En attendant un accès complet à leurs laboratoires en raison des restrictions COVID-19, Les scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont saisi cette rare occasion pour rapporter les détails techniques des recherches pionnières qu'ils ont menées sur la désinfection de l'eau potable à l'aide de la lumière ultraviolette (UV).

De retour en 2012, les scientifiques du NIST et leurs collaborateurs ont publié plusieurs articles sur certaines découvertes fondamentales présentant des avantages potentiels pour les sociétés de distribution d'eau. Mais ces articles n'ont jamais complètement expliqué la configuration d'irradiation qui a rendu le travail possible.

Maintenant, pour la première fois, Les chercheurs du NIST publient les détails techniques de l'expérience unique, qui s'est appuyé sur un laser portable pour tester dans quelle mesure différentes longueurs d'onde de la lumière UV inactivaient différents micro-organismes dans l'eau. L'ouvrage paraît aujourd'hui dans le Examen des instruments scientifiques ( RSI ).

"Nous voulions écrire cela officiellement depuis des années, " a déclaré Tom Larason du NIST. "Maintenant, nous avons le temps d'en parler au monde."

Une urgence pour publier une description complète du système NIST est que les chercheurs envisagent d'utiliser cette configuration UV pour de nouvelles expériences qui vont au-delà de l'étude de l'eau potable et de la désinfection des surfaces solides et de l'air. Les applications potentielles pourraient inclure une meilleure désinfection UV des chambres d'hôpital et même des études sur la façon dont la lumière du soleil inactive le coronavirus responsable du COVID-19.

"Pour autant que je sache, personne n'a dupliqué ce travail, du moins pas pour la recherche biologique, " Larason a déclaré. "C'est pourquoi nous voulons sortir ce document maintenant."

Assez bon à boire

La lumière ultraviolette a des longueurs d'onde trop courtes pour que l'œil humain puisse les voir. Les UV vont d'environ 100 nanomètres (nm) à 400 nm, alors que les humains peuvent voir un arc-en-ciel de couleur allant du violet (environ 400 nm) au rouge (environ 750 nm).

Une façon de désinfecter l'eau potable est de l'irradier avec de la lumière UV, qui décompose l'ADN des micro-organismes nocifs et les molécules apparentées.

Au moment de l'étude initiale, la plupart des systèmes d'irradiation de l'eau utilisaient une lampe UV qui émettait la majeure partie de sa lumière UV à une seule longueur d'onde, 254 nm. Pendant des années, bien que, les sociétés de distribution d'eau ont manifesté un intérêt croissant pour un autre type de lampe de désinfection « polychromatique, " ce qui signifie qu'il a émis de la lumière UV à plusieurs longueurs d'onde différentes. Mais l'efficacité des nouvelles lampes n'était pas bien définie, dit Karl Linden, un ingénieur environnemental de l'Université du Colorado Boulder (CU Boulder) qui était un chercheur principal de l'étude de 2012.

"Nous avons découvert au milieu des années 2000 que les sources UV polychromatiques étaient plus efficaces pour l'inactivation des virus, en particulier parce que ces lampes produisaient de la lumière UV à de faibles longueurs d'onde, sous 230 nm, " a déclaré Linden. "Mais il était difficile de quantifier combien plus efficace et quels étaient les mécanismes de cette efficacité."

En 2012, un groupe de microbiologistes et d'ingénieurs environnementaux dirigé par CU Boulder souhaitait enrichir la base de connaissances des sociétés de distribution d'eau concernant la désinfection UV. Avec le financement de la Water Research Foundation, une organisation à but non lucratif, les scientifiques cherchaient à tester méthodiquement la sensibilité de divers germes aux différentes longueurs d'onde de la lumière UV.

Normalement, la source lumineuse pour ces expériences aurait été une lampe qui génère une large gamme de longueurs d'onde UV. Pour rétrécir au maximum la bande de fréquences, le plan des chercheurs était de faire briller la lumière à travers des filtres. Mais cela aurait quand même produit relativement large, bandes lumineuses de 10 nm, et les fréquences indésirables auraient traversé le filtre, rendant difficile de déterminer exactement quelles longueurs d'onde inactivaient chaque micro-organisme.

Les microbiologistes et les ingénieurs voulaient un nettoyant, source plus contrôlable pour la lumière UV. Donc, ils ont fait appel au NIST pour les aider.

NIST développé, construit et exploité un système pour fournir un faisceau UV bien contrôlé sur chaque échantillon de micro-organismes testés. La configuration consistait à mettre l'échantillon en question - une boîte de Pétri remplie d'eau avec une certaine concentration de l'un des spécimens - dans une enceinte étanche à la lumière.

Ce qui rend cette expérience unique, c'est que le NIST a conçu le faisceau UV pour être délivré par un laser accordable. "Tunable" signifie qu'il peut produire un faisceau de lumière avec une bande passante extrêmement étroite - moins d'un nanomètre - sur une large gamme de longueurs d'onde, dans ce cas de 210 nm à 300 nm. Le laser était également portable, permettant aux scientifiques de l'apporter au laboratoire où les travaux étaient menés. Les chercheurs ont également utilisé un détecteur UV étalonné par le NIST pour mesurer la lumière frappant la boîte de Pétri avant et après chaque mesure, pour s'assurer qu'ils savaient vraiment combien de lumière frappait chaque échantillon.

Il y avait beaucoup de défis pour faire fonctionner le système. Les chercheurs ont transporté la lumière UV vers la boîte de Pétri avec une série de miroirs. Cependant, différentes longueurs d'onde UV nécessitent différents matériaux réfléchissants, les chercheurs du NIST ont donc dû concevoir un système utilisant des miroirs avec divers revêtements réfléchissants qu'ils pouvaient échanger entre les tests. Ils ont également dû se procurer un diffuseur de lumière pour prendre le faisceau laser - qui a une intensité plus élevée au centre - et le répartir de manière à ce qu'il soit uniforme sur tout l'échantillon d'eau.

Le résultat final était une série de graphiques qui montraient comment différents germes réagissaient à la lumière UV de différentes longueurs d'onde - les premières données pour certains des microbes - avec une plus grande précision que jamais mesurée auparavant. Et l'équipe a trouvé des résultats inattendus. Par exemple, les virus présentaient une sensibilité accrue lorsque les longueurs d'onde diminuaient en dessous de 240 nm. Mais pour d'autres agents pathogènes tels que Giardia, La sensibilité aux UV était à peu près la même, même lorsque les longueurs d'onde diminuaient.

« Les résultats de cette étude ont été utilisés assez fréquemment par les sociétés de distribution d'eau, organismes de réglementation et autres dans le domaine UV travaillant directement sur la désinfection de l'eau - et aussi de l'air, " a déclaré Sara Beck, ingénieure en environnement de CU Boulder, premier auteur sur trois articles produits à partir de ce travail de 2012. « Comprendre quelles longueurs d'onde de la lumière inactivent différents agents pathogènes peut rendre les pratiques de désinfection plus précises et efficaces, " elle a dit.

JE, Robot UV

Le même système que le NIST a conçu pour fournir un Une bande étroite de lumière UV sur des échantillons d'eau peut également être utilisée pour de futures expériences avec d'autres applications potentielles.

Par exemple, les chercheurs espèrent explorer dans quelle mesure la lumière UV tue les germes sur les surfaces solides telles que celles trouvées dans les chambres d'hôpital, et même des germes en suspension dans l'air. Afin de réduire les infections nosocomiales, certains centres médicaux ont fait sauter des salles avec un faisceau stérilisant de rayonnement UV transporté par des robots.

Mais il n'y a pas encore de vraies normes pour l'utilisation de ces robots, les chercheurs ont dit, donc bien qu'ils puissent être efficaces, il est difficile de savoir à quel point il est efficace, ou pour comparer les points forts de différents modèles.

"Pour les appareils qui irradient des surfaces, Il y a beaucoup de variable. Comment savez-vous qu'ils fonctionnent ?", a déclaré Larason. Un système comme celui du NIST pourrait être utile pour développer un moyen standard de tester différents modèles de robots de désinfection.

Un autre projet potentiel pourrait examiner l'effet de la lumière du soleil sur le nouveau coronavirus, à la fois dans l'air et sur les surfaces, dit Larason. Et les collaborateurs d'origine ont déclaré qu'ils espéraient utiliser le système laser pour de futurs projets liés à la désinfection de l'eau.

"La sensibilité des micro-organismes et des virus aux différentes longueurs d'onde UV est toujours très pertinente pour les pratiques actuelles de désinfection de l'eau et de l'air, " Beck a dit, « surtout compte tenu du développement de nouvelles technologies ainsi que des nouveaux défis de la désinfection, tels que ceux associés au COVID-19 et aux infections nosocomiales, par exemple."