Un groupe de chercheurs de la Division de la science des capteurs de PML fait partie d’un projet qui aura un effet direct sur l’amélioration de la salubrité de l’eau potable du pays.
Les récents changements apportés aux règles de traitement des eaux de surface de l’Environmental Protection Agency (EPA) exigent, entre autres, une surveillance et un contrôle plus agressifs de divers agents pathogènes, notamment Cryptosporidium. Ce microbe, qui peut causer une maladie grave ou la mort, est très résistant aux pratiques de désinfection à base de chlore. Comme moyen de réduire la menace, l’EPA a appelé à traiter l’eau avec des rayons ultraviolets (UV), qui sert également de « barrière secondaire » pour inactiver (empêcher la reproduction) d’autres agents pathogènes clés tels que l’adénovirus et d’autres virus, ainsi que des bactéries et des parasites tels que Giardia.
L’eau est traitée par des lampes UV cylindriques suspendues dans des tuyaux, et l’éclairage est surveillé par des unités de capteurs adjacentes. Chaque agent pathogène a une réponse d’inactivation différente à différentes longueurs d’onde, et il semble maintenant que certains agents pathogènes sont les plus sensibles aux longueurs d’onde plus courtes que les plus courtes dans le spectre produites par les lampes conventionnelles. Les progrès récents de la technologie des lampes UV à moyenne pression (MP), cependant, ont conduit à une augmentation de la production de lumière UV à des longueurs d’onde inférieures à 240 nm, incitant les chercheurs à répondre à de nombreuses questions non résolues.
Ces questions comprennent : Quelles longueurs d’onde ou combinaisons de longueurs d’onde (appelées « spectres d’action ») sont les plus efficaces sur quels agents pathogènes? La quantité d’irradiation requise pour obtenir un « 4 log » (99,99 %) inactivation pour différents microbes? Comment une nouvelle génération de sources et de capteurs UV peut-elle être calibrée et validée de manière fiable dans des installations d’eau de toutes tailles à travers l’Amérique? Et avec quelle précision les microbes bénins, utilisés comme substituts d’agents pathogènes par les installations d’essai, représentent-ils la performance d’inactivation dans les micro-organismes cibles à différentes longueurs d’onde?
Toutes ces questions et bien d’autres sont à l’étude dans le cadre d’un projet de collaboration multi-organisations, dirigé par Karl Linden de l’Université du Colorado et financé par la Water Research Foundation*, dans le but d’élaborer éventuellement des lignes directrices pour tester les futurs systèmes utilisant des lampes à vapeur de mercure MP comme sources UV.
« La plupart des données de réponse spectrale pour différents agents pathogènes ont été mises en place pour les lampes à vapeur de mercure à basse pression (LP) en tant que sources UV à l’intérieur des conduites d’eau », explique Thomas Larason du groupe de rayonnement optique du NIST, qui dirige la contribution PML au projet sur l’eau. « Ces lampes produisent un spectre UV relativement étroit centré sur 254 nm, et parfois appelé lampes UV « germicides ». Mais les nouvelles règles de l’EPA appellent à des doses plus élevées, et l’attention s’est déplacée vers les sources à moyenne pression, qui produisent un spectre UV beaucoup plus large, y compris des longueurs d’onde inférieures à 240 nm, et offrent des économies d’énergie potentielles. Mais les effets des longueurs d’onde plus courtes sur les agents pathogènes n’ont pas été bien caractérisés. Pour certains microbes, une seule étude a été réalisée jusqu’à présent.
Ces données suggèrent qu’il existe une disparité spectaculaire dans l’inactivation de divers microbes à différentes longueurs d’onde inférieures à 250 nm. Plus tôt cette année, un groupe de recherche sur le projet sur l’eau chargé d’étudier ces effets a demandé à Larason si pml pouvait fournir des doses UV précises à partir d’appareils calibrés par le NIST à diverses bactéries et virus pour déterminer leurs spectres d’action. Larason a transmis cette demande à l’installation SIRCUS (Spectral Irradiance and Radiance Responsivity Calibrations Using Uniform Sources) de PML, qui utilise des lasers accordables en continu comme sources d’irradiation. En peu de temps, le personnel de SIRCUS a emmené un laser portable et un appareil associé au laboratoire d’essai du projet au Vermont pour des études qui devraient se terminer à la fin de cette année.
L’équipement SIRCUS émet un rayonnement de 210 nm dans toute la gamme expérimentale d’intérêt sous la forme d’un faisceau presque collimaté qui frappe les échantillons microbiens, qui sont conservés dans des boîtes de Petri placées sous la sortie du faisceau.
« À ce stade, dit M. Larason, nous fournissons l’équipement et l’expertise nécessaires pour aider le projet à trouver les caractéristiques réelles de la relation dose-réponse pour différents microbes à courte longueur d’onde. Entre autres choses, cela déterminera la quantité d’énergie dont vous avez besoin dans la lampe MP, ce qui influencera les coûts énergétiques. Après cela, nous pourrions finir par nous impliquer dans la conception d’étalons et de normes de validation pour les sources et les capteurs dans la gamme de 200 nm à 300 nm. Mais il est trop tôt pour dire où tout cela mènera.
Il n’est toutefois pas trop tôt pour que l’American Water Works Association exprime sa gratitude. Dans une lettre adressée en septembre 2012 à katharine Gebbie, directrice de PML, l’association a fait l’éloge de « l’expertise et des outils uniques » apportés au projet par Larason avec Keith Lykke, Steven Brown, Ping-Shine Shaw et Mike Lin de SIRCUS. Leur travail « fournit des informations essentielles à notre compréhension de l’inactivation des agents pathogènes par le spectre UV de faible longueur d’onde » qui « définira la conception du traitement pour le traitement UV à moyenne pression dans l’eau potable à travers les États-Unis », a déclaré la lettre.
Grâce à la contribution des chercheurs du NIST et de l’équipement SIRCUS, la collaboration a permis de déterminer avec une plus grande précision la réceptivité en longueur d’onde d’agents pathogènes spécifiques et de substituts associés.
« En utilisant le laser UV accordable du NIST, nous avons développé la norme de référence sur la mesure de la réponse en longueur d’onde des microbes d’essai et des agents pathogènes d’origine hydrique pour les applications de désinfection UV à travers les États-Unis », explique Harold Wright de Carollo Engineers, Inc. à Boise, ID, un contributeur au projet de recherche. « J’ai travaillé avec Tom Larason et les gens du NIST sur deux projets de désinfection aux UV parrainés par la Water Research Foundation. Avec les deux projets, ils ont apporté à la table un niveau d’expertise dans l’application et la mesure de la lumière ultraviolette qui est inégalé dans notre industrie.
La collaboration peut également avoir des répercussions au-delà de la question de la salubrité de l’eau potable. « Il élargit les domaines de recherche actuels avec un investissement minimal dans de nouveaux équipements et de la main-d’œuvre », explique M. Larason. « Mais il est également applicable au-delà de la microbiologie à d’autres domaines technologiques tels que le traitement des matériaux (séchage UV), le médical (dispositifs d’essai qui mesurent l’exposition aux UV) et les capacités d’étalonnage élargies pour l’irradiance et la dose. »
