Wir bringen Licht in das dunkle Problem der Biofilme

Bakterielle Biofilme sind Ansammlungen von Mikroorganismen, die sich praktisch überall auf benetzten Oberflächen bilden. Sie beherbergen Krankheitserreger, die die Wasserqualität beeinträchtigen, und sie können den Betrieb vieler verschiedener technischer Systeme durch Korrosion, Verschmutzung und Verstopfung von Tanks, Rohren und Ventilen stören.

In manchen Situationen können sie sogar tödlich sein. Raumanzüge, die Besatzungsoperationen außerhalb der Internationalen Raumstation ermöglichen, nutzen zirkulierendes Wasser, um die Körpertemperatur in den Orbitalextremen von voller Sonne (250 F) und vollem Schatten (-250 F) zu regulieren. Aber in diesen Wasserleitungen blühende Biofilme haben die Sicherheit der Astronauten bei Weltraumspaziergängen nahezu gefährdet.

Ultraviolettes oder UV-Licht bietet ein wirksames, chemikalienfreies Mittel zur Bekämpfung dieses Problems, indem es die DNA- und Enzymreparatursysteme von Mikroben schädigt – was zu deren Absterben führt. Bei den UV-Lampen, die üblicherweise zur Wasserdesinfektion verwendet werden, besteht jedoch die Gefahr, dass gefährliche Stoffe austreten, da sie auf Quecksilber basieren. Darüber hinaus sind ihre Designs für Schläuche mit schmalem Durchmesser und andere enge Räume, in denen sich wahrscheinlich Biofilme bilden, nicht praktikabel.

Auf der Suche nach einer praktischen Lösung arbeiteten Forscher der Arizona State University mit dem Start-up-Unternehmen H2Optic Insights zusammen, um eine neuartige Methode zur Verwendung von UV-Licht, insbesondere UV-C mit kürzerer Wellenlänge, zu entwickeln, um das Wachstum von Biofilmen in nahezu jedem Raum zu hemmen. Die Ergebnisse ihrer Arbeit werden in der Juli-Ausgabe der Zeitschrift veröffentlicht Naturwasser.

„Ultraviolettes Licht wurde eingehend auf seine Fähigkeit untersucht, Bakterien und Mikroorganismen im Wasser zu deaktivieren“, sagte Paul Westerhoff, korrespondierender Autor des Artikels und Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen an den Ira A. Fulton Schools of Engineering der ASU. „Aber es gibt nur begrenzte Forschungsergebnisse zu seiner Wirksamkeit gegen Bakterien in etablierten Biofilmen, und eine zentrale Herausforderung bei der Biofilmforschung mit UV-C-Licht besteht darin, Oberflächen in Druckwassersystemen effektiv Licht zuzuführen.“

Westerhoff und sein Team haben diese Herausforderung gemeistert, indem sie LEDs verwendet haben, die mit dünnen, seitlich emittierenden optischen Fasern (SEOFs) verbunden waren und direkt auf Oberflächen platziert wurden, auf denen sich Biofilme entwickeln können. Das Team hemmte erfolgreich das Wachstum von Biofilmen, indem es UV-C-Licht durch SEOFs mit Wellenlängen von 265 oder 275 Nanometern und bei niedrigen Bestrahlungsstärken knapp über einem Schwellenwert lieferte von 9 µW/cm2.

Die Studie berücksichtigte auch den Einfluss verschiedener UV-Wellenlängen auf die Biofilmhemmung und zeigte, dass UV-A und UV-B bei niedrigen Bestrahlungsstärken, bei denen UV-C wirksam war, vernachlässigbare Auswirkungen hatten. Westerhoff und sein Team zeigten außerdem, dass intermittierende Zyklen von UV-C – mit 10 Minuten Bestrahlung, gefolgt von 50 Minuten Dunkelzeit – Ergebnisse erzielten, die mit einer kontinuierlichen Lichtexposition vergleichbar waren. Das bedeutete eine Reduzierung des Energieverbrauchs um mehr als 80 %.

„Aus gestalterischer Sicht bieten SEOFs eine flexible Lösung zur effektiven Beleuchtung großer Oberflächenbereiche in schmalen Rohren oder unregelmäßig geformten Oberflächen“, sagte Westerhoff, der auch stellvertretender Direktor des National Science Foundation Nanosystems Engineering Research Center on Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT) ist. „Dies kann entweder durch die Verwendung eines einzelnen SEOF oder mehrerer in Mesh-Designs integrierter SEOFs erreicht werden.“

Er sagte, dass SEOFs auch das Potenzial haben, das Design von Geräten zur Biofilmkontrolle zu revolutionieren, da sie UV-Strahlung bei allen Wellenlängen auf Oberflächen abgeben können, auf denen sich Biofilme entwickeln können, ohne dass Komplikationen wie Lichtabsorption oder -streuung durch Wasser berücksichtigt werden müssen, was bei der Verwendung einer Punktquellen-LED zur Beleuchtung einer Oberfläche ein Problem darstellen würde.

„Der Einsatz von UV-C-LEDs mit SEOFs ist vielversprechend bei der Bekämpfung von Biofilmen in Wassersystemen, insbesondere in geschlossenen und fließenden Wassersystemen, in denen herkömmliche Methoden zur Lichtabgabe nur begrenzt zur Verfügung stehen“, sagte Westerhoff. „Diese Erkenntnisse tragen also dazu bei, die Sicherheit, Leistung und Energieeffizienz von Wasseraufbereitungssystemen zu verbessern, auch in anspruchsvollen Umgebungen wie der Internationalen Raumstation.“

Westerhoff sagte, dass weitere Forschung erforderlich sei, um zu untersuchen, wie Biofilme in verschiedenen Entwicklungsstadien auf UV-Licht unterschiedlicher Wellenlänge reagieren. Es besteht auch Bedarf, die UV-SEOF-Methode für verschiedene Anwendungen zu optimieren, beispielsweise für biomedizinische Geräte und Energiesysteme.

Andere Autoren des Naturwasser Auf dem Papier sind Zhe Zhao, Nora Shapiro, François Perreault und Bruce Rittmann – alle von der ASU – sowie Hojung Rho vom Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology und Li Ling vom Advanced Interdisciplinary Institute of Environment and Ecology der Beijing Normal University vertreten.