Несмотря на все наше величие, которого мы достигли благодаря интеллекту, научным изысканиям и технологическому прогрессу, мы все еще остаемся организмами, на которые могут воздействовать различные внешние факторы. Говоря о таком воздействии, чаще всего имеются ввиду различные патогенные микроорганизмы, которым плевать на IQ потенциального носителя. Многие из заболеваний, вызванные такими патогенами, передаются воздушно-капельным путем. Стоит одному зараженному зайти в помещение с незаряженными и чихнуть, не прикрыв рта, и вероятность заражения окружающих возрастает в разы. Предотвратить распространение инфекции можно разными путями, степень эффективности которых варьируется в зависимости от ситуации, от масок до различных препараторных средств. Ученые из Медицинского центра им. Ирвинга в Колумбийском университете (США) предложили использовать нестандартное ультрафиолетовое излучение на базе хлорида криптона (KrCl), способное нейтрализовать большую часть патогенных микроорганизмов. Как устроены чудо-лампы, каков принцип их работы, и насколько эффективен такой метод дезинфекции? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Говорить об инфекциях, передающихся воздушно-капельным путем, и не вспомнить о COVID-19 практически невозможно. Данная инфекция за последние годы стала центральным объектом исследований многих ученых, от микробиологов до инфекционистов. Ситуация в мире, сложившаяся благодаря SARS-CoV-2, явно говорит о том, что необходимы новые методы предотвращения или хотя бы снижения степени заражаемости людей, коих на планете немало. Ношение масок, запреты на массовые мероприятия, дезинфекция и проветривание помещений и т.д. — все эти методы в той или иной степени полезны и действенны, но сопряжены с рядом трудностей как в рамках их реализации, так и в рамках поддержания. Куда более эффективным методом защиты является вакцинация, которая также сталкивается с проблемами: нехватка вакцин в определенных регионах Земли, неприятие вакцин некоторыми индивидами и т.д.

Если же учесть человеческий фактор, в том числе и его психологию, то куда проще и эффективнее бороться с возможным распространением вируса без прямого воздействия на социальную жизнь человека. Проще говоря, лень и тут является в какой-то мере двигателем прогресса.

Пассивные методы борьбы с передачей инфекции от человека к человеку излучаются уже давно. Еще в 1942 году была продемонстрирована эффективность бактерицидного ультрафиолетового излучения (GUV от germicidal ultraviolet) в снижении степени передачи кори и эпидемического паротита между детьми (The environmental control of epidemic contagion: I. An epidemiologic study of radiant disinfection of air in day schools).

Другое исследование, проведенное в 2009 году, также показало снижение передачи туберкулеза от пациентов к морским свинкам более чем на 70% при использовании GUV (Upper-room ultraviolet light and negative air ionization to prevent tuberculosis transmission).

Однако серьезной проблемой для обычного GUV с длиной волны 254 нм является прямое воздействие на людей, которое может привести к потенциально болезненным реакциям типа солнечного ожога на коже и роговице. Следовательно, использовать GUV можно либо в пустых помещениях, либо необходимо создавать сложные системы, нивелирующие прямое воздействие на людей.

Потенциальной альтернативой GUV может стать Far-UVC — бактерицидный ультрафиолет C (УФ-С или UV-C), обычно в диапазоне длин волн от 200 до 230 нм. Распространенным источником Far-UVC являются эксимерные лампы на основе хлорида криптона (KrCl) с длиной волны первичного излучения 222 нм и низким уровнем остаточной эмиссии во всей ультрафиолетовой области электромагнитного спектра. Бактерицидные свойства эксимерных ламп KrCl были продемонстрированы в лабораторных экспериментах по инактивации грамположительных и грамотрицательных бактерий, резистентных к лекарствам бактерий, вирусов гриппа и коронавирусов человека, включая вирус SARS-CoV-2.

Важно отметить, что при фильтрации для минимизации ультрафиолетового излучения на длинах волн более 230 нм эксимерные лампы KrCl Far-UVC по сравнению с обычными (254 нм) источниками GUV с гораздо меньшей вероятностью вызывают острые побочные реакции на коже и глазах.

При этом не стоит забывать, что удачные эксперименты в лабораторных (т.е. контролируемых) условиях не всегда являются предвестниками успешности таких же опытов в реальных условиях. Тем не менее успех опытов с применением GUV наталкивает на мысль, что и Far-UVC также может оказаться вполне эффективным. Для подтверждения этого ученые провели ряд экспериментов, использовав полномасштабную биоаэрозольную камеру размером с комнату.

Результаты исследования

Изображение №1

К потолку камеры были прикреплены пять эксимерных ламп на основе хлорида криптона с фильтром для уменьшения ультрафиолетового излучения на длинах волн более 230 нм и с диффузорами, прикрепленными к их эмиссионному окну для расширения диаграммы направленности. Лампы были расположены в виде квинкункса (т.е. 5 точек в шахматном порядке; схема выше) с направлением их излучения в пол. Исследования проводились либо со всеми пятью включенными лампами, либо только с центральной лампой. Это было сделано для исследования влияния частичного (одна лампа) и полного (пять ламп) облучения объема помещения.

Механически вентилируемая камера объемом 32 м³ работала со скоростью вентиляции 3 ACH (air changes per hour, т.е. воздухообмена в час), и в помещение на высоте 168 см непрерывно вводили аэрозольный штамм Staphylococcus aureus. После 60-минутного периода стабилизации было отобрано 10 проб воздуха в течение 50-минутного периода. Затем включался один (центральная лампа Far-UVC) или пять источников Far-UVC, после чего в течение еще 50 минут проводился повторный отбор проб.

Вышеописанные измерения были проведены три раза с использованием различных интенсивностей ламп (таблица №1).


Таблица №1

Концентрацию жизнеспособных S. aureus в воздухе в месте сбора измеряли серийно в течение 4 минут каждые 5 минут как до, так и после включения ламп. Результаты, выраженные в количестве колониеобразующих единиц на кубический метр (КОЕ/м³), показаны на изображении №2 и в таблице выше как за 45 минут до включения ламп, так и серийно в течение 50 минут после включения. Значения после включения лампы выражаются в процентах от средних значений до включения лампы. Стоит также отметить, что S. aureus поставлялся в тестовую камеру непрерывно на протяжении всего эксперимента.


Изображение №2

Как и ожидалось, наибольшее снижение устойчивой переносимой по воздуху жизнеспособной нагрузки S. aureus произошло при сценарии высокого воздействия («High»). Использование всех пяти ламп привело к снижению стационарной нагрузки жизнеспособными патогенами на 98.4% по сравнению с только вентиляцией (3 ACH). Это дало расчетный диапазон эквивалентной скорости воздухообмена 128–322 eACH.

Пиковая 8-часовая экспозиционная доза в сценарии «High» обусловлена ​​установленным Американской конференцией государственных специалистов по промышленной гигиене (ACGIH) предельным значением для кожи (478 мДж/см² при 222 нм в течение 8 часов). Одна лампа в сценарии «High» снижала нагрузку патогенов на 93.7%, что дает расчетный диапазон эквивалентной скорости воздухообмена 33–66 eACH. Несмотря на то, что одна лампа не освещала все помещение, хорошая вентиляция внутри камеры может быть причиной столь существенного эффекта.

Сценарий средней интенсивности излучения («Medium») с пиковой 8-часовой дозой облучения в 23 мДж/см² привел к снижению устойчивой нагрузки жизнеспособных патогенов на 92.0% при использовании всех пяти ламп. Данный показатель соответствует эквиваленту в 35 eACH (диапазон 27–46 eACH), что более чем в 11 раз превышает исходную вентиляцию.

Сценарий со слабым воздействием («Low») с очень низкой интенсивностью воздействия дальнего УФ-излучения (в 10 раз ниже, чем сценарий «Medium») привел к снижению жизнеспособности на 13% (одна лампа) и 29% (пять ламп).


Изображение №3

Как уже было отмечено, в режиме «Medium» достигалось снижение патогенной нагрузки на ~ 92%, а в режиме «High» на ~ 98%. В первом случае на это требовалось около 15 минут, а во втором — менее 5 минут (изображение №3).

Ученые отмечают, что хотя исследование не проводилось с SARS-CoV-2 по соображениям безопасности, аэрозольный возбудитель S. aureus использовался в качестве суррогата для более подходящих (в текущем контексте) переносимых по воздуху вирусов, таких как коронавирусы человека и вирусы гриппа.


Изображение №4

На графике выше показано сравнение показателей инактивации с помощью Far-UVC переносимых по воздуху коронавирусов человека (OC43 и 229E), переносимых по воздуху вирусов гриппа (H1N1) и S. aureus. Все эти скорости инактивации измеряли с использованием одной и той же лабораторной установки.

Анализ показывает, что S. aureus менее чувствителен к инактивации Far-UVC, чем переносимый по воздуху грипп и коронавирусы человека. Другими словами, результаты, полученные в опытах с S. aureus, являются консервативными. Следовательно, можно смело предположить, что процентное снижение, достижимое для переносимого по воздуху коронавируса и вируса гриппа, будет больше и покажет более короткое время инактивации.

Дополнительно был проведен сравнительный анализ разработанной системы с классическими устройствами очистки воздуха. Как правило, они имеют скорость подачи чистого воздуха (CADR от clean air delivery rate) от 200 до 500 м³/ч в зависимости от размера устройства. Для экспериментальной камеры это будет составлять от 6.2 до 15.5 eACH. Таким образом, «Medium» сценарий Far-UVC с 5 лампами работает значительно лучше, чем воздухоочиститель с даже большими показателями.

Конечно, Far-UVC система требует больше времени на установку и настройку, но взамен может предложить гораздо больший eACH, не говоря уже о бесшумной работе такой установки. Еще одно потенциальное преимущество Far-UVC по сравнению с воздухоочистителями и GUV заключается в том, что такая система может не требовать «хорошего» перемешивания воздуха в помещении.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали систему очистки воздуха в помещении от патогенных микроорганизмов, передающихся от человека к человеку воздушно-капельным путем. Для этого были использованы специальные ультрафиолетовые лампы на базе хлорида криптона (KrCl). Ученые учли ограничения, определенные различными здравоохранительными организациями, так что полученная система не имела негативных последствий воздействия на человека. При этом эффективность ликвидации патогенов составляла ~ 92% в режиме «среднего» воздействия и ~ 98% в режиме «сильного» воздействия. В зависимости от режима время, требуемое на очистку помещения, варьировалось от 5 до 15 минут.

Учитывая ситуацию в мире, к которой привела пандемия COVID-19, ученые уверены в том, что подобного рода системы очистки воздуха могут оказаться куда более эффективными средствами борьбы с вирусами и другими патогенными микроорганизмами, чем те, что используются на данный момент.

Конечно, дистанцирование, ношение масок и вакцинация останутся неотъемлемой частью жизни общества. Но их роль может перейти от критически важной к вспомогательной, если системы Far-UVC будут имплементированы повсеместно.

В будущем ученые намерены провести еще несколько тестов, дабы определить пределы эффективности своей разработки в разных условиях работы, которые будут максимально приближены к реальным. Но уже на этом этапе видно, что потенциал Far-UVC достаточно велик.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?