细菌生物膜是在几乎无处不在的湿润表面上形成的微生物簇

细菌生物膜是在几乎无处不在的湿润表面上形成的微生物簇。它们含有危害水质的病原体，并且可以通过腐蚀、结垢和堵塞水箱、管道和阀门来扰乱许多不同工程系统的运行。

在某些情况下，它们甚至可能是致命的。使机组人员能够在国际空间站外进行操作的宇航服使用循环水来调节轨道极端阳光(250华氏度)和完全阴凉(-250华氏度)的体温。但这些水管中盛开的生物膜几乎危及宇航员在太空行走期间的安全。

紫外线提供了一种有效的、无化学物质的方法，通过破坏微生物的DNA 和酶修复系统来控制这个问题，从而导致微生物死亡。但通常用于水消毒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，它们的设计对于窄直径管道和其他可能生长生物膜的狭小空间来说并不实用。

为了寻求实用的解决方案，亚利桑那州立大学的研究人员与初创公司 H 2 Optic Insights 合作开发了一种使用紫外线(特别是短波长 UV-C)的新方法，以抑制几乎任何空间中的生物膜生长。他们的工作结果发表在《自然水》杂志七月号上。

“紫外线因其灭活水中细菌和微生物的能力而被广泛研究，”该论文的通讯作者、亚利桑那州立大学艾拉·A·富尔顿工程学院土木与环境工程教授Paul Westerhoff说。“但对其对抗已建立的生物膜中细菌的有效性的研究有限，并且使用 UV-C 光进行生物膜研究的一个关键挑战是如何将光有效地传递到加压水系统的表面。”

Westerhoff 和他的团队通过使用连接到细侧发射光纤(F)的 LED 克服了这一挑战，这些光纤直接放置在可以形成生物膜的表面上。 该团队通过 F 提供波长为 265 或 275 纳米、低辐照度水平(略高于9 µW/cm 2的阈值)的 UV-C 光，成功抑制了生物膜的生长。

该研究还考虑了不同紫外线波长对生物膜抑制的影响，结果表明，在 UV-C 有效的低辐照度水平下，UV-A 和 UV-B 的影响可以忽略不计。Westerhoff 和他的团队进一步证明，间歇性 UV-C 循环(10 分钟照射，然后 50 分钟黑暗时间)所获得的结果与连续光照相当。这意味着能源消耗减少 80% 以上。

“从设计角度来看，F 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内的大面积表面，”国家科学基金会纳米技术水处理纳米系统工程研究中心副主任 Westerhoff 说道。或NEWT。“这可以通过使用单个 F 或集成到网格设计中的多个 F 来实现。”

他说，F 还具有彻底改变生物膜控制设备设计的潜力，因为它们可以将任何波长的紫外线传送到生物膜可以形成的表面，并且无需考虑光吸收或通过水散射等复杂情况，这将是一个复杂的问题。使用点光源 LED 照亮表面时要注意这一点。

Westerhoff 表示：“将 UV-C LED 与 F 结合使用，在对抗水系统中的生物膜方面显示出真正的前景，特别是在传统光传输方法受到限制的封闭式和流动水系统中。” “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充满挑战的环境中。”

韦斯特霍夫说，需要进一步研究来探索不同发育阶段的生物膜如何响应不同波长的紫外线。还需要针对不同的应用(例如生物医学设备和能源系统)优化 UV-F 方法。

《自然水》论文的其他作者包括来自亚利桑那州立大学的赵哲、诺拉·夏皮罗、弗朗索瓦·佩罗和布鲁斯·里特曼，以及韩国土木工程和建筑技术研究所的 Hojung Rho 以及环境与环境高级跨学科研究所的李凌。北京师范大学生态学.

细菌生物膜是在几乎无处不在的湿润表面上形成的微生物簇。它们含有危害水质的病原体，并且可以通过腐蚀、结垢和堵塞水箱、管道和阀门来扰乱许多不同工程系统的运行。

在某些情况下，它们甚至可能是致命的。使机组人员能够在国际空间站外进行操作的宇航服使用循环水来调节轨道极端阳光(250华氏度)和完全阴凉(-250华氏度)的体温。但这些水管中盛开的生物膜几乎危及宇航员在太空行走期间的安全。

紫外线提供了一种有效的、无化学物质的方法，通过破坏微生物的DNA 和酶修复系统来控制这个问题，从而导致微生物死亡。但通常用于水消毒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，它们的设计对于窄直径管道和其他可能生长生物膜的狭小空间来说并不实用。

为了寻求实用的解决方案，亚利桑那州立大学的研究人员与初创公司 H 2 Optic Insights 合作开发了一种使用紫外线(特别是短波长 UV-C)的新方法，以抑制几乎任何空间中的生物膜生长。他们的工作结果发表在《自然水》杂志七月号上。

“紫外线因其灭活水中细菌和微生物的能力而被广泛研究，”该论文的通讯作者、亚利桑那州立大学艾拉·A·富尔顿工程学院土木与环境工程教授Paul Westerhoff说。“但对其对抗已建立的生物膜中细菌的有效性的研究有限，并且使用 UV-C 光进行生物膜研究的一个关键挑战是如何将光有效地传递到加压水系统的表面。”

Westerhoff 和他的团队通过使用连接到细侧发射光纤(F)的 LED 克服了这一挑战，这些光纤直接放置在可以形成生物膜的表面上。 该团队通过 F 提供波长为 265 或 275 纳米、低辐照度水平(略高于9 µW/cm 2的阈值)的 UV-C 光，成功抑制了生物膜的生长。

该研究还考虑了不同紫外线波长对生物膜抑制的影响，结果表明，在 UV-C 有效的低辐照度水平下，UV-A 和 UV-B 的影响可以忽略不计。Westerhoff 和他的团队进一步证明，间歇性 UV-C 循环(10 分钟照射，然后 50 分钟黑暗时间)所获得的结果与连续光照相当。这意味着能源消耗减少 80% 以上。

“从设计角度来看，F 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内的大面积表面，”国家科学基金会纳米技术水处理纳米系统工程研究中心副主任 Westerhoff 说道。或NEWT。“这可以通过使用单个 F 或集成到网格设计中的多个 F 来实现。”

他说，F 还具有彻底改变生物膜控制设备设计的潜力，因为它们可以将任何波长的紫外线传送到生物膜可以形成的表面，并且无需考虑光吸收或通过水散射等复杂情况，这将是一个复杂的问题。使用点光源 LED 照亮表面时要注意这一点。

Westerhoff 表示：“将 UV-C LED 与 F 结合使用，在对抗水系统中的生物膜方面显示出真正的前景，特别是在传统光传输方法受到限制的封闭式和流动水系统中。” “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充满挑战的环境中。”

韦斯特霍夫说，需要进一步研究来探索不同发育阶段的生物膜如何响应不同波长的紫外线。还需要针对不同的应用(例如生物医学设备和能源系统)优化 UV-F 方法。

《自然水》论文的其他作者包括来自亚利桑那州立大学的赵哲、诺拉·夏皮罗、弗朗索瓦·佩罗和布鲁斯·里特曼，以及韩国土木工程和建筑技术研究所的 Hojung Rho 以及环境与环境高级跨学科研究所的李凌。北京师范大学生态学.