海洋环境中的生物膜抗性玻璃

美国马萨诸塞大学阿默斯特分校的工程师领导的研究小组已经开发出了一种可以减少98%水下表面生物膜生长的紫外线（UV）玻璃，这一成果刊登在《Biofilm》杂志上。

生物膜是一种在潮湿表面上生长的各种微生物的黏滑层。马萨诸塞大学阿默斯特分校的土木与环境工程助理教授Mariana Lanzarini-Lopes描述说：“如果你看看洗碗池并触摸里面，那些黏滑的东西就是生物膜。”

生物膜对水下应用来说是一个重要问题。美国海军估计，生物膜每年给他们的舰队造成1.8亿到2.6亿美元的损失。所有的水下表面上的生物膜都会增加船只的阻力和随之而来的燃料消耗，同时还会导致船只或海洋设备的腐蚀损害。

目前处理生物膜的方法依赖于化学制剂，比如杀生物性涂层来杀死生物体或者非粘涂层来预防生物膜附着。然而，这些方法可能对生态系统产生负面影响，并且只能持续很短的时间。

为了寻找化学方法的替代方案，马萨诸塞大学阿默斯特分校团队借助美国海军研究办公室（ONR）的资助，利用UVC辐射开发出了抗生物膜玻璃。Lopes的实验室已经证明了UV侧向光纤可以在小通道中分布UVC辐射，比如医疗设备（内窥镜、导管和呼吸器）、家用设备（咖啡机和冰箱）以及水储存/分配系统（管道、膀胱、膜）等，以灭活病原微生物并防止表面细菌生长。

“很多人知道紫外线可以消毒表面、空气和水，”Lopes说。“尤其是在SARS-CoV-2病毒的消毒上，人们开始更加频繁地使用它。”

然而，在水下环境中，简单地将紫外线照射到玻璃上并不容易。Alidokht说：“我们不能使用传统的光源来均匀地分布光线到表面上”。因为有几个原因，光线会随着距离光源的增加而变弱，这使得覆盖大表面区域变得困难。此外，周围水域的浑浊也会干扰紫外波。

不均匀分布的紫外线给生物膜形成的微生物提供了立足点，并使整个表面容易受到攻击。“如果生物膜能够附着到表面的一部分，它就可以扩散到其他部分”，她补充道。

该团队的解决方案是在玻璃上涂上二氧化硅纳米颗粒。“紫外LED连接在玻璃的横截面上”，Alidokht描述说。“当紫外线进入玻璃时，我们使用这些光散射纳米颗粒将紫外线从玻璃内部散射到外部。” 二氧化硅不吸收紫外线。光波会继续在颗粒上反射，并通过玻璃内部，从而使整个表面均匀“发光”。

为了测试它，研究人员与佛罗里达理工大学和海军合作，在佛罗里达卡纳维拉尔港的水域中将这种紫外辐射玻璃浸泡了20天。与未经处理的玻璃相比，这种玻璃减少了98%的可见生物膜生长。

Alidokht说：“与外部紫外辐射技术相反，紫外辐射玻璃直接抑制了感兴趣表面上的生物膜形成--表面本身就是UVC光源。”

她对这一发现表示激动，认为这一技术可以用于多种消毒应用。“开发出的技术可以用于透明表面的消毒，比如船舶窗户、漂浮球和系泊浮标、海洋、农业和水处理应用的摄像头镜头和传感器。”她说。

该团队已经获得了他们的发现的临时专利。

现在，这个团队已经证明了这种玻璃有效地抵抗了生物膜的形成（即所谓的生物污损），他们对其进行了优化：测试长期应用，评估对环境的任何影响，并创建更大的表面积。

未来的探索方向之一是：“我们也正在尝试防止摄像头镜头上的生物膜”，Lopes补充说。“生物污损是限制水下摄像头部署时间的主要因素，所以只要你能减少生物污损的速度，就能增加所有这些光学设备的部署时间。”