Mens de venter på full tilgang til laboratoriene sine på grunn av COVID-19-restriksjoner, har forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) benyttet denne sjeldne muligheten til å rapportere de tekniske detaljene i banebrytende forskning de utførte på desinfeksjon av drikkevann ved hjelp av ultrafiolett (UV) lys.
Tilbake i 2012 publiserte NIST-forskerne og deres samarbeidspartnere flere artikler om noen grunnleggende funn med potensielle fordeler for vannverktøyselskaper. Men disse artiklene forklarte aldri fullt ut bestrålingsoppsettet som gjorde arbeidet mulig.
Nå, for første gang, publiserer NIST-forskere de tekniske detaljene i det unike eksperimentet, som stolte på en bærbar laser for å teste hvor godt forskjellige bølgelengder av UV-lys inaktiverte forskjellige mikroorganismer i vann. Verket fremkommer i dag i Gjennomgang av vitenskapelige instrumenter (RSI).
«Vi har ønsket å formelt skrive dette opp i årevis», sier NIST's Tom Larason. "Nå har vi tid til å fortelle verden om det."
Et press for å publisere en fullstendig beskrivelse av NIST-systemet er at forskere ser for seg å bruke dette UV-oppsettet til nye eksperimenter som går utover studiet av drikkevann og til desinfeksjon av faste overflater og luft. De potensielle applikasjonene kan omfatte bedre UV-desinfeksjon av sykehusrom og til og med studier av hvordan sollys inaktiverer koronaviruset som er ansvarlig for COVID-19.
«Så vidt jeg vet har ingen duplisert dette arbeidet, i hvert fall ikke for biologisk forskning,» sa Larason. "Det er derfor vi ønsker å få denne avisen ut nå."
God nok til å drikke
Ultrafiolett lys har bølgelengder som er for korte for det menneskelige øye å se. UV varierer fra ca 100 nanometer (nm) til 400 nm, mens mennesker kan se en regnbue av farge fra fiolett (ca. 400 nm) til rød (ca. 750 nm).
En måte å desinfisere drikkevann på er å bestråle det med UV-lys, noe som bryter ned skadelige mikroorganismers DNA og relaterte molekyler.
På tidspunktet for den opprinnelige studien brukte de fleste vannbestrålingssystemer en UV-lampe som avgir det meste av UV-lyset ved en enkelt bølgelengde, 254 nm. I årevis hadde imidlertid vannforsyningsselskaper vist økende interesse for en annen type desinfeksjonslampe som var "polykromatisk", noe som betyr at den avgir UV-lys ved flere forskjellige bølgelengder. Men effektiviteten til de nye lampene var ikke godt definert, sa Karl Linden, en miljøingeniør ved University of Colorado Boulder (CU Boulder) som var prosjektleder for 2012-studien.
"Vi oppdaget på midten av 2000-tallet at polykromatiske UV-kilder var mer effektive for virusinaktivering - spesielt fordi disse lampene produserte UV-lys ved lave bølgelengder, under 230 nm," sa Linden. "Men det var vanskelig å tallfeste hvor mye mer effektive og hva mekanismene for den effektiviteten var."
I 2012 var en gruppe mikrobiologer og miljøingeniører ledet av CU Boulder interessert i å legge til kunnskapsbasen som vannverktøyselskaper hadde angående UV-desinfeksjon. Med finansiering fra Water Research Foundation, en ideell organisasjon, var forskerne ute etter å metodisk teste hvor følsomme ulike bakterier var for forskjellige bølgelengder av UV-lys.
Normalt ville lyskilden for disse eksperimentene ha vært en lampe som genererer et bredt spekter av UV-bølgelengder. For å begrense frekvensbåndet så mye som mulig, var forskernes plan å skinne lyset gjennom filtre. Men det ville fortsatt ha produsert relativt brede, 10 nm lysbånd, og uønskede frekvenser ville ha blødd gjennom filteret, noe som gjorde det vanskelig å bestemme nøyaktig hvilke bølgelengder som inaktiverte hver mikroorganisme.
Mikrobiologene og ingeniørene ønsket en renere, mer kontrollerbar kilde for UV-lyset. Så de oppfordret NIST til å hjelpe.
NIST utviklet, bygde og opererte et system for å levere en godt kontrollert UV-stråle på hver prøve av mikroorganismer som testes. Oppsettet innebar å sette prøven i spørsmålet - en petriskål fylt med vann med en viss konsentrasjon av en av prøvene - inn i et lett tett kabinett.
Det som gjør dette eksperimentet unikt er at NIST designet UV-strålen som skal leveres av en justerbar laser. "Tunable" betyr at den kan produsere en lysstråle med ekstremt smal båndbredde - mindre enn et enkelt nanometer - over et bredt spekter av bølgelengder, i dette tilfellet fra 210 nm til 300 nm. Laseren var også bærbar, slik at forskere kunne bringe den til laboratoriet der arbeidet ble utført. Forskere brukte også en NIST-kalibrert UV-detektor for å måle lyset som traff petriskålen før og etter hver måling, for å sikre at de virkelig visste hvor mye lys som traff hver prøve.
Det var mange utfordringer med å få systemet til å fungere. Forskere fraktet UV-lyset til petriskålen med en rekke speil. Imidlertid krever forskjellige UV-bølgelengder forskjellige reflekterende materialer, så NIST-forskere måtte designe et system som brukte speil med forskjellige reflekterende belegg som de kunne bytte ut mellom testkjøringer. De måtte også anskaffe en lysdiffusor for å ta laserstrålen - som har høyere intensitet i midten - og spre den ut slik at den var jevn over hele vannprøven.
Sluttresultatet var en serie grafer som viste hvordan forskjellige bakterier reagerte på UV-lys av forskjellige bølgelengder - de første dataene for noen av mikroberene - med større presisjon enn noen gang målt før. Og teamet fant noen uventede resultater. Virusene viste for eksempel økt følsomhet etter hvert som bølgelengdene gikk ned under 240 nm. Men for andre patogener som Giardia var UV-følsomhet omtrent det samme, selv om bølgelengdene ble lavere.
"Resultatene fra denne studien har blitt brukt ganske ofte av vannverktøyselskaper, reguleringsorganer og andre i UV-feltet som jobber direkte med vann - og også luft - desinfeksjon," sa CU Boulder miljøingeniør Sara Beck, førsteforfatter på tre artikler produsert fra dette 2012-arbeidet. «Det å forstå hvilke bølgelengder av lys som inaktiverer forskjellige patogener, kan gjøre desinfeksjonspraksisen mer presis og effektiv», sier hun.
JEG, UV-robot
Det samme systemet som NIST designet for å levere et kontrollert, smalt bånd med UV-lys til vannprøver, kan også brukes til fremtidige eksperimenter med andre potensielle applikasjoner.
For eksempel håper forskere å utforske hvor godt UV-lys dreper bakterier på faste overflater som de som finnes på sykehusrom, og til og med bakterier suspendert i luften. I et forsøk på å redusere sykehusoppkjøpte infeksjoner, har noen medisinske sentre sprengt rom med en steriliserende stråle av UV-stråling som bæres inn av roboter.
Men det er ingen reelle standarder ennå for bruk av disse robotene, sa forskerne, så selv om de kan være effektive, er det vanskelig å vite hvor effektive, eller å sammenligne styrkene til forskjellige modeller.
" For enheter som bestråler overflater, er det mange variabler. Hvordan vet du at de jobber? Sa Larason. Et system som NIST kan være nyttig for å utvikle en standard måte å teste forskjellige modeller av desinfeksjonsboter på.
Et annet potensielt prosjekt kan undersøke effekten av sollys på det nye koronaviruset, både i luften og på overflater, sier Larason. Og de opprinnelige samarbeidspartnerne sa at de håper å bruke lasersystemet til fremtidige prosjekter relatert til vanndesinfeksjon.
"Følsomheten til mikroorganismer og virus for forskjellige UV-bølgelengder er fortsatt svært relevant for dagens vann- og luftdesinfeksjonspraksis," sa Beck, "spesielt gitt utviklingen av ny teknologi samt nye desinfeksjonsutfordringer, for eksempel de som er forbundet med COVID-19 og sykehusoppkjøpte infeksjoner, for eksempel."
Artikkel kilde:
materialerlevert avNasjonalt institutt for standarder og teknologi (NIST). Original skrevet av Jennifer Lauren Lee. Merk: Innhold kan redigeres for stil og lengde.
