对于许多发达国家的居民来说，城镇和城市会负责保障自来水的清洁与安全。市政系统通常配备先进的过滤设备和紫外线消毒技术，一些家庭还会额外安装家用过滤器。

但在全球南方的许多地区，这类基础设施并不普及。然而，这些地区（例如非洲和南美部分区域）在水处理方面拥有一个天然优势——充足的阳光。

康涅狄格大学农业、健康与自然资源学院（CAHNR）辅助健康科学助理教授 Eric Ryberg 与耶鲁大学同事合作，开发出一套新的太阳能水消毒系统，将多种现有技术整合在一个装置中。相关成果已发表在期刊《npj Clean Water》上。

结合多种技术的太阳能净水装置

研究团队设计了一种紧凑型设备，能够高效利用多种依赖太阳能的消毒方式。Ryberg 表示：“把多种方法结合起来，可以同时满足不同需求，让人们在各种资源条件下都能获得有尊严的饮用水。”

传统上，最古老也最广为人知的安全饮水方式是把水煮沸，但这需要大量燃料和能量，并不是唯一的选择。

还有一些物理过滤方法，例如使用陶瓷壶或沉淀过滤，通过物理阻隔去除水中的病原体。

另一种方式是太阳能巴氏消毒：利用阳光将水加热到足以使病原体失活的温度。与煮沸相比，这种方法能耗不到一半，但在冬季或阴天时效果会明显下降。

太阳能消毒（SODIS）则是将装满水的透明瓶子直接暴露在阳光下，通过紫外线杀灭病原体。在晴朗天气下，大约 6 小时即可杀死 99.9% 的细菌。

Ryberg 解释说：“UVA 辐射会与水中或微生物内的化合物发生作用，产生氧化应激，从而使微生物失活；而导致晒伤的 UVB 辐射则会直接损伤微生物的 DNA。”

不过，病毒的失活要困难得多，通常需要接近 30 小时的持续直射阳光。此外，单纯依靠太阳暴晒并不能直观判断水何时已经安全可饮用。

Ryberg 还长期研究另一种基于光敏剂的消毒技术。光敏剂是一类对光线敏感的化合物，它们可以吸收太阳能并将能量转移给水中的氧分子，使氧分子进入激发态，变成具有高反应性的物种，进而与水中的病毒和细菌反应并将其灭活。

光敏剂的一大优势在于对病毒的杀灭效率很高，而病毒体积小、结构简单，往往难以通过其他方法在短时间内彻底清除。

Ryberg 指出：“拥有多种水处理手段总比只依赖一种要好。比如，预过滤对去除原生动物或蠕虫等较大的生物非常有效，但一些较小的细菌仍可能穿过滤膜。巴氏消毒或太阳能消毒对细菌很有用，但对那些难以快速灭活的顽固病毒，光敏化过程就能发挥关键作用。”

光敏剂带来可视化安全提示

在这项研究中，团队选用了一种名为红色素（erythrosine）的光敏剂，它也是常见的食品染料。由于加入了染料，水体颜色会随光敏剂的分解而发生明显变化，从而提供一个直观的视觉信号，提示水是否已经达到安全标准。

在峰值日照强度约为每平方米 1100 瓦的条件下，模型预测该系统可以在不到一小时内将水消毒至安全水平，而后续批次的处理时间可缩短至约 28 分钟。研究人员在危地马拉进行的实地测试中，当地阳光强度约为每平方米 1050 瓦，结果与模型预测高度吻合。

团队还基于不同地区的气候条件进行了模拟，包括南非开普敦和危地马拉索洛拉（这两地在干湿季之间日照强度波动较大），以及全年阳光充足的美国亚利桑那州凤凰城。模型显示，在这些场景下，该系统在一年中除约 20 天外，其余时间都能满足联合国建议的用水标准——每人每天 50 升饮用水。

易于扩展并探索天然替代光敏剂

该系统的结构便于扩展，可根据需求放大规模，为更大范围的社区提供饮用水消毒服务。

Ryberg 表示：“社区可以选择将这一系统建设成集中式设施，为整个社区供水；也可以保持小规模，服务单个家庭。”

目前，他还在探索使用天然光敏剂替代合成化合物（如红色素）的可能性。研究对象包括叶绿素（赋予植物绿色的色素）以及在贯叶连翘中发现的一类超黄酮化合物。

Ryberg 强调：“最终目标是转向毒理学风险更低的天然物质。”