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Chlorine Dioxide: Friend or Foe for Cell Biomolecules? A Chemical Approach
pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36555303
オンライン公開 2022年12月10日 .
PMCID: PMC9779649
PMID:36555303
Celia María Curieses Andrés,1José Manuel Pérez de la Lastra,2,*Celia Andrés Juan,3Francisco J. Plou,4andEduardoPérez-Lebeña ,5
要旨
この総説では、二酸化塩素（ClO2）の無機化合物および細胞生体分子に対する役割について検討する。飲料水にも含まれる消毒剤として、二酸化塩素は細菌、ウイルス、および一部の寄生虫を破壊するのに役立つ。環境保護庁EPAは、飲料水中の二酸化塩素の最大濃度を0.8ppm以下に規制している。いずれにせよ、二酸化塩素は反応性が高いため、天然水中に含まれる多くの無機化合物と反応して酸化する可能性があるため、人体への摂取は厳しく規制されなければならない。同時に二酸化塩素は、フミン酸やフルボ酸を含む水中の天然有機物と反応し、アルデヒドやカルボン酸などの酸化有機化合物を形成し、フェノール化合物、アミン、アミノ酸、ペプチド、タンパク質、およびすべての細胞で電子とプロトンの交換とエネルギー産生を担うニコチンアミドアデニンジヌクレオチドNADHを急速に酸化する。生体分子に対するClO2の影響は、酸化還元過程への干渉に由来し、ミトコンドリアや細胞膜の電気化学的バランスを変化させる。このため、医療専門家による専門的な監視なしに、個人的に使用することは推奨されない。
キーワード：二酸化塩素、毒性、「奇跡のミネラル溶液」、人体摂取
AI解説
論文のまとめ
二酸化塩素の化学的特性：
ClO2は常温・常圧で黄緑色のガスで、水に溶けやすく、強力な酸化剤である。塩素-酸素間の結合は、共鳴構造を持ち、酸素原子の電気陰性度により、塩素原子は部分的に正電荷を帯びている。
二酸化塩素の生成方法：
ClO2は主に亜塩素酸イオンや塩素酸ナトリウムから化学的・電気化学的に生成される。触媒としてマンガンや鉄のポルフィリン錯体も使用可能。過酸化水素を用いると高純度のClO2が得られるが、反応の制御が重要。
二酸化塩素の分解反応：
ClO2はアルカリ性条件下で不均化反応を起こし、ClO2-とClO3-を生成する。反応メカニズムはpH依存的で複数提案されている。また、求核剤との反応や光分解によっても分解する。
二酸化塩素の反応性：
無機化合物との反応：ClO2はI-、NO2-、O3、H2O2、Fe(II)、Mn(II)などの無機化合物を酸化する。最初に1電子移動が起こり、ClO2-に還元される。反応速度はpHに依存する。
二酸化塩素の反応性：
有機化合物との反応：ClO2は、フェノール基、硫黄化合物、第3級アミン、芳香族アミンと反応するが、炭化水素とはほとんど反応しない。反応速度は、解離型の方が速い。NADHも急速に酸化し、細胞内の酸化還元バランスに影響を与える。
二酸化塩素によるタンパク質の酸化：
ClO2は選択的にシステイン、チロシン、トリプトファン、ヒスチジン、プロリンのアミノ酸残基を酸化する。特にトリプトファン残基の酸化がタンパク質の断片化・変性に関与している。
二酸化塩素のヘモグロビン酸化作用：
ClO2はヘモグロビンを酸化してメトヘモグロビンに変換し、酸素運搬能力を低下させる。高濃度のメトヘモグロビンは組織の低酸素症を引き起こし、生命に危険を及ぼす可能性がある。
二酸化塩素の毒性：
ClO2の主な中毒経路は吸入、経口、非経口の3つ。反応性が高く、吸収されると亜塩素酸塩、塩素酸塩、塩化物に代謝される。LD50は94mg/kgで中程度の毒性を示す。
二酸化塩素の抗菌活性：
ClO2は強力な酸化殺菌剤として作用し、細胞壁を破壊して微生物の増殖を阻害する。グラム陰性菌、グラム陽性菌、酵母、カビ、ウイルスに有効。電子交換により微生物の構造を変化させるため、耐性獲得は困難。
二酸化塩素の適切な使用と注意点：
ClO2は飲料水の消毒や医療機器の滅菌に有用だが、EPAは飲料水中の濃度を0.8ppm以下に規制している。反応性が高く生体分子に影響を与えるため、専門家の監視なしでの個人的な使用は推奨されない。COVID-19治療への効果を支持する科学的証拠はなく、規定外の摂取は重篤な健康被害を引き起こす可能性がある。
二酸化塩素の特徴
選択的な酸化力：ClO2は、フェノール基、硫黄化合物、第3級アミン、芳香族アミンなど、電子供与性の高い有機分子と選択的に反応する。この選択性により、他の消毒剤に比べて有機物による消毒効果の低下が少ない。
強力な酸化力と多電子移動：
ClO2は1分子あたり最大5個の電子を受け取ることができ、2段階の還元過程を経る。この特性により、他の酸化剤よりも強力な殺菌効果を発揮しながら、適用表面への腐食性が低い。
幅広い抗菌スペクトル：
ClO2は、グラム陰性菌、グラム陽性菌、酵母、カビ、ウイルスなど、幅広い微生物に対して効果がある。特に、他の消毒剤では不活化が難しい芽胞形成菌やウイルスにも有効。
耐性菌の出現が困難：
ClO2は微生物の構造を変化させ、生理的な分子整合性を標的とするため、微生物が耐性を獲得することが難しい。他の消毒剤では耐性菌の出現が問題となることがあるが、ClO2ではそのriskが低い。
有害副生成物の生成が少ない：
ClO2は有機物と反応しても、trihalomethanesのような有害な副生成物を生成しにくい。これは、水処理における塩素に対する大きな利点の一つである。
以上の特徴から、ClO2は他の消毒剤と比較して、高い殺菌効果、幅広い抗菌スペクトル、耐性菌出現のリスクの低さ、副生成物の少なさなどの利点を持つと言える。ただし、反応性が高く生体分子に影響を与えるため、安全性に十分配慮した適切な使用が求められる。
二酸化塩素がヒトに対して安全である理由
二酸化塩素は、幅広い微生物に対して高い効果を示す一方で、ヒト細胞に対してはそれほど有害ではない理由は以下のように説明できる。
強力な酸化力と多電子移動
二酸化塩素は1分子あたり最大5個の電子を受け取ることができ、2段階の還元過程を経ます。この特性により、他の酸化剤よりも強力な殺菌効果を発揮しながら、ヒト細胞などの適用表面への腐食性は低くなっている。
選択的な酸化反応
二酸化塩素は、フェノール基、硫黄化合物、第3級アミン、芳香族アミンなど、電子供与性の高い有機分子と選択的に反応する。一方、ヒト細胞を構成するタンパク質や脂質などの生体分子は、これらの反応性の高い官能基をあまり持たないため、二酸化塩素の影響を受けにくいのである。
微生物の生理的分子整合性を標的
二酸化塩素は電子交換により微生物の構造を変化させ、細胞壁、膜、細胞小器官、遺伝物質などを標的とする。この作用機序により、微生物は耐性を獲得しにくく、効果的に死滅させることができる。一方、ヒト細胞はこれらの構造が異なるため、同様の影響は受けにくいと考えられる。
適切な使用濃度の設定
水処理や医療現場での殺菌において、二酸化塩素の濃度は厳密に管理されている。例えば、飲料水中の濃度は0.8ppm以下に規制されており、この濃度では微生物の増殖を抑制しつつ、ヒトへの影響は最小限に抑えられる。
ただし、二酸化塩素は反応性が高く、高濃度では生体分子にも影響を与えるため、安全性に十分配慮した適切な使用が求められる。
その他の類似する酸化剤について
二酸化塩素と同様に、フェノール基、硫黄化合物、第3級アミン、芳香族アミンなどの電子供与性の高い有機分子と選択的に反応する酸化剤には以下のようなものがある。
1. 次亜塩素酸（HClO）
次亜塩素酸は塩素系漂白剤の主成分で、強力な酸化力を持つ。水処理や医療現場での殺菌に広く使用されている。フェノール類やアミン類との反応性が高いことが知られている。
2. 過酢酸（CH3COOOH）
過酢酸は酢酸と過酸化水素から生成される強力な酸化剤である。食品工業や医療分野での殺菌に用いられる。硫黄化合物や第3級アミンとの反応性が報告されている。
3. 過マンガン酸カリウム（KMnO4）
過マンガン酸カリウムは紫色の結晶で、強い酸化力を持つ。水処理や有機合成での酸化剤として利用される。フェノール類やアミン類を効果的に酸化することができる。
4. クロム酸（H2CrO4）
クロム酸は重クロム酸イオンを含む強酸性の溶液である。有機合成や分析化学での強力な酸化剤として用いられる。芳香族アミンやフェノール類との反応性が高いことが知られている。
5. オゾン（O3）
オゾンは酸素の同素体で、強力な酸化力を持つ。水処理や空気浄化、食品殺菌などに利用される。フェノール類や硫黄化合物、アミン類との反応性が報告されている。
これらの酸化剤は、二酸化塩素と同様に電子供与性の高い有機分子と選択的に反応するが、反応性や適用分野、安全性などの点で差異がある。例えば、次亜塩素酸は塩素化副生成物を生成するリスクがあり、過マンガン酸カリウムやクロム酸は環境負荷が高いといった課題がある。そのため、用途に応じて適切な酸化剤を選択することが重要である。
他の酸化剤との比較しての二酸化塩素の安全性
二酸化塩素は、他の酸化剤と比較して以下のような点で安全性が高いと考えられている。
有害副生成物の生成が少ない
次亜塩素酸などの塩素系酸化剤は、有機物と反応してトリハロメタンのような有害な副生成物を生成するリスクがある。一方、二酸化塩素は有機物と反応しても、このような有害副生成物を生成しにくいという特徴がある。
2. 環境負荷が低い
過マンガン酸カリウムやクロム酸は、使用後の処理に特別な注意が必要な重金属を含んでいる。二酸化塩素は、分解すると塩素酸イオンや塩素イオンになるが、これらは環境中での残留性が低く、生態系への影響が比較的小さいとされている。
3. 残留性が低い
オゾンは強力な酸化力を持つが、大気中での寿命が短く、残留性が低いため、継続的な効果を得るには常時発生させる必要がある。二酸化塩素は、適切な条件下では一定の残留性を持つため、水処理などでは持続的な殺菌効果が期待できる。
4. 適用濃度での安全性
二酸化塩素は、水処理や医療現場で使用される濃度（例えば、飲料水中では0.8ppm以下）では、ヒトへの影響が少ないとされている。一方、次亜塩素酸や過酢酸は、同等の殺菌効果を得るには比較的高い濃度が必要で、それがヒトへの刺激や健康影響のリスクにつながる可能性がある。
ただし、二酸化塩素も高濃度では健康被害を引き起こす可能性があるため、適切な濃度管理と取り扱いが不可欠である。また、反応性が高いため、保管や輸送には特別な注意が必要である。
1. はじめに
二酸化塩素（ClO2）については、技術文献のほとんどが生物学的あるいは医学的な見地からレビューされており、消毒剤や飲料水処理としての有効性や安全性を分析したものもある。この総説では、二酸化塩素と細胞内に存在する有機分子や無機陽イオンとの相互作用に関する化学的研究に焦点を当て、その反応性、生物学的分子に対する潜在的毒性、正しく使用されない場合の危険性、および承認されている事例について概説する。
二酸化塩素は1811年にハンフリー・デイヴィー卿によって発見され、20世紀半ば以降、製紙業界で漂白剤として、また飲料水の処理に広く使用されてきた。さらに最近では、食品加工、施設や車両の消毒、カビの駆除、空気滅菌と臭気制御、プール処理、創傷の洗浄、歯科用途にも応用されている[1]。
二酸化塩素（ClO2）は、世界保健機関（WHO）によって、安全で効果的な第4世代の広域スペクトル、クラスA1の消毒剤として分類されている[2,3]。有害な濃度の消毒副生成物を生成することなく、飲料水を浄化するために使用される[4]。二酸化塩素の特性は一電子移動反応に起因するため、強力な酸化剤とみなされ[5]、塩素とは異なり、有機物と反応して塩素化種を形成したり、アンモニアと反応してクロラミンを形成したりする傾向はない。二酸化塩素は重要な殺生物剤および漂白剤であり、飲料水の浄化および消毒において塩素の代替として使用される[6]。ClO2は、米国の飲料水処理プラントの8.1%、中国の処理プラントの32.8%で使用されており[7,8]、欧州の一部の国では[9]、紙の漂白、医療機器の滅菌、食品の消毒に使用されている[10]。EPAによると、ClO2は「公共の水処理施設で、飲料水として安全な水を作るため」に使用される。二酸化塩素が飲料水に添加されると、細菌、ウイルス、およびクリプトスポリジウム・パルバムやジアルジア・ラムリアなど、人を病気にする寄生虫の一種を破壊するのに役立つ。
塩素に対するClO2の主な利点は、有害な有機塩素化合物の生成を減少させることである[11,12,13,14,15,16,17]。ClO2はトリハロメタンの生成を最小限に抑えるのに有益であるが、ClO2はClO2-とClO3-に変換され、溶血性貧血やその他の健康影響を引き起こす可能性がある。環境保護庁（EPA）は、飲料水中の最大濃度を二酸化塩素で0.8ミリグラム/リットル（mg/L）、亜塩素酸イオンで1.0mg/Lとしている[18]。工業用途の一部を図1に示す。
図1 二酸化塩素の用途。
二酸化塩素は、その化学構造も挙動も、元素状塩素とは異なる化合物である[19]。重要な特徴は、水、特に冷水への溶解性が高いことである。二酸化塩素は塩素の約10倍水に溶けやすい。
2. ClO2の物理化学的性質
ClO2は黄緑色の気体で、Cl2のような刺激臭があり、沸点は11 °C、融点は-59 °C、0 °Cでの密度は1.64 gmL-1（液体）、25 °Cでの水溶解度は3 gL-1、pKa = 3である。ClO2は水に非常に溶けやすく、加水分解せず、溶存ガスとして溶液中に残る[20]。ClO2の水溶液は、遮光して室温以下に保ち、密閉し、弱酸性（pH = 6）にすると安定する。ClO2水溶液の紫外線吸収スペクトルは広帯域で、359 nmにピークを持ち、モル消衰係数は1250M-1 cm-1である。二酸化塩素の半減期は比較的短く、揮発性が高く、空気中の濃度が10%を超えると爆発する[21]。二酸化塩素は圧縮、貯蔵、加圧輸送することができず、消費地で製造しなければならない。
ClO2は、1.792デバイの双極子モーメントを持つ中性の単量体フリーラジカルである[22]。気相二酸化塩素のマイクロ波スペクトルから、塩素-酸素距離は約0.147 nmであり、電子線回折では0.149 nmであることがわかった。この塩素-酸素距離は、平均的な塩素-酸素二重結合の距離とほぼ同じである。ClO2の形状に関する研究により、Cl原子とO原子の間の結合距離は、一酸化塩素（ClO）の結合に比べて小さいことが明らかになった。これらの結果は、これら2つの原子間の二重結合の表現を説明し、正当化するとともに、共鳴構造が塩素原子の不対電子を十分に説明できることを示している。ClO2は、図2に示すように、酸素-塩素-酸素の結合角が117.6°の分子形状を持つ。基底状態では、不対電子は2つの酸素原子と塩素原子の間で共有されるが、電子密度のほとんどは主にどちらか一方の酸素原子に存在する。
図2 (a)ClO2の分子構造 (b)ClO2のルイス構造
奇数の価電子を持ち（常磁性ラジカルである）、その電子構造は長い間化学者を困惑させてきた。1933年、ブロックウェイは3電子結合を含む構造を提案した[23]。後にライナス・ポーリングはこの考えを発展させ、一方では二重結合を、他方では3電子結合を持つ単結合を含む2つの共鳴構造を提案した[24]。
2個の酸素原子の電気陰性度は、塩素原子の電子密度を除去するのに十分大きく、塩素に部分的に正の電荷を与える（図2）。
3. 二酸化塩素の生成
二酸化塩素は、病原菌の不活化効果が高く、消毒によるハロゲン化有機副生成物の発生が少ないことから、塩素に代わる消毒剤として広く使用されている。しかし、ClO2を生成する際に、必然的に不純物として塩素がClO2溶液に混入する。二酸化塩素中の塩素の存在は、消毒副生成物の生成や毒性、消毒効率に影響を及ぼす可能性がある。
二酸化塩素の調製には、必要な量、許容できる副生成物の数、溶液状か気体状かによって、さまざまな方法がある[16]（図3）。
図3 ClO2の調製法。
3.1.亜塩素酸イオンから
ClO2は、図4に示すように、化学物質、電気化学物質、生体触媒を使用して、亜塩素酸イオンから生成され、亜塩素酸と塩素ガスCl2または塩酸（HCl）との反応から生成される[25,26,27]。
図4 亜塩素酸ナトリウムからの二酸化塩素の調製。
図4で説明した方法には、大量の塩化物を生成することによる大きな欠点があり、これは塩酸を硫酸に置き換えることで回避できるが、その場合、プロセスの効率は低下する これらの方法は、濃縮酸および/またはCl2、OCl-、H2O2などの外部添加酸化剤を含む
一電子移動によって亜塩素酸塩からClO2を生成するもう一つの方法は電気化学的手段であるが[28]、この手順にはかなりの電気エネルギーの投入が必要である。塩素種の発生を促進するために、亜塩素酸塩とホウ素ドープダイヤモンドBDDアノードの存在下で混合金属酸化物MMO電極を使用する電気化学的方法も研究された[29,30]。もう1つの可能性は、定電流、Ti/IrO2陽極、Ti/Pt陰極の非分割電気化学セル内で、亜塩素酸ナトリウムと塩化ナトリウムの混合物の非ドープ溶液から出発することである[31,32]。
亜塩素酸塩をClO2に酸化するには、マンガンまたは鉄ポルフィリン錯体をベースとする触媒が用いられる。これらのシステムでは、亜塩素酸イオンによるMn(IIまたはIII)またはFe(III)の酸化によって亜塩素酸塩の脱離が始まり、次亜塩素酸イオンと高原子価のMnおよびFe(IVまたはV)が生成する。IVとVの両方の酸化状態は、直接クロライトをClO2に酸化するが、クロライトからClO2への完全な変換は、水溶性FeまたはMnポルフィリンを用いて水中で達成された。これらの配位子と触媒の合成は非常に高価である。また、マンガンポルフィリン触媒であるテトラキス-5,10,15,20-(N,N-ジメチルイミダゾリウム)ポルフィリナトマンガン(III)を用いた触媒プロセスも開発されており、この触媒は水に可溶で、室温、pH = 5で亜塩素酸塩から二酸化塩素の生成を触媒する[33,34,35,36]。
3.2.塩素酸ナトリウムから
現在、二酸化塩素の製造方法として最も広く用いられているのは、濃酸溶液中の塩素酸ナトリウムと二酸化硫黄、メタノール、シュウ酸、過酸化水素、塩酸、塩化ナトリウムなどの還元剤を反応させる還元法である。塩酸の場合、塩素含有量が高く、二酸化塩素の純度が低く、汚染が深刻である[37,38]。
二酸化硫黄法は、SO2[38]が副反応を起こし、効率が低いという欠点があり、適用が制限されている。メタノール法は、現在、世界中の新設プラントで二酸化塩素製造に最も広く使用されている方法である[37]。得られる二酸化塩素は高純度であるが、この方法では高い酸性度が必要であり、反応器には耐食性に優れた材料が必要である。
塩素酸塩還元法では、過酸化水素が他の試薬に取って代わり、より環境に優しく、生成する主な副産物は酸素である（図5）。
図5 塩素酸ナトリウムからの二酸化塩素の調製。
市販の塩素酸塩溶液とH2O2との反応により、ClO2が生成する[38]。反応は非常に再現性が高く、化学量論的である。ClO2のさらなる還元を避けるため、反応混合物から塩素酸塩が枯渇しないようにすることが非常に重要である。ClO2が形成されると、塩素化種の還元が続き、亜塩素酸塩のような他の種の形成につながる（図6）。
図6 (a) 過酸化水素による二酸化塩素の還元 (b) 過酸化水素による二酸化塩素の還元機構
大量の二酸化塩素が必要な場合は、原料として亜塩素酸ナトリウムが使用され、この方法は伝統的にパルプ・製紙産業で使用されてきた。亜塩素酸ナトリウムからClO2を製造する条件は、塩素酸ナトリウムの条件よりも制御しやすいが、亜塩素酸ナトリウムはより高価で不安定であるため、工業的な観点からは塩素酸ナトリウムの方がより適した原料である[39]。
4. ClO2の分解
4.1.OH-による二酸化塩素の不均化
中性pHで、光がなく、室温以下の溶液中では、二酸化塩素はかなり安定であるが[40]、アルカリ性溶液中では分解が促進され、ClO2-とClO3-が生成する[41]、図7。
図7 酸化剤および還元剤としてのClO2。
イオンクロマトグラフィーは、ClO2とClO3-が塩基性溶液中のClO2の分解から生成される唯一の塩素生成物であることを示している。しかし、ClO2-とClO3-の比率は不均化反応に必要な1：1ではない。複数の著者によると、ClO2濃度が低下するにつれて、ClO2-の割合がClO3-の割合よりも高くなる。マイクロモル濃度のClO2では、ClO2-の収率はClO3-の収率よりも高い。ClO2-からClO3-へのモル化学量論的変化は、以下の追加反応によって説明できる[42]、図8。
図8 ClO2からClO2-へのモル化学量論
3つの可能性のあるメカニズム（図9、図10、図11）は、アシストされた電子移動を介した、アルカリ溶液中でのClO2の分解の化学量論を説明することができる[41]。
図9 塩基性媒質中で、ClO2から等モル量のClO2-とClO3-が生成するメカニズム。
図10 塩基性媒体中におけるClO2からのClO2-の生成機構。
図11 塩基性媒体中で、Cl2O4から等モル量のClO2-とClO3-が生成するメカニズム。
塩基性媒体中でClO2からClO3-が生成するメカニズムでは、ClO2とOH-の反応により、OH-がClO2のCl原子に結合して中間体（HOCl（O）O）-を形成する種が生成する。ClO3-の生成は、HOClO2とOH-の反応から生じた。この経路は、ClO2とOH-の濃度に対して一次速度論を示す（図9）。
塩基性媒体中でのClO2-の形成については、OH-がClO2の酸素原子のひとつと付加体を形成してOClOOH-を与え、OClはOOHに弱く結合することが提案されている。OClはOOHに弱く結合している。この付加体は、もう1つのClO2と急速な電子移動を起こし、ClO2-とOClOOHを生成する。後者の種はOH-と有利に反応し、HOClOとHOO-を生成する。HOO-とClO2の反応は、ClO2-とO2を生成する[43]、図10。
第三の可能性は、中間体二量体[44]であるCl2O4が形成され、これがOH-と反応することである（電子伝達ステップ）。この経路はClO2濃度が高い場合に重要である（図11）。
塩基性溶液中の二酸化塩素分解生成物の分布は、ClO2濃度が低下するにつれて変化する。ミリモル以上のClO2濃度では、同量のClO2-とClO3-を生成する不均化反応が化学量論的に支配的であるが、マイクロモルのClO2濃度では、生成されるClO2-とClO3-の比率が著しく増加する[42]。
動力学的証拠は、[OH-]に一次依存性を示すが、[ClO2]に可変オーダーを持つ3つの同時進行経路を示している。経路1は不均化反応で、[ClO2]に対して一次である（図12）。
図12 ClO2の一次不均化反応。
経路2は、これまで知られていなかった反応であり、[ClO2]においても一次反応であるが、唯一の塩素含有生成物としてClO2-を形成する。経路2は、ClO2の酸素原子にOH-が攻撃し、中間的な過酸化物中間体が生成され、ClO2-とO2が生成されると考えられる。この経路はClO2が低レベルの場合に重要である（図13）。
図13 経路2も[ClO2]において一次であるが、唯一の塩素含有生成物としてClO2-を形成する。
経路3は[ClO2]において2次であり、同量のClO2-とClO3-を生成する。この経路ではCl2O4中間体が提案されている。ClO2濃度が高い場合、経路3はClO3-の全収量をClO2-の全収量に近づける（図14）。
図14 経路3は[ClO2]において2次であり、同量のClO2-とClO3-を生成する。
4.2.二酸化塩素と求核剤との不均化反応
塩基性溶液中で二酸化塩素を不均化してClO2-とClO3-を生成する際のOX-次亜ハロゲン酸イオン触媒作用の効果が研究されている。ハイポハライト触媒作用の第1 段階（ClO2とOX-の反応では電子が移動してClO2-と OXが形成される）では、この段階は可逆的である[45,46,47]、図 15.
図15 塩基性溶液中のClO2の不均化に及ぼすOX-次亜ハロゲン酸イオンの影響。
第2段階では、ClO2とXOの反応によってXOClO2が形成される（図16）。
図16 XOClO2の生成。
塩基性媒体中では、XOClO2の加水分解はClO3-とOX-を生成する（図17）。
図17 塩基性媒質中でXOClO2を加水分解し、ClO3-とOX-を生成する。
4.3.ClO2の光解離
ClO2の反応性は、UV/ClO2として知られるプロセスにおいて、紫外線への暴露によって変化する。ClO2は光解離を起こし、一次ラジカルである酸素（O-）、塩素（Cl-）、塩素-酸素結合のホモリティック分裂による塩素酸化物（ClO-）を生成し、ClO-とO-を形成する[48,49,50]。中性のClO2水溶液に光を当てると、塩素酸と塩酸の混合物が得られる（図18）。
図18 中性水溶液中でのClO2のホモリシス。
ClO2の光化学および熱分解は、塩素-酸素結合のホモリティック分裂によって起こる（図19）。
図19 熱または放射線照射によるClO2のホモリシス。
一旦ホモリティック核分裂が起こると、その後の反応は反応条件によって異なる。室温で、乾燥した気体のClO2を光分解すると、Cl2、O2、ClO3が生成し、ClO3はその後二量体化してCl2O6になるか、さらに光分解を受けてCl2とO2になる（図20）。
図20 乾燥した気体のClO2の光分解。
ClO2のUVC光分解に関連する分解機構とラジカル化学は非常に複雑である[51]。UVC光によるClO2の光分解は、Cl-O[52]結合とCl-[53]結合の開裂によってClO-と酸素を供給する。
図21 UVC光によるClO2の光分解の光化学とラジカル化学。
上記の化学種は連鎖反応を起こし、二次反応性化学種を生成する[54,55]。
図22 生成されたClO-、O(3P)、Cl-は連鎖反応を起こし、二次反応種を生成する。
UVC照射下でのClO2の分解は、ClO2単独よりも亜塩素酸塩と塩素酸塩の生成傾向を加速する。さらに、亜塩素酸塩と塩素酸塩はラジカル-ラジカル相互作用からも生成することができる[56,57,58,59]、図23。
図23 ラジカルとラジカルの相互作用による亜塩素酸塩と塩素酸塩。
5. ClO2の反応性
二酸化塩素の化学的性質は、反応性が高いため、他の塩素化合物と比べると複雑である。二酸化塩素は強い酸化剤であり、塩素とは異なり、有機物と反応して塩素化種を形成したり、アンモニアと反応してクロラミンを形成したりすることはない。ClO2の酸化は一般に、残留有機化合物から電子を除去して有機ラジカルとClO2-を生成することから始まる。その後のClO2による有機ラジカルの酸化は、HOClの放出を伴う酸素移動、またはClO2-の放出を伴う電子移動を伴う[46,50]。
無機化合物は体内で重要であり、多くの単純な機能を担っている。主な無機化合物は、H2O、分子状酸素O2、二酸化炭素CO2、およびいくつかの酸、塩基、塩である。鉄はあらゆる生物にとって生物学的に必須な成分であり、様々な細胞機構が、環境から鉄を生物学的に有用な形で取り込むために進化してきた[60]。鉄は主に、肺から組織への酸素の移動に関与している。しかし、鉄は一部のタンパク質や酵素の構成成分として、代謝にも関与している。マンガン（Mn）は微量ミネラルで、体内に微量に存在する。主に骨、肝臓、腎臓、膵臓に存在し、結合組織、骨、血液凝固因子、性ホルモンの形成を助ける。マンガンは、マンガンスーパーオキシドディスムターゼ、アルギナーゼ、ピルビン酸カルボキシラーゼなど、多くの酵素の補酵素である。これらの酵素において、マンガンはビタミンKとともに、アミノ酸、コレステロール、グルコース、炭水化物の代謝、活性酸素の除去、骨形成、生殖、免疫反応、血液凝固・止血に関与している[61,62,63,64,65,66,67]。
ClO2と無機および有機化合物との反応性を研究した研究者もいる[68]。人体では、ClO2はI-、NO2-、O3、H2O2、Fe(II)、Mn(II)と反応することができる。第3級アミンやフェノールとの反応速度定数もpH≥6で高かった。ClO2は、中性pH条件下では、アンモニア、Br-、炭水化物、芳香族炭化水素、C=C二重結合を含む化合物とは反応しない。
5.1.ClO2と無機化合物の反応性
ClO2は、多くの無機化合物を酸化することができ、最初に1個の電子が移動して亜塩素酸塩に還元される。さらに、亜塩素酸塩はFe(II)やMn(II)[69,70,71,72]と反応することができる。
図24 ClO2は、急速な1電子移動によってFe(II)とMn(II)を酸化する。
Fe(II)とMn(II)のClO2酸化の反応速度定数は、pHがアルカリ性になるにつれて大きく増加する。ヨウ化物は臭化物とは異なり、ClO2の存在下で容易にヨウ素に酸化される。ヨウ化物水溶液を酸化する際、ClO2はI-をI2に急速に酸化する[73]。ClO2の還元によって生成する亜塩素酸塩[74,75]も、pH 4～8で過剰のI-と反応してI2を形成することができる[76,77,78]（図25）。
図25 ClO2はI-からI2に酸化する。
亜硝酸イオンはClO2の存在下で硝酸塩に酸化される。ヨウ化物と同様に、ClO2による亜硝酸イオン（NO2-）の酸化は、主に電子移動反応を伴う（図26）。
図26 ClO2による亜硝酸NO2-の酸化。
亜塩素酸塩は、CN-やNO2-との反応によって、さらに塩化物に還元される。図27に示す以下の反応では、H2O2が還元剤として作用する[8]。
図27 過酸化水素と二酸化塩素の反応。
O3との反応では、ClO2が還元剤となる（図28）。
図28 オゾンとClO2の反応。
5.2.有機化合物との反応性
ClO2と有機化合物との反応は、一般に試薬濃度の低い水溶液中で研究されており、水中に存在するフミン酸やフルボ酸と反応し、アルデヒドやカルボン酸などの酸化有機化合物を生成する。遊離塩素が二酸化塩素とともに存在しない限り、塩素化有機副生成物を形成しない。
ClO2は、フェノール基、硫黄化合物、そしてより少ない程度ではあるが、第3級アミンや芳香族アミンと反応するが、炭化水素との反応は実質的にゼロである。フェノキシドイオンと中性のアミンの反応性は、中性のフェノールとプロトン化アミンの反応性よりもはるかに大きい（数桁）。ClO2は電子受容体として有機化合物と反応し、亜塩素酸塩に還元される傾向がある。このため、ClO2は選択的酸化剤であり、その反応性は一般に電子の単独対を持つ有機分子を好む。
5.3.フェノール化合物との反応性
二酸化塩素はフェノール化合物を酸化し、塩素化フェノール化合物を酸化してその毒性を低減するために使用されてきた。中性pHでは、フェノール類はClO2と103-108M-1 s-1の間で反応する。ClO2と解離したフェノール類の反応速度定数は、一般に、解離していないフェノール類の反応速度定数よりも6桁高い[79]（表1）。したがって、高pHではフェノール類のClO2による酸化が有利である。フェノール類の置換基はClO2による酸化速度に大きく影響する。
表1 フェノール類とClO2の反応について決定された定数
| コンパウンド | 溶剤 | pH | T °C | K (M-1 s-1) |
|---|---|---|---|---|
| フェノキシドイオン | H2O | 23 | 4.9 ×107 | |
| フェノール | H2O | 0.24 | ||
| 2-クロロフェノキシドイオン | H2O | 2-5 | 23 | 3.5 x107 |
| 2-クロロフェノール | H2O | 2-5 | 23 | 1.5 |
二酸化塩素によるフェノール類の酸化の主な生成物は、p-ベンゾキノンおよび様々な置換クロロ-p-ベンゾキノンである[80]。クロロフェノールは対応するキノンに酸化される。大過剰のClO2を用いると、p-キノンは開環しながら酸化され、ジカルボン酸を形成する。フェノールとクロロフェノール[81]の酸化を図29に示す。
図29 ClO2との反応によるフェノール類およびクロロフェノール類の酸化。赤が最終生成物。
これは2段階のメカニズム：ClO2は、ClO2-およびフェノキシラジカルに安定化されたフェノキシドイオンと反応する。このラジカルは2当量のClO2と急速に反応してp-ベンゾキノンを生成し、HOClを放出する。このメカニズムでは、フェノキシラジカルとClO2ラジカルの中間体が形成される可能性が示唆された[82](図 30)。
図30 ClO2によるフェノール類の酸化機構。
フェノール類のClO2による酸化反応における塩素化誘導体は、反応中に生成する次亜塩素酸によって説明できる[83]（図31）。
図31 二酸化塩素によるフェノール類の酸化におけるクロロキノン類の生成。
5.4.アミンとの反応性
5.4.1.芳香族アミンとの反応性
芳香族アミンは水性媒体中に広く分布しており、除草剤（農業分野）や工業廃水中の染料の分解生成物として存在することもある[84]。
アニリンのClO2酸化のメカニズムは、第一段階での電子移動から始まる。アミノ基はベンゼン環に直接結合している（そして電子密度の高い中心である）ため、ベンゼン環に電荷を与える際に窒素原子の電子密度に変化が生じる。得られる反応経路と生成物は、脂肪族アミンの場合とは異なる。得られる主な生成物はキノン-アゾベンゼン誘導体である（図32）。
図32 ClO2による芳香族アミンの酸化機構。
アニリン（4.5 ×105 M-1s-1）と2つの置換アニリンの反応速度：4-アミノアニリン(3.5 ×108 M-1s-1)とN,N-ジメチルアニリン( 4.4 ×106 M-1 s-1)のpH 7での反応速度[75]。
5.4.2.脂肪族アミンとの反応性
脂肪族アミンは水性媒体中に広く分布しており、ClO2と素早く反応して自由に利用できる塩素FACを形成する[85]。水溶液中における二酸化塩素と脂肪族アミンの反応の二次速度定数を表2に示す。
表2 二酸化塩素と脂肪族アミンとの反応の二次速度定数
| コンパウンド | pH | T °C | K (M-1 s-1) | 資料 |
|---|---|---|---|---|
| ベンジルアミン | 8.96 | 25.0 | 4.1 ×10-2 | [86] |
| ベンジル-tert-ブチルアミン | 8.4 | 25.0 | 2.9 ×102 | [86] |
| N,N-ジメチル-3-メトキシベンジルアミン | 27.0 | 2.9 ×104 | [87] | |
| メチルアミン | 7-10 | 25.0 | <1 | [85] |
| ジメチルアミン | 6.8-9.3 | 24.0 | 5 ×102 | [88] |
| トリメチルアミン | 23.0 | 6 ×104 | [89] |
第3級アミンはClO2と非常に速く反応し、第2級アミン、特に第1級アミンは反応が非常に遅く、アンモニアはClO2と全く反応しない[80,87]。
ClO2はほとんどの脂肪族3級アミンを速やかに酸化し、2級アミンに変換し、アルデヒドも形成する。考えられるメカニズムは、アミニルカチオンラジカルと亜塩素酸塩の形成に続き、αでプロトンが脱離し、アミンが形成され、その後加水分解してアルデヒドと第二級アミンになることである[8]。
5.5.アミノ酸、ペプチド、タンパク質との反応性
アミンとの反応速度は、第三級アミン＞第二級アミン＞第一級アミンの順に低下する。第三級アミンの場合、反応速度定数は中性pHで103～106M-1 s-1の範囲にあり、第二級または第一級アミンの場合よりも2～5桁高い。ClO2は、中性種よりも脱プロトン化されたアミンとはるかに速く反応するが、これは脱プロトン化されたアミンの方が強い電子供与体だからである[90,91]。
ClO2と生物学的に重要な分子（アミノ酸や一部のペプチドを含む）との反応性は、よく研究されている[92,93]。ClO2は、他の塩素含有消毒剤に代わる効果的で有望な消毒剤であり、アミノ酸、タンパク質、およびペプチドとの相互作用の化学的性質を徹底的に理解する必要がある。
ClO2は、システイン、チロシン、トリプトファンとは急速に反応するが（104-107M-1s-1）、ヒスチジン、プロリン、アラニン、グリシンとはゆっくりと反応する（10-5-10-2M-1 s-1）[93]。アミノ酸はその構造に一級アミンを持つ。このアミノ基はClO2とは反応しない。ClO2と反応するアミノ酸は、フェノールや硫黄基のような他の反応性基を含む。反応性の順序は以下のように報告されている（図33と図34）。
図33 システイン、チロシン、トリプトファン、ヒスチジン、プロリンとClO2との反応性。
図34 25℃におけるClO2とアミノ酸の反応速度定数[7]。
システインは求核性の-SH基を持つため、ClO2と最も反応性の高いアミノ酸である[94]。ClO2によるシステインの酸化は詳細に研究されており、化学量論と反応生成物が決定されている[95]。反応の化学量論（[ClO2]：[Cys]）はpH依存性であり、酸性媒体中では1：0.9、塩基性媒体中では1：3.7であることがわかった（図35）。
図35 25℃におけるClO2とアミノ酸の反応速度定数。
酸性のpHではシステインスルホン酸が生成され、アルカリ性のpHではシスチンが得られたが、これはClO2によるシステインの酸化生成物である（図36）。
図36 酸性のpHでは、システインスルホン酸が生成された。アルカリ性ではシスチンが得られた。
反応性システイン種はチオラートイオンであり、反応速度を決定する段階は、ClO2によるチオラートイオンからの電子の脱離が関与し、システイニルラジカルを生成することが提案されている。このラジカルは別のClO2分子と速やかに反応してシステイニル-ClO2付加体を形成し、これがpHに依存する2つの経路で不均化されてシスチンとシステイン酸を生成する（図37）。
図37 ClO2とシステインの反応メカニズムの提案。
グルタチオンの反応性はシステインと同様であり、ClO2との反応における同様のステップが提案されている。pHを変化させたClO2によるチオール（CysとGSH）の酸化の研究が行われた。CysとGSHの反応速度定数はpHが3.2から5.9の間で増加した。pH依存的な挙動は、脱プロトン化されたチオールが反応種であることを示唆している。ClO2とシステイニルアニオン（CS-）およびグルタチオンアニオン（GS-）との反応の速度定数[94,95]は、それぞれ1.0 ×108 M-1 s-1および1.4 ×108 M-1 s-1である。同様の速度定数は、ClO2によるシステインとグルタチオンの共通の酸化機構を示唆している。
ヒスチジン、トリプトファン、チロシンとClO2の反応では、ClO2のモル比によって異なる生成物が得られる。また、反応が酸素の存在下で行われる場合と非存在下で行われる場合でも、生成物は異なる。過剰のClO2を用いると、低分子化合物が得られる。
チロシンのClO2酸化は主にフェノール構造で起こり、pH6-7でドーパキノンとドーパクロムが生成する。ドーパキノンの環化はpH > 4で起こり、シクロドーパを形成し、続いてドーパクロムに酸化された[96]（図38）。
図38 アミノ酸チロシンのClO2酸化反応経路。
ClO2によるトリプトファンの酸化生成物は、N-ホルミルアルキル-ヌレニンと同定された[97]。トリプトファンとClO2の最初の反応は1電子酸化で、トリプトファンラジカルカチオンと亜塩素酸イオンを形成する。ラジカルカチオンは脱プロトン化して中性のトリプトファンラジカルを形成し、このラジカルは2番目のClO2分子と急速に反応してC-OClO結合を形成する短寿命の付加体(kobs= 48 s-1)を生成する。この付加体は分解してHOClを与える[8]（図39）。
図39 ClO2のトリプトファンへの攻撃反応機構の提案。
この反応は、Trp1つにつき2つのClO2を消費し、亜塩素酸とHOClを形成する（図40）。
図40 トリプトファンとClO2の反応の化学量論。
5.6.ClO2によるペプチドとタンパク質の酸化
ClO2は、システイン、チロシン、トリプトファン、ヒスチジン、プロリンの5つのアミノ酸としか反応しない選択的酸化剤である。システイン、チロシン、トリプトファンは反応速度定数がはるかに速い。質量分析と核磁気共鳴分光法は、ClO2処理タンパク質において、トリプトファン残基がN-ホルミルアルキル-ヌレニンに変換され、チロシン残基が3,4-ジヒドロキシフェニルアラニン（DOPA）または2,4,5-トリヒドロキシフェニルアラニン（TOPA）に変換されることを示している。トリプトファン残基はClO2とタンパク質との反応において重要な標的であり[98,99]、タンパク質の断片化と変性を引き起こす。ClO2で処理したA型インフルエンザウイルスの不活性化は、ヘマグルチニンのNFKに変換されたトリプトファン残基（W153）が酸化され、宿主細胞に結合する能力が制限されるために観察されている[100]。
モデルタンパク質としてウシ血清アルブミンとパン酵母（Saccharomyces cerevisiae）由来のグルコース-6-リン酸デヒドロゲナーゼ（G6PD）を用い、ClO2の抗菌活性は主にタンパク質変性活性に起因することが示された。元素分析では、塩素原子ではなく酸素原子がClO2処理タンパク質に取り込まれることが示され、ClO2がタンパク質を酸化する直接的な証拠となった。グリシン、システイン、グルタミン酸からなるトリペプチドであるグルタチオンの場合、ClO2反応部位はチオール基であり、酸化生成物はシステインのものと同様である（表3）。
表3 ClO2とペプチドおよびタンパク質との反応について決定された定数
| コンパウンド | pH | T °C | K (M-1 s-1) |
|---|---|---|---|
| ペプチド | |||
| グルタチオン | 5.9 | 25.0 | 1.4 ×108 |
| タンパク質 | |||
| 牛血清アルブミン | 7.0 | 25.0 | 6.4 |
| グルコサ-6-フォスファトデシドロゲナーサ | 7.0 | 25.0 | 9.7 |
5.7.二酸化塩素によるNADHの酸化
リン酸緩衝溶液（pH6-8）中の二酸化塩素によるジヒドロニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NADH）の酸化は非常に速く、24.6℃での2次速度定数は3.9×106 M-1 s-1である。化学量論は図41に示されている。
図41 NADHとClO2の反応。
NADHがヒドリド移動によって反応する多くの酸化剤とは異なり、提案されているメカニズムは、NADHからClO2への1電子移動である。まず、二酸化塩素がNADHから電子を受け取り、ClO2-とラジカルカチオンNADH+を形成する。その後、H+のH2Oへの移動と、2つ目のClO2当量への電子の移動を伴う非常に急速な脱プロトン化のシーケンスにより、生成物として2ClO2-、H3O+、NAD+が得られる[101]（図42）。
図42 ClO2によるNADH酸化機構の提案。
ClO2が生体分子に影響を与えるメカニズムは、ミトコンドリアや細胞膜で起こる酸化還元プロセス、例えば細胞呼吸やATP合成を仲介するNADH/NAD+系への強い干渉に基づいている[102]。
6. ClO2によるヘモグロビンの酸化
二酸化塩素は酸化剤であり、ヘモグロビン（酸素運搬タンパク質）をメトヘモグロビンに変換する。メトヘモグロビンは他の酸素分子と結合できないため、体内の酸素化を妨げる。このような場合、大量に摂取すると、ClO2は第一鉄（Fe2+）を酸化して第二鉄（Fe3+）に変化させ、ヘモグロビンはメトヘモグロビンとなり、呼吸不全を引き起こす[33]。
メトヘモグロビンは、血液中の酸素を運ぶことができない酸化型のヘモグロビンであるため、体内組織へ酸素を効果的に放出することができず、体内の酸素化を妨げる。メトヘモグロビンの濃度が高いと、他にもリスクがある。メトヘモグロビン生成化学物質は、ヘモグロビンの第一鉄核（Fe2+）を三価鉄（Fe3+）に酸化し、ヘモグロビンをメトヘモグロビンに変化させる。その毒性は、メトヘモグロビンの酸素運搬能力の低下によるもので、その結果、細胞の低酸素症を引き起こす[103,104]（図43）。
図43 メトヘモグロビン血症の病理学。
2015年、二酸化塩素を誤飲した後にメトヘモグロビン血症（メトヘモグロビン濃度が高い）を呈した小児の最初の症例が文献に掲載された。著者は、「患者は重篤な低酸素症を呈し、酸素療法に反応せず、正常な酸素濃度を維持するために気管内挿管が必要であった」と報告している[105]。
2013年に発表された別の論文では、自殺を図り、28%亜塩素酸ナトリウム水溶液を100mL未満摂取した人の血液中に40%のメトヘモグロビンが存在し、命を救うために腎臓移植と輸血を必要とした[106]。
このような理由から、専門家たちは、二酸化塩素は身体を脱酸素させるだけでなく、少量でも組織の酸素化能力を低下させ、人々の生命を危険にさらす事態を引き起こす可能性があると結論づけている。
7. ClO2の毒性
2019年12月、中国の武漢で新たな呼吸器疾患が発生した。この感染源は、過去に2002年から2004年にかけてSARS（重症急性呼吸器症候群）、2012年にMERS（中東呼吸器症候群）の大流行を引き起こした他のコロナウイルスに関連する、新型コロナウイルスであることが特定された（National Institutes of Health, 2020）。このウイルスは「重症急性呼吸器症候群新型コロナウイルス」（SARS-CoV-2）と命名され、このウイルスに感染することによって生じる疾患は「COVID-19」と命名された。2020年3月11日、世界保健機関WHOはCOVID-19をパンデミックと宣言した。コロナウイルスはエンベロープ型RNAウイルスの一群で、複数の臓器系にダメージを与える可能性がある。他のコロナウイルスと同様、SARS-CoV-2は表面に糖タンパク質のスパイクを持つ球状の粒子である。コロナウイルスは、「受容体結合ドメイン」として知られるスパイクの領域がヒト細胞のアンジオテンシン変換酵素2（hACE2）と結合することで宿主細胞に侵入する。その後、ウイルス膜は宿主細胞膜と融合し、ウイルスゲノムが宿主細胞に侵入する。
COVID-19パンデミックの間、二酸化塩素溶液の摂取が、SARS-CoV-2感染の治療または予防のために、さまざまな手段（ソーシャルネットワーク、ウェブサイト、マスメディア）を通じて宣伝された。さまざまな規制機関（欧州医薬品庁や米国食品医薬品局など）や科学学会が、COVID-19感染症に対する有効性の科学的根拠の欠如や、それに伴う人体へのリスクについて警告する声明を起草・発表し、さらにはこれらの製品の市場からの撤退を要求した。
米国のFDA（食品医薬品局）およびメキシコのCOFEPRIS（Comisión Federal para la Protección contra Riesgos Sanitarios）は、ClO2の摂取は腎不全および肝不全を引き起こし、赤血球を破壊すると述べている。現在までのところ、二酸化塩素または塩素誘導体をCOVID-19に対する予防薬または治療薬として使用することを支持する科学的証拠はない[107,108,109]。
二酸化塩素の摂取による毒性作用に関する研究がある。主な中毒経路は、吸入経路、経口経路、非経口経路の3つに分けられる（図44）。
図44 ClO2中毒の主な経路。
二酸化塩素は消化管から速やかに吸収される。血中濃度のピークは経口投与で1時間以内に達する。吸収時間の中央値は22時間で、ひげそりした皮膚からもゆっくりと吸収される。二酸化塩素は反応性が高いため、吸入によって吸収される可能性は低いが、その誘導体が吸収される可能性が高い。二酸化塩素は亜塩素酸塩、塩素酸塩、主に塩化物に代謝される。投与された二酸化塩素とその代謝物の大部分は血漿中に残り、次いで腎臓、肺、胃、腸、肝臓、脾臓に移行する。経口投与された二酸化塩素の約43%は72時間以内に尿と糞便中に排泄される。
二酸化塩素もその誘導体も、住民にとってのベネフィット／リスク比が肯定的であることを保証するために、管轄当局による評価や認可を受けていないことに注意することが重要である。
吸入、経口、または非経口経路で投与されるCOVID-19に対する予防薬または治療薬として、二酸化塩素またはその誘導体の使用を肯定的に検討した科学的証拠は発表されていない[109,110]。二酸化塩素およびその誘導体を摂取することによるリスクのいくつかを図45に示す。
図45 二酸化塩素を直接摂取した後の重篤な副作用。
経口致死量（LD50）の中央値は94mg/kg体重と推定されており、中程度の毒性と危険性を持つ物質と考えられている。スペイン医薬品・健康製品庁（AEMPS）は、二酸化塩素の摂取による深刻な健康リスクを警告している[111]。
8. ClO2の抗菌活性
二酸化塩素は酸化殺生物剤として作用し、細胞壁を破壊することで細胞壁を介した栄養素の輸送を阻害することにより、グラム陽性およびグラム陰性細菌の増殖を制御する[112]。その効果は、オゾンや塩素のような他の既知の酸化剤と同様か、それよりも優れている点もある。電子交換によって酸化剤として作用するため、ウイルスやバクテリアからタンパク質まで、あらゆる種類の有機化合物を酸化することができ、そのため水や特定の表面の浄化に頻繁に使用されている。Pereira et al., 2008は、ブラジル南部の公共水道におけるクリプトスポリジウム・オーシストの不活性化におけるHOCl、ClO2、O3の有効性を比較した。実験は、実験的に汚染された子牛の糞便から精製したC. parvumの2×104オーシスト/mLを含むサンプルで実施した。HOClを用いた場合、2 ppmで120分後に得られた最大不活化率は49.04%であった。5ppmのClO2は、90分間の接触でオーシストを90.56%不活化した。O3は最も効果的な製品で、24 ppmで100%の不活化率を示した。
エンベロープウイルスの場合、二酸化塩素はエンベロープウイルス表面にあるタンパク質のアミノ酸残基と直接反応する。非エンベロープウイルスの場合、二酸化塩素はウイルスゲノムに作用し、細胞内のリボ核酸RNAに影響を与える。このメカニズムにより、二酸化塩素はタンパク質の産生を阻止し、ウイルスの排除を促進する。二酸化塩素は強力な酸化剤で、溶液でも気体でも使用できる。殺菌、殺真菌、殺ウイルス作用がある。グラム陰性菌、グラム陽性菌、酵母、カビの胞子、セレウス菌の胞子など、食品に関連するいくつかの微生物について、0.08mg/LのClO2ガスに対する感受性を相対湿度90%で1分間試験した[17]。このスクリーニングにおいて、Vandekinderen et al., n09によると、気体ClO2に対する異なる微生物群の耐性は、一般的にグラム陰性菌、グラム陽性菌、酵母芽胞、カビ、セレウス菌芽胞の順に増加した。ガス状ClO2の抗菌効果に影響を及ぼす因子は、濃度、接触時間、相対湿度、温度であった。酵母はグラム陰性菌やグラム陽性菌よりもClO2に対して耐性があった。重要なことに、ClO2は政府機関や商業施設において炭疽菌の芽胞を不活化するのに有効であることが示されている[113,114,115]が、セレウス菌はClO2にほとんど影響されなかった[113,114,115,116]。
ガス状ClO2に対する異なる微生物群の耐性は、一般にグラム陰性菌、グラム陽性菌、酵母およびカビの芽胞、セレウス菌の芽胞の順に増加した。ClO2は、短い接触時間で最も多様な微生物を死滅させ、表面への腐食作用が少ないため、間違いなく消毒のための完全な解決策を提供する。さらに、ClO2を使用することで、微生物耐性の脅威を回避することができる（図46）。
図46 ClO2抗菌スペクトルの活性。
化学物質の酸化力は、分子が周囲の分子から受け取ることのできる電子の数を示す。ClO2の場合、1分子あたり微生物種から5個の電子を獲得できるため、通常は2個しか獲得できない代替酸化剤よりも優れた殺生物剤となる。この強化された効果は、2段階還元によるものである（図47）。
図47 二酸化塩素の削減。
図41に ClO2の還元を示す。第一段階で、ClO2は1個の電子を受け取った後、亜塩素酸塩に還元され、さらに4個の電子と4個の水素原子を受け取って還元される[117]。この2段階のプロセスにより、他の酸化剤と比較して、微生物からより多くの電子を隔離することができる。このことは、二酸化塩素が適用される表面に対する腐食効果を低減する一方で、殺傷能力が高いことを意味する。ClO2のような酸化剤が非酸化性消毒剤よりも好まれる理由は、短い接触時間で細菌芽胞やその他の微生物に対する有効性が証明されているからである。
二酸化塩素は電子交換によって病原体を殺し、細胞壁、膜、細胞小器官、遺伝物質などの微生物の構造から電子を隔離し、分子の不均衡を引き起こして微生物を死滅させる。この反応メカニズムにより、微生物はClO2に対する耐性を獲得できず、死滅する。
第4級アンモニウム化合物やトリアミンなどの殺生物剤は、微生物の耐性を高める一因となり、大腸菌やC. difficile芽胞菌などの耐性株がいくつか確認されている。対照的に、ClO2の作用機序は、微生物の構造を変化させ、その生理的な分子整合性を標的とするため、微生物耐性は不可能である。これは膜の破裂を誘発し、タンパク質の機能を破壊し、RNA合成を阻害し、微生物を死滅させる。
9. 結論
すなわち、(i) lO2の反応性と有機および無機化合物との反応の可能性の分析、(ii)ClO2の潜在的な用途と規格外に消費された場合の毒性である。
二酸化塩素は、有害なバクテリアやその他の微生物から人々を守るために飲料水に添加される。環境保護庁（EPA）は二酸化塩素の飲料水消毒剤としての使用を認めており、WHOの飲料水水質ガイドラインにも含まれている。飲料水に添加すると、細菌、ウイルス、およびクリプトスポリジウム・パルバムやジアルジア・ラムリアなど、人を病気にする寄生虫の一種を破壊するのに役立つ。EPAは、飲料水中の二酸化塩素の最大濃度を0.8ppm以下に規制している。医療環境では、機器、表面、部屋、道具の殺菌にClO2を使用できます。病院やその他の医療環境では、ClO2は医療機器や検査機器、表面、部屋、道具の滅菌に役立つ。研究者たちは、適切な濃度であれば、ClO2が病院環境におけるレジオネラ菌の除去に安全かつ効果的であることを発見した。レジオネラ・ニューモフィラ菌は、致命的な肺炎の一種であるレジオネラ症を引き起こす可能性がある[118,119]。
ClO2は反応性が高く、フミン酸やフルボ酸など、水中に含まれる無機化合物や有機化合物を酸化し、アルデヒドやカルボン酸などの酸化有機化合物を形成する。細胞内では、ClO2はフェノール化合物、アミン、アミノ酸、ペプチド、タンパク質を酸化し、NADHも酸化する。生体分子への影響は、酸化還元過程への干渉から生じ、ミトコンドリア呼吸の複合体I～IVや細胞膜で起こる電子交換を変化させる。
濃度と頻度によっては人体に有害であるため、安全な使用を確保するために暴露制限が設けられている。ラットの平均経口致死量LD50は体重1kgあたり94mgであるため、中程度の毒性を持つ危険物質に分類される。REACH登録において企業が欧州化学品庁（ECHA）に提供した分類によると、この物質は吸入により致死的であり、摂取により有毒であり、重度の皮膚火傷と眼障害を引き起こし、環境と水生生物に対して非常に有毒であり、その影響は長期にわたる。
COVID-19の流行中、SARS-CoV-2感染の治療または予防のために、さまざまな手段（ソーシャルネットワーク、ウェブサイト、マスメディア）を通じて、非科学者や非医学者によってClO2溶液の摂取が推進されてきた。現在までのところ、ClO2または塩素誘導体をCOVID-19の予防薬または治療薬として使用することを支持する科学的証拠はない。その作用は証明されておらず、死亡例も報告されているため、米国食品医薬品局（FDA）などの保健機関は公式に服用を推奨しないと表明している。中毒の一般的な症状には、激しい嘔吐と下痢、貧血、重度の肝不全、低血圧、不整脈、メトヘモグロビン血症などがある[120]。
保健当局が承認した規定外のClO2の摂取は、腸穿孔を含む深刻な結果をもたらす可能性がある。保健当局や政府機関からの連絡や警告に従う必要性を強調することが重要である。ClO2中毒による重篤な副作用については、科学文献にも一般メディアにも文書化された事例がある。裁判資料によると、米国だけでも、毒物管理センターが2014年から2020年末までに治療した二酸化塩素中毒の症例は16,000件を超えている[121]。