杀菌紫外线：下一场公共卫生革命

　　正如一个世纪前我们征服了水媒疾病，如今远紫外线技术有望净化室内空气，让空气传播疾病成为历史，带来一场全新的公共卫生革命。

　　从19世纪60年代到20世纪20年代，伤寒在美国接连爆发，夺走了超过三十万人的生命。当时，人口激增，大量民众涌入城市，而城市却将污水直接排入饮用水源的河流中。当流行病学家将伤寒的爆发与水质联系起来后，各大城市从19世纪90年代开始兴建大规模的沙滤系统。1908年，泽西市更是开创性地对公共供水系统进行持续氯化消毒。到了20世纪20年代，伤寒导致的死亡人数下降了三分之二，水媒疾病在全美范围内节节败退。

　　然而，历史的另一面却截然不同。尽管伤寒等水媒疾病催生了庞大的工程和监管体系，但同等级别的空气传播威胁却未得到应有的重视。单是结核病，每年就在全球夺走超过百万人的生命，可学校、诊所和公共建筑中的空气至今基本上仍是未经过滤和监测的。夺走七百多万人生命的新冠疫情，更是淋漓尽致地展现了空气传播病原体在通风不良的空间里能以何等惊人的速度蔓延。

　　就像过滤和氯化消毒让我们的饮用水变得安全一样，我们现在同样拥有了净化室内空气的利器：通风、高效过滤器和杀菌紫外线。一个世纪前，波长为254纳米的杀菌紫外线曾被寄予厚望，人们希望用它来消灭空气中的病原体。然而，这种技术很快被发现会对皮肤造成刺激甚至引发癌症，随着抗生素的普及，它便逐渐淡出了人们的视野。但今天，我们迎来了一项全新的升级技术，它完美规避了前辈的所有缺点。我们发现，波长在230纳米以下的紫外线，特别是222纳米的光线，对人体无害，却依然能有效灭活微小的病原体。这项被称为“远紫外线-C”(far-UVC)的技术，或许就是我们实现呼吸安全、让空气像饮用水一样洁净的关键所在。我们不仅掌握了精确过滤出特定波长光线的技术，还能巧妙地控制光线的照射方向，让空气循环通过光照区进行净化，从而避免人体直接暴露，以防范任何未知风险。

　　在19世纪中叶以前，大多数医生都信奉“瘴气致病说”，认为疾病是由污秽腐败物散发出的有毒蒸汽引起的。那个时代的人们对空气格外着迷：他们为呼吸新鲜空气而移居乡间，去海边“换换空气”。人们将疾病归咎于污浊的空气，甚至燃烧草药来净化空气以对抗瘟疫。然而，由于不了解究竟是什么污染了空气，他们的清洁方法收效甚微。直到Louis Pasteur和Robert Koch首次用确凿的证据证明，是微观生物体导致了传染病，情况才开始发生改变。净化空气与净化水的基本原理是相通的：置换、过滤和消毒。病原体在人体内繁殖，然后通过呼吸、说话或咳嗽被排出到空气中，悬浮在空中，伺机感染新的宿主。不同疾病通过气溶胶、飞沫或污染物表面传播的比例各不相同，而像新冠这样的疾病，其传播往往由少数具有高度传染性的“超级传播者”所驱动，他们造成了不成比例的大量病例。

　　1877年，英国研究员Arthur Downes和Thomas Blunt的一次偶然发现，为现代消毒技术奠定了基础。在一篇提交给伦敦皇家学会的论文中，他们描述了自己如何在六个月的时间里，利用阳光成功阻止了试管中细菌的生长。随后，Robert Koch的研究也证明阳光可以杀死结核分枝杆菌。但这些早期实验缺乏精确性，科学家们只知道光有效，却不清楚是光谱中的哪个部分在起作用。转折点出现在1930年，Frederick L Gates发表了首个关于紫外线对细菌影响的定量分析，他精确地指出，杀菌效果的峰值在265纳米波长处，这恰好是核酸(DNA和RNA)吸收光线的波长点。然而，驾驭这种力量并不需要完全理解其光谱原理。早在1901年，美国电气工程师Peter Cooper Hewitt就发明了第一款获得广泛商业成功的汞蒸气灯。他利用玻璃管中的汞蒸气导电，使电子与原子碰撞，激发原子到更高的能级，当这些受激原子回到基态时，便以光子的形式释放能量，其主要波长恰好是254纳米。核酸会吸收这种254纳米的光线，在碱基之间形成新的化学键，从而阻止DNA和RNA的复制。对人类的皮肤和眼睛而言，这意味着类似晒伤的刺激；但正如一家美国制造公司的工程师所言，对于空气中的病毒、阿米巴原虫和细菌来说，这些光线就意味着末日。

　　不同病原体对紫外线-C(UVC)的敏感度受多种因素影响。基因组较大的病毒，如疱疹病毒或冠状病毒，为光子提供了更多可破坏的核苷酸键，因此比小基因组病毒如细小病毒更容易被灭活。1936年，杜克大学医院的外科医生Deryl Hart率先将紫外线辐射用于手术室，以控制空气传播的感染。他设计的高强度杀菌紫外线装置照射整个房间，将术后伤口感染率从11.6%骤降至仅0.2%。此后不久，汞蒸气灯产生的紫外线被用于在费城、波士顿等地的医院病房和育儿室中，形成一道道无形的“光幕”，有效将交叉感染率降低了40%到96%不等。1937年，研究人员在费城的Germantown Friends School安装了上层空间杀菌紫外线灯。在研究的第四年，费城爆发了有记录以来最严重的麻疹疫情。在接受紫外线照射的教室里，只有14.5%的易感儿童生病，而在未受保护的教室里，感染率飙升至55%。

　　然而，战后杀菌紫外线的推广却陷入了停滞。1945至1946年，纽约卫生部试图在大型公立乡村学校复制费城的成功，但以失败告终。研究人员发现，紫外线虽然能在教室等特定空间阻断麻疹传播，但如果学生们在校车、走廊等其他共享空间仍有面对面接触，其效果便大打折扣。此外，汞灯成本高昂，且可能对皮肤和眼睛造成刺激。与此同时，抗生素的大规模出现正在改变人类对抗传染病的方式。到1945年，青霉素的量产使其普及开来，开启了抗生素时代，医学界的焦点也随之转向了药物控制感染，对紫外线杀菌技术的兴趣因此逐渐消退。

　　几十年后，随着抗生素的滥用和新药发现的停滞，每年有超过七十万人死于抗生素耐药性。而抗生素无法治疗的空气传播病毒大流行，更是造成了巨大的经济损失和数千万人的死亡。这一切，都为杀菌紫外线的回归提供了充分的理由。过去，皮肤刺激和癌症风险等问题限制了254纳米紫外线的直接照射应用，但新的技术——空气循环、光线过滤和更短的波长——已经共同解决了这些难题。更短波长的光线，即波长在230纳米以下的“远紫外线-C”，同样能有效杀菌，却没有这些弊端。与长波紫外线不同，远紫外线-C的穿透力很弱，只能被皮肤和眼睛的最外层组织吸收，而这些组织会频繁脱落且不会分裂。即使用杀菌剂量的远紫外线-C直接照射眼睛，除了产生类似手电筒照射眼睛时的短暂不适外，似乎并无其他影响。当灯具安装在头顶时，其位置和人类面部结构意味着只有5%的光线能到达眼睛，这创造了更大的安全边际。长期暴露实验显示，远紫外线-C对小鼠完全无害。在一项为期36个月的人体试验中，医院病房安装了远紫外线-C灯具，持续暴露在杀菌剂量下的工作人员未出现任何不良反应。

　　为了有效阻止疾病传播，远紫外线-C灯必须迅速灭活呼吸道气溶胶中的病原体，确保在被人吸入时，其数量已不足以构成感染剂量。2024年的一项研究为远紫外线-C在实际占用房间中的效果提供了有力数据。研究人员在一个用于清洁实验鼠笼的房间里安装了四盏灯，房间中持续的活动不断将鼠床褥中的鼠诺如病毒雾化到空气中。当灯打开后，空气中的病毒数量减少了98%，这相当于每小时至少通风换气36次的效果。值得一提的是，鼠诺如病毒由于其坚硬的蛋白质外壳，对远紫外线-C的抵抗力比许多常见的人类呼吸道病毒更强，这更凸显了该技术的强大效力。

　　当然，净化空气还有其他方法，比如通风和过滤。这两种方法都扮演着重要角色，但它们也存在一些关键的局限性，而这些局限性只有远紫外线-C技术才有望克服。通风是最简单的室内空气净化方式，但在高度污染的地区，引入室外空气却会以牺牲空气质量为代价。在极热或极冷的地区，对室外空气进行加热或制冷会消耗大量能源，成本高昂。无论是通风还是过滤，都面临着能耗和噪音的挑战。这些缺点意味着，仅靠通风和过滤的方法，难以有效阻断高传染性病原体的传播或预防大流行。一般而言，通风和过滤技术在达到每小时5次换气效率后，就变得不切实际；而上层空间紫外线可以达到相当于每小时35次换气的效果，远紫外线-C的潜力更是远超100次。我们处理水的方式是冲洗、过滤，然后再消毒以消灭残留的微生物。对待空气，我们也应如此。

　　远紫外线-C就像一种空气消毒剂，但它在有效的杀菌剂量下对人体无害，并且不会像抗生素那样诱导病原体产生耐药性。目前商业上最广泛使用的远紫外线-C光源是氪氯准分子灯。这种灯主要发射222纳米的光，但必须配备专门的光学滤光片来阻挡其他有害波长。尽管潜力巨大，远紫外线-C的普及之路却充满坎坷。市场上充斥着质量低劣的产品，行业内缺乏统一的产品标准认证，而来自信誉良好制造商的顶级准分子灯又因需求低迷而价格昂贵。

　　这种认证缺失的部分原因在于，一些旨在证实远紫外线-C功效的研究，其说服力还不足以推动变革。例如，一项紫外线对结核病传播影响的研究，因全国发病率下降而样本量过小，最终无法得出有效结论。此外，衡量感染控制效果本身就极具挑战性，收集流行病学数据成本高昂且困难重重。无病原体的空气，以及实现这一目标所需的研究，在某种程度上都是公共产品：其受益者大多是未曾为此付费的人。即使一家企业净化了自己办公室的空气，最大的好处也流向了与员工共享其他空间的人们。

　　尽管如此，我们已经看到一些备受尊敬的机构开始了早期尝试。如果能有更多机构效仿，无疑将为未来的研究奠定更坚实的基础。一旦这个结被解开，我们这个时代最有前途的抗病技术之一终将得到大规模应用。20世纪初，泽西市的一位公共卫生官员John Leal，因饮用受污染的水而失去了父亲。之后，他抓住了一个为他人免受同样悲剧的机会：他悄悄地指导工人在泽西市的饮用水源中加入氯。他相信，这种常见的家用漂白剂成分可以在不伤害人体的情况下杀死病原体。事实证明，他是对的。水体净化不仅是科学的胜利，更从根本上改变了公众的期望。一旦人们看到洁净的水是可能实现的，他们便会去要求它。