Fare luce su un problema oscuro

Nov 09, 2023

La ricerca dell’ASU fornisce UV-C in un modo nuovo per sconfiggere i batteri in spazi ristretti

Università statale dell'Arizona

immagine: Test della luce UV attraverso fibre ottiche a emissione laterale (SEOF): (a) Westerhoff e il suo team hanno creato un apparato sperimentale per la crescita del biofilm su un coupon di piastra Inconel con irradiazione da SEOF che fornisce UV-A, -B o -C da un LED o un reattore di controllo con SEOF non collegato a un LED UV. (b) L'irradianza sperimentale è stata misurata a diverse distanze da e lungo la lunghezza del SEOF. (c) L'irradiazione luminosa spaziale integrata è stata misurata da tutti e tre i SEOF paralleli nel reattore. Grafica per gentile concessione di Paul Westerhoff/ASUvedere di più

Credito: Paul Westerhoff / Arizona State University

I biofilm batterici sono gruppi di microrganismi che si formano sulle superfici bagnate praticamente ovunque. Ospitano agenti patogeni che compromettono la qualità dell'acqua e possono interrompere il funzionamento di molti sistemi ingegnerizzati diversi attraverso la corrosione, l'imbrattamento e l'ostruzione di serbatoi, tubi e valvole.

In alcuni contesti potrebbero addirittura essere mortali. Le tute spaziali che consentono le operazioni dell'equipaggio al di fuori della Stazione Spaziale Internazionale utilizzano l'acqua ricircolante per regolare la temperatura corporea negli estremi orbitali di pieno sole (250 F) e piena ombra (-250 F). Ma i biofilm che fioriscono in quelle linee d’acqua hanno quasi compromesso la sicurezza degli astronauti durante le passeggiate spaziali.

La luce ultravioletta, o UV, offre un mezzo efficace e privo di sostanze chimiche per controllare questo problema danneggiando il DNA e i sistemi di riparazione degli enzimi dei microbi, il che porta alla loro morte. Ma le lampade UV comunemente utilizzate per disinfettare l’acqua comportano il rischio di perdite di materiali pericolosi perché sono a base di mercurio. Inoltre, i loro design non sono pratici per tubi di diametro stretto e altri spazi ristretti in cui è probabile che crescano biofilm.

Alla ricerca di una soluzione pratica, i ricercatori dell’Arizona State University hanno collaborato con la start-up H2Optic Insights per sviluppare un nuovo metodo di utilizzo della luce UV, in particolare UV-C a lunghezza d’onda più corta, per inibire la crescita del biofilm in quasi tutti gli spazi. I risultati del loro lavoro sono pubblicati nel numero di luglio della rivista Nature Water.

"La luce ultravioletta è stata ampiamente studiata per la sua capacità di disattivare batteri e microrganismi nell'acqua", ha affermato Paul Westerhoff, autore corrispondente dell'articolo e professore di ingegneria civile e ambientale presso la Ira A. Fulton Schools of Engineering dell'ASU. “Ma la ricerca sulla sua efficacia contro i batteri nei biofilm consolidati è limitata, e una sfida chiave nella ricerca sui biofilm che utilizza la luce UV-C è fornire luce in modo efficace alle superfici nei sistemi idrici pressurizzati”.

Westerhoff e il suo team hanno superato questa sfida utilizzando LED collegati a sottili fibre ottiche a emissione laterale, o SEOF, posizionate direttamente su superfici dove possono svilupparsi biofilm. Il team è riuscito a inibire la crescita del biofilm fornendo luce UV-C attraverso i SEOF a lunghezze d'onda di 265 o 275 nanometri e a bassi livelli di irradianza, appena sopra la soglia di 9 µW/cm2.

Lo studio ha inoltre considerato l’impatto delle diverse lunghezze d’onda UV sull’inibizione del biofilm, rivelando che UV-A e UV-B avevano effetti trascurabili a bassi livelli di irradianza dove l’UV-C era efficace. Westerhoff e il suo team hanno inoltre dimostrato che il ciclo intermittente di UV-C, con 10 minuti di irradiazione seguiti da 50 minuti di tempo di buio, ha ottenuto risultati paragonabili all’esposizione continua alla luce. Ciò significava ridurre il consumo di energia di oltre l’80%.

"Dal punto di vista del design, i SEOF offrono una soluzione flessibile per illuminare efficacemente ampie superfici all'interno di tubi stretti o superfici di forma irregolare", ha affermato Westerhoff, che è anche vicedirettore del Nanosystems Engineering Research Center on Nanotechnology-Enabled Water Treatment della National Science Foundation, o NEWT. "Ciò può essere ottenuto utilizzando un singolo SEOF o più SEOF integrati nei progetti mesh."