Studien bestätigen, dass fernes UVC luftgetragene Krankheitserreger in Räumen wirksam abtöten kann.

Der folgende Artikel stammt von Guangmingyuan Light Technology , verfasst von Guangmingyuan Light Technology

Wissenschaftler der University of St Andrews, der University of Dundee, der University of Leeds und der Columbia University testeten die keimtötende Wirkung von Fern-UVC in einem echten Raum mit Lüftungsraten, die typischen Wohn- oder Büroumgebungen entsprechen (ungefähr drei Luftwechsel pro Stunde).

Während des Experiments sprühte ein Vernebler kontinuierlich einen Aerosolnebel aus Staphylococcus aureus in den Raum. (Dieser Mikroorganismus wurde gewählt, weil er etwas weniger empfindlich auf fernes UV-C reagiert als Coronaviren, was den Forschern ein angemessen konservatives Modell bietet.) Sobald sich die mikrobielle Konzentration im Raum stabilisiert hatte, schalteten die Forscher die fernen UV-C-Lampen im Raum ein. Diese Lampen eliminierten innerhalb von nur fünf Minuten mehr als 98 % der luftgetragenen Mikroben.

Dr. Kenneth Wood von der University of St Andrews sagte: „Die Ergebnisse unserer Versuche waren erstaunlich und übertrafen bei Weitem das, was allein durch Belüftung erreicht werden könnte.“ „Im Hinblick auf die Prävention luftübertragener Krankheiten können Far-UVC-Lampen Innenräume so sicher machen wie die Golfplätze in St Andrews.“

In echten Räumen inaktiviert fernes UVC schwebende Krankheitserreger wirksam

包括COVID-19在内的许多传染病，都是通过空气中的病原体得以传播，因而有必要采取不依赖于人类行为的环境控制措施。一种潜在的解决方案是氯化氪准分子灯(通常称为远紫外线)，它可以有效地灭活空气中的病原体，如冠状病毒和流感病毒。研究表明，当氯化氪灯过滤掉长波紫外线辐射后，它不会引起皮肤或者眼睛的急性反应，也不会引起皮肤癌等延迟症状。虽然有实验室的数据表明远紫外有效，但在实际的房间空间中，其有效性还得不到确认。

Wir zeigen zum ersten Mal, dass der Einsatz von fernem UVC-Licht in Innenräumen aerolisiertes Staphylococcus aureus wirksam inaktivieren kann. Bei einer Luftwechselrate von 3 ACH und fünf gefilterten UV-Quellen wurden die Erregerwerte im stationären Zustand um 98,4 % reduziert, was der Bereitstellung von zusätzlichen 184 äquivalenten Luftwechseln entspricht. Die verwendete Strahlendosis des fernen UVC-Lichts stimmt mit dem aktuellen Schwellenwert der American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) für eine kontinuierliche 8-stündige Hautexposition überein. Unsere Daten deuten darauf hin, dass fernes UVC-Licht gegen häufige luftgetragene Viren, einschließlich SARS-CoV-2, noch wirksamer sein könnte und als effektive „Nicht-Interventions“-Technologie zur Reduzierung luftgetragener Krankheiten dient. Diese Ergebnisse liefern datengestützte Unterstützung auf räumlicher Ebene für die Planung und Entwicklung von Systemen mit fernem UVC-Licht.

Das schwere akute respiratorische Syndrom-Coronavirus-2 (SARS-CoV-2), das die COVID-19-Pandemie verursacht hat, kann über die Luft von einer Person auf eine oder mehrere Personen übertragen werden. In Innenräumen mit vielen Menschen, insbesondere bei schlechter Belüftung, steigt das Risiko einer luftgetragenen Übertragung von SARS-CoV-2.

Wie allgemein bekannt ist, hat die hohe Übertragbarkeit von SARS-CoV-2 die nationalen Gesundheitssysteme überlastet, was zu Millionen von Todesfällen und langfristigen Gesundheitsproblemen führte. Während dies nachhaltige und verheerende Auswirkungen auf die Weltwirtschaft hatte, hat es wiederum zu tiefergehenden Problemen im Bereich des Wohlergehens und der öffentlichen Gesundheit geführt.

Es ist offensichtlich, dass die Reduzierung oder Verhinderung der Ausbreitung von SARS-CoV-2 eine kritische und beispiellose globale Herausforderung darstellt. Maßnahmen zur Kontrolle der Übertragung umfassen nationale Lockdowns, Einschränkungen sozialer und kommerzieller Versammlungen, verbesserte Innenraumlüftung, öffentliche Gesundheitskampagnen, das Tragen von Schutzmasken und Impfungen. Die Wirksamkeit dieser Maßnahmen variiert. Die Impfung war eine der wirksamsten Maßnahmen zur Verringerung von Todesfällen und schweren Erkrankungen, aber ihre Wirksamkeit bei der Verringerung der Virusübertragung bleibt unklar. Das Tragen von Gesichtsmasken ist eine wirksame Kontrollmaßnahme zur Verringerung des Risikos einer luftgetragenen Übertragung, hängt jedoch von individuellen Verhaltensentscheidungen ab und erfordert eine hohe Compliance, um die Unterdrückung der Übertragung zu beeinflussen. Mit dem Fortschreiten der COVID-19-Pandemie haben die Akzeptanz und Übernahme von Kontrollmaßnahmen, die den Alltag betreffen, abgenommen, was den Bedarf an wirksamen Maßnahmen erhöht, die nicht von menschlichen Verhaltensentscheidungen abhängen. Dies beschränkt sich nicht auf SARS-CoV-2; die luftgetragene Übertragung wird als wichtiger Mechanismus für eine Reihe anderer Virusinfektionen anerkannt, einschließlich Influenza, Masern und anderer humaner Coronaviren (SARS-CoV, MERS) sowie des Respiratory-Syncytial-Virus (RSV), bakterieller Infektionen wie Tuberkulose und einiger sexuell übertragbarer Erreger.

Keimtötendes Ultraviolett (GUV) ist eine Kontrollmaßnahme, die die oben genannten Anforderungen erfüllt und eine wissenschaftliche Erfolgsbilanz aufweist. Im Jahr 1942 wiesen Wells und andere nach, dass in Räumen mit GUV-Bestrahlung im oberen Bereich im Vergleich zu Räumen ohne GUV weniger Masern- und Mumpsviren unter Kindern übertragen wurden. Ebenso wiesen Escombe und andere nach, dass bei Verwendung von keimtötendem Ultraviolett im oberen Bereich die Übertragung von Tuberkulose von Patienten auf Meerschweinchen um mehr als 70 % reduziert wurde: Die Infektionsrate in der Kontrollgruppe betrug 35 %, während sie in der GUV-Gruppe bei 9,5 % lag. Eine große Gefahr des traditionellen keimtötenden Ultravioletts mit 254 nm besteht jedoch in der möglichen unbeabsichtigten Exposition von Menschen, die zu Haut- und Hornhautsonnenbrand führen kann. Dies schränkt die Verwendung des traditionellen keimtötenden Ultravioletts auf sorgfältig konzipierte Systeme für den oberen Raumbereich, geschlossene Leuchten oder die Bestrahlung unbesetzter Räume ein. Selbst bei diesen Maßnahmen kann es zu unbeabsichtigter Exposition kommen, was die Einführung dieser Technologie beeinträchtigt.

Eine potenzielle Lösung ist „UVC-Ultraviolett“, ein keimtötendes UV-Licht im C-Band mit Wellenlängen typischerweise zwischen 200 und 230 nm. Eine häufige Quelle für fernes UVC-Licht ist die Kryptonchlorid-Excimerlampe, die eine primäre Emissionswellenlänge von 222 nm und geringe Restemissionen im UV-Bereich des elektromagnetischen Spektrums aufweist. In Laborexperimenten wurde nachgewiesen, dass die keimtötenden Eigenschaften von KrCl-Excimerlampen grampositive und gramnegative Bakterien, arzneimittelresistente Bakterien, Influenzaviren und humane Coronaviren, einschließlich des SARS-CoV-2-Virus, inaktivieren. Wichtig ist, dass Kryptonchlorid-fernes UVC-Excimerlampen bei Filterung, die UV-Strahlung über 230 nm minimiert, im Vergleich zu herkömmlichem keimtötendem UV-Licht mit 254 nm viel weniger wahrscheinlich akute Nebenwirkungen an Haut und Augen hervorrufen. Bisher haben Studien an Tier- und Humanmodellen keine langfristigen gesundheitsschädlichen Auswirkungen gezeigt.

Die experimentellen Ergebnisse, die die Inaktivierung von Krankheitserregern in kontrollierten Standard-Labormilieus zeigen, sind vielversprechend, aber der Einsatz dieser Technologie unter den Einschränkungen der „realen Welt“ bedeutet nicht unbedingt, dass sie die Übertragung von Krankheiten reduziert. Historische Präzedenzfälle für keimtötendes UV-Licht im oberen Raumbereich geben etwas Vertrauen in das Potenzial von Far-UVC zur Reduzierung der Krankheitsübertragung, aber praktische Bewertungen sind weiterhin erforderlich. Solche Studien sind komplex und müssen über lange Zeiträume durchgeführt werden (typischerweise mindestens 12 Monate), und ein translationeller Schritt hin zur Forschung in der realen Welt umfasst Experimente in großen, raumgroßen Aerosolkammern. Diese raumgroßen Kammern verfügen über kontrollierte Luftströmung, Temperatur und Feuchtigkeit, die darauf ausgelegt sind, reale Raumumgebungen nachzubilden. Solche Räume wurden bereits verwendet, um die Wirksamkeit von keimtötenden UV-Systemen im oberen Raumbereich zu demonstrieren und das Überleben und die Ausbreitung von Mikroorganismen zu untersuchen. Sie können auch helfen, die Anwendung einer Technologie in Räumen zu verstehen, in denen infizierte Personen über längere Zeiträume anwesend sein können (ähnlich wie in Schulen, Arbeitsstätten, Krankenhäusern und Empfangsbereichen). Durch die kontinuierliche Kontrolle der Freisetzung luftgetragener Krankheitserreger, um einen stabilen Umgebungszustand zu erreichen, kann die Probenahme der Innenraumluft mit oder ohne Technologie zur Desinfektion der Umgebungsluft Daten liefern, die näher an den Bedingungen der realen Welt liegen. Hier stellen wir die erste Studie zur Wirksamkeit von Far-UVC bei der Inaktivierung luftgetragener Krankheitserreger in einer Bioaerosol-Kammer in voller Größe unter stationären Bedingungen vor.

Ergebnisse

Fünf Kryptonchlorid-Excimerlampen wurden an der Decke einer raumgroßen Bioaerosolkammer an der University of Leeds installiert, gefiltert, um UV-Emissionen über 230 nm zu reduzieren, und mit Diffusoren an ihren Emissionsfenstern ausgestattet, um ihr Bestrahlungsmuster zu erweitern. Die Lampen waren in einem Quincunx-Muster (Abbildung 1) angeordnet, wobei ihre Emission auf den Boden gerichtet war. Die Studie wurde durchgeführt, indem alle fünf Lampen oder nur die zentrale Lampe eingeschaltet wurden. Dies geschah, um die Auswirkungen der lokalen (eine Lampe) und vollständigen (fünf Lampen) Bestrahlung des Raumvolumens zu untersuchen. Der 32 m³ große Raum wurde mechanisch mit einer Rate von 3 Luftwechseln pro Stunde (ACH) belüftet, und aerosolisiertes Staphylococcus aureus wurde kontinuierlich in den Raum auf einer Höhe von 168 cm freigesetzt. Nach einer 60-minütigen Stabilisierungsphase wurden 10 Luftproben über 50 Minuten gesammelt. Dann wurde eine (die zentrale Fern-UVC-Lampe) oder fünf Fern-UVC-Lichtquellen eingeschaltet, und die Probenahme wurde für weitere 50 Minuten fortgesetzt.

Wir haben diese Tests mit drei verschiedenen Bestrahlungsstärken wiederholt (Tabelle 1). Die ausgewählten Bestrahlungsstärken basieren auf den Empfehlungen zur optischen Strahlung der Internationalen Kommission zum Schutz vor nichtionisierender Strahlung (ICNIRP) für das Szenario „mittel“ und den Expositionsgrenzwerten der American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) für das Szenario „hoch“. Zusätzlich wurde ein weiteres Szenario mit geringerer Bestrahlungsstärke („niedriges“ Szenario) einbezogen. Die detaillierte statistische Analyse ist in Tabelle S1 aufgeführt.

Wie im Abschnitt „Methoden“ beschrieben, wurde alle 5 Minuten vor und nach dem Einschalten des Lichts eine kontinuierliche Probenahme von 4 Minuten durchgeführt. Die Konzentration lebensfähiger Staphylococcus aureus-Pathogene in der Luft am Sammelort ist in Abbildung 1 dargestellt. Abbildung 2 und Tabelle 1 zeigen die Ergebnisse der koloniebildenden Einheiten pro Kubikmeter (cfu m-3) für 45 Minuten vor „Licht ein“ und 50 Minuten nach „Licht ein“. Die Werte nach „Licht ein“ werden als Prozentsatz des Durchschnittswerts vor dem Einschalten des Lichts angegeben. Es wird erneut betont, dass während des gesamten Experiments kontinuierlich Pathogene in den Raum freigesetzt wurden.

Wie erwartet trat die größte Reduktion der lebensfähigen Staphylococcus aureus-Kolonien in der Luft im stationären Zustand unter dem Szenario der „hohen“ Bestrahlung auf. Im Vergleich zur alleinigen Belüftung (3 Luftwechsel pro Stunde) reduzierte der Einsatz aller 5 Lampen die lebensfähigen Bakterien im stationären Zustand um 98,4 % (Standardabweichung 0,7 %). Die geschätzte äquivalente Luftwechselrate lag zwischen 128 und 322 eACH (Konfidenzintervall einer Standardabweichung). In diesem Szenario der „hohen“ Bestrahlung bezog sich die maximale 8-Stunden-Expositions-Dosis auf den Haut-Schwellenwert der American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) (die Dosisgrenze für 222 nm beträgt 478 mJcm-2 über mehr als 8 Stunden). Unter dem Szenario der „hohen“ Bestrahlung überschritt die durchschnittliche 8-Stunden-Expositions-Dosis einer einzelnen Lampe nicht die ICNIRP-Expositionsgrenzwerte, die Pathogenlast wurde um 93,7 % reduziert und die geschätzte äquivalente Luftwechselrate lag zwischen 33 und 66 eACH. Obwohl eine einzelne Lampe nicht den gesamten Raum bestrahlte, trug eine gute Luftdurchmischung im Innenraum wahrscheinlich zu diesem sehr signifikanten Effekt bei.

Abbildung 1 ist eine dreidimensionale schematische Darstellung der Bioaerosolkammer, die die Raumabmessungen, die Positionen der Leuchten, die Erregerquellen und die Probenahmepunkte (oben) sowie ein Beispiel für die Bestrahlung mit fernem UVC-Licht (unten) zeigt.

Tabelle 1 zeigt die durchschnittlichen Prozentsätze der Pathogenreduktionsrate, der Bestrahlungsstärke und der 8-Stunden-Expositionsdosis unter drei verschiedenen Beleuchtungsbedingungen in zwei Höhen über dem Boden. Die fett und kursiv gedruckten 8-Stunden-Expositionswerte überschreiten den ICNIRP-Expositionsgrenzwert für 222 nm von 23 mJ cm⁻². Keine der Expositionen überschritt den Hautexpositionsschwellenwert der ACGIH von 2022 von 478 mJ cm⁻². Die statistische Signifikanz wird wie folgt angegeben: ns = p > 0.05, * = p ≤ 0.05, ** = p ≤ 0.01, *** = p ≤ 0.001, **** = p ≤ 0.0001.

Im Szenario der „mäßigen“ Bestrahlung bezieht sich die Spitzenbestrahlungsdosis über 8 Stunden auf den aktuellen Expositionsgrenzwert der ICNIRP-Richtlinien von 23 mJcm-2. Bei Verwendung aller fünf Lampen wurde die lebensfähige Keimbelastung im stationären Zustand um 92,0 % reduziert. Dies entspricht ungefähr 35 eACH (Bereich 27-46 eACH), was mehr als das 11-fache der Standardbelüftung innerhalb von 15 Minuten beträgt. Bemerkenswert ist, dass die Spitzenexpositionsdosis über 8 Stunden zwar leicht über dem Expositionsgrenzwert der ICNIRP-Richtlinien liegt, die durchschnittliche Expositionsdosis über 8 Stunden jedoch mehr als 5-mal niedriger ist als der Expositionsgrenzwert der ICNIRP-Richtlinien (Tabelle 1).

Szenario mit „niedriger“ Bestrahlung, d. h. sehr niedrige Intensität der Far-UVC-Bestrahlungsstärke (10-mal niedriger als das Szenario mit „mittlerer“ Expositionsrate), reduziert die Last an lebenden Krankheitserregern um 13 % (eine Lampe) und 29 % (fünf Lampen).

Abbildung 2: Nach dem Einschalten der Far-UVC-Lichtquelle zeigt der Prozentsatz der verbleibenden lebensfähigen Staphylococcus aureus-Bakterien in der Luft im Zeitverlauf unter hohen, mittleren und niedrigen Bestrahlungsszenarien eine logarithmische Beziehung auf der y-Achse. Beachten Sie, dass während des gesamten Experiments kontinuierlich Krankheitserreger in den Raum freigesetzt wurden: Die Studie wurde entweder mit einer einzelnen zentralen Lampe (grün, quadratische Datenpunkte, gestrichelte Linie) oder mit allen fünf Far-UVC-Lampen (blau, kreisförmige Datenpunkte, durchgezogene Linie) durchgeführt.

Diskussion

Zum ersten Mal haben wir in einem raumgroßen Versuchsaufbau unter typischen Belüftungsbedingungen und bei in der Luft verbleibenden Krankheitserregern nachgewiesen, dass Far-UVC das Potenzial hat, luftgetragene Krankheitserreger schnell und erheblich zu reduzieren. Bei Bestrahlungsstärken, die die Expositionsgrenzwerte der ICNIRP-Richtlinien nicht überschreiten, kann innerhalb von 15 Minuten ein neues Umweltniveau mit einer Reduktion der Anzahl lebensfähiger Bakterien um etwa 92 % erreicht werden. Beim Schwellengrenzwert der ACGIH kann eine Reduktion von etwa 98 % in weniger als 5 Minuten erzielt werden. Abbildung 3 zeigt einen Vergleich der beiden Szenarien.

Obwohl SARS-CoV-2 aus Sicherheitsgründen nicht in unserer Studie verwendet wurde, diente aerosolisiertes Staphylococcus aureus als Ersatz für luftübertragene Viren wie humane Coronaviren und Influenzaviren. Abbildung 4 veranschaulicht das grundlegende Prinzip dieser Theorie, indem die Far-UVC-Inaktivierungsraten von luftübertragenen humanen Coronaviren (OC43 und 229E), luftübertragenem Influenzavirus (H1N1) und luftübertragenem Staphylococcus aureus verglichen werden. Alle Inaktivierungsraten wurden mit demselben Laboraufbau gemessen. Obwohl die Far-UVC-Inaktivierungsergebnisse für SARS-CoV-2 noch nicht berichtet wurden, deuten die Ergebnisse zur Far-UVC-Trägerinaktivierung von SARS-CoV-2 darauf hin, dass seine Empfindlichkeit der von humanen Coronaviren OC43 und 229E ähnelt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass luftgetragenes Staphylococcus aureus weniger empfindlich auf Far-UVC-Inaktivierung reagiert als luftübertragene Influenzaviren und humane Coronaviren, wodurch es ein vorsichtiger und konservativer Ersatz ist.

Abbildung 3: Prozentsatz der verbleibenden lebensfähigen luftgetragenen Staphylococcus aureus auf der y-Achse unter zwei Expositionsszenarien basierend auf den Expositionsrichtwerten der ICNIRP-Richtlinien (5 „mittlere“ Lampen) und den Schwellenwertgrenzwerten der ACGIH (5 „hohe“ Lampen). Beachten Sie, dass die Krankheitserreger während des gesamten Versuchs kontinuierlich mit einer mechanischen Lüftungsrate von 3 Luftwechseln pro Stunde in den Raum freigesetzt wurden.

Abbildung 4: Inaktivierung der menschlichen Coronaviren HCoV-OC43 und HCoV-229E sowie des Influenza-A-Virus (H1N1) im Vergleich zu aerosolisiertem Staphylococcus aureus unter niedrigen Dosen an ferner UVC-Bestrahlung. Die Messungen wurden mit dem Aerosol-Erreger-Bestrahlungssystem in den Labors der Columbia University durchgeführt. Zuvor veröffentlichte Daten zu HCoV-OC43, HCoV-229E und Influenza A (H1N1) sind zum Vergleich enthalten.

Es wird angenommen, dass der Prozentsatz der inaktivierten luftgetragenen Coronaviren und Influenzaviren höher sein kann, bei kürzeren Inaktivierungszeiten.

Für Personen, die Far-UVC-Lampen installieren, kann die Auslegung und Anwendung der Grenzwerte für die Exposition gegenüber optischer Strahlung eine Herausforderung darstellen. Viele wählen einen konservativen Ansatz und gehen von einer 8-stündigen Expositionsdosis aus, die auf der maximalen Beleuchtungsstärke basiert. Die Expositionsgrenzwerte basieren jedoch auf dem zeitgewichteten Durchschnitt (TWA) der Bestrahlungsstärke (ETWA), der die tatsächliche Exposition berücksichtigt, die eine Person in einem Raum erhält. Wenn der ETWA innerhalb der Grenzwerte bleibt, ist eine höhere Spitzenbestrahlungsstärke zulässig. In dieser Studie kann die Spitzenintensität der Lampe fünfmal höher sein als in einem „moderaten“ Szenario, was die Inaktivierungswirksamkeit verbessert, während die durchschnittliche 8-Stunden-Dosis weiterhin innerhalb der Expositionsgrenzwerte der ICNIRP-Richtlinien liegt.

Dies unterstreicht die Bedeutung der korrekten Installation von Far-UVC-Lampen, um sicherzustellen, dass der vorgesehene Bereich eine angemessene und sichere Bestrahlung erhält. Beispielsweise erreicht eine einzelne Lampe im Szenario „hoch“ zwar eine allgemeine Reduktionsrate von Krankheitserregern von etwa 94 %, doch sind einige Bereiche im Raum nicht vollständig bestrahlt. Im Vergleich zu dem im Experiment verwendeten Raum können tatsächliche Räume größer sein, die Luftmischungseffekte können schwächer sein und die tatsächliche Reduktion von Krankheitserregern kann erheblich geringer ausfallen. Basierend auf früheren Modellierungsstudien haben wir die Far-UVC-Lampen verbessert, indem wir ein diffusives Material auf der emittierenden Oberfläche der Far-UVC-Lichtquelle im Innenbereich platziert haben, um ihr Bestrahlungsmuster zu erweitern und die Abdeckung mit Far-UVC-Strahlung zu erhöhen.

Unsere Ergebnisse liefern auch einige Anfangsdaten, die mit anderen Technologien wie tragbaren Luftreinigern verglichen werden können. Abhängig von der Größe des Geräts liegt seine Clean Air Delivery Rate (CADR) typischerweise zwischen 200 und 500 Kubikmetern pro Stunde, während sie im Labor 6,2 bis 15,5 eACH erreichen würde. Daher schneidet ein „mittleres“ Far-UVC-Szenario mit 5 Lampen besser ab als HEPA-Luftreiniger mit höherem Durchfluss. Obwohl Far-UVC-Systeme komplexer zu entwerfen und zu installieren sind als „Plug-and-Play“-tragbare Luftreiniger, kann dieser Ansatz einen höheren eACH-Wert bieten und ist zudem sehr leise. Ein weiterer potenzieller Vorteil von Far-UVC gegenüber Luftreinigern und oberer Raum-UVGI ist, dass es möglicherweise keine „gute“ Luftdurchmischung im Raum erfordert. Dies werden wir in zukünftigen Studien untersuchen.

Alle Methoden zur Reduzierung der luftgetragenen Übertragung von Krankheiten wie COVID-19 sollten idealerweise schichtweise eingesetzt werden, einschließlich Impfungen wo angemessen, sozialer Distanzierung, dem Tragen von Masken und Belüftung. Weitere Forschungen sind erforderlich, um die Auswirkungen von Parametern wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Lüftungsrate und Nähe zu Infektionsquellen zu untersuchen, doch die hier berichteten Ergebnisse sollten das Vertrauen stärken, dass Fern-UVC, wenn es ordnungsgemäß eingesetzt wird und den aktuellen (oder zukünftigen) sicherheitsrechtlichen Grenzwerten entspricht, eine wirksame, vom menschlichen Verhalten unabhängige Kontrollmaßnahme sein kann. Es inaktiviert wichtige luftgetragene Krankheitserreger wie humane Coronaviren und Influenza und reduziert so deren luftgetragene und über kontaminierte Oberflächen vermittelte Übertragung.

Methode

Bioaerosol-Kammer.Die Experimente wurden in einer kontrollierten Bioaerosol-Kammer mit den Abmessungen 4,26 m Länge, 3,35 m Breite und 2,26 m Höhe durchgeführt. Die Kammer arbeitet mit mechanischer Belüftung und Unterdruck und ist mit einem 100-%-Frischluftsystem ausgestattet, das sowohl auf der Zuluft- als auch auf der Abluftseite HEPA-filtert, um die experimentelle Kontrolle und die Betriebssicherheit zu gewährleisten. Die Belüftungsluft wird über ein wandmontiertes Einlassgitter in einer Ecke des Raums zugeführt. Ein wandmontierter Auslass befindet sich niedrig an der diagonal gegenüberliegenden Seite. Die Testkammer arbeitet mit einem Luftstrom von 0,027 m³/s, was drei Luftwechseln pro Stunde (ACH) entspricht. Frühere Studien haben eine gute Luftdurchmischung in dieser Kammer nachgewiesen. Der Freisetzungspunkt für Staphylococcus aureus befand sich in einer Höhe von 168 cm über dem Boden, 50 cm vom Lufteinlass und 64 cm von der angrenzenden Wand entfernt (Abbildung 1). Der Probenahmepunkt lag in einer Höhe von 50 cm, 20 cm vom Luftauslass und 64 cm von der angrenzenden Wand entfernt. Frühere Untersuchungen zeigen, dass dieser Ort die durchschnittliche Konzentration im Labor repräsentiert. Es wurde darauf geachtet, dass weder der bakterielle Freisetzungspunkt noch der Probenahmepunkt direkt unter der Fern-UVC-Quelle lagen (Abbildung 1). Die Labortemperatur wurde bei 28 °C ± 1 °C gehalten, bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 % ± 2 %. Obwohl die mechanische Belüftung einen gut durchmischten Luftstrom bereitstellte, wurden keine Mischventilatoren im Inneren der Kammer verwendet. Die Experimente erforderten biosicherheitstechnische Eindämmung; sie wurden bei versiegelter Kammer und während der Aerosolisierung durchgeführt, wobei die Aerosolprobenahme- und Fern-UVC-Strahlungsgeräte ferngesteuert betrieben wurden.

Auswahl aerosolisierter Krankheitserreger. Wie von Welch et al. beschrieben: In der Praxis können Bioaerosolkammern nicht für aerosolierte Erreger der Risikogruppe 3 wie SARS-CoV-2 verwendet werden. Um einen geeigneten aerosolierten Erreger auszuwählen, d. h. ein vernünftiges, aber vorsichtiges und konservatives Modell für luftübertragene humane Coronaviren, führten wir Vorstudien mit dem UV-Bestrahlungssystem für aerosolierte Erreger im Labor der Columbia University durch. Dieses System besteht aus einer Quelle für aerosolierte Erreger, deren Strömung durch eine UV-Bestrahlungskammer fließt, die aus einer Far-UVC-Quelle und Far-UVC-transparenten Fenstern besteht; unterschiedliche Far-UVC-Dosen können durch Variation der Intensität der Far-UVC-Exposition und der Geschwindigkeit der Erreger erzielt werden. Luftgetragenes Staphylococcus aureus wurde nach der Bestrahlung auf Gelatinefiltern (Sartorius, Deutschland) gesammelt, in 5 ml PBS gelöst und mittels der Kolonie-bildenden Einheiten (KBE)-Methode auf Tryptic-Soja-Agar (TSA)-Platten auf Inaktivierung analysiert.

Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse in Innenräumen für aerosolierten Staphylococcus aureus im Vergleich zu zuvor veröffentlichten Ergebnissen für aerosolierte humane Coronaviren 229E und OC43 sowie das H1N1-Influenzavirus. Wir schließen aus diesen vorläufigen Studien, dass aerosolierter Staphylococcus aureus trotz der Unterschiede zwischen Bakterien und Viren als konservatives und vernünftiges Modell für die Far-UVC-Inaktivierung humaner Coronaviren in aktuellen Innenraumstudien verwendet werden kann. Staphylococcus aureus wurde in vielen Innenraumexperimenten angewendet und hat sich als zuverlässiger Testorganismus erwiesen, der in Räume aerosoliert und kontinuierlich aus dem Raum beprobt werden kann, was eine gute Vergleichbarkeit zwischen den Experimenten ermöglicht. Staphylococcus aureus ist selbst ein pathogenes Bakterium, da es Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus (MRSA) repräsentiert, der bei nosokomialen Infektionen eine wichtige Rolle spielt und häufig als Referenz für die Reinigung verwendet wird. Im Zuge der aktuellen Pandemie ist die Bewertung von Technologien zur Inaktivierung von Krankheitserregern von entscheidender Bedeutung.

Far-UVC-Lampen. Fünf kommerzielle Kryptonchlorid (KrCl)-Excimer-Far-UVC-Lampen, die gefiltert wurden, um UV-Strahlung über 230 nm zu reduzieren, wurden in einem Raum in einer Höhe von 2,12 Metern in einem Quincunx-Muster (das Muster der fünf Punkte auf einem sechsseitigen Würfel) platziert, wobei die Bestrahlung zum Boden gerichtet war. Diese Lampen arbeiten kontinuierlich und wurden mit einem Diffusormaterial modifiziert, um den Verteilungsbereich der Far-UVC-Strahlung zu erweitern und die Bestrahlungsstärke zu maximieren. Um die Bestrahlungsintensität der Lampen anzupassen, hat die Abteilung für Medizinische Physik und Klinische Technik im Ninewells Hospital in Dundee metallische Netz-Abschwächungsfilter angepasst. Diese Filter lieferten Bestrahlungsintensitäten von 10 % und 1 % der ursprünglichen Far-UVC-Leistung. Die Abschwächungsfilter wurden zwischen den Lampen und dem Diffusormaterial platziert.

Das Bestrahlungsstärkefeld (E) im Inneren der Kabine wurde auf einer horizontalen Ebene mit einem kalibrierten UVC-Radiometer (Detektor UV-3727-5 mit optischem Kopf X1-5, Gigahertz-Optik, Deutschland, 29. April 2021) gemessen. Die Messungen wurden in zwei Höhen (z) von 1,7 Metern und 1 Meter über dem Boden mit einem Abstand von 0,5 Metern durchgeführt. In Gleichung (1) wird die Exposition als die Strahlenexposition H in der Höhe z definiert, sodass

Hierbei ist Eiz die Bestrahlungsstärke in der Höhe z und an der Position i, multipliziert mit der an der Position iz verbrachten Zeit, integriert über alle Positionen. Die Spitzen-Expositions-Dosis wird bei t = 8 Stunden (28.800 Sekunden) an der Position i angenommen, an der die Messung der Bestrahlungsstärke für ein gegebenes z am höchsten ist (d. h. direkt unter der Lampe). Die durchschnittliche Expositions-Dosis ist definiert als die 8-stündige Strahlenexposition basierend auf der durchschnittlich gemessenen Bestrahlungsstärke in einer gegebenen Höhe. Nach sorgfältiger Überlegung haben wir beschlossen, die in dieser Studie verwendeten Geräte mit extrem kurzer Wellenlänge nicht zu benennen, da diese Experimente eine Untersuchung der Prinzipien des fernen UV-Bereichs darstellen und keine Empfehlung für ein bestimmtes Gerät.

Experimentelles Verfahren. Herstellung der Suspension und Erzeugung von Bioaerosolen. Die Aerosolerzeugung erfolgte in einer kontrollierten Umgebung, wobei Temperatur (28 °C ± 1 °C) und relative Luftfeuchtigkeit (50 % ± 2 %) berücksichtigt wurden. Zur Erzeugung der Aerosole wurde ein Collison-6-Düsen-Vernebler (BGI, USA) mit einer Betriebsgeschwindigkeit von 12 l/min verwendet; er befand sich außerhalb der Kammer, und die Aerosole gelangten durch ein Rohr in die Testkammer. Die vom Vernebler erzeugten Aerosole hatten einen Durchmesser von 0,3 µm bis 5 µm, mit einem massenbezogenen mittleren aerodynamischen Durchmesser von 2,5 µm (geometrische Standardabweichung von 1,8). Die Suspension im Behälter des Verneblers (100 ml) bestand aus Staphylococcus aureus (ATCC 6538), das in sterilem destilliertem Wasser mit einer Konzentration von etwa 1,35 × 10⁶ KBE/ml hergestellt wurde. Vorläufige Untersuchungen von Pathogensuspensionen in anderen Medien (d. h. 1 % fötales Rinderserum) zeigten keinen signifikanten Einfluss auf die Ergebnisse.

Probenahme mit Probenehmer. Der Probenahmeprozess verwendet einen sechsstufigen Anderson-Impaktor (Anderson INC.) mit einer Durchflussrate von 28 L/min. Die Proben werden von außen in die Kammer geleitet und über Reagenzgläser gesammelt. Die Tryptik-Soja-Agar-(TSA)-Platten in den Stufen 5 und 6 des Anderson-Impaktors wurden mit 40 g TSA (Oxoid, Großbritannien) pro 1 L destilliertem Wasser hergestellt. Etwa 90 % des Staphylococcus-aureus-Aerosols wurden in Stufe 6 (Aerosoldurchmesser 0,65 µm – 1,1 µm) gesammelt, die verbleibenden 10 % in Stufe 5 (Aerosoldurchmesser 1,1 µm – 2,1 µm). In früheren Experimenten machten die in den Stufen 1 bis 4 (2,1, 3,3, 4,7 und 7 µm) gesammelten Aerosole unter gleichen Umgebungsbedingungen und gleicher S.-aureus-Konzentration weniger als 1 % der Gesamtmenge aus. Nach der Probenahme wurden die Agarplatten 24 Stunden lang bei 37 °C inkubiert und die Kolonien auf jeder Platte mit einem Gallenkamp-Koloniezähler gezählt. Schließlich wurden die Ergebnisse mithilfe der Tabelle zur Korrektur positiver Löcher korrigiert, und die Durchflussrate des Probenehmers wurde verwendet, um die Konzentration der koloniebildenden Einheiten pro Kubikmeter (KBE/m³) in der Luft zu bestimmen.

Dieses Experiment. Durch die Luft übertragener Staphylococcus aureus etablierte einen 60 Minuten dauernden stationären Zustand im Innenraum, ähnlich wie eine infizierte Person, die aerosolisierte Krankheitserreger aus einer Ecke des Raumes abgibt. Dann wurden an jedem Probenahmepunkt alle 5 Minuten 10 Luftproben mit einer Dauer von 4 Minuten entnommen (Abbildung 2), wobei die verbleibende Zeit zur Vorbereitung der nächsten Probe genutzt wurde. Anschließend wurde die Far-UVC-Lampe eingeschaltet und die Probenahme auf dieselbe Weise wiederholt. Vor dem Einschalten der Far-UVC-Lampe wurde die Innenraumkonzentration von Staphylococcus aureus (KBE m-3) anhand des Durchschnitts der ersten 10 Luftproben bestimmt. Anschließend wurde die Konzentration (KBE m-3) jeder Luftprobe als Prozentsatz der anfänglichen durchschnittlichen stationären Konzentration dargestellt.

分析。在开启远uvc设备之前，通过与所有样品的平均浓度进行比较，将金黄色葡萄球菌的浓度归一化，以便在实验内部和实验之间进行比较。当灯打开后的衰减期结束后，在20到50分钟之间进行6次测量，以确定灯打开时的稳定浓度。由(2)式(C)和(Cuv)（灯被打开前(C)和之后(Cuv)的稳态浓度）计算出了由远超紫外线引起的等效换气率。

wobei N die Raumlüftungsrate (ACH) ist und Nuv die äquivalente Luftwechselrate.

Statistische Analyse. Ein ungepaarter t-Test wurde verwendet, um die lebensfähigen Bakterien vor und 20 Min. nach dem Einschalten der Far-UVC-Lampe zu vergleichen. Die statistische Analyse wurde mit GraphPad Prism (Prism 9, GraphPad Software, USA) durchgeführt. Statistische Signifikanz für alle Fälle: ns = p > 0.05, * = p ≤ 0.05, ** = p ≤ 0.01, *** = p ≤ 0.001, **** = p ≤ 0.0001.

Originalreferenz: Fernes UVC inaktiviert effizient einen luftgetragenen Erreger in einer raumgroßen Kammer