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Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 22588 (2022) Citar este artigo

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Há uma grande demanda para desenvolver e demonstrar novas tecnologias de desinfecção para proteção contra vários vírus e bactérias patogênicos. Nesse contexto, a irradiação ultravioleta (UV) oferece um método eficaz e conveniente para a inativação de microrganismos patogênicos. A avaliação quantitativa da eficácia da esterilização UV baseia-se na simples lei de reciprocidade de dose-tempo proposta por Bunsen-Roscoe. No entanto, as constantes de taxa de inativação relatadas na literatura variam muito, mesmo na mesma dose e comprimento de onda de irradiação. Assim, é provável que o mecanismo físico de inativação UV não possa ser descrito pela simples lei de reciprocidade de dose-tempo, mas requer um processo de inativação secundário, que deve ser identificado para esclarecer a base científica. Neste artigo, conduzimos um experimento de inativação UV com Escherichia coli na mesma dose, mas com irradiâncias e durações de irradiação diferentes, variando a irradiância de duas a três ordens de grandeza. Mostramos que a eficácia da inativação obtida pela irradiação do diodo emissor de luz ultravioleta difere significativamente em uma ordem de grandeza na mesma dose, mas diferentes irradiâncias em um comprimento de onda fixo. Para explicar isso, construímos um modelo estocástico introduzindo uma segunda taxa de inativação, como aquela devida a espécies reativas de oxigênio (ROS) que contribuem para danos ao DNA e/ou proteínas, juntamente com a taxa de inativação UV baseada em fluência. Resolvendo as equações diferenciais com base neste modelo, a eficácia da inativação em função da irradiância e duração da irradiação nas mesmas condições de dose de UV foi claramente elucidada. O modelo proposto mostra claramente que pelo menos duas taxas de inativação estão envolvidas na inativação UV, onde a taxa de inativação UV geralmente usada não depende da irradiância, mas a taxa de inativação devido a ROS depende da irradiância. Concluímos que os resultados de inativação UV obtidos até o momento foram simplesmente ajustados por uma taxa de inativação que sobrepôs essas duas taxas de inativação. A eficácia da irradiação UV de longo prazo com baixa irradiância, mas a mesma dose, fornece informações úteis para futuras tecnologias de desinfecção, como a desinfecção de grandes espaços, por exemplo, quartos de hospital usando luz UV, porque pode reduzir a dose de radiação e seu risco ao corpo humano.

Há uma grande demanda para desenvolver e demonstrar tecnologias de desinfecção eficientes para proteger contra vários vírus e bactérias patogênicos. Nessa situação, a esterilização por irradiação ultravioleta (UV) está atraindo especial interesse porque a irradiação UV oferece um método eficaz e conveniente para a inativação de microrganismos patogênicos, incluindo os coronavírus1,2,3,4,5.

O princípio da esterilização depende da lei de reciprocidade de dose-tempo proposta por Bunsen-Roscoe6, Log(N/N0) = − Γ × D, onde Γ (cm2/mJ) é a constante de taxa de inativação dependendo do comprimento de onda, D = τ × P, D (mJ/cm2) é a dose UV, P (mW/cm2) é a irradiância UV e τ (s) é a duração da irradiação (daqui em diante, usamos D como dose UV, P como irradiância UV e τ como duração da irradiação.). Essa lei de reciprocidade foi aplicada a muitas categorias diferentes de processos de fotorreação, como fotopolimerização, fotocondutância e fotodegradação, bem como esterilização UV7. A lei de reciprocidade assume que a taxa do processo de reação fotoquímica é proporcional à irradiância da luz (processo estocástico linear) de modo que a quantidade do processo depende apenas do D. Embora isso seja verdade para a maioria dos processos de reação fotoquímica primária em irradiâncias de luz que não induzem efeitos não lineares, existem muitas reações que não obedecem à lei de reciprocidade em qualquer faixa significativa de condições de reação, como as polimerizações radicalares8. Além disso, as constantes de taxa de inativação de muitas bactérias e vírus por irradiação UV relatadas na literatura variam amplamente, mesmo para estudos em que o mesmo comprimento de onda de irradiação e os mesmos tipos e cepas de bactérias e vírus foram usados9,10,11. Esta ampla gama de valores relatados parece sugerir que o mecanismo físico de inativação de UV não pode ser descrito pela simples lei de reciprocidade de dose de tempo; em vez disso, um processo de inativação secundário deve ser identificado para esclarecer a base científica7.