Immersive UV-Desinfektion von E. coli und MS2-Phagen auf gewebten Baumwolltextilien

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 13260 (2022) Diesen Artikel zitieren

Die immersive UV-Desinfektion bietet eine chemikalienfreie Technologie für sicherere Textilien, Oberflächen und öffentliche Räume durch die Inaktivierung übertragbarer Krankheitserreger. Diese Studie untersuchte die immersive UV-Desinfektion von E. coli und MS2, die auf weißen Baumwoll-T-Shirts geimpft wurden, mithilfe einer Desinfektionskabine. Der Einfluss poröser Materialien auf die UV-Desinfektion ist kaum bekannt, da sich der Großteil der bisherigen Forschung zur Oberflächendesinfektion auf harte, glatte Oberflächen konzentriert. In dieser Studie wurden mehrere Ansätze verwendet, um die Lichtdynamik innerhalb der Desinfektionskabine zu charakterisieren, darunter kolorimetrische Dosimetrie-Coupons, Biodosimetrie und Spektroradiometrie. Mikro- und Makrogeometrie poröser Oberflächen sind wichtige Faktoren, die beim Einsatz immersiver UV-Technologien berücksichtigt werden müssen. Die Geometrie des Schranks beeinflusste die Verteilung des emittierten UV-Lichts innerhalb des Desinfektionsschranks und die physikalischen Eigenschaften eines porösen Materials, wie zum Beispiel das gewebte Muster aus Baumwolle, tragen beide zur Effizienz der UV-Desinfektion bei. Diese Arbeit ergab, dass die Lichtverteilung für immersive UV-Technologien von entscheidender Bedeutung ist, da die abgegebene Fluenz innerhalb des Desinfektionsschranks stark schwankte und zu einem Unterschied von mehreren Logarithmen der Reduktion für benachbarte Bereiche von T-Shirt-Proben führte. Andere inokulierte Gebiete erreichten Reduktionswerte von über 1 Log für MS2 und über 2 Log Reduktionen für E. coli.

Das Interesse und der Einsatz immersiver UV-C-Technologien haben als Reaktion auf die SARS-CoV-2-Pandemie dramatisch zugenommen1,2. Immersive UV-C-Technologien nutzen keimtötendes Licht, um gemeinsam genutzte Räume oder häufig berührte Objekte zu desinfizieren und so die Übertragung übertragbarer Krankheiten zu reduzieren. Die SARS-CoV-2-Pandemie hat den Bedarf an sichereren Gemeinschaftsräumen und den Bedarf an wirksamen Instrumenten zur Reduzierung der Viruslast auf häufig berührten Oberflächen deutlich gemacht3,4,5,6. Die UV-C-Desinfektion ist in der Wasserindustrie für die biologische Kontrolle und im Gesundheitswesen für die keimtötende Bestrahlung der oberen Atemwege gut bekannt7. Die UV-C-Desinfektion gilt als ergänzende Reinigungsmethode, um das Auftreten von im Krankenhaus erworbenen Infektionen (HAIs) durch arzneimittelresistente Organismen zu reduzieren8,9. Das An- und Ausziehen persönlicher Schutzausrüstung (PSA) im Gesundheitswesen wurde in mehreren Studien als viraler Vektor identifiziert10,11,12. Die UV-C-Desinfektion von Kleidungsstücken, die Krankheitserreger tragen, hat das Potenzial, das Auftreten von im Krankenhaus erworbenen Infektionen zu reduzieren, und kann in Umgebungen mit hohem Verkehrsaufkommen wie Bürogebäuden, Stadien und Universitätsgeländen eingesetzt werden4,13.

Die Dynamik nichtporöser Materialien ist aus UV-C-Perspektive gut verstanden, wohingegen bei der Anwendung immersiver UV-C-Technologien auf poröse Materialien eine Wissenslücke besteht. Eine Studie untersuchte die Wirksamkeit chemischer Desinfektionsmittel auf porösen und nicht porösen Oberflächen und zeigte, dass Textilien wie Baumwolle im Vergleich zur Desinfektion von Glasoberflächen eine um 2 Log weniger wirksame Desinfektion aufwiesen14. Das Verständnis sowohl der Mikro- als auch der Makrogeometrie poröser Materialien hat erhebliche Auswirkungen auf die Wirksamkeit der UV-C-Desinfektion und muss bei der Desinfektion komplexer Oberflächen berücksichtigt werden6,15,16,17. Beispielsweise wurden immersive UV-C-Technologien für die Wiederverwendung von frontseitigen Atemschutzmasken (FFR) im Notfall eingesetzt, wobei Studien gezeigt haben, dass der FFR-Materialtyp entscheidend für die Wirksamkeit der UV-C-Desinfektion ist und die Obergrenze der erreichbaren Desinfektion bestimmt1,6,17,18. Nach Kenntnis des Autors gibt es keine veröffentlichte Studie, die die Wirksamkeit der immersiven UV-C-Desinfektion auf gängigen, porösen Materialien wie Baumwolle untersucht. Die Bedeutung dieser Wissenslücke wird noch deutlicher, wenn man das wachsende Interesse an der Desinfektion gemeinsam genutzter Räume berücksichtigt, die aus einer Mischung poröser und nicht poröser Materialien bestehen.

Desinfektionsschränke sind eine immersive UV-C-Technologie, die für verschiedene Nischenanwendungen auf den Markt gebracht wurde, beispielsweise für Bekleidungseinzelhändler, Umkleideräume und Labore. Desinfektionsschränke bieten eine 360°-UV-C-Bestrahlung, wodurch die beleuchtete Fläche auf porösen Objekten maximiert und die Auswirkungen von Schatten reduziert werden. Ein weiterer wichtiger Faktor, der bei diesen Technologien berücksichtigt werden muss, ist die Lichtverteilung. Eine unsachgemäße Verteilung des UV-C-Lichts kann zu einer unzureichenden Desinfektion der Zielobjekte führen. Es gibt mehrere Werkzeuge, die zur Charakterisierung der von immersiven UV-C-Lichtquellen gelieferten Fluenz verwendet werden können, wie z. B. UV-C-Dosimeterkarten, Biodosimetrie und Spektroradiometrie. Angesichts der Neuheit immersiver UV-C-Geräte gibt es keinen Standard zur Quantifizierung von 360°-Fluenzen. Dieser Artikel befasst sich mit diesem Problem, indem er einen UV-C-Desinfektionsschrank unter Verwendung häufig vorkommender Mikroorganismen und radiometrischer Techniken charakterisiert. Zur Charakterisierung der Fluenz wurden Biodosimetrie, chemische Dosimetrie (über Dosimeterkarten) und Spektroradiometrie eingesetzt, wobei Baumwoll-T-Shirts als Trainingskleidung dienten. Baumwollstoffe werden häufig in Kleidung, Möbeln und in allen Umgebungen für UV-C-Anwendungen verwendet und dienen als Ersatz für poröse Materialien. Die Ergebnisse dieser Studie informieren sowohl das Gesundheitswesen als auch die UV-C-Branche über bewährte Vorgehensweisen bei der Desinfektion poröser Materialien.

Für alle Validierungsstudien in diesem Manuskript wurde ein handelsüblicher UV-C-Desinfektionsschrank mit acht Niederdruck-Quecksilberhalogenlampen verwendet19. Die Zykluszeiten wurden über das Bedienfeld am Schrank programmiert, das die Bestrahlungsdauer automatisch regelte. Vor dem Einlegen der Proben wurde am Schrank ein Aufwärmzyklus durchgeführt, der die Auswirkungen des Aufwärmens der Lampe minimierte und eine konstante Helligkeit während des Tests gewährleistete. Trotz dieser Vorgehensweise war die Lampenhelligkeit in den ersten 20 Sekunden der Nutzung nicht stabil. Das Aufwärmen der Lampe kann die Variabilität der Desinfektionseffizienz bei niedrigeren Fluenzen erhöhen. Es wird empfohlen, einen Aufwärmzyklus zu verwenden, wenn das Gehäuse längere Zeit im Leerlauf war, um Schwankungen bei Anwendungen mit geringer Fluenz zu verringern. Der Schrank wurde außerdem mit einem Verriegelungsmechanismus ausgestattet, um zu verhindern, dass er während des Gebrauchs versehentlich UV-C-Licht ausgesetzt wird. Die verwendeten Charakterisierungsansätze wurden so konzipiert, dass sie die Gesamtfunktion des Schranks minimal beeinträchtigen. Beispielsweise wurde ein dünnes USB-Kabel durch die Schranktüren geführt, um das Spektroradiometer mit Strom zu versorgen und gleichzeitig die Schrankdichtung intakt zu halten.

Für alle Proben wurden mittelgroße, weiße Herren-T-Shirts aus 100 % Baumwolle verwendet, die vor der Verwendung direkt aus der Verpackung entnommen wurden. Dieser Hemdentyp wurde ausgewählt, da er am besten eine „Grundlinie“ von Baumwolltextilien darstellt und für die Reproduktion dieses Werks weit verbreitet ist.

MS2 und E. coli wurden aufgrund ihrer vorhersagbaren Reaktion auf UV-C-Licht als Belastungsorganismen ausgewählt und für alle mikrobiellen Belastungsorganismen für alle mikrobiologischen Tests verwendet und auf die Zielbereiche der Kleidung geimpft, wie in Abb. 1 dargestellt. MS2-Bakteriophage und E . coli wurden den Zielbereichen in sechs 5-µL-Tröpfchen innerhalb eines 2 cm × 2 cm großen Zielbereichs zugesetzt. Gesamte Inokulationsvolumina von mehr als 30 µl führten zum Ausbluten von Flüssigkeiten innerhalb des Gewebes, die die Grenzen von 2 cm × 2 cm durchbrachen. Mit MS2 inokulierte T-Shirts wurden 20 Minuten lang auf einem Edelstahltisch getrocknet und die Luftfeuchtigkeit wurde während des Experiments mit einem DHT11-Feuchtigkeitssensor gemessen. Mit E. coli inokulierte Hemden wurden nicht getrocknet, da das E. coli-Inokulum beim Trocknen anfällig für Zelltod war. Während der Inokulations- und Trocknungsschritte wurden sterile Petrischalen zwischen die T-Shirt-Schichten gelegt, um sicherzustellen, dass das Inokulum nicht auf die Rückseite des Shirts durchblutete. Die Trennwände der Petrischale wurden entfernt, bevor das Kleidungsstück in den UV-C-Schrank gelegt wurde.

T-Shirt-Inokulationsregionen für MS2 und E. coli. RS und RA beziehen sich auf den rechten Ärmel und die rechte Achselhöhle; LS und LA beziehen sich auf den linken Ärmel und die linke Achselhöhle; F1, F2 und F3 beziehen sich auf Front 1, 2 und 3.

Weiße T-Shirts wurden mit einem Plastikbügel aufgehängt und an einer zufällig ausgewählten Stelle im Schrank an einer der vier Positionen im Schrank platziert. Der linke Ärmel jedes T-Shirts wurde in allen Experimenten am nächsten an den Schranktüren positioniert und die Indizierung für die Aufhängepositionen ist in Abb. 2 dargestellt. Diese Ausrichtung stellte sicher, dass die Probenahmeorte in ihrer Beziehung zu den UV-C-Lampen im Schrank konsistent waren . Die Impfregionen für T-Shirts sind in Abb. 2 dargestellt. „R“, „F“ und „L“ beziehen sich jeweils auf die rechte, vordere und linke Seite des Hemdes. „S“ und „A“ beziehen sich auf den Ärmel und die Achselhöhle des T-Shirts. Nach der UV-C-Exposition wurden Coupons aus den beimpften Bereichen mit einer sterilisierten Schere geschnitten, in einem 50-ml-Falcon-Röhrchen gesammelt und in Phosphatpufferlösung (PBS) resuspendiert.

Positionsindizierung zum Aufhängen von T-Shirts im UV-C-Desinfektionsschrank.

MS2-Proben wurden unter Verwendung der Doppelagarschichtmethode mit Plattenzählungen basierend auf beobachteten Plaque-bildenden Einheiten (PFU) gemäß EPA 1601-Protokollen gezählt20. E. coli wurde mit Chromocult® Coliform-Agar (Millipore Sigma) ausplattiert, einem selektiven und differenziellen chromogenen Kulturmedium für die mikrobiologische Analyse von Wasserproben. Die Verwendung dieser selektiven Medien ermöglicht eine zuverlässige Quantifizierung UV-C-behandelter Proben und verringert gleichzeitig das Risiko einer Kreuzkontamination der Proben, was bei der Arbeit mit nicht sterilen Gegenständen wie Baumwolltextilien von entscheidender Bedeutung ist. UV254-Messungen wurden auf einem Hach DR5000 für Kontrollproben durchgeführt, um die UV-C-Durchlässigkeit des Inokulums zu berücksichtigen.

Dosimetrieexperimente wurden in zwei Phasen durchgeführt, um einen vollständigen Desinfektionszyklus zu charakterisieren. Die verwendeten Dosimetrie-Coupons waren kolorimetrisch empfindlich gegenüber 25, 50 und 100 mJ cm−2 und lieferten einen Hinweis auf die interne Fluenz, die für alle Bereiche innerhalb des Schranks erreicht wurde. Die erste Phase bestand aus einer Belichtungszeit von 30 Sekunden und die zweite Phase aus einer Belichtungszeit von 70 Sekunden. Die Belichtungszeiten wurden basierend auf dem Zielanwendungsfall des Geräts und auch in Absprache mit dem Hersteller des Schranks ausgewählt19. Die Coupons haben eine selbstklebende Rückseite zum Anbringen an Oberflächen. Die Coupons wurden in einer 2 × 2-Anordnung, die die Abmessungen eines hängenden T-Shirts überspannte, an den inneren Seitenwänden des Schranks platziert. Das Rückwand-Coupon-Array deckte den Abstand zwischen der Mitte jeder UV-C-Lampenhalterung ab. An jeder Schranktür war in Höhe der Mitte eines hängenden Kleidungsstücks ein Coupon angebracht. Gutscheine wurden außerdem an jeder Hängeposition im Schrank an den Gestellen befestigt. Abbildung 3 zeigt Bilder der Dosimetrie-Coupon-Konfiguration im Schrank.

Interne Anordnung der Dosimetrie-Coupons im UV-C-Schrank.

Unmittelbar nach der UV-C-Exposition wurden Fotos von Dosimeter-Coupons aufgenommen, um das Ausbleichen der Indikatorfarbe abzumildern. Dosimetrie-Coupons neigten dazu, zu den Grundfarben zu verblassen, wenn sie länger als vier Stunden liegen gelassen wurden. Fotos von UV-C-exponierten Coupons wurden unter konstanten Lichtbedingungen aufgenommen, um die Auswirkungen des Umgebungslichts im Labor zu kontrollieren, und wurden bei jedem Versuchsdurchlauf am selben Ort im Labor aufgenommen.

Die UV-C-Bestrahlungsstärke wurde mit einem Spektroradiometer OceanOptics USB4000 (OceanOptics, USA) mit einem USB-Flachdrahtkabel gemessen, das es dem Radiometer ermöglichte, im Schrank zu funktionieren und gleichzeitig die Abdichtung der Schranktüren aufrechtzuerhalten. Spektroradiometermessungen wurden an jeder Aufhängeposition innerhalb des Schranks durchgeführt und aus fünf verschiedenen Ausrichtungen gesammelt und sind in Abb. 4 dargestellt. Die Fluenz an jeder Aufhängeposition innerhalb des Schranks wurde dann durch Mittelung der gemessenen Bestrahlungsstärke für jede Ausrichtung des Spektroradiometers berechnet. Die Messung der Bestrahlungsstärke in mehreren Ausrichtungen an derselben Aufhängeposition ermöglicht ein Verständnis der Lichtverteilung innerhalb eines geschlossenen, UV-C-beleuchteten Volumens.

Ausrichtung des Spektroradiometers für Strahlungsmessungen.

Die Durchdringung von UV-C-Licht durch die T-Shirt-Schichten wurde mit einem UV-C-kollimierten Strahl untersucht. Die Durchdringung von UV-C-Licht wurde an Einzel- (L1) und Doppelschichten (L2) aus weißem Baumwollstoff mit einer kollimierten 40-W-Niederdruck-Quecksilberlampe getestet, die 25,5 cm vom Zieltextil entfernt war. Kollimierte Strahlen geben UV-C-Licht in eine Richtung ab, während der UV-C-Kabinett eine 360°-Lichteinstrahlung ermöglicht. Zur Messung der Lichtdurchdringung wurde ein Ocean Optics USB4000-Spektroradiometer verwendet, um den Anteil des UV-C-Lichts zu bestimmen, der von den Schichten einer Baumwolle blockiert wird. Die Lichtdurchdringung mithilfe eines kollimierten Strahls ist ein Ersatz für den Desinfektionsschrank, da sie eine konservative Schätzung für die Blockierung von UV-C-Licht nachahmt. Das Lichtdurchdringungsexperiment bestand aus L1- und L2-Bedingungen. Baumwollcoupons wurden an der Oberfläche des Spektroradiometer-Detektors befestigt, die dann unter der Mitte des kollimierten Strahls platziert wurde (siehe Abb. 5).

UV-C-Lichtdurchdringung durch verschiedene T-Shirt-Baumwollschichten. L1 = eine Schicht; L2 = zwei kombinierte Schichten (n = 30).

Die Dosimetrie ergab, dass die Lichtverteilung innerhalb der Desinfektionskabine trotz 360°-Emission der UV-C-Strahlung nicht gleichmäßig ist. Während des Charakterisierungsprozesses wurden sowohl 15- als auch 25-W-Lampen verwendet. Aufgrund von Einschränkungen in der Lieferkette, die die Verfügbarkeit bestimmter Lampenmodelle einschränken könnten, wurden mehrere Wattstärken getestet. Die Dosimetrieergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Dosimetrie liefert einen kolorimetrischen Bereich, der für eine UV-C-Fluenz spezifisch ist, und keinen quantitativen Wert. Der 30-sekündige Bestrahlungszyklus setzte alle Schrankbereiche einer Fluenz von mindestens 43,8 mJ cm−2 aus. Die minimal gelieferte Fluenz für den kürzesten Anwendungsfall übersteigt einen 3-Log-Reduktionswert für pathogene Viren wie SARS-CoV-2 auf harten Oberflächen21.

Der 70-sekündige Belichtungszyklus führte dazu, dass das Gerät in allen Schrankbereichen eine Fluenz von mindestens 50 mJ cm−2 erreichte. Es sollte auch beachtet werden, dass mehrere Bereiche sehr nahe an der 100 mJ cm−2-Schwelle der Dosimeter lagen. Das Erreichen einer ungehinderten Fluenz, die größer ist als die, die für eine harte Oberfläche erforderlich ist, ist von entscheidender Bedeutung, da eine poröse Oberfläche die abgegebene Fluenz aufgrund von Schattierung, Geometrie und textilen Eigenschaften verringert22. Die berechnete Fluenz für den Anwendungsfall „Desinfektionsschrank“ übersteigt die erforderliche Fluenz, die für eine 3-Log-Reduktion von SARS-CoV-221,23,24 erforderlich ist. Dosimetrie-Coupons haben eine obere Nachweisgrenze und sind qualitativer Natur, was ihre Verwendung als Charakterisierungsinstrument einschränkte.

Spektroradiometerdaten deuteten auf eine Asymmetrie innerhalb des Desinfektionsschranks in allen Ausrichtungen hin. Tabelle 2 zeigt die Fluenz bei einem 70-Sekunden-Zyklus, gemittelt über Hängepositionen und für jede Ausrichtung des Radiometers. Die Ausrichtung nach oben lieferte die geringste Fluenz, was zu erwarten war, da an der Schrankdecke keine Lampen montiert sind. Das gesamte in der UP-Position erkannte UV-Licht wird von den Innenwänden des Schranks reflektiert. Ein ähnliches Muster ist für die Frontausrichtung zu beobachten, da der Großteil des von dieser Position erfassten UV-Lichts von den Schranktüren reflektiert wird. Der Abstand von der Decke zur Erkennung betrug etwa das Doppelte des Abstands vom Detektor zu den Türen. Bemerkenswerterweise betrugen die Fluenzen für die rechte und vordere Ausrichtung des Detektors etwa die Hälfte der Fluenz für die hintere und linke Ausrichtung. Die Ursache dieser Diskrepanz ist unklar, da der Schrankaufbau seitensymmetrisch ist.

Die Ergebnisse in Tabelle 2 verdeutlichen zusätzlich die Einschränkungen von Dosimetrie-Coupons. Jede Ausrichtung des Spektroradiometers liegt über der oberen Nachweisgrenze von 100 mJ cm−2 der kolorimetrischen Couponskala. Dieses Ergebnis zeigt, dass vor der Verwendung die Nachteile des Dosimetrie-Coupons ordnungsgemäß berücksichtigt werden müssen.

Die Lichtdurchdringung mithilfe eines kollimierten Strahls simuliert das Licht einer einzelnen Quelle, das durch ein Textil dringt. Eine durchschnittliche Bestrahlungsstärke von 3,97 W m−2 (n = 30) wurde vom Spektroradiometer gemessen, wenn kein Stoff den Detektor bedeckte. Bei der Messung der Lichtdurchdringung durch L1 bzw. L2 wurden 82,1 % bzw. 93,0 % des UV-C-Lichts blockiert.

Die direkte Messung der UV-C-Bestrahlungsstärke mittels Spektroradiometrie quantifiziert die Lichtintensität und beseitigt die Empfindlichkeitsbeschränkungen der Coupon-Dosimetrie. Die durchschnittliche abgegebene Fluenz ist über alle Aufhängepositionen hinweg konsistent und liegt über 100 mJ cm−2, es gibt jedoch Unterschiede in der gemessenen Bestrahlungsstärke für bestimmte Ausrichtungen des Spektroradiometers. Niedrigere Fluenzen wurden an allen Spektroradiometerpositionen berechnet, bei denen der Detektor in der Front- und Up-Ausrichtung angeordnet war, wie in Abb. 5 dargestellt. Die Spektroradiometerdaten stimmen mit Dosimetriedaten überein, die ähnliche Muster für diesen Teil des Gehäuses zeigten. Trotz Unterschieden in der Bestrahlungsstärke deuten die experimentellen Ergebnisse darauf hin, dass das Licht aus jeder Richtung innerhalb des Schranks unter Bedingungen, bei denen Schatten und textile Mikrogeometrie keine Rolle spielen, weit über 100 mJ cm−2 liegt. Eine detaillierte Tabelle mit diesen Daten finden Sie unter „Ergänzende Informationen“.

Der Einfluss benachbarter hängender Kleidungsstücke wurde untersucht, nachdem die Lichtverteilung für einen leeren Schrank bestimmt wurde. Das Spektroradiometer wurde an jeder der internen Positionen innerhalb des Schranks (P1, 2, 3, 4) aufgehängt, während T-Shirts an jeder anderen Position innerhalb des Schranks aufgehängt wurden. Anschließend wurde der Anteil des blockierten Lichts berechnet und in Tabelle 3 zusammengefasst. Die Positionen 1–3 hatten eine ähnliche Lichtdynamik, wohingegen P4 einen geringeren Anteil des blockierten Lichts aufwies.

Die Lichtdynamik innerhalb des Desinfektionsschranks ändert sich, wenn Gegenstände darin platziert werden. Beispielsweise würde ein voller Schrank (an jeder Position aufgehängte Gegenstände) die Lichtdynamik innerhalb des bestrahlten Volumens erschweren. Die Charakterisierung sowohl des Leer- als auch des Vollzustands liefert Erkenntnisse über die Lichtmenge, die in jedem Anwendungsfall blockiert wird. Insgesamt stellt die in dieser Arbeit beschriebene Methode zur Berechnung einer gerichteten, durchschnittlichen Fluenz ein Werkzeug zum Verständnis immersiver UV-C-Geräte dar.

MS2 und E. coli wurden als Testorganismen verwendet, um die Desinfektionsfähigkeiten des Desinfektionsschranks zu bewerten. Die relative Raumluftfeuchtigkeit wurde gemessen und lag zwischen 12 und 24 %. Die relative Luftfeuchtigkeit könnte die Erholungsschwelle für MS2 und E. coli beeinflusst haben. Trockene Luft kann zu einer verstärkten Austrocknung von Viren und Bakterien auf einem Kleidungsstück führen, bevor diese im Schrank behandelt werden.

Die logarithmischen Reaktionswerte für MS2 in jeder der inokulierten Regionen sind in Abb. 6 dargestellt. Die Konzentrationen des MS2-Kontrollinokulums lagen zwischen 7,5 und 8,5 PFU cm-2. Die Ultraviolettdurchlässigkeit (UVT) des Inokulums betrug durchschnittlich 72 %. Die Rückgewinnungseffizienz von MS2 war unterschiedlich und lag im Durchschnitt bei 15,5 % ± 23,5 %.

MS2 LRV für jede Impfstelle auf hängenden T-Shirts (n = 3). RS und RA beziehen sich auf die). Rechte Seite (RS) und rechter Arm (RA); Linker Ärmel (LS) und linke Achselhöhle (LA); Vorne 1,2,3 (F1, F2 und F3).

Die drei in Abb. 6 dargestellten Frontabschnitte (F1, F2, F3) weisen durchschnittliche Log-Reduction-Werte (LRVs) von 1,58, 1,63 bzw. 1,27 auf. Darüber hinaus erreichten die RA- und RS-Abschnitte einen LRV von 1,34 bzw. 1,36. Die Standorte LA und LS hatten den niedrigsten LRV mit 0,47 für LA und – 0,07 für LS. Eine einfaktorielle ANOVA (α = 0,05) mit der Hemdposition als Faktor und dem LRV-Wert als Antwort bestätigte, dass es einen signifikanten Unterschied zwischen den Hemdpositionen gibt. Ein Tukey-Post-hoc-Test ergab, dass sich die vorderen Abschnitte (F1, F2, F3) und die rechten Abschnitte (RA und RS) nicht signifikant voneinander unterscheiden (P-Wert > 0,05). Daher gibt es einen signifikanten Unterschied zwischen den LA- und LS-Abschnitten und den übrigen getesteten Standorten.

E. coli wurde auf die gleiche Weise wie MS2 inokuliert; Es wurden jedoch Änderungen am Protokoll vorgenommen, um die Schwierigkeiten bei der Gewinnung von E. coli aus T-Shirt-Coupons auszugleichen. Der E. coli-Inokulationsstamm wurde auf eine Konzentration von etwa 10,5 log cm-2 eingestellt, um Verluste durch Zelltod auf trockenem Baumwollmedium auszugleichen. Darüber hinaus zeigte E. coli im Vergleich zu MS2 eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Austrocknung, was dazu führte, dass das Inokulum nach dem Trocknen nicht mehr wiederhergestellt werden konnte. Dies führte dazu, dass der 20-minütige Trocknungsschritt für E. coli-Experimente entfiel. Der UVT-Wert des E. coli-Inokulums lag aufgrund der für die Gewinnung erforderlichen Konzentration praktisch bei 0. Die Rückgewinnungseffizienz von E. coli betrug durchschnittlich 4,0 % ± 1,0.

F1, F2 und F3 erzielten höhere durchschnittliche LRV-Werte von 3,1, 2,9 bzw. 2,4, wie in Abb. 7 dargestellt. Darüber hinaus erreichten die RA- und RS-Abschnitte einen durchschnittlichen LRV von 2,3 und 2,0. Die LA- und LS-Daten zeigten die niedrigsten LRVs von durchschnittlich 0,7 und 0,9. Der LA-Abschnitt ergab mit Werten zwischen 0,45 und 2,8 LRV auch die höchste Variabilität.

E. coli LRV für jede Impfstelle auf hängenden T-Shirts (n = 3). Rechte Seite (RS) und rechter Arm (RA); Linker Ärmel (LS) und linke Achselhöhle (LA); Vorne 1,2,3 (F1, F2 und F3).

Eine einfaktorielle ANOVA (α = 0,05) mit Hemdposition als Faktor und LRV als Antwort zeigte einen signifikanten Unterschied zwischen den Hemdpositionen. Ein Post-Hoc-Test nach Tukey ergab, dass sich die Abschnitte F1, F2, F3 und RA deutlich von LA und LS unterschieden. Abschnitt RA unterschied sich nicht wesentlich von irgendeinem der Abschnitte. Es wird geschätzt, dass das Fehlen von Unterschieden in dieser Region auf die Variabilität der Daten und nicht auf ein physikalisches Phänomen zurückzuführen ist. Es wird vermutet, dass die Ausrichtung der LA- und LS-Regionen innerhalb des Schranks die Hauptursache für die mangelnde Desinfektion in diesen Bereichen im Vergleich zu den rechten (RA und RS) und vorderen (F1, F2 und F3) Bereichen des Hemdes ist.

Die physische Anordnung des Desinfektionsschranks ist die Hauptursache für erhebliche Unterschiede bei der Desinfektion von T-Shirt-Bereichen. Hängegestelle im Schrank sind auf die Innenwandabmessungen ausgerichtet und nicht auf die Anordnung der UV-C-Lampen ausgerichtet. Die falsche Ausrichtung der Lichtquellen und Aufhängepositionen führt zu einer ungleichmäßigen Lichtverteilung im Schrank. Diese Arbeit unterstreicht die Bedeutung des Verständnisses der Lichtverteilung bei der Entwicklung und Implementierung immersiver UV-C-Lichttechnologien.

Neben der Lichtverteilung hat auch die Materialart einen Einfluss auf die Desinfektionseffizienz. Nach Kenntnis der Autoren gibt es derzeit keine veröffentlichten Manuskripte, die die Desinfektion von Textilien mithilfe immersiver UV-C-Technologien untersuchen. Allerdings gibt es umfangreiche Erkenntnisse zum Einsatz von UV-Desinfektionstechnologien in der Wasseraufbereitung. Die Unterschiede zwischen nichtporöser und poröser Oberflächendesinfektion sind vergleichbar mit der Desinfektion von Trinkwasser versus der Desinfektion von Abwasser. UV-C ist für beide Wassermatrizen wirksam, es gibt jedoch zusätzliche Faktoren, die für eine ordnungsgemäße Verwendung berücksichtigt werden müssen. Das gleiche Konzept gilt für nichtporöse Oberflächen im Vergleich zu porösen Oberflächen.

Da UV-basierte Technologien in breiteren Anwendungen in Bereichen wie Schulen, Flughäfen oder Stadien eingesetzt werden, müssen die Auswirkungen poröser Materialien auf die UV-Effizienz berücksichtigt werden. Diese Arbeit liefert Basisdaten, die zeigen, dass die zur Desinfektion einer porösen Oberfläche erforderlichen Fluenzen um Größenordnungen höher sind als die zur Desinfektion einer harten Oberfläche erforderlichen Fluenzen.

In dieser Studie wurden verschiedene Methoden zur Messung der von einem UV-C-Desinfektionsschrank gelieferten Fluenz bewertet. Darüber hinaus wurden die Dynamik des Lichts und die Auswirkungen poröser Materialien auf die UV-C-Desinfektion mittels Biodosimetrie untersucht. Komplexe, poröse Oberflächen sind kaum erforscht und werden in der UV-C-Forschung aufgrund der inhärenten Herausforderungen in der Makro- und Mikrogeometrie poröser Materialien normalerweise nicht verwendet. Der Bedarf an Standardprotokollen beim Einsatz immersiver UV-C-Technologien auf komplexen Materialien, Objekten und Räumen ist offensichtlich.

Diese Studie ist auch die erste, die eine UV-Desinfektion auf Baumwolloberflächen demonstriert, was erhebliche Auswirkungen auf den Einsatz von Desinfektionstechnologien in der Textilindustrie haben könnte. Der in dieser Arbeit verwendete Desinfektionsschrank ermöglicht eine immersive 360°-Bestrahlung komplexer Objekte mit UV-Licht. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass immersive UV-Technologien bei richtiger Konzeption bei komplexen, porösen Textilien eine Reduzierung um 1 Log bis 3 Log erreichen können. Diese Studie zeigt auch die Bedeutung der Lichtverteilung für immersive UV-Technologien. Beispielsweise lässt sich die fehlende Desinfektion der linken Bereiche von Muster-T-Shirts durch die Position des Hängegestells im Schrank erklären. Ein kleiner Konstruktionsfehler führte zu einem etwa 1-logarithmischen Unterschied in der Desinfektionseffizienz im Vergleich zu anderen Bereichen der Muster-T-Shirts. Eine fehlerhafte Positionierung führte dazu, dass die Kleidungsbereiche in der Nähe der Schranktüren im Vergleich zu anderen Regionen einer asymmetrischen Menge direkter UV-C-Strahlung ausgesetzt waren.

Poröse Materialien wie Baumwolle sollten bei zukünftigen Arbeiten zur Desinfektion von Oberflächen und Gemeinschaftsräumen berücksichtigt werden. Um UV-Technologien richtig in das tägliche Leben zu integrieren, ist es notwendig, die Desinfektionsdynamik von Textilien und porösen Materialien zu verstehen. Das Ignorieren von Faktoren, die die Desinfektionseffizienz verringern, wie z. B. die Mikro- und Makrogeometrie, kann dazu führen, dass poröse Materialien nicht ausreichend desinfiziert werden. Die Autoren schlagen die Erforschung weiterer poröser Materialtypen vor, da die Materialzusammensetzung auch die Effizienz der UV-C-Desinfektion beeinflusst.

Die in dieser Studie verwendeten Daten sind auf Anfrage erhältlich, indem Sie sich an den entsprechenden Autor wenden.

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Die Autoren danken dem National Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) für die Finanzierung dieser Arbeit. Diese Studie wurde durch Unterstützung des NSERC COVID-19 Alliance Grant (ALLRP 549988-20) und des NSERC Discovery Grant-Programms (RGPIN-2018-03780) finanziert.

Zentrum für Wasserressourcenstudien, Abteilung für Bau- und Ressourceningenieurwesen, Dalhousie University, 1360 Barrington St., Halifax, NS, B3H 4R2, Kanada

Sean A. MacIsaac, Tony J. Mullin, Sebastian Munoz, C. Carolina Ontiveros und Graham A. Gagnon

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SMI und TM verfassten gemeinsam den Haupttext des Manuskripts und waren für die Überarbeitungen während des Schreibprozesses verantwortlich. SMI, SM und CO führten die Laborarbeit für das Manuskript durch. SMI entwarf und illustrierte alle Grafiken und Tabellen im Manuskript. CO führte statistische Analysen in R durch und generierte nachfolgende Abbildungen. GG übernahm die Aufsicht, Überprüfung und Bearbeitung aller Teile des Manuskripts Manuskript.

Korrespondenz mit Graham A. Gagnon.

Die Autoren erklären außerdem, dass der in dieser Studie verwendete Desinfektionsschrank von Energy Management Consultants LLC (EMC) geliefert wurde. Die Autoren geben an, dass für diese Arbeit kein potenzieller Interessenkonflikt besteht.

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Nachdrucke und Genehmigungen

MacIsaac, SA, Mullin, TJ, Munoz, S. et al. Immersive UV-Desinfektion von E. coli und MS2-Phagen auf gewebten Baumwolltextilien. Sci Rep 12, 13260 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17663-5

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Eingegangen: 15. März 2022

Angenommen: 28. Juli 2022

Veröffentlicht: 02. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17663-5

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