Mientras esperan el acceso completo a sus laboratorios debido a las restricciones de COVID-19, los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han aprovechado esta rara oportunidad para informar los detalles técnicos de la investigación pionera que realizaron sobre la desinfección del agua potable utilizandoluz ultravioleta UV.
En 2012, los científicos del NIST y sus colaboradores publicaron varios documentos sobre algunos hallazgos fundamentales con beneficios potenciales para las empresas de servicios de agua. Pero estos artículos nunca explicaron completamente la configuración de irradiación que hizo posible el trabajo.
Ahora, por primera vez, los investigadores del NIST están publicando los detalles técnicos del experimento único, que se basó en un láser portátil para probar qué tan bien las diferentes longitudes de onda de la luz UV inactivaron diferentes microorganismos en el agua. El trabajo aparece hoy en el Revisión de instrumentos científicos RSI.
"Hemos estado queriendo escribir esto formalmente durante años", dijo Tom Larason de NIST. "Ahora tenemos tiempo para contarle al mundo sobre esto".
Una urgencia para publicar una descripción completa del sistema NIST es que los investigadores prevén el uso de esta configuración UV para nuevos experimentos que van más allá del estudio del agua potable y la desinfección de superficies sólidas y aire. Las posibles aplicaciones podrían incluir una mejor desinfección UV desalas de hospital e incluso estudios sobre cómo la luz solar inactiva el coronavirus responsable de COVID-19.
"Hasta donde yo sé, nadie ha duplicado este trabajo, al menos no para la investigación biológica", dijo Larason. "Es por eso que queremos publicar este documento ahora".
lo suficientemente bueno para beber
La luz ultravioleta tiene longitudes de onda que son demasiado cortas para que el ojo humano las vea. La radiación UV varía de aproximadamente 100 nanómetros nm a 400 nm, mientras que los humanos pueden ver un arco iris de color de violeta aproximadamente 400 nm a rojo aproximadamente 750Nuevo Méjico.
Una forma de desinfectar el agua potable es irradiarla con luz UV, que descompone el ADN de los microorganismos nocivos y las moléculas relacionadas.
En el momento del estudio original, la mayoría de los sistemas de irradiación de agua usaban una lámpara UV que emitía la mayor parte de su luz UV a una sola longitud de onda, 254 nm. Sin embargo, durante años, las empresas de servicios de agua habían mostrado un interés creciente en un tipo diferente delámpara de desinfección que era "policromática", lo que significa que emitía luz UV en múltiples longitudes de onda diferentes. Pero la efectividad de las nuevas lámparas no estaba bien definida, dijo Karl Linden, un ingeniero ambiental de la Universidad de Colorado Boulder CU Boulder que era un investigador principalen el estudio de 2012.
"Descubrimos a mediados de la década de 2000 que las fuentes policromáticas de UV eran más efectivas para la inactivación de virus, específicamente porque estas lámparas producían luz UV a bajas longitudes de onda, por debajo de 230 nm", dijo Linden. "Pero fue difícil cuantificar cuántomás efectivo y cuáles fueron los mecanismos de esa efectividad "
En 2012, un grupo de microbiólogos e ingenieros ambientales liderados por CU Boulder estaba interesado en agregar a la base de conocimiento que tenían las empresas de servicios de agua con respecto a la desinfección UV. Con fondos de la Water Research Foundation, una organización sin fines de lucro, los científicos estaban buscandopruebe metódicamente cuán sensibles eran los diversos gérmenes a las diferentes longitudes de onda de la luz UV.
Normalmente, la fuente de luz para estos experimentos habría sido una lámpara que genera una amplia gama de longitudes de onda UV. Para reducir la banda de frecuencias tanto como sea posible, el plan de los investigadores era hacer brillar la luz a través de filtros. Pero eso todavíahabría producido bandas de luz de 10 nm relativamente anchas, y las frecuencias no deseadas habrían sangrado a través del filtro, haciendo difícil determinar exactamente qué longitudes de onda estaban inactivando cada microorganismo.
Los microbiólogos e ingenieros querían una fuente más limpia y controlable para la luz ultravioleta. Entonces, pidieron ayuda al NIST.
NIST desarrolló, construyó y operó un sistema para administrar un haz UV bien controlado sobre cada muestra de microorganismos que se analiza. La configuración implicó poner en cuestión la muestra: una placa de Petri llena de agua con una cierta concentración de uno de losmuestras - en un recinto hermético a la luz.
Lo que hace que este experimento sea único es que NIST diseñó el haz UV para que sea entregado por un láser sintonizable. "Ajustable" significa que puede producir un haz de luz con un ancho de banda extremadamente estrecho, menos de un solo nanómetro, en un ampliorango de longitudes de onda, en este caso de 210 nm a 300 nm. El láser también era portátil, lo que permitía a los científicos llevarlo al laboratorio donde se realizaba el trabajo. Los investigadores también utilizaron un detector UV calibrado por NIST para medir la luz que golpeaba elplaca de Petri antes y después de cada medición, para asegurarse de que realmente supieran cuánta luz estaba golpeando cada muestra.
Hubo muchos desafíos para que el sistema funcionara. Los investigadores llevaron la luz UV a la placa de Petri con una serie de espejos. Sin embargo, las diferentes longitudes de onda UV requieren diferentes materiales reflectantes, por lo que los investigadores del NIST tuvieron que diseñar un sistema que utilizaraespejos con varios revestimientos reflectantes que podrían intercambiar entre las pruebas de funcionamiento. También tuvieron que adquirir un difusor de luz para tomar el rayo láser, que tiene una mayor intensidad en el centro, y extenderlo para que fuera uniforme en todo elmuestra de agua entera
El resultado final fue una serie de gráficos que mostraban cómo los diferentes gérmenes respondían a la luz UV de diferentes longitudes de onda, los primeros datos para algunos de los microbios, con mayor precisión que nunca antes medidos. Y el equipo encontró algunos resultados inesperados.Por ejemplo, los virus exhibieron una mayor sensibilidad a medida que las longitudes de onda disminuyeron por debajo de 240 nm. Pero para otros patógenos como Giardia, la sensibilidad a los rayos UV fue casi la misma incluso cuando las longitudes de onda disminuyeron.
"Los resultados de este estudio han sido utilizados con bastante frecuencia por empresas de servicios públicos de agua, agencias reguladoras y otros en el campo de los rayos UV que trabajan directamente en la desinfección del agua y también del aire", dijo la ingeniera ambiental de CU Boulder, Sara Beck, primer autoren tres documentos producidos a partir de este trabajo de 2012. "Comprender qué longitudes de onda de luz inactivan a los diferentes patógenos puede hacer que las prácticas de desinfección sean más precisas y eficientes", dijo.
I, robot UV
El mismo sistema que NIST diseñó para entregar una banda estrecha y controlada de luz UV a muestras de agua también se puede usar para futuros experimentos con otras aplicaciones potenciales.
Por ejemplo, los investigadores esperan explorar qué tan bien la luz UV mata los gérmenes en superficies sólidas como las que se encuentran en las habitaciones de los hospitales, e incluso los gérmenes suspendidos en el aire. En un esfuerzo por reducir las infecciones adquiridas en el hospital, algunos centros médicos han voladosalas con un rayo esterilizador de radiación UV transportado por robots.
Pero todavía no hay estándares reales para el uso de estos robots, dijeron los investigadores, por lo que aunque pueden ser efectivos, es difícil saber qué tan efectivos, o comparar las fortalezas de los diferentes modelos.
"Para los dispositivos que irradian superficies, hay muchas variables. ¿Cómo sabes que están funcionando?", Dijo Larason. Un sistema como el NIST podría ser útil para desarrollar una forma estándar de probar diferentes modelos de robots de desinfección.
Otro proyecto potencial podría examinar el efecto de la luz solar en el nuevo coronavirus, tanto en el aire como en las superficies, dijo Larason. Y los colaboradores originales dijeron que esperan usar el sistema láser para futuros proyectos relacionados con la desinfección del agua.
"La sensibilidad de los microorganismos y los virus a las diferentes longitudes de onda UV sigue siendo muy relevante para las prácticas actuales de desinfección del agua y el aire", dijo Beck, "especialmente dado el desarrollo de nuevas tecnologías y nuevos desafíos de desinfección, como los asociados conCOVID-19 e infecciones adquiridas en el hospital, por ejemplo ".
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