Penyinaran nyahkuman ultraungu

Penyinaran nyahkuman ultraungu (PNUV) ialah teknik pembasmian kuman menggunakan cahaya ultraungu (UV), terutamanya UV-C (180-280 nm), untuk membunuh atau menyahaktifkan mikroorganisma. PNUV menyahaktifkan mikrob secara utamanya melalui perosakan bahan genetik mikrob tersebut, dan dengan itu menghalang keupayaan mikrob itu untuk menjalankan fungsi vitalnya.^[1]

Penggunaan PNUV meluas ke pelbagai aplikasi, merangkumi pembasmian kuman makanan, permukaan, udara dan air. Peranti-peranti PNUV berupaya untuk menyahaktifkan mikroorganisma yang termasuk bakteria, virus, kulat, kulapuk dan patogen-patogen lain.^[2][3] Kajian terbaru telah membuktikan keupayaan cahaya UV-C untuk menyahaktifkan SARS-CoV-2, yakni strain koronavirus yang menyebabkan COVID-19.^{[4][5][6][7][8][9]}

Jarak gelombang UV-C menunjukkan pelbagai keberkesanan nyahkuman serta kesan-kesan pada tisu biologi.^[9][10][11] Banyak lampu nyahkuman seperti lampu merkuri bertekanan rendah (LP-Hg), dengan pelepasan puncak lebih kurang pada 254 nm, mengandungi panjang gelombang UV yang boleh membahayakan manusia.^[12][13] Akibatnya, sistem PNUV telah dihadkan penggunaannya terutamanya apabila orang ramai tidak terdedah secara langsung, yang termasuklah pembasmian kuman pada lantai hospital, UVGI bilik atas dan rawatan air.^[14][15][16] Kebelakangan ini pula, penggunaan panjang gelombang antara 200-235 nm, sering dirujuk sebagai UVC-jauh, telah mendapat daya tarikan untuk pembasmian kuman pada permukaan dan udara.^[11][17][18] Panjang gelombang ini dianggap lebih selamat kerana pengurangan signifikan terhadap penembusan ke dalam tisu manusia.^{[19][20][21][22]}

Perlu diingatkan bahawa, cahaya UV-C hampir tiada dalam cahaya matahari yang sampai ke permukaan bumi disebabkan oleh sifat penyerapan lapisan ozon dalam atmosfera.^[23]

Perkembangan PNUV bermula pada tahun 1878 apabila Arthur Downes dan Thomas Blunt mendapati cahaya matahari, terutamanya panjang gelombangnya yang lebih pendek, merencat pertumbuhan mikrob.^[24][25][26] Émile Duclaux mengembang penemuan tersebut pada tahun 1885, melalui pengenalpastian variasi sensitiviti cahaya matahari di kalangan spesies bakteria yang berbeza.^[27][28][29] Beberapa tahun kemudian, pada tahun 1890, Robert Koch menunjukkan kesan maut cahaya matahari pada Mycobacterium tuberculosis, secara tidak langsung menunjukkan potensi PNUV memerangi penyakit-penyakit seperti tuberkulosis.^[30]

Kajian seterusnya mentakrifkan lebih mendalam mengenai jarak gelombang yang paling berkesan untuk penyahaktifan kuman. Pada tahun 1892, segmen jarak gelombang UV pada cahaya matahari telah diperhatikan mempunyai kesan nyahbakteria yang paling kuat.^[31][32] Penyelidikan yang dijalankan pada awal 1990-an menunjukkan keberkesanan UV-C untuk membunuh kuman yang lebih unggul berbanding UV-A dan UV-B.^[33][34][35]

Kesan mutagenik UV pertama kali didedahkan dalam kajian 1914 yang memerhatikan perubahan metabolisme pada Bacillus anthracis apabila terdedah kepada dos submaut UV.^[36] Frederick Gates, pada akhir 1920-an, menunjukkan spektrum tindakan bakteria kuantitatif yang pertama untuk Staphylococcus aureus dan Bacillus coli, mencatatkan keberkesanan puncak pada 265 nm.^[37][38][39] Hal ini sepadan dengan spektrum penyerapan asid nukleik, menunjukkan secara tidak langsung terhadap kerosakan DNA sebagai faktor utama ketidakaktifan bakteria. Pemahaman ini telah diperkukuh pada tahun 1960-an melalui penyelidikan yang menunjukkan keupayaan UV-C untuk membentuk dimer timin, yang membawa kepada ketidakaktifan mikrob.^[40] Penemuan awal ini secara kolektif meletakkan asas untuk PNUV moden sebagai alat pembasmian kuman.

Kesungguhan penggunaan PNUV untuk pembasmian kuman udara bermula pada pertengahan 1930-an. William F. Wells menunjukkan pada tahun 1935 bahawa organisma berjangkit bawaan udara khususnya aerosol B. coli yang terdedah kepada 254 nm UV boleh dinyahaktifkan dengan cepat.^[41] Perkara ini berasaskan teori awal penjalaran nukleus titisan berjangkit yang dikemukakan oleh Carl Flüugge dan Wells sendiri.^[42][43] Sebelum wujudnya pengemukaan ini, sinaran UV telah dikaji terutamanya dalam konteks media cecair atau pepejal, tetapi tidak pada mikrob bawaan udara.

Tidak lama selepas eksperimen awal Wells, PNUV berintensiti tinggi telah digunakan untuk membasmi kuman bilik pembedahan hospital di Universiti Duke pada tahun 1936. ^[44] Kaedah ini terbukti berjaya, mengurangkan jangkitan luka selepas pembedahan daripada 11.62% sebelum penggunaan PNUV kepada 0.24% selepas penggunaan PNUV. ^[45] Tidak lama kemudian, pendekatan ini diperluaskan ke hospital dan wad bayi lain menggunakan "tirai cahaya" PNUV, direka untuk mencegah jangkitan silang pernafasan, dengan kejayaan yang ketara.^{[46][47][48][49]}

Penyesuaian dalam penggunaan PNUV menyaksikan peralihan dari "tirai cahaya " ke PNUV bilik beraras atas, mengehadkan sinaran nyahkuman di atas paras kepala manusia. Walaupun ia bergantung pada pergerakan udara secara menegak yang baik, pendekatan ini menghasilkan hasil yang baik dalam mencegah jangkitan silang.^[50][51][52] Hal ini dicontohkan oleh kejayaan penggunaan PNUV bilik beraras atas oleh Wells antara tahun 1937 dan 1941 untuk mengurangkan penyebaran campak di sekolah harian Philadelphia di pinggiran bandar. Kajian beliau mendapati bahawa 53.6% daripada golongan rentan di sekolah tanpa PNUV dijangkiti, manakala hanya 13.3% daripada golongan rentan dijangkiti di sekolah dengan PNUV.^[53]

Richard L. Riley, pada awal merupakan seorang pelajar bawah Wells, meneruskan kajian jangkitan bawaan udara dan PNUV sepanjang 1950-an dan 60-an, menjalankan eksperimen penting di wad TB Hospital Veteran. Riley berjaya menunjukkan bahawa PNUV boleh menyahaktifkan patogen bawaan udara dengan cekap dan mencegah penyebaran tuberkulosis.^[54][55][56]

Walaupun terbukti kejayaan awalnya, penggunaan PNUV kian merosot pada separuh kedua era abad ke-20 disebabkan oleh pelbagai faktor, termasuklah peningkatan jenis alternatif kaedah kawalan dan pencegahan jangkitan, hasil keberkesanan yang tidak konsisten, dan kebimbangan mengenai keselamatannya serta keperluan untuk menyelenggaranya.^[14] Walau bagaimanapun, peristiwa baru-baru ini seperti peningkatan dalam pelbagai bakteria tahan dadah dan pandemik COVID-19 telah memperbaharui minat terhadap PNUV untuk pembasmian kuman udara.^{[57][58][59][60]}

Penggunaan cahaya UV untuk pembasmian kuman air minuman bermula sejak 1910 di Marseille, Perancis.^[61] Kilang prototaip telah ditutup selepas masa yang singkat kerana kebolehpercayaan yang lemah. Pada tahun 1955, sistem rawatan air UV telah digunakan di Austria dan Switzerland; menjelang 1985 kira-kira 1,500 loji telah digunakan di Eropah. Pada tahun 1998 didapati bahawa protozoa seperti cryptosporidium dan giardia lebih terdedah kepada cahaya UV berbanding yang difikirkan sebelumnya; dan ini membuka jalan kepada penggunaan berskala luas rawatan air UV di Amerika Utara. Menjelang 2001, lebih 6,000 loji rawatan air UV telah beroperasi di Eropah. ^[62]

Dari masa ke masa, kos UV telah menurun apabila penyelidik membangun dan menggunakan kaedah UV baharu untuk menyahkuman air dan sisa kumbahan. Beberapa negara telah menerbitkan peraturan dan panduan untuk penggunaan UV bagi tujuan menyahkuman bekalan air minuman. Contohnya termasuk di AS^[63] dan di UK.^[64]

Cahaya UV ialah sinaran elektromagnet dengan jarak gelombang yang lebih pendek berbanding cahaya nampak tetapi lebih panjang berbanding sinaran-X. UV dikategorikan kepada beberapa julat panjang gelombang, dengan UV berjarak gelombang pendek (UV-C) dianggap sebagai "UV nyahkuman". Jarak gelombang antara kira-kira 200 nm dan 300 nm diserap kuat oleh asid nukleik. Tenaga yang diserap boleh mengakibatkan kecacatan termasuk dimer pirimidin. Dimer ini boleh menghalang replikasi atau menghalang ekspresi protein yang diperlukan, mengakibatkan kematian atau ketidakaktifan organisma. Baru-baru ini, satu kajian mendapati bahawa dimer ini berpendarfluor.^[66]

• Lampu berasaskan merkuri yang beroperasi pada tekanan wap rendah memancarkan cahaya UV pada nilai spektrum 253.7 nm.^[67]
• Lampu diod pemancar cahaya ultraungu (UV-C LED) memancarkan cahaya UV pada panjang gelombang yang boleh dipilih antara 255 dan 280 nm.^[68]
• Lampu xenon berdenyut memancarkan cahaya UV merentasi seluruh spektrum UV dengan pelepasan puncak menghampiri 230 nm. ^[65]

Proses ini serupa tetapi lebih kuat daripada kesan panjang gelombang yang lebih panjang (UV-B) yang menghasilkan selaran matahari pada manusia. Mikroorganisma mempunyai kurang perlindungan terhadap UV dan tidak dapat bertahan dalam pendedahan berjangka masa panjang.

Sistem PNUV direka untuk mendedahkan persekitaran seperti tangki air, bilik dan sistem udara paksa kepada UV nyahkuman. Pendedahan datang daripada lampu nyahkuman yang memancarkan UV nyahkuman pada jarak gelombang yang betul, sekali gus menyinari persekitaran tersebut. Aliran paksa udara atau air melalui persekitaran ini memastikan pendedahan udara atau air tersebut.

Keberkesanan UV nyahkuman bergantung pada tempoh mikroorganisma terdedah kepada UV, keamatan dan jarak gelombang sinaran UV, kehadiran zarah yang boleh melindungi mikroorganisma daripada sinaran UV, serta keupayaan mikroorganisma untuk bertahan mengatasi sinaran UV yang terdedah.

Dalam banyak sistem, kelewahan pendedahan mikroorganisma terhadap sinaran UV dicapai melalui pengitaran udara atau air berulang kali. Ini memastikan hantaran udara berulang kali supaya sinaran UV berkesan terhadap bilangan mikroorganisma setinggi mungkin dan akan menyinari mikroorganisma tahan radiasi lebih dari sekali untuk memusnahkannya.

"Pensterilan penuh" sering disalah anggap boleh dicapai. Walaupun secara teorinya boleh jika dilakukan pada persekitaran terkawal, ia amat sukar untuk dibuktikan dan istilah "pembasmian kuman" biasanya digunakan oleh syarikat yang menawarkan perkhidmatan ini untuk mengelakkan teguran undang-undang. Syarikat pakar selalunya akan mengiklankan nilai pengurangan log tertentu, contohnya, pengurangan log 6 atau 99.9999% berkesan, bukannya pensterilan. Ini mengambil kira satu fenomena yang dikenali sebagai pembaikpulihan terang dan gelap (fotoreaktivasi dan pembaikpulihan eksisi bes) yakni keadaan sel boleh membaiki DNA yang telah rosak disebabkan cahaya UV.

Keberkesanan bentuk pembasmian kuman ini bergantung pada pendedahan garis pandang mikroorganisma kepada cahaya UV. Persekitaran seperti reka bentuk yang mencipta halangan terhadap cahaya UV tidak begitu berkesan. Dalam persekitaran sedemikian, keberkesanan kemudiannya bergantung pada penempatan sistem PNUV supaya garis penglihatan adalah pada tahap optimum untuk pembasmian kuman.

Habuk dan filem menyaluti mentol lampu menurunkan kadar pembebasan cahaya UV. Oleh itu, mentol memerlukan pembersihan dan penggantian berkala untuk memastikan keberkesanan. Jangka hayat mentol UV nyahkuman berbeza-beza bergantung pada reka bentuk. Selain itu, bahan yang digunakan untuk menghasil mentol berupaya untuk menyerap beberapa jenis sinaran nyahkuman.

Penyejukan lampu di bawah aliran udara juga boleh menurunkan kadar penghasilan UV. Peningkatan keberkesanan dan keamatan UV boleh dicapai dengan menggunakan pemantulan. Aluminium mempunyai kadar pemantulan tertinggi berbanding logam lain dan disyorkan apabila menggunakan UV. ^[69]

Satu kaedah untuk mengukur keberkesanan UV dalam aplikasi pembasmian kuman dalam air adalah melalui pengiraan dos UV. Agensi Perlindungan Alam Sekitar AS (EPA) menerbitkan garis panduan dos UV untuk aplikasi rawatan air pada tahun 1986.^[70] Dos UV tidak boleh diukur secara langsung tetapi boleh diandaikan berdasarkan input yang diketahui atau anggaran input kepada proses:

• Kadar aliran (masa penyentuhan)
• Kehantaran (cahaya sampai ke sasaran)
• Kekeruhan
• Umur lampu atau kekotoran atau gangguan (pengurangan keamatan sinaran UV)

Dalam aplikasi pembasmian kuman udara dan permukaan, keberkesanan UV dianggarkan dengan mengira dos sinaran UV yang akan terpancar kepada populasi mikrob. Dos sinaran UV dikira seperti berikut:

Dos sinaran UV (μW·s/cm ² ) = Keamatan sinaran UV (μW/cm ² ) × masa pendedahan (saat) ^[71]

Keamatan sinaran UV ditentukan untuk setiap lampu pada jarak 1 meter. Keamatan sinaran UV adalah berkadar songsang dengan kuasa dua jarak jadi ia berkurangan pada jarak yang lebih jauh. Sebagai alternatif, ia meningkat dengan cepat pada jarak yang lebih pendek daripada 1 m. Dalam formula di atas, keamatan sinaran UV mesti sentiasa dilaraskan untuk jarak melainkan dos sinaran UV dikira tepat pada 1 m (3.3 ka) dari lampu. Juga, untuk memastikan keberkesanan, dos sinaran UV mesti dikira pada akhir jangka hayat lampu (jangka akhir hayat dinyatakan dalam bilangan jam apabila lampu dijangka mencapai 80% daripada keluaran UV awalnya) dan pada jarak paling jauh dari lampu menyala di kawasan pinggiran sasaran. Beberapa jenis lampu kalis pecah disalut dengan polimer etilena terpendarfluor untuk membendung serpihan kaca dan merkuri sekiranya berlaku pecah; dan salutan ini mengurangkan pengeluaran UV sebanyak 20%.

Untuk meramalkan dengan tepat dos sinaran UV yang akan dihantar ke sasaran, keamatan sinaran UV yang dilaraskan untuk jarak tertentu, tahap penyalutan lampu serta jangka hayat lampu, akan didarabkan dengan masa pendedahan. Dalam aplikasi statik, masa pendedahan boleh selama mungkin untuk mencapai dos sinaran UV yang berkesan. Dalam kes udara bergerak pantas, contohnya seperti dalam saluran udara AC, masa pendedahan adalah pendek, jadi keamatan sinaran UV mesti ditingkatkan dengan memperkenalkan berbilang lampu UV. Malahan, pemasangan UV sebaiknya diletakkan di bahagian saluran lurus yang panjang dengan lampu menghalakan UVC ke arah yang selari dengan aliran udara untuk memaksimumkan masa udara disinari.

Pengiraan ini sebenarnya meramalkan kelancaran sinaran UV dan diandaikan bahawa kelancaran sinaran UV akan sama dengan dos sinaran UV. Dos sinaran UV ialah jumlah tenaga sinaran UV nyahkuman yang diserap oleh populasi mikrob dalam satu tempoh masa. Jika mikroorganisma adalah planktonik (terapung bebas) maka kelancaran sinaran UV akan sama dengan dos sinaran UV. Walau bagaimanapun, jika mikroorganisma terlindung oleh zarah mekanikal, seperti habuk dan kotoran, atau telah membentuk biofilm, kelancaran sinaran UV yang lebih tinggi akan diperlukan untuk dos sinaran UV yang berkesan untuk diperkenalkan kepada populasi mikrob.

Tahap penyahaktifan oleh sinaran ultraungu secara langsung berkaitan dengan dos sinaran UV yang digunakan pada air. Dos, hasil darab keamatan sinaran UV dan masa pendedahan, biasanya diukur dalam mikrojoule setiap sentimeter per segi, atau bersamaan dengan mikrowatt saat setiap sentimeter per segi (μW·s/cm²). Sembilan puluh peratus daripada dos sinaran UV membunuh hampir semua bakteria dan virus berkisar antara 2,000 dan 8,000 μW·s/cm². Parasit yang lebih besar seperti cryptosporidium memerlukan dos yang lebih rendah untuk penyahaktifan. Makanya, EPA AS telah menerima pembasmian kuman menggunakan sinaran UV sebagai kaedah untuk loji air minuman untuk penyahaktifan cryptosporidium, giardia atau virus. Contohnya, untuk pengurangan 90% cryptosporidium, dos minimum 2,500 μW·s/cm² diperlukan berdasarkan manual panduan EPA 2006. ^{[72] :1–7}

• Penapis HEPA
• Pembersihan air mudah alih
• Kebersihan
• Prosedur Operasi Standard Sanitasi
• Pembasmian kuman air suria

• Persatuan Ultraungu Antarabangsa