Ультрафиолет против биоплёнок: новый подход для узких труб и космических скафандров

Бактериальные биоплёнки — это скопления микроорганизмов на влажных поверхностях, которые встречаются повсюду. Они ухудшают качество воды и нарушают работу инженерных систем, вызывая коррозию, обрастание и засорение труб и клапанов. В некоторых случаях они могут быть смертельно опасны: например, биоплёнки в системах рециркуляции воды скафандров для выхода в открытый космос с Международной космической станции уже ставили под угрозу безопасность астронавтов.

Ультрафиолетовый (УФ) свет — эффективный, бесхимикатный метод борьбы с этой проблемой, так как он повреждает ДНК и системы репарации ферментов микробов. Однако обычные УФ-лампы для обеззараживания воды содержат ртуть, что создаёт риск утечек, а их конструкция непрактична для узких труб и труднодоступных мест, где растут биоплёнки.

Исследователи из Университета штата Аризона совместно со стартапом H₂Optic Insights разработали новый метод использования УФ-света, в частности, коротковолнового УФ-С, для подавления роста биоплёнок практически в любом пространстве. Результаты опубликованы в июльском номере журнала Nature Water.

Ключевое решение: световоды и УФ-светодиоды

Команда под руководством Пола Вестерхоффа преодолела проблему доставки света, используя светодиоды (LED), подключённые к тонким боковым излучающим оптическим волокнам (СИОВ, или SEOFs). Эти волокна размещаются непосредственно на поверхностях, где могут развиваться биоплёнки.

Исследователи успешно подавили рост биоплёнок, доставляя УФ-С свет через SEOFs на длинах волн 265 или 275 нанометров при низкой интенсивности облучения — чуть выше порога в 9 µВт/см².

Важные выводы исследования:

• УФ-А и УФ-В свет при низкой интенсивности оказались неэффективны, в отличие от УФ-С.
• Прерывистый цикл облучения (10 минут света, 50 минут темноты) дал результаты, сопоставимые с постоянным освещением, что позволило сократить энергопотребление более чем на 80%.
• SEOFs предлагают гибкое решение для освещения обширных площадей внутри узких труб или поверхностей сложной формы. Их можно использовать поодиночке или интегрировать в сетчатые конструкции.

«Использование УФ-С светодиодов с боковыми излучающими волокнами показывает реальные перспективы в борьбе с биоплёнками в водных системах, особенно в замкнутых и проточных, где традиционные методы доставки света ограничены», — отметил Вестерхофф.

Этот подход может повысить безопасность, производительность и энергоэффективность систем водоочистки, в том числе в таких сложных условиях, как МКС. Для дальнейшего развития метода необходимы исследования реакции биоплёнок на разных стадиях развития на УФ-свет различных длин волн и оптимизация метода для биомедицинских устройств и энергетических систем.