În timp ce așteaptă acces complet la laboratoarele lor din cauza restricțiilor covid-19, oamenii de știință de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST) au profitat de această ocazie rară pentru a raporta detaliile tehnice ale cercetărilor de pionierat pe care le-au efectuat cu privire la dezinfectarea apei potabile folosind lumina ultravioletă (UV).
În 2012, oamenii de știință NIST și colaboratorii lor au publicat mai multe lucrări privind unele constatări fundamentale cu potențiale beneficii pentru companiile de utilități de apă. Dar aceste articole nu au explicat niciodată pe deplin configurația de iradiere care a făcut posibilă munca.
Acum, pentru prima dată, cercetătorii NIST publică detaliile tehnice ale experimentului unic, care s-a bazat pe un laser portabil pentru a testa cât de bine diferite lungimi de undă ale luminii UV au inactivat diferite microorganisme din apă. Lucrarea apare astăzi în Review of Scientific Instruments (RSI).
O urgență pentru publicarea unei descrieri complete a sistemului NIST este că cercetătorii își imaginează utilizarea acestei configurații UV pentru noi experimente care depășesc studiul apei potabile și în dezinfectarea suprafețelor solide și a aerului. Aplicațiile potențiale ar putea include o mai bună dezinfecție UV a camerelor de spital și chiar studii privind modul în care lumina soarelui inactivează coronavirusul responsabil pentru COVID-19.
"Din câte știu, nimeni nu a duplicat această lucrare, cel puțin nu pentru cercetare biologică", a declarat Larason. "De aceea vrem să scoatem ziarul ăsta acum."
Destul de bun pentru a bea
Lumina ultravioletă are lungimi de undă prea scurte pentru ca ochiul uman să le vadă. UV variază de la aproximativ 100 nanometri (nm) la 400 nm, în timp ce oamenii pot vedea un curcubeu de culoare de la violet (aproximativ 400 nm) la roșu (aproximativ 750 nm).
O modalitate de a dezinfecta apa potabilă este de a o iradia cu lumină UV, care descompune ADN-ul microorganismelor dăunătoare și moleculele aferente.
La momentul studiului inițial, majoritatea sistemelor de iradiere a apei foloseau o lampă UV care emitea cea mai mare parte a luminii sale UV la o singură lungime de undă, 254 nm. De ani de zile, însă, companiile de utilități de apă au arătat un interes tot mai mare pentru un alt tip de lampă de dezinfecție care era "policromatică", ceea ce înseamnă că emitea lumină UV la mai multe lungimi de undă diferite. Dar eficacitatea noilor lămpi nu a fost bine definită, a declarat Karl Linden, un inginer de mediu de la Universitatea din Colorado Boulder (CU Boulder), care a fost investigator principal al studiului din 2012.
În 2012, un grup de microbiologi și ingineri de mediu conduși de CU Boulder a fost interesat să adauge la baza de cunoștințe pe care companiile de utilități de apă o aveau în ceea ce privește dezinfecția UV. Cu finanțare de la Water Research Foundation, o organizație non-profit, oamenii de știință căutau să testeze metodic cât de sensibili erau diferiți germeni la diferite lungimi de undă ale luminii UV.
În mod normal, sursa de lumină pentru aceste experimente ar fi fost o lampă care generează o gamă largă de lungimi de undă UV. Pentru a restrânge banda de frecvențe cât mai mult posibil, planul cercetătorilor a fost să strălucească lumina prin filtre. Dar asta ar fi produs benzi de lumină relativ largi, de 10 nm, iar frecvențele nedorite ar fi sângerat prin filtru, ceea ce face dificilă determinarea exactă a lungimilor de undă care inactivau fiecare microorganism.
Microbiologii și inginerii au vrut o sursă mai curată și mai controlabilă pentru lumina UV. Așa că au cerut NIST să ajute.
NIST a dezvoltat, construit și operat un sistem pentru a livra un fascicul UV bine controlat pe fiecare probă de microorganisme testate. Configurarea a implicat punerea probei în cauză -- un vas Petri umplut cu apă cu o anumită concentrație a unuia dintre specimene -- într-o incintă etanșă la lumină.
Ceea ce face acest experiment unic este că NIST a proiectat fasciculul UV pentru a fi livrat de un laser tunabil. "Tunabil" înseamnă că poate produce un fascicul de lumină cu o lățime de bandă extrem de îngustă -- mai puțin de un singur nanometru -- pe o gamă largă de lungimi de undă, în acest caz de la 210 nm la 300 nm. Laserul a fost, de asemenea, portabil, permițând oamenilor de știință să-l aducă la laboratorul unde se desfășura lucrarea. Cercetătorii au folosit, de asemenea, un detector UV calibrat NIST pentru a măsura lumina care lovea vasul Petri înainte și după fiecare măsurare, pentru a se asigura că știau cu adevărat câtă lumină lovea fiecare probă.
Au fost o mulțime de provocări pentru a obține sistemul de a lucra. Cercetătorii au ferried lumina UV la antena Petri cu o serie de oglinzi. Cu toate acestea, diferite lungimi de undă UV necesită materiale reflectorizante diferite, astfel încât cercetătorii NIST au trebuit să proiecteze un sistem care a folosit oglinzi cu diferite acoperiri reflectorizante pe care le-ar putea schimba între testele efectuate. De asemenea, au trebuit să procure un difuzor de lumină pentru a lua fasciculul laser -- care are o intensitate mai mare în centru -- și să-l răspândească astfel încât să fie uniform în întreaga probă de apă.
Rezultatul final a fost o serie de grafice care au arătat modul în care diferiți germeni au răspuns la lumina UV cu lungimi de undă diferite -- primele date pentru unii dintre microbi -- cu o precizie mai mare decât s-a măsurat vreodată. Și echipa a găsit niște rezultate neașteptate. De exemplu, virușii au prezentat o sensibilitate crescută pe măsură ce lungimile de undă au scăzut sub 240 nm. Dar pentru alți agenți patogeni, ar fi Giardia, sensibilitatea UV a fost aproximativ aceeași chiar și atunci când lungimile de undă au scăzut.
"Rezultatele acestui studiu au fost utilizate destul de frecvent de companiile de utilități de apă, agențiile de reglementare și altele din domeniul UV care lucrează direct la dezinfecția apei -- și, de asemenea, a aerului -- ", a declarat inginerul de mediu Sara Beck de la CU Boulder, primul autor a trei lucrări produse din această lucrare din 2012. "Înțelegerea lungimilor de undă ale luminii inactivează diferiți agenți patogeni poate face practicile de dezinfecție mai precise și mai eficiente", a afirmat ea.
Eu, ROBOT UV
Același sistem pe care NIST l-a proiectat pentru a furniza o bandă controlată și îngustă de lumină UV probelor de apă poate fi, de asemenea, utilizat pentru experimente viitoare cu alte aplicații potențiale.
De exemplu, cercetătorii speră să exploreze cât de bine lumina UV ucide germenii de pe suprafețe solide, ar fi cele găsite în camerele de spital, și chiar germenii suspendați în aer. Într-un efort de a reduce infecțiile dobândite în spital, unele centre medicale au fost sablare camere cu un fascicul de sterilizare a radiațiilor UV transportate de roboți.
Dar nu există încă standarde reale pentru utilizarea acestor roboți, au spus cercetătorii, așa că, deși pot fi eficienți, este greu să știi cât de eficient sau să compari punctele forte ale diferitelor modele.
"Pentru dispozitivele care iradiază suprafețele, există o mulțime de variabile. De unde știi că funcționează?" Larason a spus. Un sistem ca NIST ar putea fi util pentru dezvoltarea unui mod standard de a testa diferite modele de roboții dezinfecție.
Un alt proiect potențial ar putea examina efectul luminii solare asupra coronavirusului nou, atât în aer, cât și pe suprafețe, a spus Larason. Iar colaboratorii originali au spus că speră să folosească sistemul laser pentru viitoarele proiecte legate de dezinfecția apei.
Sensibilitatea microorganismelor și a virușilor la diferite lungimi de undă UV este încă foarte relevantă pentru practicile actuale de dezinfecție a apei și aerului, a spus Beck, în special având în vedere dezvoltarea de noi tehnologii, precum și noile provocări de dezinfecție, ar fi cele asociate cu COVID-19 și infecțiile dobândite în spital, de exemplu.
