总论 日本集中治療医学会期刊2000;7:97～105
电解功能的的基础与医疗上的有效利用
堀田国元
摘要:通过在阳极和阴极被隔膜分离开的电解槽来电解0.1％以下浓度的淡盐水时，在阳极侧生成低pH(2.2～2.7)、有效氯浓度为20～60ppm的电解水，这种装置已被开发出来。这种称为强酸性电解水的电解水，对包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和耐药铜绿假单胞菌等耐药菌在内的病原菌具有广谱杀菌作用。主要的杀菌基础是次氯酸，羟基自由基被认为在它的杀菌机制中起着主导作用。强酸性电解水由于其高活性但不稳定的特点，所以市面上没有销售，需要把电解装置安装在使用现场，用户需要时制备，并趁着新鲜时使用。也即是说，它是一种发挥了次氯酸的优势并克服了一些缺点的新技术。厚生省除了已批准手指和内窥镜的清洁消毒作用外，它还被用于环境和血液透析机甚至是褥疮和伤口的清洗消毒上。有许多优点，例如皮肤粗糙少，毒性和浓度较低，对人和环境无破坏性等。虽然它很容易受蛋白质性有机物的影响，但因为可以根据不同使用对象调整使用方法，能提高洗净消毒的实效，因此今后它的使用可能会变得越来越广泛。
Key words:(1)electrolyzed water,(2)antimicrobialactivity,(3)antimicrobial mechanism,(4)hypochlorous acid (HOCl),(5)disinfection
前言
自从耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和出血性大肠杆菌O-157引发社会不安以来，公众对预防医院感染和食物中毒的关心越发增强，作为其对策，采取了医院感染对策和食品卫生控制措施（HACCP）1）等。这些措施共同的基本思路之一可概括为“不使用、不增加、杀死它”这几个字，并且需要厉行洗手消毒和环境的卫生管理。因此，消毒剂虽然发挥着很大作用，但常规消毒剂存在诸如皮肤容易变粗糙和耐药菌2）或环境污染等问题，急需能应对这些问题的“对人对环境都无刺激且高效的”消毒剂和新技术。基于这个视角，强酸性电解水等具有杀菌能力的电解功能水引起了人们的注意。所谓电解功能水，就是指利用电解处理获得了功能的水溶液，并且存在很多类型（Table 1）。此外，功能水这个词是进入20世纪90年代后开始广泛传播的一个新术语，被定义为“基于科学认可的原理或理论进行科学处理后所获得的，具有可重复性有价值的功能的水溶液的总称”。因此，作为功能水，为客观地被大家所认识，需要明确以下几点：1）在制造方面，（1）制造原理，（2）设备规格，（3）生成水的标准，（4）第三方验证结果，以及2）在功能方面，（1）具体的数据，（2）科学依据，（3）监测方法，（4）第三方验证结果。
强酸性电解水最初是在20世纪80年代后期由日本独自研发3），其杀菌作用首次发表在1990年的环境感染学会的学术会议上4），电解出来的水对当时最为严重的医院感染问题MRSA非常有效，结果被媒体报道、宣传为奇迹之水。从那时起已经过去了十年，其间有许许多多个研究协会成立(Table 2)，并且关于杀菌机制和使用方法的研究取得进展，明确了强酸性电解水是一种低浓度、高活性的次氯酸水溶液。
另一方面，厚生省根据对制造装置的规格和性能、生成的电解水的杀菌能力和安全性方面的个别审查结果，批准了先将其用途限于手指的清洗消毒（当时，它被命名为强酸电解水）。后来，通过对照研究又发现了它对内窥镜的清洁消毒也很有效5）。根据1998年由厚生省的新兴和再兴感染症研究项目的研究班进行的问卷调查，发现强酸性电解水已经广泛普及，并且许多点评认为，比起传统的消毒剂，它更不伤手，安全，能像普通水一样使用，对人对环境都十分温和，并且根据不同的使用方式其效果非常好。另一方面，印象深刻的就是大家都是在对强酸性电解水的杀菌作用的基础和基本特征不甚了解的情况下就在使用了。
本文将以强酸性电解水为例，概述它的基础和有效利用方法。
I.什么是强酸性电解水？
如Fig.1所示，在阳极和阴极被隔膜隔开的电解槽中电解0.1％或更少的淡盐水时，在阳极侧生成低pH(2.2～2.7)的电解水，这就是强酸性电解水。阳极电解从水（H2O）产生氧（O2）和氢离子（H+），从食盐的氯离子（Cl-）产生氯气（Cl2）。氯与水反应生成次氯酸（HOCl）和盐酸（HCl）6）。结果，pH变成酸性，溶解氧（DO）和氧化还原电位（ORP）显著上升，有效氯浓度达到20～60ppm（一般在20～40ppm）。
如果用两个电极之间没有设置隔膜的电解槽进行电解，那么两个电极的反应产物会混合在一起，但由于阴极反应产生的氢氧根离子（OH-）的量大于阳极反应产生的氢离子（H+）的量，因此它呈弱碱性，这种电解水称为电解次亚水。此时，若添加pH调节剂进行电解，将pH调节至5～6的话，它就被称为弱酸性电解水。弱酸性电解水的有效氯浓度设定要高于强酸性电解水(Fig.1)。弱酸性电解水也具有与强酸性电解水同样的强杀菌作用。
基于盐水的电化学反应，强酸性电解水被认为是酸性的次氯酸水溶液，但如果改变pH来获取吸收光谱，则强酸性电解水和次氯酸钠溶液显示出完全相同的模式，并且通过化学分析确认了的确有次氯酸生成7）。已知次氯酸如Fig.2所示，其存在状态会会随着pH发生变化。在强酸性电解水（2.2～2.7）的pH条件下，氯气和次氯酸的比例约为1：9，在弱酸性区域（pH 5～6）就几乎只有次氯酸，而在弱碱性区域(pH8～9)，次氯酸和次氯酸根离子（ClO-）以约1：9的比例同时存在，当pH进一步增强时，就变成只剩下次氯酸根离子了。因此，如Fig.2所示，强酸性电解水是酸性的次氯酸水溶液。作为常规消毒剂的次氯酸钠在正常使用浓度下的pH值为8～10，因此它属于弱碱性的次氯酸溶液，而因为原液是强碱性，所以就变成了次氯酸根离子溶液。已知次氯酸的杀菌活性是次氯酸根离子的100倍以上，但它在化学性质上是不稳定的。
II.强酸性电解水的制造装置
强酸性电解水的制造装置有两种，一种是直接连接自来水的流动式，另一种是在电解槽中加盐电解的集中处理式（储槽型）。获得厚生省认可的是流动式，按下开关打开水龙头后，盐水就能自动进行添加和混合到所定浓度后，进入电解槽，按每分钟1L左右的速度生成所定有效氯浓度的强酸性电解水。集中处理式设备较小，生成量有限（0.5升或2升），但由于电解时间可调，所以用它可以制造出有效氯浓度比流动式更高的强酸性电解水。
与常规消毒剂相比，强酸电解水的最大特点是由于其不稳定性而市场上没得卖，只能把装置安装在使用现场，用户在需要时自行制备，在新鲜时使用。可以说强酸性电解水是一种克服了次氯酸的缺点的一项新技术。并且，其制造浓度就等于是使用浓度，这也是它的一大特点。
获得厚生省强酸性电解水制造装置的药监批文的公司有旭硝子工程(株)、天野(株)、盐野义制药(株)、星崎电机(株)、三浦电子(株)。并且，以这几家企业为核心，在去年成立了强电解水企业协会，正在整理生成装置和生成电解水的标准和使用指南等材料，并编制一本小册子。这些公司的装置及其生成电解水，也在美国取得了EPA（环境保护厅）和FDA（食品和药品管理局）的许可。集中处理式装置的相关信息也可以从该协会索取（电话：03-3360-3089）。
III.强酸性电解水的杀菌作用和杀菌机制
在不存在有机物的情况下，强酸性电解水拥有与1,000ppm次氯酸钠相当或更好的杀菌能力9），并且对广泛的革兰氏阳性和阴性病原菌和耐药菌（MRSA和铜绿假单胞菌）和病毒具有容易杀死和灭活的能力（不过，若把次氯酸钠的pH和有效氯浓度调节至与强酸性电解水一样的话，则它具有同等的杀菌能力）。Table 3展示了这个例子。并且，也表明了细胞膜、蛋白质和DNA等维系生命所必需的成分会受损10）。杀菌效果较弱的是抗酸杆菌、真菌和具有内生孢子的蜡状芽孢杆菌。
另一方面，若存在有机物的情况下，它会与有机物快速反应，杀菌能力会很容易剧降。因此，如果在有大量有机物污染的状态下采取跟常规消毒剂相同的使用方式的话，则难以得到良好的杀菌效果。重要的是必须认识到，要先去除有机污染后才来清洗消毒。
次氯酸的酸性越强越不稳定，当强酸性电解水在室温下开放放置时，其杀菌能力两三天就显著降低。
关于强酸性电解水的杀菌机制，有物理因子学说（氧化还原电位学说、电子活动学说、电导率学说等）和化学因子学说（次氯酸学说）曾被提出来过11）。在1994年左右以前的推论和宣传都说是由于很低的pH和极高的氧化还原电位（ORP：+1,100mV以上）超过了微生物的存活范围所起的作用。其引用的依据是，Becking等人12）发表的论文中所列出的水系环境中的pH和ORP与存货微生物的相关关系图。笔者等几人对此有疑问，于是就pH和ORP的影响进行了验证，证明了以下几点13）。
（1）强碱性水的pH和ORP也超出了微生物的生存范围，但仅显示出微弱的杀菌作用。
（2）用强碱性水中和后，ORP也有所降低，尽管降至微生物存活范围内，但仍然保持很强的杀菌能力。
（3）即使保持同等的ORP和pH水平，但如果有效氯浓度降低了的话，则杀菌能力就明显降低。
（4）即使不与强酸性电解水直接接触也会死亡。
（5）用硫酸钠水代替盐水所得到的强酸性电解水的杀菌能力很微弱。
由上可知，杀菌作用的主角显然不是ORP或pH，而是氯。但是，由于pH和ORP若达不到他们所主张的数据范围就得不到强杀菌作用，所以这些参数作为制备时的指标却是有效的。
氧化还原电位学说之外的其他物理因子学说全部属于推论，并没有实证数据支持。
有效氯（次氯酸）主因说得到了以下支持和证明：
（1）通过电解盐水生成氯和次氯酸是得到电化学理论支持的6）。
（2）强酸性电解水用与次氯酸完全一致的pH依赖性吸收光谱试验，实际检出了次氯酸7）。
（3）如果将次氯酸钠和强酸性电解水的pH和有效氯浓度调整到相同，则ORP和杀菌能力也处于同一水平10）。
由此可以得出结论，强酸性电解水的杀菌基础是次氯酸，但次氯酸是以什么机制发挥杀菌作用的呢？启发点来自于，利用自由基清除剂如硫代硫酸钠后，杀菌能力显著降低了。当通过电子自旋共振（ESR）分析自由基的产生时，在强酸性电解水中检测到了羟基(・OH)11），14）。此外，由于也确认到芬顿反应引致产生OH自由基，所以估计也存在过氧化氢（H2O2）。已知OH自由基会使脂质、蛋白质和核酸降解和变性。因此可判断，强酸性电解水的杀菌机制是由次氯酸、过氧化氢和OH自由基所组成(Fig.3)。有趣的是，这些因素与人体防御机制之一的中性粒细胞的负责杀菌作用的活性氧种是相同的15）(Fig.3)。
通过这种机制，核酸、蛋白质、脂肪酸等细菌生长发育所必需的成分同时受到多种因素的影响，细菌只有死路一条。虽然到目前为止尚未有易感细菌的耐药菌出现的报告，但理论上判断是极难产生的16）。
IV.强酸性电解水的安全性
关于安全性研究方面，已做过急性口服毒性、原发性皮肤刺激/累积性皮肤刺激、急性眼刺激性、皮肤过敏性、口腔粘膜刺激性、细胞毒性、反向致突变性、染色体畸变性和志愿者皮肤试验17），18），结果都很好。此外，还做了大鼠口服90天的亚急性毒性研究，报告指出，除了发现在口腔组织中上皮层增厚外，未发现对消化器官和代谢器官有不利影响19）。
与常规消毒剂相比，手指的清洗消毒很少导致皮肤粗糙，即使误饮，误洒到身上或是进到眼睛也很难造成伤害，并且由于很少残留，因此对环境的危害也属轻微。
V.强酸性电解水的基本特征与常规消毒剂的差异
基于上述内容，我们把强酸性电解水的特性归总在了Table 4中。顺便说一下，Table 5就消毒剂所需的条件，把酸性电解水与次氯酸钠和戊二醛作出一个对比。虽然各有各的特点，但酸性电解水可列出以下几样特点，它具有使用浓度低、无需对原液进行稀释即可使用、效果持续性低、易受有机物等影响、以及对人与环境均有很高的安全性。
VI.医疗设施中强酸性电解水的应用情况
除了厚生省批准的手指和内窥镜的清洗消毒用途之外，强酸性电解水还有多种多样的用法。1998年对全国医疗设施进行了问卷调查20），大约250个设施中近50％回复已有使用经验，除了手指和内窥镜的清洗消毒外，还被多用于褥疮和伤口的清洗消毒、身体的擦拭清洁。这些用法都汇总到Table 6中，至于强酸性电解水的效果，问卷给予高度评价的高达45％～70％。另一方面，回答效果不明或无效的也有15～30％。根据评价中“有效”和“可疑”之间的差异程度来看，除了手指和内窥镜的清洗消毒外，很多都认为用于褥疮和伤口的清洁消毒以及清洁身体的效果较好。
虽然没有显示在表中，但作为优点，很多答卷都提到了毒性很低、手不粗糙、环保、运行成本低，也有相当多的设施提到了不容易出现耐药菌、杀菌力强、无着色等优点。不满意之处绝大多数都指出了生锈问题和无法长期保存，并且有不少反应说气味问题和杀菌效果不持久。综合评估，超过三分之二的答卷说，如果针对性地考虑到TPO（Target,Procedure,Occasion）来使用的话就非常有效。此外还发现，有没有安排专职负责人对评价结果影响很大。
在答卷中发现的问题是，他们大多都是在没有正确理解强酸性电解水的情况下就在使用。关于在医疗领域的有效使用方法，目前正在以功能水医疗研究会为主导加以完善中。关于手指和内窥镜的清洗消毒，已有基于对照研究结果的使用方法指引，环境消毒和血液透析机方面也有与之配套的使用方法。然而，对褥疮等的效果则是基于经验的判断，还需要进行对照研究。
VII.强酸性电解水的有效利用及其条件
关于强酸性电解水的使用方法，Aqua氧化水研究会曾发行过Aqua氧化水的使用指南21），但还不能说它已经广泛普及开。然而最近已开始出现基于后来的研究进展而编制的强酸性电解水的正确认识与使用方面的手册22），23）。关于手指的清洗消毒24）、环境消毒24）、内窥镜消毒5）和血液透析设备的清洁消毒25），目前其使用规范已基本上确立起来了。
有效使用强酸性电解水的第一个基本原则是在新鲜时使用它。这是因为，如前所述，强酸性电解水在化学性质上不稳定并且其杀菌活性会在相对短的时间内显著下降。因此，制备出来的水希望尽可能在当天之内用完，可能的话，在每次使用时都用试纸等根据检测以下它的有效氯浓度就更理想了26）。另外，在间隔两三天以上后使用装置时，由于滞留在管道中的电解水的活性很可能已经很低了，因此要先把之前的余水放干净后才正式制备，这很重要。
第二个原则是，因为它容易受有机物影响，所以必须意识到要先行除掉有机物污染后才可正式使用。
强酸性电解水的杀菌因子浓度低，且与有机物反应迅速，因此在有机物含量较高的地方（特别是蛋白质性质的）不能发挥有效的杀菌作用。也就是说，首先必须记住，杀菌的实效性具有基本限制，即它取决于所用对象的污染状态。
第三个原则是强酸性电解水要配置在临床现场。安装在一个地方使用时，需要考虑到医护人员们的行动路线。通过建立一个带有中央管道的强酸性电解水供水系统，可向大楼内的不同地方实现供水。事实上，在国立心血管病中心的重症监护室大楼，即是利用这种方式多方面地用在环境消毒、医务人员洗手消毒、病人的清洁卫生和传染性开放性伤口的清洁消毒上，并且取得了很好的效果27），28）。
此外，问卷调查结果还反映出，实现有效利用的一个重点是指定一位装置的管理人员。
另外，有必要注意以下几点：
1) 关于电解水的一般知识和信息的混乱
已经明确，电解水的主要杀菌因子是次氯酸，但仍有不少人把氧化还原电位等物理因素或pH当作是主因。并且，仍然可以看到一些错误的广告、论文和夸大宣传等现象。当然了，如果基于错误的知识和信息使用，就直接影响到其预期的杀菌效果能否发挥。
2) 制造装置的可靠性
关于制造设备，标准就是它是否取得了厚生省的审批认可，但即使未经批准，也有不少是具有同等性能的。不过，有些设备的规格不太可靠。这时的关键就是，制造商要提供一种可以准确监控出水功能（杀菌能力）的方法。有关强酸性和弱酸性电解水的杀菌能力，有效氯浓度的监测是关键。虽然装置的使用寿命会写在产品目录中，但由于会受原水和使用条件的影响，可能无法达到所标注的使用寿命，因此检查有效氯浓度还是有必要的。
3) 从强酸性电解水的基本性状引申出来的问题
例子包括生锈和储存问题，以及氯气问题等。生锈的问题与金属材料有关，据说在医疗器械的清洗消毒中，内窥镜一般没有问题。在血液透析管线的清洗消毒中，有报告提出过耦合部位的腐蚀和塑料管劣化的问题，这也是出于材料的问题29），30）。一般认为弱酸性电解水比强酸性电解水更不易生锈，但这不一定29），因为曾有报告说，牙科领域中使用的合金就很容易生锈31）。
4) 密闭空间内的长期使用
由于氯气会挥发，因此在狭窄的封闭空间中长时间使用时必须做好通风。
5) 封瓶保存
有时可能需要封装在瓶子里面储存，但必须要将装满，密封，并将其放在阴凉处（此时也要尽早用完）。在几个地方有销售瓶装的强酸性电解水，但是没有标明生产日期和有效期，也未标记内容物的检测确认手段。此类产品不得使用。
结语
为了过上健康的生活，越来越显出卫生管理的重要性。而且在医疗领域，“从扑灭转向共存”这一说法已变成关键句。由于常规消毒剂都属于扑灭型，因此需要引入和建立对人和环境都很温和却高效的消毒剂和消毒技术。虽然可以说符合Table 5中所有条件的消毒剂才是理想的消毒剂，但世上根本不存在那么完美的东西。因此，在消毒杀菌方面，正确的材料在正确的地方正确地使用是基本原则，必须避免不考虑安全性和对环境的影响、不论什么场合都一味使用强效持久的消毒剂这样的作法。在医疗领域的卫生水平不断提高的当下，如果根据周全顾及到使用对象的使用方法来使用的话，那么强酸性电解水是具有提升实效性的潜力的。作为将来的课题，有必要制定公共使用指南，并且需要就褥疮和伤口等的清洁消毒效果展开对照研究。
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