Ультрафіолетові світлодіоди в проблемі інактивації мікроорганізмів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ультрафіолетовий випромінювання світлодіод

Стаття з теми:

Ультрафіолетові світлодіоди в проблемі інактивації мікроорганізмів

Морозова Н.С., Марієвський В.Ф., Рідний С.В., Головчак Г.С., Коробкова І.В., Лях С.І., Попов А.А., Харківська медична академія післядипломної освіти, ДУ «Інститут епідеміології та інфекційних хвороб ім. Л.В. Громашевського НАМН України», Харківський національний медичний університет

У статті викладаються сучасні підходи до використання УФ випромінювання для знезараження об'єктів навколишнього середовища. Представлений огляд світової літератури з позицій оцінки різних джерел УФ випромінювань. Висвітлюються чинники, що визначають ефективність УФ випромінювання. Розглядаються питання перспективності використання УФ світлодіодів для знезараження води, харчових продуктів і повітря приміщень.

Ключові слова: УФ випромінювання, ртутно-кварцові лампи, ультрафіолетові світлодіоди, мікроорганізми.

УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ СВЕТОДИОДЫ В ПРОБЛЕМЕ ИНАКТИВАЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ

Морозова Н.С., МариевскийВ.Ф., РидныйС.В., Головчак Г.С., Коробкова И.В., Лях С.И., Попов А.А., Харьковская медицинская академия последипломного образования ГУ «Институт эпидемиологии и инфекционных болезней им. Л.В. Громашевского НАМН Украины», Харьковский национальный медицинский университет ergey.

В статье излагаются современные подходы к использованию УФ излучения для обеззараживания объектов окружающей среды. Представлен обзор мировой литературы с позиций оценки различных источников УФ излучений. Освещаются факторы, определяющие эффективность УФ излучения. Рассматриваются вопросы перспективности использования УФ светодиодов для обеззараживания воды, пищевых продуктов и воздуха помещений.

Ключевые слова: УФ излучение, ртутно-кварцевые лампы, ультрафиолетовые светодиоды, микроорганизмы.

UV LEDS IN THE PROBLEM OF INACTIVATION OF MICROORGANISMS

Morozova N.S., Marievsky V.F., Readney S.V., Golovchak G. S., Korobkova I. V., Lyakh S. I., Popov A. A., Kharkiv Medical Academy of Postgraduate Education 2State Institution “Institute of Epidemiology and Infectious Diseases named after V. Gromashevsky National Academy of Medical Sciences of Ukraine “ 3Kharkiv National Medical University

Summary/Резюме

The article describes modern approaches to the use of UV radiation for the disinfection of environmental objects. A review of the world literature is presented from the standpoint of assessing various sources of UV radiation. The factors that determine the effectiveness of UV radiation are highlighted. Prospects of using UV light-emitting diodes for disinfection of water, food products and indoor air are considered.

Keywords: UV radiation, mercury-quartz lamps, ultraviolet LEDs, microorganisms.

Ультрафіолетове бактерицидне випромінювання (УФ-випромінювання) широко використовується для знезараження повітря і поверхонь в приміщеннях. Здатність УФ-випромінювання іна- ктивувати бактерії була відзначена ще в 1877 р. ADownesі Т Blunt, які опублікувалидані про здатність сонячного світла й особливо його синьо-фіолетової області ефективно інактивувати бактерії [1].

УФ-випромінювання -- це електромагнітне випромінювання ультрафіолетового діапазону в інтервалі довжин хвиль від 205 -- 315 нм. За пропозицією IIміжнародного конгресу зі світла в 1932 р. УФ-випромінювання заведено ділити на 3 групи за довжиною хвилі: А

400 -- 320 нм, В -- 300 -- 280 нм, С

280 -- 200 нм [2]. Всі ці ділянки характеризуються бактерицидною дією, проте найбільш виражену дію мають промені в області 253,7 -- 257,6 нм.

В останні роки з'явилося безліч приладів на основі УФ С випромінювання, виробники яких гарантують моментальну загибель бактерій і вірусів. В цьому аспекті обговорюються ультрафіолетові світлодіоди (УФ-світлодіоди), які знаходять найширше застосування для інактивації мікроорганізмів у воді, повітрі, харчових продуктах і на поверхнях.

Ультрафіолетовий світловипромінювальний діод (UV-LED) -- це нове джерело ультрафіолетового випромінювання з багатьма особливостями, зумовленими природою нового пристрою. Однією з таких особливостей є різноманітність довжин хвиль, відсутніх у звичайних ультрафіолетових ртутно- кварцових лампах. Це дає можливість вибірково комбінувати кілька довжин хвиль для потенційно додаткових ефектів УФ-світлодіодів. Дослідження різних комбінацій довжин хвиль включаючи одночасне і послідовний вплив в різних ультрафіолетових діапазонах (УФС, УФВ, УФА) на бактерії E. coliй коліфагиMS2 у воді показало, що вплив УФ-світлодіодів з декількома довжинами хвиль залежить не тільки від довжини хвилі, а й від послідовності їх застосування. [3]

Згідно з даними інших авторів, забезпечення мікробіологічної безпеки питної води за допомогою обробки УФ- світлодіодами стала технологією, що можливо замінить використання звичайних УФ ртутно-кварцових ламп, оскільки УФ-світлодіоди продемонстрували більш високий ефект інактивації вірусів у порівнянні з ртутними лампами [4]

Проведено дослідження ефективності УФ-світлодіодів довжиною хвилі 265, 280 і 300 нм для інактивації патогенних видів мікроорганізмів включаючи P. aeruginosa, Legionella, E. coli, Bacillussubtilisв порівнянні зі звичайною ультрафіолетовою лампою низького тиску з довжиною хвилі 254 нм. Профілі інактивації кожного виду показали або лінійну або сигмоїдальну криву виживання. Ґрунтуючись на константі швидкості інактивації мікроорганізмів, УФ-світлодіод з довжиною хвилі 265 нм показав найбільш ефективну щільність енергії, за винятком E. coli, у якій швидкість інактивації була однаковою при 265 нм і 254 нм. Споживання електроенергії необхідне для інактивації 3-log10було найнижчим для 280 нм УФ-світлодіода для всіх протестованих мікроорганізмів. В результаті даної серії експериментів автори продемонстрували, що під час вибору довжини хвилі випромінювання для УФ-світлодіодів слід враховувати не тільки швидкість інактивації, а й енерго- ефективність. [5]

Порівняльна характеристика ефективності інактивації УФ-світлодіодами патогенів,що найбільш часто контаміну- ють харчові продукти -- кишкової палички, лістерії та сальмонели показала, що УФ-світлодіоди на довжині хвилі 258 і 268 нм досягали найвищого зниження логарифмічного рахунку. Автори прийшли до висновку що промислова значущість обробки УФ-світлодіодами на довжині хвилі 259, 268 і 275 нм може не тільки рівнятися, але і перевершувати ефективність інактивації традиційних ламп з довжиною хвилі 253,7 нм. У деяких випадках ефективність інактивації патогенів в харчових продуктах може бути поліпшена шляхом комбінування довжин хвиль УФ-випромінювачів для досягнення синергії даного ефекту. Крім того, УФ-світлодіоди можна використовувати за температур охолодження. В цілому УФ-світлодіоди мають великий потенціал в харчовій промисловості завдяки своїм перевагам і можливостям вбудовування в різні системи обробки [6].

Особливе значення інактивувальна здатність УФ-світлодіодів набуває для знезараження повітря в приміщеннях. Тому дуже важливо оцінити реальну ефективність різних джерел УФ-випро- мінювання. Слід зазначити, що стосовно антимікробної дії традиційного УФ- випромінювання досить повно визначено механізм дії на мікробну клітину, що виявляється в деструктивно -- модифікувальних фотохімічних пошкодженнях ДНК в клітинному ядрі мікробної клітини, що призводять до її загибелі. Що ж стосується вірусів, відомо, що представники різних сімейств мають різну чутливість до УФ-випромінювання в залежності від типу й кількості ланцюжків нуклеїнової кислоти вірусу, розміру генома. [7]

Таблиця 1 - Інактивація вірусів УФ-опроміненням

Ведучими параметрами таксономії вірусів є:

тип їх генетичного матеріалу -- нуклеїнової кислоти, тобто РНК -- або ДНК -- вмісні віруси;

наявність ліпідної оболонки -- віруси з оболонкою і без неї;

кількість ланцюгів нуклеїнової кислоти, тобто одноланцюгові або дволанцюгові.

При цьому важливо відзначити наступні закономірності:

віруси без ліпідно-білкової оболонки більш стійкі до УФ-випромінювання, ніж ті, що мають її;

великі віруси менш стійкі, ніж дрібні вірусні частки;

РНК-віруси більш стійкі до зовнішніх впливів, ніж ДНК-віруси.

Світлодіодний пристрій UV-C, яке випромінює на піках 260 і 280 нм і комбінація 260-280 нм разом, використовувалося для інактивації ентеровірусів людини -- вірус КоксакіA10 (CVA10, штам Kowalik), еховірус 30 (Echo30, штам Bastianni), поліовірус 1 (PV1, штам Махоні) і ентеровірус 70 (EV70, штам J670 / 71). Встановлено найбільш виражена ефективність світлодіода з довжиною хвилі 260 нм [8].

На особливу увагу заслуговує вплив випромінювання УФ-світлодіодів на очі та шкіру людини. УФ-випромінювання з довжиною хвилі 222 нм видане ексімерною криптон-хлорною лампою для шкіри не шкідливе. Однак тривалий вплив такого випромінювання на очі людини повністю не вивчено. Хоча в дослідах на пацюках пошкодження рогівки УФ-випромінюванням 222 нм не виявлені [12], розробники світлодіодних пристроїв вказують на необхідність надягати захисні засоби під час роботи приладів, що випромінюють ультрафіолетове світло високої інтенсивності і можуть завдати шкоди очам і шкірі [10].

Особливий інтерес представляє порівняння двох систем УФ-опромінен- ня для знезараження лікарняних палат. Спостереження проведено в умовах штучного розпилення патогенів(Klebsiellapneumoniae, C. difficile)в попередньо забруднених приіщеннях. В результаті встановлено, що дезінфекція УФ-опроміненням була ефективною тільки після попередньої ретельне очищення поверхні від забруднень. Висновок авторів однозначний: перед УФ-дезінфекцією необхідно провести попереднє очищення всіх поверхонь в приміщенні, забезпечити оптимальне розташування джерела УФ-випромінювання в залежності від планування кожного конкретного приміщення і достатню тривалість циклу УФ-знезараження [7].

Таким чином використання УФ-випромінювання світлодіодів для інактивації мікроорганізмів досить перспективне в багатьох областях, зокрема знезараження води, харчових продуктів, повітря в приміщеннях тощо. В цілому дослідженнями в цій області доведено, що УФ-світлодіоди мають всі можливості для заміни традиційних ртутних ламп низького тиску для знезараження повітря в приміщеннях [8].

Перевагами світлодіодних джерел УФ-випромінювання є довговічність, компактність, екологічність, мала енергоємність, зручність утилізації. Що ж стосується знезараження повітря і поверхонь в приміщеннях, то пропонувати дані пристрої для тривалого застосування в присутності людей без достатньої доказової бази передчасно. Висока швидкість розмноження мікроорганізмів дозволяє їм адаптуватися до стресових впливів УФ-випромінювання за умови тривалого застосування як наслідок вибору корисних мутацій, що виникають в різних генах пов'язаних з репарацією і репликацией ДНК.

Перевагами світлодіодних джерел УФ-випромінювання є довговічність, компактність, екологічність, мала енергомісткість, зручність утилізації. Що ж стосується знезараження повітря та поверхонь в приміщеннях, то пропонувати дані пристрої для тривалого застосування в присутності людей без достатньої доказової бази передчасно. Висока швидкість розмноження мікроорганізмів дозволяє їм адаптуватися достресових впливів УФ-випромінювання за умови тривалого застосування як наслідок вибору корисних мутацій, що виникають в різних генах пов'язаних з репарацією та реплікацією ДНК.

Дослідженнями низки авторів показано, що застосування екранованого УФ-випромінювання в присутності людей не робить кардинального впливу на проблему зростання мікробного обсіменіння повітря в період тривалого перебування людей в приміщенні [13].

Існує думка, що деконтамінація повітря доцільна як завершальна ланка під час підготовки приміщень до функціонування. УФ-випромінювання без застосування решти комплексу санітарно-гігієнічних заходів в приміщеннях не має сенсу.

Безсумнівний прогрес в галузі використання УФ-світлодіодів для знезараження повітря в приміщеннях породжує нові питання, що вимагають нових наукових і практичних рішень.

References

1. Downes A, Blunt T.R Researchesontheeffectoflightuponbacteriaandotherorganisms// ProceedingsoftheRoyalSocietyofMedicine. -- 1877. -- V. 26. -- R 488

2. Coblentz WW. TheCopenhagenmeetingoftheSecondInternationalCongressonlight. Science. 1932 Nov 4; 76 (1975): 412-5.

3. Song K, Taghipour F, Mohseni M. Microorganismsinactivationbywavelengthcombinationsofultravioletlight-emittingdiodes (UV-LEDs) [J]. ScienceoftheTotalEnvironment, 2019, 665: 1103-1110.

4. Kim D K, Kim S J, Kang D H. Inactivationmodelingofhumanentericvirussurrogates, MS2, Qв, and ЦХ174, inwaterusing UVC- LEDs, a noveldisinfectingsystem [J]. FoodResearchInternational, 2017, 91: 115-123.

5. Rattanakul S, Oguma K. Inactivationkineticsandefficienciesof UV-LEDsagainstPseudomonasaeruginosa, Legionellapneumophila, andsurrogatemicroorganisms [J]. WaterResearch, 2018,130: 31-37.

6. Green A, Ropovix V, Rierscianowski J, etal. InactivationofEscherichiacoli, ListeriaandSalmonellabysingleandmultiplewavelengthultraviolet-lightemittingdiodes [J]. InnovativeFoodScience&Emerging Technologies, 47: 353-361

7. Ali S, Yui S, Muzslay M, etal. Comparisonoftwowhole-roomultravioletirradiationsystemsforenhanceddisinfectionofcontaminatedhospitalpatientrooms [J]. JournalofHospitalInfection, 2017, 97 (2): 180-184.

8. Mathebula T, Leuschner F W, Chowdhury S R TheUseof UVC-LEDsfortheDisinfectionofMycobacteriumTuberculosis [C]// 2018 IEEE RES/IAS RowerAfrica, CapeTown, 2018, pp. 739-744.

9. Woo H, Beck S E, Boczek LA, etal. EfficacyofInactivationofHumanEnterovirusesbyDualWavelengthGermicidalUltraviolet (UV- C) LightEmittingDiodes (LEDs) [J]. Water, 11: 1131, pp1-8.

10. SeoulViosys UV LED ModuleVioleds http: / /www. seoulviosys.com/common/ download.asp?idx = 107

11. Носик Д.Н., Носик Н.Н. Борьба с вирусами. Дезинфекция -- Москва: ООО «Издательство «Медицинское информационное агентство», 2018. -- 160 с.

12. Nosik D.N., Nosik N.N. Fightagainstviruses. Disinfection - Moscow: LLC "RublishingHouse" MedicalInformationAgency ", 2018. - 160 p.

13. SachikoKaidzu, KazunobuSugihara, MasahiroSasaki, AikoNishiaki, TatsushiIgarashi&MasakiTanito (2019) Evaluationofacutecornealdamageinducedby 222nm and 254-nm ultravioletlightinSprague- Dawleyrats, FreeRadicalResearch, 53: 6, 611-617 DOI:10.1080/ 10715762.2019.1603378.

14. БрусинаЕ.Б. Эпидемиологиявнутрибольничныхгнойно-септическихинфекцийвхирургии / Е.Б. Брусина, И.П. Рычагов. -- Новосибирск: Наука, 2006. -- 171 с. Brusina E.B. Epidemiologyofnosocomialpurulent-septicinfectionsinsurgery/ E.B. Brusina, I.R Levers. - Novosibirsk: Nauka, 2006 .-- 171 p.

Размещено на Allbest.ru