细菌生物膜是在几乎任何地方的潮湿表面上形成的微生物群。它们含有危害水质的病原体，它们可以通过腐蚀、污垢和堵塞水箱、管道和阀门来破坏许多不同工程系统的运行。
在某些情况下，它们甚至可能致命。宇航员在国际空间站外操作的太空服使用循环水来调节在极端阳光(250华氏度)和完全阴影(-250华氏度)的轨道下的体温。但是在这些水线上生长的生物膜几乎危及宇航员在太空行走时的安全。
紫外线(UV)通过破坏微生物的DNA和酶修复系统，从而导致它们的死亡，为控制这个问题提供了一种有效的、不含化学物质的方法。但通常用于消毒水的紫外线灯会带来有害物质泄漏的风险，因为它们是汞基的。此外，他们的设计不适用于窄直径管道和其他可能生长生物膜的狭窄空间。
为了寻求切实可行的解决方案，亚利桑那州立大学的研究人员与初创公司H2Optic Insights合作，开发了一种利用紫外线(特别是短波长的UV- c)的新方法，以抑制几乎任何空间的生物膜生长。他们的研究结果发表在7月份的《自然-水》杂志上。
该论文的通讯作者、亚利桑那州立大学Ira a . Fulton工程学院土木与环境工程教授Paul Westerhoff说:“人们对紫外线灭活水中细菌和微生物的能力进行了广泛的研究。”“但关于其对已建立的生物膜中细菌的有效性的研究有限，使用UV-C光进行生物膜研究的一个关键挑战是将光有效地传递到加压水系统的表面。”
Westerhoff和他的团队克服了这一挑战，他们将led连接到薄的侧面发射光纤(SEOFs)上，直接放置在生物膜可以形成的表面上。该团队通过在波长为265或275纳米的低辐照水平(略高于9 μ W/cm2的阈值)下通过SEOFs输送UV-C光，成功地抑制了生物膜的生长。
该研究还考虑了不同UV波长对生物膜抑制的影响，揭示了UV- a和UV- b在低辐照水平下的影响可以忽略不计，而UV- c是有效的。Westerhoff和他的团队进一步证明了uv - c的间歇性循环，10分钟的照射，然后50分钟的黑暗时间，达到了与连续光照相当的效果。这意味着减少了80%以上的能源消耗。
“从设计的角度来看，SEOFs提供了一种灵活的解决方案，可以有效地照亮狭窄管道或不规则形状表面的大面积表面，”Westerhoff说，他也是美国国家科学基金会纳米系统工程研究中心纳米技术支持水处理(NEWT)的副主任。这可以通过将单个SEOF或多个SEOF集成到网格设计中来实现。”
他说，SEOFs也有可能彻底改变生物膜控制装置的设计，因为它们可以将任何波长的紫外线输送到生物膜可以形成的表面，而不需要考虑诸如光吸收或水散射等复杂问题，当使用点源LED照亮表面时，这将是一个问题。
Westerhoff说:“将UV-C led与SEOFs结合使用，在对抗水系统中的生物膜方面显示出了真正的希望，特别是在封闭和流动的水系统中，传统的光传输方法受到限制。“因此，这些发现有助于提高水处理系统的安全性、性能和能源效率，包括在国际空间站等具有挑战性的环境中。”
韦斯特霍夫说，需要进一步的研究来探索生物膜在不同发育阶段对不同波长的紫外线的反应。还需要针对不同的应用优化UV-SEOF方法，例如生物医学设备和能源系统。
Nature Water论文的其他作者是来自亚利桑那州立大学的赵喆、诺拉·夏皮罗、弗朗索瓦·佩雷诺和布鲁斯·里特曼，以及韩国土木工程与建筑技术研究所的Hojung Rho和北京师范大学高级跨学科环境与生态研究所的李玲。
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希望本篇文章《揭示生物膜中的隐秘挑战》能对你有所帮助！
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