猪场紫外消毒技术研究进展

赵 铖，樊士冉，杜晓冬，邓启伟，刘 聪

（山东新希望六和集团有限公司养猪研究院，山东青岛 266100）

生物安全防控是现代畜牧业中的重要环节[1-2]。目前，化学消毒方式因其操作方便、杀菌（毒）效果好等特点而被猪场普遍采用[3]。但该消毒方式存在残留、易引发二次污染等问题[4]；猪场使用的消毒剂种类众多，不同消毒对象所用的消毒剂种类和用法也不同[5]，导致化学消毒工作繁琐复杂；且消毒剂对手机、药品、电脑等易造成损害。因此化学消毒方式无法满足猪场生物安全所有场景和需求。

紫外消毒是一种物理消毒方式，其作用机理是利用254 nm 波长的紫外线照射，对微生物遗传物质（RNA 和DNA）产生光化学伤害，进而阻碍遗传物质复制、转录以及蛋白质合成，最终致使微生物死亡，达到消毒目的[6]。相比化学消毒方式，紫外消毒在消毒效果、使用成本及安全性方面，具有消毒时间短、效率高、杀菌谱广、结构简单、占地小、运行维护简便、无二次污染等特点[7]。紫外消毒目前已被广泛应用于许多领域，包括空气消毒[8-9]、净水和废水处理[10-11]、食品和饮料保存和医疗应用[12-15]等。近几年，紫外消毒技术也逐步应用于猪场生物安全[16-17]。影响紫外杀菌（毒）效果的因素有很多，不同猪病原体灭活所需的剂量也不同，其在猪场应用的最佳工作对象和作业场景尚需探究。鉴于紫外消毒合理化应用是当前猪场消毒研究工作的热点和重点，本文将各因素进行综合分析，以期提高猪场紫外消毒效果和效率。

1 影响微生物灭活效果的因素

紫外线灭活微生物受多种因素影响，可归结为3 方面：紫外灯工作参数、外界条件和被照射物情况。对于紫外设备而言，紫外灯的光照强度、照射时间、照射距离、照射角度等因素决定了微生物所在位置的紫外线剂量，进而影响对微生物的灭活效果；外界条件如温湿度、是否有遮挡物等，影响紫外线传播；微生物所依附的照射物材料，也会影响消毒效果。对紫外灯灭活微生物的影响因素进行探究和总结，有助于提高紫外消毒在猪场的应用效率。

1.1 紫外灯工作参数

微生物所接收到的紫外照射剂量决定了其灭活程度。微生物接收的紫外剂量定义[18]为

式中：

Dose——紫外剂量，单位为mW·S/cm2或mJ/cm2；

I——微生物在其运动轨迹上某一点接收到的紫外光照强度，单位为mW/cm2；

t——曝光时间或照射时间，单位为s。

公式（1）表明，紫外灯的照射时间和光照强度决定紫外照射剂量大小。Xu 等[19]对非洲猪瘟病毒进行了紫外灭活研究，重点集中于照射时间和照射强度等因素对灭活效果的影响，结果表明紫外照射时间越长，非洲猪瘟病毒核酸损伤越严重。对于不同紫外强度的灭活效果，当光照强度为110～120 µW/cm2时，完全灭活非洲猪瘟病毒所需的辐照时间为30 min；而当光照强度为3 600 µW/cm2时，仅需3 s 即可灭活完全。Conner-Kerr 等[20]检测了紫外照射对耐抗生素金黄色葡萄球菌的灭活有效性，结果发现当光照强度为15.54 mW/cm2、紫外灯与细菌距离为25.4 mm、金黄色葡萄球菌灭活率为99.9%时，需照射5 s；当灭活率为100%时，需照射90 s。由此得出紫外光照强度越大、消毒时间越长，杀菌效率越高。

不同照射距离处的光照强度不同，光照强度与照射距离关系遵循公式（2）[21]

式中：

I1——位置1 处的光照强度，单位为mW/cm2；

I2——位置2 处的光照强度，单位为mW/cm2；

D1——位置1 至光源的距离，单位为cm；

D2——位置2 至光源的距离，单位为cm。

由公式（2）可知，离紫外灯越近的物体，光照强度越大。Nerandzic 等[22]探讨了不同距离对紫外线灭活金黄色葡萄球菌效果的影响，将承载菌落总数为5 个对数滴度的载玻片分别放置于距离紫外灯不同辐射范围内，照射相同时长，结果显示在0.15、1.22 和3.05 m 距离下，金黄色葡萄球菌对数滴度分别减少3.3、1.8 和0.7，说明增加病原体与紫外装置的距离，大大降低了紫外照射的灭活效果。与此同时，距离被照物越近，紫外灯可照射的范围也越有限（图1）。因此为确保紫外灭活效果，需平衡好紫外强度大小与紫外照射范围，在紫外线光源和目标物体之间选择适当距离。

图1 紫外传播遵循平方反比定律[23]

根据朗伯余弦定律（Lambert's cosine law）[24]可知，随着紫外线与被照物表面之间的夹角增大，被照物表面上的紫外辐射功率随之发生余弦变化，在紫外线垂直于被照射物表面时，紫外光照强度最大（图2）。因此照射角度的变化也影响灭活效果[25]。Katelyn 等[26]和孙巍等[27]对比了大肠杆菌和铜绿假单胞菌在紫外灯不同角度位置处的灭活效果，结果发现正对紫外灯的情况下，对大肠杆菌和铜绿假单胞菌灭活效果最好，而与紫外光相平行的情况下，两种细菌灭活效果最差。

图2 紫外光照强度随角度变化情况[25]

1.2 外界条件

温度和湿度是影响紫外光照强度的重要因素。韩雪玲等[28]观察了温度对紫外光照强度的影响，发现当温度由18 ℃增加到30 ℃时，紫外光照强度由103 μW/cm2增加到122 μW/cm2；叶圣勤等[29]报道了在5～20 ℃范围内，紫外光照强度在81.5～109.3 μW/cm2范围内上升，两者呈现正相关（R=0.991）。紫外光照强度随温度增加而上升，而光照强度又影响着微生物的灭活率。Gayán等[30]研究表明：紫外线与热处理灭菌产生协同作用，紫外线工作环境温度低于45 ℃时灭菌效果保持不变，超过45 ℃后随着温度增加，灭菌效果呈指数增长；在环境温度为55℃时，协同作用百分比最高，为40.3%。

相对湿度对紫外杀菌（毒）的影响较复杂。Cutler 等[31]探究了不同湿度范围对猪繁殖与呼吸综合征病毒（PRRSV）的灭活效果，发现在相对湿度为25%～79%时病毒灭活率最高，相对湿度＜24%时病毒灭活率其次，相对湿度＞80%时灭活率最低。Tseng 等[32]对比不同湿度下被测病毒灭活所需紫外剂量，发现相对湿度85%时病毒灭活所需的紫外剂量显著高于相对湿度55%。Peccia等[33]对此现象进行了分析，表示高湿度条件下，附着在病毒表面的水可导致紫外光照强度衰减。

紫外消毒也有一定局限性。紫外光在直接照射物体表面情况下消毒效果最佳，而在有遮挡情况下消毒效果较差。Aaron 等[34]以猪流行性腹泻病毒（PEDV）为研究对象，对比了在紫外灯直接照射和间接照射（培养皿盖遮挡）处理下PEDV 的减少量，结果发现照射前PEDV 半数组织细胞感染量（TCID50）为1 万左右，紫外照射1 min 后，被直接照射的PEDV TCID50下降了4 个对数滴度，而被间接照射的PEDV 仅下降了0.68 个对数滴度。导致该现象的原因是由于紫外线穿透力差，遮挡物使得紫外线照射强度变弱，与无遮挡处理相比，PEDV 接收到的紫外线大幅度下降，灭活效果随之变差。附着在紫外灯管的灰尘因遮挡紫外光源，也会降低紫外光照强度，因此须定期擦拭紫外灯管积攒的灰尘，防止因灰尘遮挡降低紫外灯灭活效果[35]。对于遮挡物，除石英玻璃以外，紫外线不能透过普通玻璃和其他非透明材料。因此石英也被用来制造紫外灯外层[36]。

1.3 被消毒物品材料

紫外消毒可以快速有效灭活猪场常见病毒[34-35]。猪场需要消毒的常见物品较多，如橡胶胶鞋、一次性乳胶或布手套、塑料袋、混凝土地板、疫苗玻璃瓶、装载物品的纸板箱等，因此需消毒的材料种类也较多。材料种类和表面粗糙情况不同，紫外灭活效果也不同。Chelsea 等[37]以塞内卡病毒（SVA）为试验对象，对比了该病毒附着于猪场常见材料（纸板、塑料和布）的紫外灭活效果，结果发现紫外消毒能有效降低塑料上的SVA 对数滴度，其下降超过7，而在纸板和布表面的病毒对数滴度最大下降仅为2。推测原因，纸板和布表面粗糙，紫外线不易照射到分布在材料表面凹处的病毒，而塑料表面光滑度较高，紫外照射情况优于粗糙表面的纸板等材料，因而塑料表面的病毒灭活效果最好。

2 灭活常见猪病原体紫外剂量

病原体灭活程度与所使用的紫外剂量直接相关，合适的紫外剂量对大多数致病微生物具有较佳灭活效果。在紫外照射剂量不足情况下，很多失活却未被彻底杀灭的微生物可凭借光的协助作用修复自身被破坏结构，从而复活[38]。各种微生物对紫外线的吸收剂量和抵抗力不尽相同[30]，相同紫外剂量下，细菌比病毒更容易感光，细菌会更快被完全灭活。

为有效抑制某些微生物修复能力，不同猪病原体（完全灭活）所需紫外剂量需要设计适当。微生物灭活效果用对数尺度进行分级，具体为使用辐照前后微生物浓度比值的对数值Lg（N/N0）来表示灭活率[39]，其中N0为初始微生物浓度，N为紫外辐照后微生物存活浓度。表1 和表2 分别为文献中获取到的猪场常见细菌减少量（Lg）所需的紫外照射剂量和常见病毒减少量所需的紫外照射剂量。表中，Lg-1 对应灭活率为90%，Lg-2 对应灭活率为99%，Lg-3 对应灭活率为99.9%，Lg-4 对应灭活率为99.99%[40]。表中列出了病原体每一级减少所需的紫外照射剂量，以及公布数据来源的参考文献。

表1 猪场常见致病性细菌对数滴度下降与紫外照射剂量对照 单位：mJ/cm2

表2 猪场常见致病性病毒对数滴度下降与紫外照射剂量对照 单位：mJ/cm2

由表中数据可知，对于试验猪场常见细菌和病毒，紫外剂量在小于150 mJ/cm2时，猪病原体就已被完全灭活。同时，大部分猪病原体，如猪肺炎支原体、伪狂犬病病毒、猪瘟病毒等常见病原体紫外灭活所需剂量未见公布。猪病原体灭活所需紫外剂量是促进猪场高效利用紫外消毒的重要依据。虽然相关研究人员在不同猪病原体微生物灭活所需紫外剂量方面做了长足工作，但目前该部分研究仍较为缺乏。因此，亟需测试猪场常见病原体灭活紫外剂量，为猪场紫外消毒设备设计和应用提供参考，为进一步研发创新奠定基础。

3 紫外消毒在猪场的应用

作为综合生物安全计划的一部分，猪场紫外消毒设备的应用在过去几年有所增加。紫外消毒箱是猪场常见消毒设备，如图3 所示。通常它被设计为传递窗形式，放置于猪场入口处或隔离点，具体操作是将被消毒物品从传递窗一侧（相对脏区）放入，照射处理后，从传递窗另一侧（相对净区）取出。

图3 紫外消毒传递窗（Bio-shift 公司）

使用紫外消毒箱的物品主要为手机、电脑、小工具和药物等小到中等尺寸物品[35]。化学消毒可能会对这些物品造成腐蚀从而无法使用，而紫外消毒可避免该情况发生。这些物品通常表面无脏污，物体表面可完全被紫外线照射，消毒效果可得到保证。此外，对于塑料和纸板材质物品，紫外消毒方法并不适用。重复暴露在紫外线下的塑料会发生变化，如颜色变浅或产生气味；而纸板表面粗糙多孔，孔内存在紫外线无法照射到的地方，导致该处病原体不能被完全灭活。

紫外线也可以用来净化猪场污水。李同等[16]探讨了不同透射率、紫外线杀菌装置内水深和水力停留时间对沼液絮凝上清液的杀菌效果。结果显示，当紫外光照强度为395 μW/cm2，沼液絮凝上清液透射率为0.69%、水力停留时间为15 min、紫外线杀菌装置内水深为2 cm 时，沼液絮凝上清液中粪大肠菌群数量从3.9×106个/L 下降至检出限（3个/L）以下。John 等[49]对比了氯和紫外消毒方式对猪场废水的消毒效果，发现紫外线可灭活氯无法杀死的耐氯菌，因此紫外线灭活废水的细菌数量高于氯消毒后的灭活细菌数量，但因猪场污水未做絮凝处理，达到灭活效果所消耗的能量较高，相对于氯处理，其经济性较差。

紫外线也可净化空气中的病原菌。现代规模化猪场使用空气过滤器拦截病菌[50]，然而，某项研究表明，空气过滤系统并未使猪舍空气中的细菌数量显著减少[51]。基于此情况，Lisa 等[52]研制了安装紫外灯的空气过滤器，以金黄色葡萄球菌、胸膜肺炎放线杆菌、猪细小病毒、猪繁殖与呼吸综合征病毒等易在空气中传播的病原体为试验对象，探究该设备杀菌（毒）效果，并与未安装紫外灯的空气过滤器作对比。数据分析得出单独使用空气过滤器时，猪病原体数量平均减少67.51%，而紫外线照射与空气过滤器联合使用时，病原体减少99%以上。

4 小结和展望

紫外消毒技术具有独特优势，是猪场生物安全不可或缺的一部分。但是，目前关于猪场紫外消毒应用的研究有限，相关科研人员仍需在已有研究成果的基础上，进一步探究该技术在猪场生物安全领域的应用方向。其未来研究方向可概括为以下3个方面：

4.1 紫外工作参数及环境参数对消毒效果影响

目前，紫外杀菌（毒）仍存在不能彻底灭活等问题。为保证紫外线在物体表面有良好的杀菌（毒）效果，应针对不同作用对象，探究紫外线最优作业参数以及组合形态，包括光照强度、光照时长、照射距离和灯管个数、位置分布、间距等，以提高灭活效率。

4.2 猪只病原体紫外灭活所需剂量

充足的紫外剂量才可将微生物彻底灭活，而不同病原体对紫外线的敏感度不同，所需剂量也不一样。目前，很多常见猪只病原体所需的紫外灭活剂量仍未公布。下一步需加大对这些猪只病原体灭活所需剂量的研究，为猪场紫外消毒应用设备研发提供指导。

4.3 紫外消毒技术改进和应用场景

现有紫外消毒技术仍面临光复活所带来的挑战，因此改进紫外消毒技术在实际中的应用非常必要。紫外联合消毒技术是未来发展方向。相关研究[30，53]表明：紫外线与高温、紫外线与臭氧具有协同灭菌效果，能提升杀菌效率；对于紫外线仅可杀死物体表面病毒的局限性，联合消毒方式可以弥补紫外线无法灭活物体内部病原体的不足。应用方面，较为成熟的是利用紫外消毒箱对手机等小物品进行消毒，而对猪场其他场景和对象的消毒效果未作深入研究，紫外消毒优点未被最大化利用。因此，紫外消毒技术在猪场相关的应用场景有待进一步探索。