Оценка бактерицидного (антимикробного) действия ультрафиолетового излучения

Ультрафиолетовое излучение охватывает диапазон длин волн от 100 до 400 нм оптического спектра электромагнитных колебаний. По наиболее характерным реакциям, возникающим при взаимодействии ультрафиолетового излучения с биологическими приемниками, этот диапазон условно разбит на три поддиапазона: УФ-А (315 - 400 нм), УФ-В (280 - 315 нм), УФ-С (100 - 280 нм).

Кванты ультрафиолетового излучения не обладают достаточной энергией, чтобы вызвать ионизацию молекул кислорода, т.е. при поглощении нейтральной молекулой кислорода одного кванта, молекула не распадается на отрицательный электрон и положительный ион. Поэтому ультрафиолетовое излучение относят к типу неионизирующих излучений.

Бактерицидным действием обладает ультрафиолетовое излучение с диапазоном длин волн 205 - 315 нм, которое проявляется в деструктивно-модифицирующих фотохимических повреждениях ДНК клеточного ядра микроорганизма, что приводит к гибели микробной клетки в первом или последующем поколении.

Реакция живой микробной клетки на ультрафиолетовое излучение не одинакова для различных длин волн. Зависимость бактерицидной эффективности от длины волны излучения иногда называют спектром действия.

На рис.1 приведена кривая зависимости относительной спектральной бактерицидной эффективности от длины волны излучения λ.

Рис.1. Кривая относительной спектральной бактерицидной
эффективности ультрафиолетового излучения

Установлено, что ход кривой относительной спектральной бактерицидной эффективности для различных видов микроорганизмов практически одинаков.

Более чувствительны к воздействию ультрафиолетового излучения вирусы и бактерии в вегетативной форме (палочки, кокки). Менее чувствительны грибы и простейшие микроорганизмы. Наибольшей устойчивостью обладают споровые формы бактерий.

В приложении 4 приведена таблица экспериментальных значений поверхностной и объемной бактерицидных доз (экспозиций) в энергетических единицах, обеспечивающих достижение эффективности обеззараживания до 90, 95 и 99,9 % при облучении микроорганизмов излучением с длиной волны 254 нм от ртутной лампы низкого давления. Следует заметить, что данные, приведенные в этой таблице, являются справочными, так как получены различными авторами и не всегда совпадают.

В качестве основной радиометрической (эффективной) величиной, характеризующей бактерицидное излучение, является бактерицидный поток.

Значение бактерицидного потока может быть вычислено с учетом относительной спектральной бактерицидной эффективности по формуле:

, Вт, (1)

205 - 315 - диапазон длин волн бактерицидного излучения, нм;

- значение спектральной плотности потока излучения, Вт/нм;

- значение относительной спектральной бактерицидной эффективности;

- ширина спектральных интервалов суммирования, нм.

В этом выражении эффективный бактерицидный поток оценивается по его способности воздействовать на микроорганизмы. Бактерицидный поток измеряется в ваттах, так как является безразмерной величиной.

Бактерицидный поток составляет долю от энергетического потока источника излучения в диапазоне длин волн 205 - 315 нм, падающего на биологический приемник, эффективно расходуемую на бактерицидное действие, т.е.:

, Вт, (2)

- коэффициент эффективности бактерицидного действия излучения источника определенного спектрального состава, значение которого находится в пределах от 0 до 1.

Значение для ртутных ламп низкого давления равно 0,85, а для высокого давления - 0,42. Тогда для данного типа источника бактерицидные единицы любых радиометрических величин будут равны произведению на соответствующую энергетическую единицу.

Для описания характеристик ультрафиолетового излучения используются радиометрические физические (или энергетические) величины. Измерение значений этих величин подразделяется на спектральные и интегральные методы. При спектральном методе измеряется значение спектральной плотности радиометрической величины монохроматических излучений в узком интервале длин волн. При интегральном методе оценивается суммарное излучение в определенном спектральном диапазоне как для линейчатого, так для сплошного спектра.

В табл. 1 приведены основные радиометрические энергетические величины ультрафиолетового излучения, их определения и единицы измерения.

Таблица 1

Радиометрические энергетические величины и единицы измерения ультрафиолетового излучения

Величина	Обозначение и формула	Определение	Единица измерения
Энергия излучения		Энергия, переносимая излучением	Джоуль (дж), (Вт·с)
Поток излучения (мощность излучения)		Отношение энергии излучения ко времени действия (t, с)	Ватт (Вт)
Спектральная плотность потока излучения		Отношение потока излучения ( , Вт) в узком интервале длин волн к этому интервалу ( , нм)	Вт/нм
Сила излучения (угловая плотность потока излучения		Отношение потока излучения к телесному углу ( , ср)*, в котором распространяется излучение	Вт/ср
Облученность (поверхностная плотность потока излучения		Отношение потока излучения к облучаемой площади (S, м2)	Вт/м2
Поверхностная доза		Отношение энергии излучения к облучаемой площади (S, м2)	Дж/м2
Объемная доза		Отношение энергии излучения к облучаемому объекту (V, м3)	Дж/м3

* Телесный угол измеряется в стерадианах и определяется как отношение облучаемой площади к квадрату расстояния от источника излучения до облучаемой поверхности , ср.

Если известно значение бактерицидной облученности в точке на поверхности, удаленной от источника на расстояние (м), и его линейные размеры в 5 - 10 раз меньше этого расстояния, то поток и сила излучения цилиндрического источника определяются по формулам:

, Вт; ,ср. (3)

Микроорганизмы относятся к кумулятивным фотобиологическим приемникам, следовательно, результат взаимодействия ультрафиолетового бактерицидного излучения и микроорганизма зависит от его вида и бактерицидной дозы. Для поверхностной бактерицидной дозы , Дж/м² и для объемной бактерицидной дозы , Дж/м³.

Из приведенных выражений следует, что одно и тоже значение дозы можно получить при различных вариациях значений указанных параметров. Однако нелинейная чувствительность фотобиологического приемника ограничивает возможность широкой вариации этими параметрами. Для сохранения заданного уровня бактерицидной эффективности, установленного экспериментально, допускается не более 5-кратных вариаций значений параметров.

Результативность облучения микроорганизмов или бактерицидная эффективность оценивается в процентах как отношение числа погибших микроорганизмов ( ) к их начальному числу до облучения ( ) по формуле:

, %. (4)