Ученые США создали устойчивое к биопленке стекло для морской среды

Стекло, излучающее ультрафиолетовый свет, которое поможет на 98% уменьшить рост биопленки на стеклянных поверхностях в подводной среде, создала группа исследователей под руководством инженеров Массачусетского университета в Амхерсте (UMass Amherst), 2 апреля сообщает пресс-служба университета.

Результаты исследования нового способа избавиться от разрастания биопленки на стеклянных поверхностях в воде авторы изобретения представили в статье «Стекло, излучающее УФ-излучение: многообещающая стратегия подавления образования биопленки на прозрачных поверхностях», опубликованной в журнале Biofilm.

Биопленка представляет собой слизистый слой микроорганизмов различных видов, разрастающийся на влажных поверхностях. Доцент кафедры гражданского и экологического строительства Массачусетского университета в Амхерсте и автор статьи Мариана Ланзарини-Лопес пояснила: «Если вы заглянете в раковину и прикоснетесь к ее внутренней поверхности, то это скользкое вещество и есть биопленка».

Для подводных объектов биопленка вырастает в серьезную проблему. ВМС США оценивают эту проблему в 180–260 млн долларов (24 млрд руб.) в год. Разрастание биопленки на всех подводных поверхностях увеличивает сопротивление корабля, а значит, и расход топлива, приводит к коррозионным повреждениям корпусов кораблей и океанографического оборудования.

Биопленки покрывают окна камер и других сенсорных устройств, которым необходима максимальная прозрачность, снижая ее. Кроме того, биопленки, находящиеся на поверхностях океанских кораблей, переносят чужеродные виды микроорганизмов через моря.

В настоящее время для борьбы с биопленками используют химические агенты, например, биоцидные покрытия, убивающие микроорганизмы, или противоадгезивные покрытия, предотвращающие прилипание биопленок. Но применение химических веществ может наносить вред экосистеме, а кроме того, их действие кратковременно.

Команда UMass Amherst разработала метод, альтернативный химическому, — устойчивое к биопленке стекло с использованием жесткого УФ-излучения.

В предыдущем исследовании сотрудники лаборатории Ланзарини-Лопес показали, что оптическое волокно с боковым УФ-излучением может распределять УФ-излучение по небольшим каналам в медицинском оборудовании (например, эндоскопах, катетерах и респираторах), домашних устройствах (кофеварках и холодильниках) и системах хранения/распределения воды (трубах, писсуарах, мембранах фильтров) для инактивации патогенных организмов и предотвращения роста бактерий на поверхностях этих устройств.

«Многие знают об УФ-излучении для дезинфекции поверхностей, воздуха и воды, — отметила Ланзарини-Лопес. — Люди стали использовать его гораздо чаще, особенно потому, что оно действительно эффективно для уничтожения вируса SARS-CoV-2».

Однако в подводной среде обычным УФ-излучателем такую дезинфекцию не проведешь. «Мы не можем использовать традиционные источники излучения для равномерного распределения света по поверхности», — пояснила Лейла Алидохт, научный сотрудник лаборатории Ланзарини-Лопес и ведущий автор исследования.

Излучение ослабевает по мере удаления от источника, и одним излучателем невозможно осветить большие площади. Кроме того, ультрафиолетовое излучение также может быть ослаблено мутностью окружающей воды. В этом случае неравномерное распределение УФ-излучения позволяет микроорганизмам, образующим биопленку, закрепиться на каком-то участке, после чего распространится на всю поверхность, добавила Лейла Алидохт.

Команда нашла решение этой проблемы — они покрыли стекло наночастицами кремнезема. «УФ-светодиод подключается к кромке стекла. Когда УФ-излучение проникает в стекло, мы рассеиваем его изнутри стекла наружу», — продолжила свое объяснение Алидохт.

Светорассеивающие наночастицы кремнезема не поглощают УФ-излучение, а рассеивают его. УФ-свет отражается от наночастиц и проникает сквозь внутреннюю часть стекла, что создает равномерное «свечение» стеклянной поверхности.

Чтобы проверить эту идею, исследователи в сотрудничестве с Технологическим институтом Флориды и ВМС США погрузили на 20 дней стекло, излучающее УФ-свет, в воды порта Канаверал (штат Флорида). Эксперимент показал, что, по сравнению с обычным, на стекле с УФ-излучением видимый рост биопленки сократился на 98%.

«В отличие от метода внешнего УФ-облучения, УФ-излучающее стекло препятствует образованию биопленки непосредственно на интересующей поверхности — сама поверхность служит источником УФ-излучения», — указала Алидохт.

Она считает, что это открытие станет стимулом для разнообразных применений нового способа дезинфекции: «Разработанная технология может быть использована для дезинфекции прозрачных поверхностей, таких как иллюминаторы кораблей, плавучие сферы и заякоренные буи, объективы камер и датчики, используемые для океанографических, сельскохозяйственных и водоочистных целей».

Команда Массачусетского университета в Амхерсте получила предварительный патент на свое открытие.

Исследователи в дальнейшем намерены протестировать долгосрочное применение УФ-излучающего стекла, оценить его воздействие на окружающую среду и проверить возможность создания таких поверхностей с большой площадью.

Ланзарини-Лопес рассказала еще об одном будущем направлении исследований — поиске методов предотвращения образования биопленки на линзах подводных фотоаппаратов, используемых для длительного исследования водной флоры и фауны.