得到充分的重视。

臭氧在地球生命体这个庞大的复杂系统中抑制微生物的作用被忽视的一个原因是,一般认为低浓度的臭氧没有杀菌灭毒作用。然而事实并非如此,日本有研究证明,只要暴露时间够长,低浓度的臭氧也具有足够的杀菌灭毒能力。应该说,正是臭氧平衡和抑制了地球上细菌病毒的过度繁殖和扩散。

除此之外,自然界的臭氧还起着分解有害有机物,激活生命体免疫功能等重要作用。甚至有研究还认为臭氧是昭告季节变化,控制生命体活动周期的重要信息素。总之如果没有对流层臭氧的存在,今天地球上将完全是另外一种不适合人类生存的生态。

实际上,臭氧在天是佛,在地亦是佛。是人类造成的污染排放魔化了臭氧,破坏了自然界绝妙的平衡,使其由佛成“魔”。

2002年冬~2003年春,SARS曾经肆虐一时,引发了极度的社会惊恐。然而到5、6月份左右SARS却突然消失,留下种种猜想。无独有偶,流行性感冒等空气传播的病毒大多也是在秋冬季爆发,春夏消失。好像有一只看不见的“上帝之手”在驱瘟除疫,拯救人类。

国内外研究人员大多在病毒与温度,或是湿度之间寻找相关性。以流感为例,一般认为流感病毒在低温、低湿的情况下能够较长时间地保持活性,随着气温升高,湿度增大病毒的活性将会受到抑制。但是实验证明,实际上气温变化程度的温度变化对流感病毒的影响并不大,反而提高湿度确实可以有效地拉高流感病毒的死亡率。

笔者在与相关人员的讨论中逐渐萌生了一个假说:或许具有杀菌灭毒能力的臭氧才是真正的上帝之手?

臭氧浓度的确具有随季节发生变化的明显特性,而且正好是秋冬低春夏高。根据日本气象厅的臭氧层观测信息,可以发现由北到南,札幌、筑波、鹿儿岛、那霸,臭氧总量一般在2~5月达到峰值,且呈现越往北方的地区臭氧总量的峰值到来得越早,越往南方的地区峰值到来得越晚的态势。

不同地域臭氧的浓度也不尽相同。从上述日本气象厅观测信息来看,臭氧总量的峰值浓度也是越北方的地区越高,越南方的地区越低。有研究观察到地球大气层中臭氧总量在分布上有较明显的纬度变化,赤道附近地区臭氧总量最低,相反,纬度60°附近的北方地区最高。

按理说紫外线越强,氧分子的分解速度越快,赤道附近接受太阳照射最强,是最易产生臭氧的地区。但影响臭氧浓度变化的要素很多,机理极其复杂。紫外线越强,既越容易产生臭氧,同时也越容易分解臭氧。臭氧的分解速度还与温度有关,温度越高,其分解速度越快。地球规模的大气环流作用更是不容忽视,当地产生的臭氧可能会被输送到其他地区。

对流层臭氧最大的来源是平流层的臭氧层,同时,植物光合作用所产生的氧气量,以及人类产业活动所排放的NOx和VOC量,都会左右对流层的臭氧浓度。

总之,取决于氧分子与氧原子神奇离散聚合的臭氧浓度,呈现秋冬低春夏高的规律。而且温度越高,臭氧的分解速度越快。同时湿度也很重要,干燥状态下臭氧的杀菌能力会急剧降低。因此笔者大胆猜测:当季节由冬转暖,臭氧浓度升高,空气湿度增大,上帝之手就开始驱瘟除疫。

更加严谨的推理应该是,杀菌灭毒的主力是在季节变化中浓度升高的臭氧,温度和湿度负责助攻,三者相辅相成驱病除魔。当然,还有紫外线作为微生物的另一大克星,也会对室外的细菌病毒痛下杀手。

如果关于臭氧是上帝之手的猜想真正成立的话,新型冠状病毒瘟疫也应该会像SARS和流感一样随着季节变化臭氧浓度的升高而烟消云散,这可能成为在这场瘟疫灾难中备受煎熬人们的一缕期盼。

当然,大胆的猜想需要缜密的求证,恳请广大专家学者从不同的角度予以批评指正。

臭氧不仅在自然界是病毒的克星,百年来人类利用它的强氧化性,将其广泛地运用在消毒、灭菌、除臭、解毒、保鲜、漂白等领域。

正因为如此,臭氧理应是在如今这场全球对抗新型冠状病毒斗争中大显身手的神器,何况它还有以下有三大特性。

全覆盖性,由臭氧发生器或静电空气净化机产生的臭氧,可渗透到环境中的每个角落,能够克服紫外线杀菌只能直来直去,存在消毒死角的问题。

高洁性,臭氧的杀菌原理是氧化细菌和病毒,不存在任何有毒残留物。相反,目前广泛使用的化学消毒剂不仅对人体本身有害,还造成有害残留物的二次污染。在现今的疫情对应中,消毒水的滥用问题已经相当严重,需要引起高度重视。

方便性,臭氧生成原理简单,生产臭氧装置的技术难度并不高。而且设备可大可小,既可以适应于单个房间,也可以适应大型公共空间,还可以简单地安置在公交车、高铁、船舶、飞机等公共交通上。

臭氧杀菌灭毒的效果不仅与臭氧本身的浓度,环境温度、湿度和暴露时间有关,还与细菌的种类有一定关系。

从李泽琳教授主持的国家P3实验室针对臭氧杀灭SARS病毒的实验结果来看,臭氧对于绿猴肾细胞接种的SARS病毒有着良好的灭活效果,综合灭活率高达99.22%。此次引发武汉疫情的病毒与SARS病毒都属于冠状病毒。更有研究者发现新型冠状病毒与SARS冠状病毒有80%的基因组序列一致。可以有理由推测,臭氧对于防控新冠肺炎疫情应该也具备相当功效。

臭氧虽然是高效杀菌灭毒的神器,但是由于达到一定浓度后可能给人带来不适感,亦或刺激黏膜系统,所以它目前主要还是应用在无人空间。

如果在有人的情况下,也能有效应用臭氧来杀灭新型冠状病毒、清洁空气,那将对患者拥挤的医院、复工的工厂、人头攒动的公共场所、密闭的公共交通、甚至家居的室内,都是莫大的福音。

臭氧在这些场景大显身手的一个关键在于能否有效解决对其浓度的控制。臭氧生性不稳定,虽然容易生成,但是较难将其控制在一定浓度,而且难就难在臭氧传感器的昂贵。因为没有传感器的实时检测,就无法真正控制臭氧的浓度。

如果能够廉价而有效地将臭氧控制在安全浓度之下,臭氧应用会更加容易被世人所接受,将直接引爆普及有人环境下的臭氧利用。因此,大幅度降低臭氧传感器的成本应该是目前亟待组织攻克的一大课题。

大疫当前,建议适当提高对室内臭氧浓度的允许标准,尝试在有人环境下利用臭氧杀菌灭毒。

臭氧与微生物的关系体现了地球生命体的绝妙平衡,一方面如果没有臭氧层的保护,地球上不可能存在细菌、病毒等微生物,另一方面臭氧的强氧化性又是细菌病毒的克星。今天人类对臭氧的认知还远远不够充分,我们应该摒弃对臭氧的成见,消除对臭氧的过度戒备,努力解密臭氧的重重谜团,充分挖掘臭氧的特性,群策群力,用好用足臭氧,战胜这场世纪大疫。(责任编辑:郭素萍)

分类: 臭氧发生器  
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