In attesa del pieno accesso ai loro laboratori a causa delle restrizioni COVID-19, gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno colto questa rara opportunità per riferire i dettagli tecnici della ricerca pionieristica che hanno condotto sulla disinfezione dell'acqua potabile utilizzando la luce ultravioletta (UV).

Già nel 2012, gli scienziati del NIST ei loro collaboratori hanno pubblicato diversi articoli su alcune scoperte fondamentali con potenziali benefici per le società di servizi idrici. Ma questi articoli non hanno mai spiegato completamente la configurazione dell'irradiazione che ha reso possibile il lavoro.

Ora, per la prima volta, I ricercatori del NIST stanno pubblicando i dettagli tecnici dell'esperimento unico, che si basava su un laser portatile per testare quanto bene lunghezze d'onda diverse della luce UV inattivassero diversi microrganismi nell'acqua. L'opera appare oggi nel Rassegna di strumenti scientifici ( RSI ).

"Abbiamo voluto scrivere formalmente questo per anni, " ha detto Tom Larason del NIST. "Ora abbiamo tempo per raccontarlo al mondo".

Un'urgenza per la pubblicazione di una descrizione completa del sistema NIST è che i ricercatori prevedono di utilizzare questa configurazione UV per nuovi esperimenti che vanno oltre lo studio dell'acqua potabile e nella disinfezione delle superfici solide e dell'aria. Le potenziali applicazioni potrebbero includere una migliore disinfezione UV delle stanze d'ospedale e persino studi su come la luce solare inattiva il coronavirus responsabile del COVID-19.

"Per quanto ne so, nessuno ha duplicato quest'opera, almeno non per la ricerca biologica, " Ha detto Larason. "Ecco perché vogliamo far uscire questo giornale ora."

Abbastanza buono da bere

La luce ultravioletta ha lunghezze d'onda troppo corte per essere viste dall'occhio umano. L'UV varia da circa 100 nanometri (nm) a 400 nm, mentre gli esseri umani possono vedere un arcobaleno di colori dal viola (circa 400 nm) al rosso (circa 750 nm).

Un modo per disinfettare l'acqua potabile è irradiarla con luce UV, che scompone il DNA dei microrganismi dannosi e le molecole correlate.

Al momento dello studio originale, la maggior parte dei sistemi di irradiazione dell'acqua utilizzava una lampada UV che emetteva la maggior parte della sua luce UV a una singola lunghezza d'onda, 254nm. Per anni, anche se, le società di servizi idrici avevano mostrato un interesse crescente per un diverso tipo di lampada di disinfezione che fosse "policromatica, " il che significa che emetteva luce UV a più lunghezze d'onda diverse. Ma l'efficacia delle nuove lampade non era ben definita, ha detto Karl Linden, un ingegnere ambientale dell'Università del Colorado Boulder (CU Boulder) che è stato uno dei principali investigatori dello studio del 2012.

"Abbiamo scoperto a metà degli anni 2000 che le sorgenti UV policromatiche erano più efficaci per l'inattivazione del virus, in particolare perché queste lampade producevano luce UV a basse lunghezze d'onda, sotto i 230 nm, "Ha detto Linden. "Ma era difficile quantificare quanto più efficace e quali fossero i meccanismi di tale efficacia".

Nel 2012, un gruppo di microbiologi e ingegneri ambientali guidati da CU Boulder era interessato ad aggiungere alla base di conoscenze che le società di servizi idrici avevano riguardo alla disinfezione UV. Con il finanziamento della Water Research Foundation, un'organizzazione senza scopo di lucro, gli scienziati stavano cercando di testare metodicamente la sensibilità dei vari germi alle diverse lunghezze d'onda della luce UV.

Normalmente, la fonte di luce per questi esperimenti sarebbe stata una lampada che genera un'ampia gamma di lunghezze d'onda UV. Per restringere il più possibile la banda delle frequenze, il piano dei ricercatori era far brillare la luce attraverso i filtri. Ma ciò avrebbe comunque prodotto relativamente ampio, bande di luce a 10 nm, e le frequenze indesiderate sarebbero passate attraverso il filtro, rendendo difficile determinare esattamente quali lunghezze d'onda stavano inattivando ciascun microrganismo.

I microbiologi e gli ingegneri volevano un addetto alle pulizie, sorgente più controllabile per la luce UV. Così, hanno chiesto aiuto al NIST.

NIST sviluppato, costruito e gestito un sistema per fornire un raggio UV ben controllato su ogni campione di microrganismi da testare. L'allestimento prevedeva di mettere il campione in questione, una capsula di Petri riempita d'acqua con una certa concentrazione di uno dei campioni, in un recinto a tenuta di luce.

Ciò che rende unico questo esperimento è che il NIST ha progettato il raggio UV per essere consegnato da un laser sintonizzabile. "sintonizzabile" significa che può produrre un raggio di luce con una larghezza di banda estremamente stretta, inferiore a un singolo nanometro, su un'ampia gamma di lunghezze d'onda, in questo caso da 210 nm a 300 nm. Il laser era anche portatile, permettendo agli scienziati di portarlo al laboratorio dove si stava svolgendo il lavoro. I ricercatori hanno anche utilizzato un rilevatore UV calibrato dal NIST per misurare la luce che colpisce la capsula di Petri prima e dopo ogni misurazione, per assicurarsi che sapessero davvero quanta luce colpiva ogni campione.

Ci sono state molte sfide per far funzionare il sistema. I ricercatori hanno traghettato la luce UV alla capsula di Petri con una serie di specchi. Però, lunghezze d'onda UV diverse richiedono materiali riflettenti diversi, quindi i ricercatori del NIST hanno dovuto progettare un sistema che utilizzasse specchi con vari rivestimenti riflettenti che potevano sostituire tra le prove. Hanno anche dovuto procurarsi un diffusore di luce per prendere il raggio laser, che ha una maggiore intensità al centro, e distribuirlo in modo che fosse uniforme su tutto il campione d'acqua.

Il risultato finale è stata una serie di grafici che mostravano come i diversi germi rispondessero alla luce UV di diverse lunghezze d'onda, i primi dati per alcuni microbi, con una precisione mai misurata prima. E il team ha trovato alcuni risultati inaspettati. Per esempio, i virus hanno mostrato una maggiore sensibilità quando le lunghezze d'onda sono diminuite al di sotto di 240 nm. Ma per altri patogeni come Giardia, La sensibilità ai raggi UV era più o meno la stessa anche se le lunghezze d'onda si abbassavano.

"I risultati di questo studio sono stati utilizzati abbastanza frequentemente dalle società di servizi idrici, agenzie di regolamentazione e altri nel campo UV che lavorano direttamente sulla disinfezione dell'acqua e anche dell'aria, ", ha affermato l'ingegnere ambientale CU Boulder Sara Beck, primo autore di tre articoli prodotti da questo lavoro del 2012. "Capire quali lunghezze d'onda della luce inattivano diversi agenti patogeni può rendere le pratiche di disinfezione più precise ed efficienti, " lei disse.

IO, Robot UV

Lo stesso sistema che NIST ha progettato per fornire un controllo, banda stretta di luce UV per campioni d'acqua può essere utilizzata anche per futuri esperimenti con altre potenziali applicazioni.

Per esempio, i ricercatori sperano di esplorare quanto bene la luce UV uccida i germi su superfici solide come quelle che si trovano nelle stanze d'ospedale, e perfino germi sospesi nell'aria. Nel tentativo di ridurre le infezioni nosocomiali, alcuni centri medici hanno fatto esplodere stanze con un raggio sterilizzante di radiazioni UV trasportate da robot.

Ma non ci sono ancora degli standard reali per l'uso di questi robot, i ricercatori hanno detto, quindi sebbene possano essere efficaci, è difficile sapere quanto sia efficace, o per confrontare i punti di forza di diversi modelli.

"Per i dispositivi che irradiano superfici, ci sono molte variabili. Come fai a sapere che funzionano?" ha detto Larason. Un sistema come il NIST potrebbe essere utile per sviluppare un modo standard per testare diversi modelli di robot di disinfezione.

Un altro potenziale progetto potrebbe esaminare l'effetto della luce solare sul nuovo coronavirus, sia in aria che in superficie, ha detto Larason. E i collaboratori originali hanno affermato di sperare di utilizzare il sistema laser per progetti futuri relativi alla disinfezione dell'acqua.

"La sensibilità di microrganismi e virus alle diverse lunghezze d'onda UV è ancora molto rilevante per le attuali pratiche di disinfezione dell'acqua e dell'aria, "Beck ha detto, "soprattutto in considerazione dello sviluppo di nuove tecnologie e delle nuove sfide di disinfezione, come quelli associati a COVID-19 e infezioni nosocomiali, Per esempio."