Un gruppo di ricercatori della Sensor Science Division della PML's fa parte di un progetto che avrà un effetto diretto sul miglioramento della sicurezza dell'acqua potabile della nazione'.
I recenti cambiamenti nelle regole sul trattamento delle acque superficiali dell'Agenzia per la protezione dell'ambiente&(EPA) impongono, tra le altre cose, un monitoraggio e un controllo più aggressivi di vari agenti patogeni, in particolare il Cryptosporidium. Quel microbo, che può causare malattie gravi o morte, è altamente resistente alle pratiche di disinfezione a base di cloro. Come mezzo per ridurre la minaccia, l'EPA ha richiesto il trattamento dell'acqua con radiazioni ultraviolette (UV), che funge anche da"barriera secondaria" per inattivare (impedire la riproduzione di) altri agenti patogeni chiave come adenovirus e altri virus, nonché batteri e parassiti come Giardia.
L'acqua è trattata da lampade UV cilindriche sospese in tubi e l'illuminazione è monitorata da unità sensori adiacenti. Ogni agente patogeno ha una diversa risposta di inattivazione a diverse lunghezze d'onda e ora sembra che alcuni agenti patogeni siano più suscettibili a lunghezze d'onda inferiori a quelle più corte nello spettro prodotto dalle lampade convenzionali. I recenti progressi nella tecnologia delle lampade UV a media pressione (MP), tuttavia, hanno portato a un aumento dell'emissione di luce UV a lunghezze d'onda inferiori a 240 nm, spingendo i ricercatori ad affrontare numerose questioni irrisolte.
Queste domande includono: quali lunghezze d'onda o combinazioni di lunghezze d'onda (denominate"spettri di azione") sono più efficaci su quali agenti patogeni? Quanta irradiazione è necessaria per ottenere un"4-log" (99,99%) inattivazione per diversi microbi? In che modo una nuova generazione di sorgenti e sensori UV può essere calibrata e convalidata in modo affidabile in impianti idrici di tutte le dimensioni in tutta l'America? E con che precisione i microbi benigni, usati come surrogati di patogeni dalle strutture di prova, rappresentano le prestazioni di inattivazione nei microrganismi bersaglio a diverse lunghezze d'onda?
Tutte queste e altre domande sono oggetto di indagine da parte di un progetto collaborativo multi-organizzazione, guidato da Karl Linden presso l'Università del Colorado e finanziato dalla Water Research Foundation*, con l'obiettivo di sviluppare linee guida per testare futuri sistemi che utilizzano lampade a vapori di mercurio MP come sorgenti UV.
& quot;La maggior parte dei dati di risposta spettrale per diversi agenti patogeni è stata impostata per lampade a vapori di mercurio a bassa pressione (LP) come sorgenti UV all'interno di tubi dell'acqua," dice Thomas Larason del NIST's Optical Radiation Group, che guida il contributo della PML al progetto idrico."Quelle lampade producono uno spettro UV relativamente stretto centrato su 254 nm, e talvolta indicato come'UV germicida' lampade. Ma le nuove regole dell'EPA richiedono dosi più elevate e l'attenzione si è spostata su fonti a media pressione, che producono uno spettro UV molto più ampio, comprese lunghezze d'onda inferiori a 240 nm, e offrono potenziali risparmi energetici. Ma gli effetti delle lunghezze d'onda più corte sui patogeni non sono stati ben caratterizzati. Per alcuni microbi è stato finora condotto un solo studio."
Questi dati suggeriscono che esiste una disparità drammatica nell'inattivazione di vari microbi a diverse lunghezze d'onda inferiori a 250 nm. All'inizio di quest'anno, un gruppo di ricerca del progetto sull'acqua incaricato di studiare questi effetti ha chiesto a Larason se la PML potesse fornire dosi UV precise da dispositivi calibrati dal NIST a vari batteri e virus per determinare i loro spettri di azione. Larason ha portato tale richiesta alla struttura SIRCUS (Spectral Irradiance and Radiance Responsivity Calibrations Using Uniform Sources) di PML &, che utilizza laser sintonizzabili continuamente come sorgenti di irradiazione. In breve tempo, il personale SIRCUS ha portato un laser portatile e l'apparato associato al laboratorio di prova del progetto nel Vermont per gli studi che dovrebbero concludersi alla fine di quest'anno.
L'apparecchiatura SIRCUS emette radiazioni da 210 nm in tutto l'intervallo sperimentale di interesse sotto forma di un raggio quasi collimato che colpisce i campioni microbici, che sono conservati in piastre di Petri poste sotto l'uscita del raggio.
& quot;In questa fase," Larason dice,"noi'forniamo l'attrezzatura e l'esperienza per aiutare il progetto a trovare le reali caratteristiche dose-risposta per diversi microbi a lunghezze d'onda corte. Tra le altre cose, ciò determinerà la quantità di energia necessaria nella lampada MP, che a sua volta influenza i costi energetici. Dopodiché, potremmo finire per essere coinvolti nell'elaborazione di standard di calibrazione e convalida per sorgenti e sensori nell'intervallo da 200 nm a 300 nm. Ma è troppo presto per dire dove porterà tutto questo."
Tuttavia, non è troppo presto perché l'American Water Works Association esprima il suo apprezzamento. In una lettera del settembre 2012 al direttore della PML Katharine Gebbie, l'associazione ha elogiato il"esperienze e strumenti unici" portato al progetto da Larason insieme a Keith Lykke, Steven Brown, Ping-Shine Shaw e Mike Lin di SIRCUS. Il loro lavoro"fornisce informazioni fondamentali per la nostra comprensione dell'inattivazione dei patogeni mediante lo spettro UV a bassa lunghezza d'onda" che"definirà il design del trattamento per il trattamento UV a media pressione nell'acqua potabile negli Stati Uniti," diceva la lettera.
Grazie al contributo dei ricercatori del NIST e delle apparecchiature SIRCUS, la collaborazione ha determinato con maggiore precisione la responsività alla lunghezza d'onda di specifici agenti patogeni e surrogati associati.
& quot;Utilizzando il laser UV sintonizzabile del NIST'abbiamo sviluppato il gold standard sulla misurazione della risposta della lunghezza d'onda dei microbi di prova e dei patogeni a base d'acqua per applicazioni di disinfezione UV negli Stati Uniti," afferma Harold Wright di Carollo Engineers, Inc. a Boise, ID, un collaboratore del progetto di ricerca."Ho lavorato con Tom Larason e la gente del NIST su due progetti di disinfezione UV sponsorizzati dalla Water Research Foundation. Con entrambi i progetti, hanno portato sul tavolo un livello di competenza nell'applicazione e nella misurazione della luce ultravioletta che non ha eguali nel nostro settore."
La collaborazione può avere ripercussioni anche al di là della questione della sicurezza dell'acqua potabile."Amplia le attuali aree di ricerca con un investimento minimo in nuove attrezzature e manodopera," dice Larason."Ma è applicabile anche oltre la microbiologia ad altre aree tecnologiche come la lavorazione dei materiali (polimerizzazione UV), la medicina (dispositivi di test che misurano l'esposizione ai raggi UV) e le capacità di calibrazione ampliate per l'irradianza e la dose."
