Arrojando luz sobre un problema oscuro

Nov 09, 2023

La investigación de ASU ofrece UV-C de una forma novedosa para derrotar a las bacterias en espacios reducidos

Universidad del estado de Arizona

Imagen: Prueba de luz ultravioleta a través de fibras ópticas de emisión lateral (SEOF): (a) Westerhoff y su equipo crearon una configuración experimental para cultivar biopelículas en un cupón de placa de Inconel con irradiación de SEOF que entregan UV-A, -B o -C desde un LED o un reactor de control con SEOF no conectados a un LED UV. (b) La irradiancia experimental se midió a diferentes distancias del SEOF y a lo largo de él. (c) Se midió la irradiancia de luz espacial integrada desde los tres SEOF paralelos en el reactor. Gráfico cortesía de Paul Westerhoff/ASUver más

Crédito: Paul Westerhoff / Universidad Estatal de Arizona

Las biopelículas bacterianas son grupos de microorganismos que se forman en superficies mojadas prácticamente en todas partes. Albergan patógenos que comprometen la calidad del agua y pueden alterar el funcionamiento de muchos sistemas de ingeniería diferentes mediante la corrosión, la suciedad y la obstrucción de tanques, tuberías y válvulas.

En algunos entornos, podrían incluso ser mortales. Los trajes espaciales que permiten operaciones de la tripulación fuera de la Estación Espacial Internacional utilizan agua recirculante para regular la temperatura corporal en los extremos orbitales de pleno sol (250 F) y plena sombra (-250 F). Pero las biopelículas que florecen en esas líneas de agua casi han comprometido la seguridad de los astronautas durante las caminatas espaciales.

La luz ultravioleta, o UV, ofrece un medio eficaz y libre de químicos para controlar este problema al dañar el ADN y los sistemas de reparación de enzimas de los microbios, lo que conduce a su desaparición. Pero las lámparas UV comúnmente utilizadas para desinfectar el agua conllevan el riesgo de fugas de materiales peligrosos porque están basadas en mercurio. Además, sus diseños no son prácticos para tuberías de diámetro estrecho y otros espacios reducidos donde es probable que crezcan biopelículas.

En busca de una solución práctica, investigadores de la Universidad Estatal de Arizona colaboraron con la nueva empresa H2Optic Insights para desarrollar un método novedoso de uso de luz ultravioleta, específicamente UV-C de longitud de onda más corta, para inhibir el crecimiento de biopelículas en casi cualquier espacio. Los resultados de su trabajo se publican en la edición de julio de la revista Nature Water.

"La luz ultravioleta ha sido ampliamente estudiada por su capacidad para desactivar bacterias y microorganismos en el agua", dijo Paul Westerhoff, autor correspondiente del artículo y profesor de ingeniería civil y ambiental en las Escuelas de Ingeniería Ira A. Fulton de ASU. "Pero hay investigaciones limitadas sobre su eficacia contra las bacterias en biopelículas establecidas, y un desafío clave en la investigación de biopelículas que utiliza luz UV-C es entregar luz de manera efectiva a las superficies en sistemas de agua a presión".

Westerhoff y su equipo superaron este desafío utilizando LED conectados a fibras ópticas delgadas de emisión lateral, o SEOF, colocadas directamente sobre superficies donde se pueden desarrollar biopelículas. El equipo inhibió con éxito el crecimiento de biopelículas suministrando luz UV-C a través de SEOF en longitudes de onda de 265 o 275 nanómetros y a bajos niveles de irradiancia, justo por encima de un umbral de 9 µW/cm2.

El estudio también consideró el impacto de diferentes longitudes de onda UV en la inhibición de biopelículas, revelando que UV-A y UV-B tenían efectos insignificantes en niveles bajos de irradiancia donde UV-C era efectivo. Westerhoff y su equipo demostraron además que el ciclo intermitente de UV-C (con 10 minutos de irradiación seguidos de 50 minutos de oscuridad) lograba resultados comparables a la exposición continua a la luz. Eso significó reducir el uso de energía en más del 80%.

"Desde una perspectiva de diseño, los SEOF ofrecen una solución flexible para iluminar eficazmente extensas áreas de superficie dentro de tuberías estrechas o superficies de formas irregulares", dijo Westerhoff, quien también es subdirector del Centro de Investigación de Ingeniería de Nanosistemas de la Fundación Nacional de Ciencias sobre Tratamiento de Agua basado en Nanotecnología. o NEWT. "Esto se puede lograr utilizando un único SEOF o múltiples SEOF integrados en diseños de malla".

Dijo que los SEOF también tienen el potencial de revolucionar el diseño de aparatos para el control de biopelículas, ya que pueden enviar rayos UV en cualquier longitud de onda a superficies donde se pueden desarrollar biopelículas y sin la necesidad de tener en cuenta complicaciones como la absorción de luz o la dispersión en el agua, lo que sería un Preocupación cuando se utiliza un LED de fuente puntual para iluminar una superficie.

"El uso de LED UV-C con SEOF es realmente prometedor en la lucha contra las biopelículas en los sistemas de agua, particularmente en sistemas de agua cerrados y corrientes donde los métodos tradicionales de suministro de luz son limitados", dijo Westerhoff. "Por lo tanto, estos hallazgos contribuyen a mejorar la seguridad, el rendimiento y la eficiencia energética de los sistemas de tratamiento de agua, incluso en entornos desafiantes como la Estación Espacial Internacional".

Westerhoff dijo que se necesitan más investigaciones para explorar cómo las biopelículas en diversas etapas de desarrollo responden a la luz ultravioleta de diferentes longitudes de onda. También existe la necesidad de optimizar el método UV-SEOF para diferentes aplicaciones, como dispositivos biomédicos y sistemas de energía.

Otros autores del artículo de Nature Water son Zhe Zhao, Nora Shapiro, François Perreault y Bruce Rittmann, todos de ASU, así como Hojung Rho del Instituto Coreano de Ingeniería Civil y Tecnología de la Construcción y Li Ling del Instituto Interdisciplinario Avanzado de Medio Ambiente y Ecología en la Universidad Normal de Beijing.

naturaleza agua

10.1038/s44221-023-00111-7

Estudio experimental

Células

Inhibición de biopelículas en superficies mediante luz ultravioleta emitida lateralmente por fibras ópticas.

10-jul-2023

PW, ZZ y NS son autores de una solicitud de patente para fibras ópticas de emisión lateral; PW es copropietario de una empresa (H2Optic Insights LLC) que tiene como objetivo comercializar la tecnología de fibra óptica de emisión lateral. Los demás autores no declaran tener intereses en competencia.

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