280 nm UV LED对铜绿假单胞菌生物膜的灭活效果：材料特性对消毒效率的影响研究

本研究针对饮用水系统中顽固生物膜的清除难题，创新性地采用280 nm UV LED技术，系统评估了8种常见管道材料（如PTFE、ABS、Viton?等）表面铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）生物膜的灭活效率。研究发现材料表面粗糙度与反射率显著影响消毒效果，其中硅胶（k=0.344 cm2/mJ）和聚碳酸酯表现最优，为UV LED在管道消毒中的材料选择提供了关键数据支撑。

　　

饮用水系统中的生物膜问题一直是公共卫生领域的重大挑战。这些由微生物群落和胞外聚合物（EPS）构成的"微生物堡垒"不仅难以清除，更可能庇护军团菌等机会致病菌，对免疫力低下人群构成威胁。传统化学消毒剂面对生物膜常常束手无策，而物理清除在实际应用中又往往难以实施。正是在这样的背景下，紫外线（UVC）消毒技术重新进入研究视野，特别是新兴的UV LED技术以其无汞、节能等优势展现出巨大潜力。然而，现有研究对材料表面特性如何影响UV LED消毒效果的认识仍存在明显空白。

这项发表在《Scientific Reports》的研究创新性地将材料科学与微生物灭活技术相结合。研究团队采用CDC生物膜反应器培养标准化的铜绿假单胞菌生物膜，选取8种常见管道材料（包括PTFE、ABS、不锈钢等）作为载体，通过280 nm UV LED照射（5-40 mJ/cm²）结合非线性模型分析，系统评估了材料特性对消毒效果的影响。关键技术包括：1）标准化生物膜培养体系；2）UV LED辐照剂量精确控制；3）表面粗糙度与反射率的光学表征；4）Geeraerd模型量化灭活动力学。

灭活效率的材料差异性

研究发现不同材料表面的生物膜灭活效率存在显著差异。硅胶和聚碳酸酯表现出最快的灭活速率（k=0.344和0.288 cm²/mJ），仅需10 mJ/cm²即可达到1.5 log灭活值；而ABS和HDPE则需要更高剂量（35 mJ/cm²）。特别值得注意的是，材料达到灭活平台期所需的剂量范围从10 mJ/cm²（硅胶）到35 mJ/cm²（ABS）不等，这为实际应用中的剂量选择提供了重要参考。

表面特性的关键作用

通过3D激光显微镜和积分球系统分析发现，材料反射率与粗糙度存在显著相关性（p=0.04）。高反射材料如Porex（84.4%反射率）和PTFE（44.2%）表现出更好的灭活效果，推测反射UV可能产生"二次照射"效应。同时，粗糙表面如硅胶（Ra=13.69μm）虽然更易形成生物膜，但反而允许更高的最大灭活值（LRV=2.05），这可能与粗糙结构减少了微生物阴影效应有关。

技术优化方向

研究建议根据材料特性定制UV LED参数：对于ABS等低效材料需提高剂量或延长照射，而硅胶等高效材料则可实现快速处理。这种"材料-剂量"匹配策略为管道系统设计提供了新思路，例如在关键部位优先使用高反射率材料以增强消毒效果。

该研究首次系统揭示了材料表面对UV LED生物膜灭活的调控机制，建立了"表面特性-灭活效率"的定量关系模型。这不仅解决了UV LED应用中材料选择的实际问题，更开创了通过材料工程设计来增强消毒效果的新研究方向。随着UV LED技术在医疗设备、水处理等领域的快速推广，这些发现将直接指导更高效消毒系统的开发。特别值得注意的是，研究提出的反射率增强效应为下一代自消毒材料的设计提供了全新视角，这种无需化学添加的物理增强策略在抗微生物耐药性方面具有独特优势。未来研究可进一步探索多波长协同、动态照射等策略，以充分发挥UV LED技术在生物膜控制领域的潜力。