分解する改良光触媒空気清浄器
要約 微小粒子状物質（PM2.5）や揮発性有機化合物やバイオエアロゾルによる空気汚染は健康を脅かす重 大な環境リスクとなっている。我々は屋内の汚染度を低減する光触媒空気清浄器を開発した。さらに、 アセトアルデヒドとPM2.5を除去するUV-LED を採用し、光触媒システムの重量と寸法を抑えることで、 光触媒システムを改良した。光触媒作用の効率は表面積と材料に左右される。そこで我々は、光触媒 空気清浄器としてUV-LED ランプ（波長：375 nm）によって照射されるナノサイズ二酸化チタン（TiO2） 被覆アルミニウム板を用意した。ブラックライトのもとで空気をTiO2被覆アルミニウム板（5×10×1 cm）に 200 分間連続して通過させたところ、5 ppm アセトアルデヒドの 90％（12.4 µmol h-1）が分解さ れ、1:2 のモル比で 2 つの二酸化炭素分子（25.43 µmol h-1）が発生し、アセトアルデヒドが高効率で完 全に分解されることが分かった。この光触媒空気清浄器をアセトアルデヒドの分解とエアロゾル随伴 インフルエンザウイルスの不活化・除去に応用した。1 m3の立方体空間の中でアセトアルデヒド（20 ppm）が 8 分の半減期で 60 分で除去された。779 L の立方体空間で噴霧器から出たインフルエンザウ イルスA/PR/8/1934（H1N1）の RNA ゲノムとエアロゾル随伴感染価は 7 分以内に除去されたが、これ らは光触媒空気清浄器を使わない場合に最高28 分間検出された。インフルエンザウイルスの中間分解 産物の存在からウイルスが光触媒作用によって分解されたことが分かった。つまり、この光触媒空気 清浄器によって有機化学物質とアセトアルデヒドとエアロゾル随伴インフルエンザウイルス感染力お よびウイルスRNA が効率よく分解、除去されたことから、光触媒空気清浄器によって閉鎖空間内の屋 内空気が浄化、無毒化され、環境を安全に保てることがわかった。 キーワード：光触媒作用、屋内空気質、PM2.5、インフルエンザウイルス分解、ナノサイズTiO2、空気清浄器。 序文 微小粒子状物質（PM2.5）や揮発性有機化合物 （VOC）やバイオエアロゾルによる空気汚染は 健康を脅かす重大な環境リスクとなっている （Hess et al., 2016; Nazaroff, 2016; Rohr and McDonald, 2016; WHO, 2006; Mukherjee and Agrawal, 2017）。各国は空気汚染度を低減する ことにより、脳卒中、心臓疾患、肺癌、喘息を 含む慢性・急性呼吸器疾患による病気の負担を 減らすことができるほか（WHO, 2016a）、環境 に 存在 して ヒト の健 康 に 悪影 響を およ ぼす VOC や粒子状物質や病原体による負担を減ら すことができる。光触媒作用はこれらのリスク 要因を解消する手段のひとつと見られており、 二酸化チタン（TiO2）と光による光触媒作用に よって発生する活性酸素種によって有機化学 物 質 を 分 解 す る こ と が 報 告 さ れ て い る （Fujishima and Honda, 1972; Ochiai et al., 2014）。我々はかつて高効率光触媒空気清浄器を開発 し、これがアルデヒドを分解してインフルエン ザウイルス感染力を不活化する効果を確認し た。 TiO2による光触媒作用は陰電子（e–：電子孔） と正孔（h+）を生じさせ、スーパーオキシドア ニオン（O2 + e– ® O2–）とヒドロキシルラジカ
ル（OH– + h+ ® OH）を発生させる。表面の TiO 2 は波長が400 nm 未満の紫外線光に晒され、ア ルミニウムの表面にはe–とh+が発生する。発生 したe–は空気中の酸素（O 2）と反応してスーパ ーオキシドアニオン（O2–）を発生させる。次 にh+が H2O と反応してヒドロキシルラジカル （OH）を発生させる。O2–と OH ラジカルが反 応して有機化学物質を分解し、微生物を不活化 する。図1 と補足資料にはメチレンブルーを完 全に脱色させる効率的な光触媒活性が示され ている。チタンは非腐食性で、環境に安全であ り、食品添加物や化粧品、特に日焼け止めに、 使われている。 実験・臨床的証拠によると、微細粒子エアロ ゾル（粒子直径< 10 µm）によるインフルエン
ザ感染は大きい滴や接触感染によるインフル エンザ感染より強い（McLean, 1961; Schulman and Kilbourne, 1962; Moser et al., 1979; Knight, 1980; Goldmann, 2000）。インフルエンザは主に 咳やくしゃみで発生するエアロゾルを通じて 伝染する。ある調査によると、航空機に搭乗し た乗客54 名のうち 72％が 3 時間の遅延中に換 気装置が作動せずインフルエンザに感染し、閉 ざされた空間で換気が不十分だったことが高 い 感 染 率 の 原 因 だ っ た と 報 告 さ れ て い る （Moser et al., 1979）。伝染病はエアロゾル随伴 ウイルスによって最も効率的に運ばれる。滴と して鼻腔内投与される野生型インフルエンザA ウイルスの 50%ヒト感染量は媒質組織培養感 染量（TCID50）の127–320 であり、エアロゾル に よ っ て 運 ば れ る ウ イ ル ス の そ れ は 0.6–3 TCID50である（Alford et al., 1966; Couch et al., 1971; Murphy et al., 1973; Couch and Kasel, 1983）。 2 m 先に着地する前に完全に気化する最大滴サ イズは呼気流で100 µm である（Xie et al., 2007）。 つまり、咳やくしゃみによって発生するエアロ ゾルが空気感染の重大要因となる。
光触媒作用はアセトアルデヒド（sahi et al., 2001; Huang et al., 2009; Li et al.,2012）や難分解 性ダイオキシン（Lu et al., 2011; Daikoku, 2015; Vallejo et al., 2015）等の空気汚染物質を分解する。 VOC の光触媒反応が不完全だと中間化合物が 発生する可能性があるが、光触媒酸化を用いれ ば VOC で汚染された屋内空気を浄化できる （Zhao and Yang, 2003; Hodgson et al., 2007; Mo et al., 2009; Tseng et al., 2010; Huang et al., 2016）。 光触媒作用は液体表面（乳製品、水）のバクテ リアやウイルスを不活化できるほか（Zan et al., 2007; Rizzo, 2009; Guglielmotti et al., 2011）、エア ロゾル随伴感染性インフルエンザウイルスを 不活化できる（Daikoku, 2015）。 我々は以前の研究で、ナノサイズTiO2で被覆 された多孔質セラミック基板を使った光触媒 システムを開発した。この光触媒システムによ ってアセトアルデヒドと難分解性ダイオキシ ンとエアロゾル随伴インフルエンザウイルス 感染力が分解され、特に粒子状ダイオキシン （40 pg m-3）とガス状ダイオキシン（16 pg m-3） の7.5 および 2.8 pg m-3がそれぞれ除去され、光 触媒作用によってダイオキシンの 80%余りが 分解されたことが分かった（Daikoku, 2015）。こ の最初の光触媒空気清浄器で満足な結果が得 られたが、我々はこれを次の通りに改良した。 改良された光触媒空気清浄器には微小粒子 状物質（PM2.5）除去するHEPA フィルタが付い ている。アルミニウムはセラミックフィルタよ り光触媒空気清浄器の TiO2被覆基板として適 しており、アルミニウムフィルタは割れず、コ ンパクトで、多孔質セラミックより軽くて廉価 である。光触媒作用のパワーを増大させるため、 光源はブラックライト（ピーク波長：352 nm） から光量が多くて寿命が長いUV-LED（波長： 375 nm）に変更した。つまり、我々はコンパク トな屋内用光触媒空気清浄器を開発したが、ア ルミニウム板表面にナノサイズ TiO2を被覆し UV-LED アレーと HEPA フィルタを付けて光触 媒システムを改良した。今回の研究では、有機 化学物質としてのアセトアルデヒドの分解と エアロゾル随伴インフルエンザウイルス感染 力の不活化の観点から、この空気清浄器の高効 率光触媒性能を確認した。 方法 光触媒空気清浄器 改良された清浄器は日本電機工業会（JEMA） が定める日本電機製造者（JEM1467）基準を満 たしている。「32 m3を用いたPM 2.5家庭用空気 清浄器の除去性能試験法および計算法」。加え て、この屋内用空気清浄器には光触媒システム が組み込まれている。アルミニウム板は日本の UACJ Corporation から購入した。光触媒 TiO2
は日本のIshihara Sangyo Kaisha Ltd.から購入し た。アルミニウム板表面のTiO2被覆にあたって
は、APS Japan Co., Ltd.がアルミニウムフィルタ のサテン仕上げ面にナノサイズ TiO2粒子を固 定した。TiO2被覆アルミニウム板の光触媒活性 はUV-LED（波長：375 nm、図 1）によるメチ レンブルーの完全な脱色で実証された。フィル タ（6×48×0.03 cm×2 個）の合計表面積は約 300 m2と推定され（Grätzel, 2003）、清浄器は2 組のTiO2被覆アルミニウムフィルタ、UV-LED ランプ 12 個（375 nm 2 W で作動、Nichia Corporation、日本、徳島）、および活性炭と TiO2 被覆を備えるHEPA フィルタ（空気 1 リットル 当たり0.1 ミクロン粒子の最大 5％を除去でき るHEPA H-11、Airclean Ltd.、イギリス、ケント） からなる。（図2） 清浄器の改良面はコンパクトさと性能の向 上である。光触媒多孔質セラミックフィルタ （800 g）を光触媒アルミニウムフィルタ（64 g） に差し替えることにより、清浄器のサイズ（435 ×412×180 mm）と重量（5.2 kg）はそれぞれ 32.7%（460×306×75 mm）および 59.3%（3.2 kg） 減った。さらに、光源としてブラックライト（ピ ーク波長：352 nm）を UV-LED システムに差し 替えることによって有効 UV 線量が 10 倍増加 し、3,000 時間というブラックライトの寿命は UV-LED アレーによって 4 倍の 12,000 時間にな った。空気の流れは3 つの流路で 126∼66 m3 h-1 であり、空気の質と流れは、空気の質を監視 （VOC）するガスセンサー（FIS Inc.、日本、兵 庫、伊丹）と粒子（1.0 µm 超）を感知するセン サーPPD42NJ（Shinyei Technology Co. LTD.、日 本、神戸）によって監視、管理される。 アセトアルデヒド光触媒反応の性能評価 光触媒作用によるアセトアルデヒド分解性 能をフローシステムとクローズドシステムで 評価した。フローシステムは光触媒アルミニウ ムフィルタの光触媒活性効率を把握するため に使用し、クローズドシステムは空気清浄シス テムが閉鎖空間の中でアルデヒドを除去する 効果を調べるために使用した。
図1. TiO2被覆アルミニウム表面に吹き付けられたメチレンブルーのUV-LED による光触媒脱色。TiO2被覆ア ルミニウム表面にメチレンブルー溶液を吹き付け、乾かした後、UV-LED アレーに晒したところ、表面の青色が脱 色したことから、光触媒活性によってメチレンブルーが効率的に分解されることが分かった。この過程は補足資 料「光触媒作用ビデオ（Video Photocatalysis）」で見ることができる。
図2. 組のフィルタシステムからなる空気清浄器構造の概略図。空気は最初に 2 枚の HEPA フィルタ（HEPA H-11）
のいずれか一方を通過し、HEPA フィルタは空気 1 リットル当たり 0.1 ミクロン粒子の最大 5%通過させる。次に 空気は6 個の UV-LED ランプ（375 nm 2 W、Nichia Corporation、日本、徳島）のもとで TiO2被覆光触媒アルミニ ウム面を通過し、清浄な空気となって1 個の共通の出口へ進む。写真は HEPA フィルタと光触媒アルミニウム板 とUV-LED アレーの詳しい構造を示すものであり、表面積を増やすため HEPA フィルタとアルミニウム板がベロ ーズ（蛇腹）構造になっていることが分かる。 アセトアルデヒドから二酸化炭素への分解の 解析にあたっては、JIS 委員会が定める日本工 業規格（JIS）R1701-2 手順に従い、1 cm2当た り1 mW のブラックライト（波長：351 ± 2 nm） のもとでアセトアルデヒドを光触媒アルミニ ウムフィルタ（49.5 mm×99.5 mm×9.5 mm）に 通過させた。神奈川科学技術アカデミーにて、 5 ppm のアセトアルデヒドと 1.56%の水分を含 むガスを25℃ ± 2℃湿度 50％で 1 L min-1の割 合で光触媒アルミニウムフィルタ（49.5 mm× 99.5 mm×9.5 mm）に通過させ、アセトアルデ ヒドと二酸化炭素をメタナイザへ誘導し、ニッ ケル触媒で CH4 に還元し、キャリアガスとし て窒素（< 0.1 ppm 二酸化炭素）を使ってフレー ム イ オ ン 化 検 出 器 （GC-2014AFF, Shimadzu Corporation、日本）で検出した（Daikoku, 2015）。 日本食品分析センター（JFRL、日本、東京） にて、1 m3の容器の中でアセトアルデヒド濃度 を測定してアセトアルデヒドの分解を解析し、 ガス検出管（92 L; Gastec Corporation、日本）を 使ってアセトアルデヒドを検出した。アセトア ルデヒド（20 ppm）を容器の中に導入し、0、 10、30、および 60 分にアセトアルデヒド濃度 を測定した。今回の研究では空気清浄器にファ ンと UV-LED アレーがある場合とない場合と で光触媒作用の有効性を比較した。 ウイルス感染およびプラーク検査 以前報告されたように、メイディン・ダービ ー・イヌ腎臓（MDCK）細胞でインフルエンザ ウイルスA/PR/8/1934（H1N1）を伝播させ、感 染 し た 培 養 細 胞 か ら ウ イ ル ス 株 を 作 っ た （Kurokawa et al., 1996; Furuta et al., 2002; Kurokawa et al., 2002; Furuta et al., 2005; Kurokawa et al., 2010; Daikoku, 2015）。0.3 mg mL-1のL-グルラミンと 6%のウシ胎仔血清を補
った最小必須培地（MEM; Nissui Pharmaceutical、 日本）で MDCK 細胞を短時間維持した。ウイ ル ス 希 釈 媒 質 （VDM ； 50 µg mL-1 の diethylaminoethyl-dextran hydrochloride ［DEAED ］ と 0.1% の ウ シ 血 清 ア ル ブ ミ ン ［BSA］を補った MEM）を使用し、0.001 の感 染多重度（MOI）で MDCK 細胞にウイルスを 感染させた。感染した MDCK 細胞をウイルス 増殖培地（VGM；0.3 mg mL-1のL-グルラミン、 10 mM の HEPES［pH 7.5］、50 µg mL-1のDEAED、 0.1%の BSA、および 0.7 µg mL-1 の TPCK 処理 トリプシン［Sigma-Aldrich］を含む MEM）に て34℃で培養し、細胞変性効果が観察されたと きに上澄みを回収した。プラーク検査のため、 6 ウェルプレートに 250 µL の VDM を入れて 10 倍希釈ウイルスをMDCK 細胞に感染させ、0.7% のアガロースと50 µg mL-1のアンピシリンを含 ファン 空気の流れ UV-LED TiO2が被覆された アルミニウム板 HEPA フィルタ
むVGM をかぶせ、34℃で 2 日間培養した。 エアロゾル随伴インフルエンザウイルス感染 力の不活化 図 3 は閉鎖空間の中でエアロゾル随伴イン フルエンザウイルス感染力を検査するために 使ったシステムを示すものである。使用した光 触媒空気清浄器はAPS Japan Co., Ltd.（日本） によって実験的に製造されたものである。光触 媒空気清浄器では電動ファンのもとで空気を TiO2被覆アルミニウム板で濾過した。 既に述べたように、エアロゾル随伴インフル エンザウイルスは空気清浄器によって不活化 された（Daikoku, 2015）。スプレー式噴霧器（ネ ブライザ）を使って粒子（直径 7∼15 µm）を 生成、散布した。9.8×109 プラーク形成単位 （PFU）を含むインフルエンザウイルス溶液（14 ML）を 92×92×92 cm の立方体空間（779 L） の中に噴霧した。その後、この空間から 45 L の空気をエアバッグに回収し、バッグの中のウ イルス感染力とウイルスRNA の量を 0、3、7、 15、および 28 分に測定した。取り込んだ空気 は吸引用真空ポンプを使って0.45 µm のセルロ ースアセテートメンブランフィルタ（直径 47 mm、Merck Millipore、ドイツ）で濾過した。1 セットの実験（空気清浄器有り／無し）を22℃ 湿度50%∼60%で 1 日 1 度行なったが、いずれ の実験も同様の条件で行った。フィルタは3 mL のVDM に浸漬させた後に 3 mL の VDM でしっ かり濯いだ。プラーク検査でフィルタに捕集さ れたウイルスの感染力を判断するため、媒質を 10 倍に連続希釈し、6 ウェルプレートの MDCK に接種した。 空気中インフルエンザウイルスのリアルタイ ム定量逆転写ポリメラーゼ連鎖反応法 以前の研究で報告した方法を用いてインフ ルエンザウイルスRNA を定量化した（Daikoku, 2015）。メンブランフィルタで捕集したインフ ルエンザウイルスを含む1 mL VDM から 45 L バッグのウイルス RNA を抽出した。抽出は High Pure Viral RNA キット（Roche Diagnostics、 ドイツ）をメーカーの指示通りに使って行なっ た。標準曲線を作るため7.0×108 PFU を含む感 染 MDCK 細胞の 1 mL 上澄みからウイルス RNA を抽出した。20 µL 反応混合物のインフル エンザウイルス RNA 特異的プライマ Uni12 （5¢-agcgaaagcagg-3¢）を使用し、ReverTra Ace qPCR RT Kit（Toyobo Bio、日本）で逆転写ポリ メラーゼ連鎖反応（PCR）を 37℃で 15 分間行 った。その後、2 µL の逆転写 PCR 混合物を使 用 し 、 フ ォ ワ ー ド プ ラ イ マ （5¢-ctaatcagacatgagaacagaatggt-3¢）とリバースプ ライマ（5¢-ctagcctgactagcaacctccatg-3¢）からなる インフルエンザ M 分節特異的プライマセット と SYBR Premix Ex Taq II（Tli RNaseH Plus; Takara Bio、日本）を用いてリアルタイム PCR （RT-PCR）を行った。 図3. エアロゾル随伴インフルエンザウイルス感染力を検査するシステム。エアロゾル随伴インフルエンザウイル スを噴霧器で92×92×92 cm の立方体空間（779 L）の中に噴射し、この空間から所定の時間に 45 L の空気をエア バッグにゆっくり回収した。45 L エアバッグの空気を直径 47 mm 孔 0.45 µm のセルロースアセテートフィルタで 濾過し、このフィルタをウイルス希釈媒質（VDM）に浸漬した。次に、プラーク数を確認するかリアルタイムポ リメラーゼ連鎖反応でウイルスRNA を定量化するため、捕集した感染性ウイルスを懸濁させ、VDM で希釈し、 メイディン・ダービー・イヌ腎臓（MDCK）細胞に接種した。検査は開発した光触媒空気清浄器有り／無しで行 った。 プラーク数 噴霧器の 入口 空気を導入する ためのバッグ 吸引器 45L バッグ 45L バッグ 45L バッグ 空気を取り込むためのバッグ 空気清浄器 プラーク形成 RNA 定量化 セルロース アセテート フィルタ 捕集したエアロ ゾルウイルス
定量PCR プログラムは次の通りであった。95℃ 30 分間の最初の変性ステップ、その後 95℃5 秒間と 60℃30 秒間の PCR 増幅 40 サイクル。 PCR 産物レベルを RT-PCR システム用 Takara Dice サーマルサイクラーを使って監視し、 Takara RT-PCR ソフトウェア（Takara Bio、日本） を使って解析した。PCR 産物を使ってウイルス コピー数を確認した。 結果 光触媒作用によるアセトアルデヒド分解 5 および 20 ppm のアルデヒド濃度は屋内空 気としては相当高いが、JIS R1701 および JFRL ではこれらの濃度がアルデヒド分解の解析条 件と定められている。これは、これよりも低い 屋内空気アルデヒド濃度が同様に分解される ことを意味する。 図4 はアセトアルデヒドから二酸化炭素への分 解のプロファイルを示すものである。JIS 委員 会が定める手順に従い、5 ppm のアセトアルデ ヒドを含むガスを光触媒作用アルミニウム板 に通過させると、1 回の通過で 200 分間にアセ トアルデヒドの90％が安定的に除去された。光 触媒作用によるアセトアルデヒドから二酸化 炭素および水への分解はCH3CHO + 6OH + O2 ® 2CO2 + 5H2O である。したがって、アウトプ ットされる二酸化炭素に対するインプットさ れるアセトアルデヒドのモル比は1 アセトアル デヒド分子と2 二酸化炭素分子である。ブラッ クライトのもとでアセトアルデヒドをTiO2被 覆アルミニウム（5×10×1 cm）に通過させた 場合、5 ppm のアセトアルデヒドの 90％（12.4 µmol h-1）が200 分間にわたり効率的かつ連続 的に2 つの二酸化炭素分子（25.43 µmol h-1；二 酸化炭素変換率= 92.5%）に分解された（図 3）。 分解効率は90％であり、二酸化炭素に対するア セトアルデヒドの比は1 アセトアルデヒド （12.40 µmol h-1）分子対2 二酸化炭素（25.43 µmol h-1）分子および水のモル比による産物の 分解に一致しており、アセトアルデヒドが完全 に分解されることが分かる。 図5 は光触媒空気清浄器による閉鎖空間（1 ×1×1 m）におけるアセトアルデヒド分解を調 べるために行なった2 つの実験の結果を示すも のである。光触媒システムが作動せずファンだ けが作動している 60 分間にアセトアルデヒド 濃度（20 ppm）は変化しなかった。光触媒シス テムを作動させ UV-LED アレーを使用した場 合、アセトアルデヒドは 8 分の半減期で 60 分 で安定的に除去された。アルデヒドが光触媒活 性なしで安定的に持続したことから、空気清浄 器を含む試験空間の中でアルデヒドの吸収や 漏れや自然分解がなかったことが分かる。予想 通り、光触媒空気清浄器はこのワンパス実験で 5 ppm アルデヒドの分解によって空間内のアル デヒドを効率よく分解し除去した（図4）。 光触媒作用によるエアロゾル随伴インフルエ ンザウイルス感染力の不活化 光触媒空気清浄器を作動させる場合と作動 させない場合とでプラーク検査を行い、779 L の立方体空間におけるエアロゾル随伴インフ ルエンザウイルス感染力に対する光触媒活性 の効果を評価した。2 つの実験で空間内のエア ロゾル随伴感染レベルは時間 0 でそれぞれ 1.2 ×106および2.0×106 PFU であった。光触媒空 気清浄器を作動させなかった場合、レベルは28 分までに3.4×104および2.4×104 PFU までそれ ぞれ減少したが、これは感染力の自然減衰によ るものであった（図6（a）および 6（b））。 時間（分） 図4. ナノサイズ TiO2が被覆され1 cm2当たり1 mW のブラックライト（波長：351 ± 2 nm）が照射されるアルミ ニウム板（寸法：5×10 cm、深さ 1 cm）によるアセトアルデヒドから二酸化炭素および水への分解。40 分（1） でブラックライトを点灯するとアセトアルデヒドの濃度が減少して二酸化炭素の濃度が増加した。240 分（2）で ブラックライトを消灯するとアセトアルデヒドの濃度が増加し、二酸化炭素の濃度はブラックライトがない場合 のレベルまで減少した。RAはアセトアルデヒド除去率である。RCは二酸化炭素変換率である。QAは1 時間当た りに除去されるアセトアルデヒド量である。QCは1 時間当たりに変換される二酸化炭素量である。 検出限界 ア セトアル デヒド （ p p m ） アセトアルデヒド 二酸化炭素
時間（分） 時間（分） 図5. 閉鎖空間におけるアセトアルデヒドの安定性と光触媒空気清浄器による減衰。アセトアルデヒド分解の解析 にあたっては1 m3の容器の中でアセトアルデヒド濃度を測定し、ガス検出管でアセトアルデヒドを検出した。容 器には20 ppm のアセトアルデヒドを入れ、0、10、30、および 60 分にアセトアルデヒドの濃度を測定した。容器 内でファンとUV-LED アレーを使う場合と使わない場合とで光触媒作用の効果を測定した。 対照的に、光触媒空気清浄器を使用した場合は、 HEPA フィルタによるインフルエンザウイルス 捕集と UV-LED ランプによって照射された TiO2との光触媒反応により、エアロゾル随伴感 染価は7 分で検出されなくなったが、空気清浄 器を使用しない場合は、7 分から 28 分までに 3.8×105および2.6×105 PFU の感染レベルが検 出された（図 6（a）および 6（b））。つまり、 空間内のエアロゾル随伴インフルエンザウイ ルス感染力は光触媒空気清浄器によって迅速 かつ効率的に不活化された。 エアロゾル随伴インフルエンザウイルス感 染 力 が 迅 速 に 不 活 化 さ れ た た め 、 我 々 は RT-PCR にる定量化でウイルス粒子中のインフ ルエンザウイルス RNA の運命を調べた。エア ロゾル随伴インフルエンザウイルス感染力の プラーク検査結果と同様、ウイルスゲノムは光 触媒空気清浄器によって7 分以内に速やかに減 少したが、これとは対照的に、光触媒空気清浄 器を使用しない場合は 28 分まで徐々に減少し た（図 6（c）および 6（d））。つまり、ウイル ス RNA は光触媒空気清浄器によって空間から 速やかに除去された。PT-PCR に用いたインフ ルエンザM 分節は 1 kb であり、PT-PCR 産物の サイズは116 bp であり、M 分節の 12％をなす。 長さ116 bp の M 分節を検出できないのは、感 染力の低下とRNA ゲノムの分解を意味する。 感染性インフルエンザウイルスはエンベロ ープで覆われたウイルス粒子であり、M 遺伝子 を含む手つかずの全長ウイルス RNA を有する。 今回の研究では光触媒作用によってインフル エンザウイルスの感染力が不活化され、ウイル ス RNA が分解された。ウイルス粒子から放出 される116 bp より大きい RNA コピーは空気中 で3 分に検出され、7 分で検出不能レベルまで 分解した（図6（e）および 6（f））。感染価に対 するRNA コピー数とその比は時間 0 と自然減 衰の過程で維持されたが、光触媒空気清浄器は 感染価に対するRNA コピーの比を光触媒作用 により2.2 および 5.8 倍増加させた。光触媒作 用はエンベロープで覆われた粒子を壊し、その 結果、内側にあるウイルス RNA は空間内に分 散され、感染価に対する RNA コピーの比が増 加した。つまり、ウイルス感染力は最初にRNA の分解をともなうウイルス構造の分解によっ て失われ、光触媒作用で処理された感染性ウイ ルスは光触媒がない場合に比べて凡そ 2∼5 倍 のウイルス RNA コピーを要した。中間分解イ ンフルエンザウイルスの検出は、改良空気清浄 器でウイルスがHEPA フィルタに捕集されたこ とに加えて、光触媒作用によってウイルス感染 力が除去されたことを意味する。 論考 今回の研究では光触媒空気清浄器がアセト アルデヒドを分解しエアロゾル随伴インフル エンザウイルス感染力を不活化する能力を評 価した。その結果、光触媒作用によって5 ppm アセトアルデヒドの 90％が 1 アセトアルデヒ ド対2 二酸化炭素および水のモル比で効率よく 分解され、アセトアルデヒドが高効率で完全に 分解されることが分かった。 ア セトアル デヒド （p p m ） 対照 空気清浄器 対照 空気清浄器
時間（分） 時間（分）
図6. 鎖空間におけるエアロゾル随伴インフルエンザウイルス感染力の安定性と減衰、ならびに光触媒空気清浄 器による不活化。立方体空間（779 L）の中にインフルエンザウイルスを噴射し、0、3、7、15、および 28 分に空 間からバッグへ45 L の空気を順次移した。プラーク検査とリアルタイム逆転写ポリメラーゼ連鎖反応法（RT-PCR） により、感染価（（a）、（b））とウイルス RNA コピー数（（b）、（c））、およびバッグ中の空気の感染価((e)、(f))と感 染価に対するウイルスRNA コピーの比を確認した。〇と△は光触媒空気清浄器を使用した場合の値と使用しなか った場合の値をそれぞれ示している。パネル（a）、（c）、および（c）とパネル（b）、（d）、および（f）に 2 通りの 実験結果が示されている。感染価に対するウイルスRNA コピーの比は 85∼100 RNA コピー／プラーク形成単位 であり、図6（e）および 6（f）では時間 0 で 100％になっている。図（a）、（b）、（c）、および（d）の点線は RT-PCR の検出限界を示している。 時間（分） 時間（分） 立 方体空間 内の P F U 対照 空気清浄器 対照 空気清浄器 立 方体空間 内のウ イルス コピー 立 方体空間 内の P F U 立 方体空間 内のウ イルス コピー 対照 空気清浄器 対照 空気清浄器
時間（分） 時間（分） 図6. 続き） ダイオキシンは分解しずらく、高温（850℃超） による焼却を要する（WHO, 2016b）。我々は以 前、光触媒作用によって粒子状・ガス状ダイオ キシンの 80％余りが分解されたと報告した （Daikoku, 2015）。この清浄器は JEMA が定め るPM2.5家庭用空気清浄器のJEM1467 基準を満 たしている。同基準を満たすほか、この清浄器 には、ナノサイズ TiO2で被覆されUV-LED ア レーによって照射される光触媒アルミニウム 板（サポート材）と、強力でコスト節約につな がる UV-LED と、活性炭と TiO2被覆を備える HEPA フィルタが付いている。（図 2） 光触媒金属は物理的かつ化学的に安定して おり、TiO2被覆面に対する光触媒作用のパワー は光の強さと表面の清浄度に左右される。硫黄 化合物と窒素化合物は光触媒清浄器を長時間 使用した後に硫酸と酢酸にそれぞれ分解され、 これらの化合物は分解後に表面に結合、堆積し て光触媒作用を阻害する。これらの物質は脱イ オン水で洗うことによって除去でき、光触媒活 性を取り戻すことができる。 換気が不十分で閉ざされた公共空間では特 に、エアロゾル粒子が主要で最も効果的なイン フルエンザ伝播ルートとなることが、いくつか の実験・臨床研究で報告されている。インフル エンザ患者が咳やくしゃみをするときに出る 滴から直接的に、または滴の気化により、1∼3 µm のエアロゾル粒子が発生し、肺の下気道に 優先的に付着し（Knight, 1980; Heyder, 1986; Isaacs and Martonen, 2005; Milton et al., 2013）、効 率よく伝播する。つまり、換気が不十分な閉鎖 空間では咳やくしゃみから出るエアロゾルや 患者の周期的な呼気から出るエアロゾルが重 大なインフルエンザ伝染源になり得る。 我々は当初の光触媒空気清浄器の光触媒作 用だけでもインフルエンザウイルス感染力が 除去されると報告した（Daikoku, 2015）。改良 された光触媒空気清浄器を使った今回の研究 では、感染性エアロゾルで満たされた閉鎖空間 の中でエアロゾル随伴インフルエンザウイル ス感染力が 27 分まで検出されることを確認し た。エンベロープで覆われたウイルスと RNA は光触媒作用とHEPA フィルタによるインフル エンザウイルス捕集によって 3 分で除去され、 PFU に対する RNA コピーの比は時間 0 のそれ に比べて220％および 575％まで増加した。PFU に対する RNA コピーの比の増加と低感染力は、 エンベロープで覆われたウイルス粒子の破壊 と、インフルエンザウイルス粒子の分解によっ て116 bp より大きい RNA ができたことを意味 する。感染性ウイルスとウイルス RNA の除去 率の違いは、フィルタによるウイルス粒子捕集 に加えて、除去が光触媒作用によるものであっ たことを意味する（図7）。7 分で感染性ウイル スと RNA が空間内で検出されなかったことか ら、光触媒作用によってウイルス粒子とウイル ス RNA が完全に除去されたことが分かる。光 触媒作用は最初に脂質膜の多価不飽和リン脂 質成分の過酸化を促進し、大腸菌の細胞膜を大 いに混乱させた（Maness et al., 1999）。インフル エンザウイルスの感染力とその RNA は光触媒 作用によって分解されたと見られる。 我々は、多孔質セラミックをアルミニウム板 に変え、ブラックライトをUV-LED アレーに変 え、HEPA フィルタを取り付け、軽量化し、コ ンパクトさを高めることによって、屋内空気用 光触媒空気清浄器を改良した。光触媒作用のた めのアルミニウム板は多孔質セラミックより 廉価で軽く加工しやすく安定している。 ウ イルスコ ピー / P F U 対照 空気清浄器 対照空気清浄器 ウ イルスコ ピー / P F U
図7. 触媒処理中の感染性ウイルス粒子とRNA コピーの分解。左のパネルに見られるように、光触媒作用に先 立ち、8 個の分節 RNA ゲノムを含むエンベロープで覆われた感染性インフルエンザウイルスを、77–107 RNA コ ピー／PFU を含む立方体空間に入れた（時間 0 で 100％）。中央のパネルに見られるように、エンベロープで覆わ れたウイルスとRNA は光触媒作用によって除去され、3 分で RNA と感染性ウイルスの 1％未満が検出された。図 6（e）および 6（f）に見られるように、3 分で RNA コピー／プラーク形成単位（PFU）比は 1 分のそれに比べて 220%および 575%まで増加した。感染性ウイルスは引き続き検出され、RT-PCR のための M 遺伝子の 116 bp より 大きいRNA は空間内に存在した。RNA コピー／PFU 比の増加と低感染力はエンベロープで覆われたウイルス粒 子の破壊と116 bp より大きい RNA の存在を意味する。右のパネルに見られるように、7 分で感染性ウイルスと RNA は空間内で検出されなくなり、ウイルス粒子とウイルス RNA は完全に除去された。 研究の結果は、ウイルスを捕集するHEPA フィ ルタとウイルス粒子とウイルスRNA の完全な 破壊によってウイルス感染力とウイルスRNA が容器から効率よく除去されたことを示して いる。空気汚染と健康について述べると（WHO, 2006; Hess et al., 2016; Nazaroff, 2016; Rohr and McDonald, 2016; Mukherjee and Agrawal, 2017）、 改良された光触媒空気清浄器は、くしゃみや咳 から出るエアロゾル随伴インフルエンザウイ ルス粒子等のバイオエアロゾルや、アルデヒド やダイオキシンといった空気中の有機汚染物 質を効率的かつ迅速に不活化し、屋内空気の質 を健康的に保つことができる。 この光触媒システムは、光触媒フィルタの1 回の通過で5 ppm アセトアルデヒドを完全に分 解し、中間化合物を形成しない高効率システム としての利点を有する（Zhao and Yang, 2003; Hodgson et al., 2007; Mo et al., 2009; Tseng et al., 2010）。改良された光触媒空気清浄器の性能に ついて述べると、各種光触媒空気清浄器の性能 がこれまで報告されているが、例えばアセトア ルデヒド分解能力試験の方法は異なる（Yu et al., 2006; Sekine et al., 2011; Ochiai et al., 2014; Del Curto et al., 2016; Costarramone et al., 2017）。 市販の各種光触媒空気清浄器で性能を比較す るのは難しいが、フローシステムとクローズド システムでアセトアルデヒドを完全に分解し た我々の光触媒空気清浄器の性能は、各種光触 媒空気清浄器の中でも傑出していることが分 かる。 光触媒フィルタ ウイルスRNA／感染性ウイルス = 100(%) ウイルスRNA／感染性ウイルス = 443-575(%) 空気の流れ 時間0 RNA を持つ感染性ウイルス 光触媒作用で3 分 RNA を持つ感染性ウイルス + エンベロープがない手つかずの 断片化されたRNA（>116 bp） 光触媒フィルタ 空気の流れ 光触媒作用で7 分 感染性ウイルスなし RNA（>116 bp）なし
