Een groep onderzoekers van pml's Sensor Science Division maakt deel uit van een project dat een direct effect zal hebben op de verbeterde veiligheid van het drinkwater van het land.
Recente wijzigingen in de regels voor oppervlaktewaterbehandeling van het Environmental Protection Agency (EPA) verplichten onder meer tot agressievere monitoring en bestrijding van verschillende ziekteverwekkers, met name Cryptosporidium. Die microbe, die ernstige ziekte of dood kan veroorzaken, is zeer resistent tegen desinfectiepraktijken op basis van chloor. Als een middel om de dreiging te verminderen, heeft de EPA opgeroepen tot de behandeling van water met ultraviolette (UV) straling, die ook dient als een "secundaire barrière" om andere belangrijke pathogenen zoals adenovirus en andere virussen, evenals bacteriën en parasieten zoals Giardia, te inactiveren (te voorkomen).
Het water wordt behandeld door cilindrische UV-lampen die in leidingen hangen en de verlichting wordt bewaakt door aangrenzende sensoreenheden. Elke ziekteverwekker heeft een andere inactivatierespons op verschillende golflengten, en het lijkt er nu op dat bepaalde pathogenen het meest vatbaar zijn voor golflengten die korter zijn dan de kortste in het spectrum dat door conventionele lampen wordt geproduceerd. Recente vooruitgang in de uv-lamptechnologie met gemiddelde druk (MP) heeft echter geleid tot een verhoogde UV-lichtopbrengst bij golflengten van minder dan 240 nm, wat onderzoekers ertoe aanzette om tal van onopgeloste vragen te beantwoorden.
Die vragen omvatten: Welke golflengten of combinaties van golflengten ("actiespectra" genoemd) zijn het meest effectief op welke pathogenen? Hoeveel bestraling nodig is om een "4-log" te bereiken (99,99%) inactivatie voor verschillende microben? Hoe kan een nieuwe generatie UV-bronnen en sensoren betrouwbaar worden gekalibreerd en gevalideerd in waterfaciliteiten van elke omvang in heel Amerika? En hoe nauwkeurig vertegenwoordigen goedaardige microben, gebruikt als pathogene surrogaten door testfaciliteiten, inactivatieprestaties in doelmicro-organismen op verschillende golflengten?
Al deze vragen en meer worden onderzocht door een samenwerkingsproject met meerdere organisaties, geleid door Karl Linden aan de Universiteit van Colorado en gefinancierd door de Water Research Foundation*, met als doel uiteindelijk richtlijnen te ontwikkelen voor het testen van toekomstige systemen met MP kwikdamplampen als UV-bronnen.
"De meeste spectrale responsgegevens voor verschillende pathogenen zijn opgezet voor lagedruk (LP) kwikdamplampen als UV-bronnen in waterleidingen", zegt Thomas Larason van NIST's Optical Radiation Group, die de PML-bijdrage aan het waterproject leidt. "Die lampen produceren een relatief smal UV-spectrum gecentreerd op 254 nm, en soms aangeduid als 'germicide UV'-lampen. Maar de nieuwe EPA-regels vragen om hogere doses en de aandacht is verschoven naar bronnen met gemiddelde druk, die een veel breder UV-spectrum produceren, inclusief golflengten onder 240 nm, en potentiële energiebesparingen bieden. Maar de effecten van de kortere golflengten op ziekteverwekkers zijn niet goed gekarakteriseerd. Voor sommige microben is tot nu toe slechts één studie gedaan."
Deze gegevens suggereren dat er een dramatische ongelijkheid is in de inactivatie van verschillende microben op verschillende golflengten van minder dan 250 nm. Eerder dit jaar vroeg een onderzoeksgroep van waterprojecten die belast was met het bestuderen van die effecten aan Larason of PML nauwkeurige UV-doses van NIST-gekalibreerde apparaten aan verschillende bacteriën en virussen kon leveren om hun actiespectra te bepalen. Larason nam dat verzoek aan pml's SIRCUS (Spectral Irradiance and Radiance Responsivity Calibrations Using Uniform Sources) faciliteit, die continu afstembare lasers als bestralingsbronnen gebruikt. Binnen korte tijd brachten sircus-medewerkers een draagbare laser en bijbehorend apparaat naar het testlab van het project in Vermont voor studies die eind dit jaar zouden worden afgerond.
De SIRCUS-apparatuur zendt straling uit vanaf 210 nm in het gehele experimentele interessebereik in de vorm van een bijna gebotste straal die de microbiële monsters raakt, die worden bewaard in Petrischalen die onder de straaluitgang worden geplaatst.
"In dit stadium," zegt Larason, "leveren we de apparatuur en expertise om het project te helpen de echte dosisresponskenmerken voor verschillende microben op korte golflengten te vinden. Dat bepaalt onder andere hoeveel vermogen je nodig hebt in de MP-lamp, wat weer de energiekosten beïnvloedt. Daarna kunnen we betrokken raken bij het bedenken van kalibratie- en validatienormen voor bronnen en sensoren in het bereik van 200 nm tot 300 nm. Maar het is nog te vroeg om te zeggen waar dit allemaal toe zal leiden."
Het is echter niet te vroeg voor de American Water Works Association om haar waardering uit te spreken. In een brief van september 2012 aan PML-directeur Katharine Gebbie prees de vereniging de "unieke expertise en tools" die Larason samen met Keith Lykke, Steven Brown, Ping-Shine Shaw en Mike Lin van SIRCUS aan het project bracht. Hun werk "biedt informatie die cruciaal is voor ons begrip van pathogene inactivatie door uv-spectrum met lage golflengte" dat "het behandelingsontwerp voor uv-behandeling onder gemiddelde druk in drinkwater in de Verenigde Staten zal definiëren", aldus de brief.
Dankzij de bijdrage van de NIST-onderzoekers en SIRCUS-apparatuur heeft de samenwerking de golflengteresponsiviteit van specifieke pathogenen en bijbehorende surrogaten nauwkeuriger bepaald.
"Met behulp van de afstembare UV-laser van NIST hebben we de gouden standaard ontwikkeld voor het meten van de golflengterespons van testmicroben en door water overgedragen pathogenen voor UV-desinfectietoepassingen in de VS", zegt Harold Wright van Carollo Engineers, Inc. in Boise, ID, een medewerker van het onderzoeksproject. "Ik heb met Tom Larason en de mensen van NIST gewerkt aan twee UV-desinfectieprojecten gesponsord door de Water Research Foundation. Met beide projecten brachten ze een niveau van expertise in de toepassing en meting van ultraviolet licht op tafel dat ongeëvenaard is in onze industrie."
De samenwerking kan ook gevolgen hebben die verder gaan dan de kwestie van de drinkwaterveiligheid. "Het breidt de huidige onderzoeksgebieden uit met minimale investeringen in nieuwe apparatuur en mankracht", zegt Larason. "Maar het is ook van toepassing buiten de microbiologie op andere technologische gebieden, zoals materiaalverwerking (UV-uitharding), medische (testapparatuur die UV-blootstelling meet) en uitgebreide kalibratiemogelijkheden voor bestraling en dosis."
