Докато чакат пълен достъп до своите лаборатории, поради ограниченията на COVID-19, учените в Националния институт за стандарти и технологии (NIST) са взели тази рядка възможност да докладват техническите подробности за пионерски изследвания, които са провели за дезинфекция на питейна вода с ултравиолетова светлина (UV).
През 2012 г. учените от NIST и техните сътрудници публикуваха няколко документа за някои фундаментални констатации с потенциални ползи за компаниите за вода. Но тези статии никога не напълно обясни настройката на облъчване, която направи работата възможна.
Сега, за първи път, NIST изследователи публикуват техническите детайли на уникалния експеримент, който разчита на преносим лазер, за да се тества колко добре различни дължини на вълната на ултравиолетови инактивирани различни микроорганизми във вода. Работата се появява днес в прегледа на научните инструменти (RSI).
Една неотложност за публикуване на пълно описание на системата NIST е, че изследователите предвижда използването на тази UV настройка за нови експерименти, които излизат извън изследването на питейна вода и в дезинфекция на твърди повърхности и въздух. Потенциалните приложения могат да включват по-добра UV дезинфекция на болничните помещения и дори проучвания за това как слънчевата светлина инактивира коронавируса, отговорен за COVID-19.
"Доколкото знам, никой не е дублирал тази работа, поне не за биологични изследвания", каза Ларазон. "Затова искаме да извадим този вестник сега."
Достатъчно добър за пиене
Ултравиолетовата светлина има дължини на вълните, които са твърде къси, за да може човешкото око да види. UV варира от около 100 нанометра (nm) до 400 nm, докато хората могат да видят дъга от виолетов цвят (около 400 nm) до червено (около 750 nm).
Един от начините за дезинфекция на питейната вода е да се облъчи с УЛТРАвиолетова светлина, която разгражда ДНК на вредните микроорганизми и свързаните с тях молекули.
По време на първоначалното изследване повечето системи за водоразлъчване са използвали UV лампа, която излъчваше по-голямата част от uv светлината при една дължина на вълната 254 nm. В продължение на години, компаниите за вода, обаче, показват нарастващ интерес към различен тип дезинфекция лампа, която е "полихроматична", което означава, че излъчва УВ светлина с различни дължини на вълните. Но ефективността на новите лампи не е добре определена, каза Карл Линден, университет на Колорадо Боулдър (CU Боулдър) инженер по околна среда, който е бил главен изследовател на проучване 2012.
През 2012 г. група микробиолози и инженери по околна среда, ръководени от CU Boulder, се интересува от добавянето към базата от знания, която компаниите за водоснабдяването имат по отношение на UV дезинфекцията. С финансиране от Фондация "Водни изследвания", организация с нестопанска цел, учените се опитваха да тестват методично колко чувствителните различни микроби са с различна дължина на вълната на ултравиолетовата светлина.
Обикновено източникът на светлина за тези експерименти би бил лампа, която генерира широк спектър от ултравиолетови дължини на вълните. За да стесните колкото се може повече честоти, планът на изследователите е бил да осветява светлината през филтрите. Но това би произвела относително широки, 10 nm обхвати светлина, и нежелани честоти биха кърмят през филтъра, което прави трудно да се определи точно кои дължини на вълната са инактивирали всеки микроорганизъм.
Микробиолозите и инженерите искаха по-чист, по-контролиран източник за UV светлината. Така че, те се обадиха на NIST да помогне.
NIST разработи, изгради и експлоатира система за доставяне на добре контролирана UV греда върху всеки изследван образец от микроорганизми. Настройката включваше поставяне на въпросната проба - петрио, напълнено с вода с определена концентрация на един от пробите - в светло-затворено заграждение.
Това, което прави този експеримент уникален е, че NIST проектиран UV лъч да бъде доставен от регулируем лазер. "Регулируем" означава, че може да произведе лъч светлина с изключително тесен честотен диапазон - по-малко от един нанометра - в широк диапазон от дължини на вълните, в този случай от 210 nm до 300 nm. Лазерът също е бил преносим, позволявайки на учените да го заведат в лабораторията, където се извършва работата. Изследователите също така използва NIST-калибриран UV детектор за измерване на светлината удря в петри ястие преди и след всяко измерване, за да се уверите, че те наистина знаят колко светлина е удря всяка проба.
Имаше много предизвикателства, за да накара системата да работи. Изследователите развели UV светлината към петрито с поредица от огледала. Въпреки това, различните UV дължини на вълните изискват различни отразяващи материали, така че NIST изследователите трябваше да проектират система, която използва огледала с различни отразяващи покрития, които биха могли да сменят между тестовите писти. Те също така трябваше да си осигурят дифузьор, за да вземат лазерния лъч, който има по-висок интензитет в центъра и да го разпръсне така, че да е равномерно по цялата проба от водата.
Крайният резултат е поредица от графики, които показват как различните микроби реагират на ултравиолетовата светлина с различна дължина на вълната - първите данни за някои от микробите - с по-голяма точност от всякога, измерена преди. Екипът откри неочаквани резултати. Например, вирусите проявяват повишена чувствителност, тъй като дължината на вълната намалява под 240 nm. Но за други патогени като Giardia, UV чувствителността е почти същата, както дължината на вълната се понижи.
"Резултатите от това проучване са били използвани доста често от водоснабдителни компании, регулаторни агенции и други в областта на UV, работещи директно върху вода - и също въздух -- дезинфекция," каза ИНЖЕНЕРЪТ на околната среда CuOulder Sara Beck, първият автор на три статии, произведени от тази работа през 2012 г. "Разбирането, кои дължини на вълната на светлината инактивират различни патогени може да направи практиките за дезинфекция по-прецизни и ефективни," каза тя.
I, UV робот
Същата система, която NIST проектирана за доставяне на контролирана, тясна лента на UV светлина към водни проби, може да се използва и за бъдещи експерименти с други потенциални приложения.
Например, изследователите се надяват да проучат колко добре UV светлината убива микробите върху твърди повърхности като тези, намерени в болничните помещения, и дори микробите, които са спрени във въздуха. В опит да се намалят придобитите в болница инфекции, някои медицински центрове са взривявали помещения със стерилизиращ лъч от УЛТРАвиолетови лъчи, пренасяни от роботи.
Но все още няма реални стандарти за използване на тези роботи, изследователите казаха, че въпреки че те могат да бъдат ефективни, трудно е да се знае колко ефективно, или да се сравняват силните страни на различни модели.
"За устройства, които облъчват повърхности, има много променливи. Откъде знаеш, че работят?" Ларозон каза. Система като NIST може да бъде полезна за разработване на стандартен начин за тестване на различни модели на дезинфекция ботове.
Друг потенциален проект може да разгледа ефекта на слънчевата светлина върху романа coronavirus, както във въздуха, така и върху повърхности, каза Ларазон. И оригиналните сътрудници казаха, че се надяват да използват лазерната система за бъдещи проекти свързани с дезинфекцията на водата.
"Чувствителността на микроорганизмите и вирусите към различни ултравиолетови вълни все още е много важна за настоящите практики за дезинфекция на водата и въздуха", каза Бек, "особено предвид развитието на нови технологии, както и нови предизвикателства за дезинфекция, като например тези, свързани с COVID-19 и инфекции, придобити в болница."
