2.2.1. Phân loại
Tia cực tím (hay tia tử ngoại, tia UV) là sóng điện từ có bước sóng ngắn hơn ánh sáng nhìn thấy nhưng dài hơn tia X. Phổ tia cực tím có thể chia ra thành tử ngoại gần (có bước sóng từ 380 đến 200 nm) và tử ngoại xa hay tử ngoại chân không (có bước sóng từ 200 đến 10 nm) tìm thấy từ ánh sáng mặt trời. Các hình dưới đây minh họa và so sánh kích thước của các bức xạ ánh sáng và các ứng dụng của nó. Chúng ta thấy rằng sóng điện từ trải rộng từ lớn hơn 103m đến nhỏ
hơn 10-12m. Chúng được chia ra thành các nhóm với tên gọi theo ứng dụng của nó: Sóng vô tuyến ( bước sóng > 10-1 m), vi sóng (từ 10-1 đến 10-4), hồng ngoại (10-3 đến 10-6), cực tím (10-6 đến 10-8, tia X (10-8 đến 10-12) và bé hơn là tia gama,…
Hình 2. 6: Phân loại các sóng điện từ theo khả năng xuyên sâu qua khí quyển, tên gọi, bước sóng kích thước tần số và nhiệt độ phát ra của sóng.
Các tính chất và ứng dụng của các tia này đã được biết đến từ lâu và ngày càng có những ứng dụng sâu trong các lĩnh vực khoa học và đời sống. Riêng đối với tia cực tím (UV) từ 400 nm đến 40nm và được chia thành 4 vùng theo bước sóng và ứng dụng: UV-A,UV-B,UV-C và VUV.
Các vùng khác nhau của tia cực tím sẽ có các tính chất vật lý và quang phổ
khác nhau. Thông thường, người ta chia thành 4 vùng, hay phân ra chi tiết hơn theo tiêu chuẩn quốc tế DIS-21348 (ISO) qua năng lượng bức xạ từ được mô tả
như bảng 2.1.
Bảng 2. 1: Phân loại tia cực tím theo tiêu chuẩn ISO-DIS-21348 294H[36] .
Tên gọi Viết tắt Bước sóng trong phạm vi nanomet Năng lượng cho mỗi photon Tia cực tím A, sóng dài, còn gọi là ánh sáng đen UVA 400 nm-315 nm 3,10-3,94 eV Gần NUV 400 nm-300 nm 3,10-4,13 eV
Trung MUV 300 nm-200 nm 4,13-6,20 eV
Tia cực tím C, sóng ngắn, hoặc tia
khử trùng UVC 280 nm, 100 nm 4,43-12,4 eV
Xa FUV 200 nm-122 nm 6,20-10,2 eV
Chân không VUV 200 nm, 100 nm 6,20-12,4 eV
Thấp LUV 100 nm-88 nm 12,4-14,1 eV
Super SUV 150 nm-10 nm 8,28-124 eV
Extreme EUV 121 nm-10 nm 10,2-124 eV
Trong đó, tên gọi thông thường sử dụng trong sinh hoạt và ứng dụng thường người ta chú ý đến với các tên gọi là UVA,UVB và UVC.
2.2.2. Nguồn phát tia tử ngoại
Mặt Trời phát ra tia cực tím UVA, UVB và UVC, nhưng bởi vì sự hấp thụ
của tầng ozone khí quyển. Do đó, có đến 99% tia cực tím đến được mặt đất chỉ
còn là vùng UVA. Bản thân tầng ozone được tạo ra nhờ phản ứng hóa học có sự
tham gia của tia UVC.
Đèn thuỷ ngân áp suất thấp có cấu tạo giống với đèn huỳnh quang nhưng nó không tráng một lớp huỳnh quang để chuyển tia UV thành ánh sáng nhìn thấy
được. Bước sóng chính phát ra từđèn thuỷ ngân áp suất thấp là 254 nm (UVC). Tuy nhiên, tuỳ vào việc tráng thêm lớp huỳnh quang nào mà nó có thể tạo ra UVB, UVA hay ánh sáng nhìn thấy được. Đèn thuỷ ngân áp suất thấp được dùng rộng rãi trong việc khử trùng môi trường, khử trùng nước sinh hoạt, khử trùng dụng cụ y tế,… Tuy nhiên, đèn này chứa thuỷ ngân nên chúng ta phải chú trọng qui trình xử lý nó khi bóng bị hỏng để đảm bảo không ảnh hưởng đến môi trường.
Ngày nay, người ta chú trọng đến một diode phát ra bước sóng cực tím nhưng tiêu thụ năng lượng thấp và tuổi thọ cao. Đó là UV LED là một cấu trúc của LED nhưng có thêm các lớp GaN 295H[16] đặc biệt trong vùng phát xạđể có thể
phát ra ánh sáng trong dải bước sóng cực tím. Hiện tại, bước sóng của UVLED bị
giới hạn ở bước sóng 365nm. Hiệu suất phát xạ của UVLED ở bước sóng 365nm trung bình là 5-8% và 392nm là 20%. UVLED được ứng dụng trong kỹ thuật in số và ngày nay đang được nghiên cứu ứng dụng trong các thiết bị khử trùng, do
những đặc tính nổi bật về hiệu suất phát xạ cao, tiêu thụ công suất thấp, kích thước nhỏ, không chứa thuỷ ngân, tuổi thọ cao,...
Hình 2. 7:Ảnh chụp bề mặt của UVLED ký hiệu SB1100 với bước sóng 365nm, dòng tối đa là 700mA, sử dụng điện thế 5V. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
UV diode laser và tia cực tím laser trạng thái rắn có thể được sản xuất để
phát ra ánh sáng trong dải tia cực tím. Bước sóng có sẵn bao gồm 262, 266, 349, 351, 355 và 375 nm. Nó có thể phát ra tia UV bằng cách ứng dụng chuyển đổi tần số, giảm tần số laser, hoặc từ Ce: LiSAF tinh thể. Ngoài ra còn một số nguồn phát tia UV khác ít phổ biến như: nguồn phát dùng đèn hồ quang thạch anh, hay
đèn phát tia UV dựa trên hiện tượng phóng điện qua khí trơ,…
2.2.3. Cơ chế diệt khuẩn của tia tử ngoại
Cấu trúc AND (Acid phosphoric, Deoxybose ,Nitrogenous base)
ADN bao gồm: acid phosphoric, đường deoxybose và nitrogenous base. Trong đó, base Nitor có thành phần đặc trưng là nuleotide, là hợp chất của các Purin và pyrimidin.
Hình 2. 8: Mô tả cơ chế sinh sản của vi khuẩn. . Purin bao gồm adenine (A) và guanine (G)
Có thể nói Purin và pyrimidin là thành phần nguyên liệu để các nhiễm sắc thể thực hiện phân bào (vi khuẩn sinh sản).
Cơ chế diệt khuẩn của tia UV
Tia UV tác động chủ yếu lên pyrimidin, tạo hợp chất dimer do thymin- thymin gắn lại. Các dimer cytosin-cytosin và cytosin-thymin cũng được tạo ra nhưng rất ít. Tất cả các dimer đều có khả năng ngăn cản quá trình sao chép ADN. Do đó tia UV không trực tiếp làm chết vi khuẩn mà nó có tác dụng làm thay
đổi cấu trúc di truyền của sinh vật, vi khuẩn được tiệt trùng ở cấp độ di truyền.
(a) (b) (c)
Hình 2. 9: Mô tả cơ chế tạo ra dimer làm thay đổi cấu trúc ADN của vi khuẩn chống lại sự sinh sản do phân bào: (a,b) một số liên kết T=T hình thành khi bị
UV tác dụng và (c) liên kết mới T^T được tạo nên.
2.3. Nước sinh hoạt và vi sinh vật
Theo các tài liệu cung cấp bởi Trung Tâm Kỹ Thuật Môi Trường và Năng Lượng Mới 296H[52] các vi sinh vật hiện diện trong nước thải bao gồm: các vi khuẩn vi rút, nấm, tảo, nguyên sinh động vật và các loài động và thực vật bậc cao.
2.3.1. Các vi khuẩn, vi rút trong nước
Có thể chia làm 4 nhóm lớn: Nhóm hình cầu (cocci) có đường kính khoảng 1--3 µm; Nhóm hình que (bacilli) có chiều rộng khoảng 0,3--1,5 µm chiều dài khoảng 1-- 10 µm (điển hình cho nhóm này là vi khuẩn E. coli có chiều rộng 0,5 um chiều dài 2 µm; Nhóm vi khuẩn hình que cong và xoắn ốc, vi khuẩn hình que cong có chiều rộng khoảng 0,6-1,0 µm và chiều dài khoảng 2-6 mm; trong khi vi khuẩn hình xoắn
ốc có chiều dài có thể lên đến 50 mm; Nhóm vi khuẩn hình sợi có chiều dài khoảng 100 µm hoặc dài hơn.
Các vi khuẩn có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ trong tự nhiên cũng như trong các bể xử lý. Do đó đặc điểm, chức năng của các vi khuẩn hay ứng dụng cho đời sống con người cần phải nghiên cứu sâu và tìm thấy nhiều thú vị.
Ngoài ra, các vi khuẩn này còn có khả năng gây bệnh và được sử dụng làm thông số chỉ thị cho việc ô nhiễm nguồn nước do phân động vật, rác hữu cơ và các nguồn chất thải khác .
(a) (b) (c)
Hình 2. 10: Hình dạng một số vi khuẩn trong nước:(a) Salmonella hình ống dài, (b) E.coli hình trái chôm chôm và (c) Cholerae hình con giun 29 7H[01].
2.3.2. Thuộc tính của vi khuẩn E.Coli
Hình 2. 11: Ảnh chụp hiển vi và tên gọi khoa học của loài E.coli 2 98H[37]. Vi khuẩn Escherichia coli được phân lập và mô tả đầu tiên vào năm 1885 bởi nhà nghiên cứu người Đức (Theodor Escherich).
Domain: Bacteria Ngành: Proteobacteria Loại: Gamma Proteobacteria Nhóm: Enterobacteriales Họ: Enterobacteriaceae Giống: Escherichia Loài: E. coli Vibrio cholerae E.Coli Salmonella
Đặc tính
Theo hệ thống phân loại của Bergey, vi khuẩn E. coli thuộc họ
Enterobacteriaceae, giống Escherichia. E. coli là trực khuẩn Gram âm, di động, kích thước khoảng 2 – 3 x 0,5 ?m, không hình thành bào tử và có giáp mô.
E. coli có mặt thường xuyên và chiếm ưu thế trong ruột của người và động vật máu nóng, ở phần cuối của ruột non và ở ruột già (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cấu trúc cơ thể và sinh sản của E.Coli:
(a) (b)
Hình 2. 12: Vi khuẩn E.coli: (a) cấu trúc cơ thể299H[38] và (b) qui trình phân bào sinh sản 3 00H[39].
Một số chủng E.Coli và tác nhân gây bệnh:
. Enterotoxigenic E. coli (ETEC): Tác nhân gây bệnh tiêu chảy (không có sốt) ở người, lợn, cừu, dê, gia súc, chó, ngựa
. Enteropathogenic E. coli (EPEC): tác nhân gây bệnh tiêu chảy ở người, thỏ, chó, mèo và ngựa
. Enteroinvasive E. coli (EIEC): chỉ tìm thấy ở người. EIEC nhiễm trùng gây ra hội chứng giống hệt Shigellosis, với tiêu chảy ồạt và sốt cao.
. Enterohemorrhagic E. coli (EHEC): tìm thấy ở người, gia súc, và dê. Các thành viên nổi tiếng nhất của virotype này là chủng O157: H7, gây tiêu chảy có máu và không bị sốt. EHEC có thể gây ra hội chứng tán huyết-uremic và suy thận
. Enteroaggregative E. coli (EAEC): chỉ tìm thấy ở người. EAEC bám vào niêm mạc ruột gây tiêu chảy nhiều nước mà không sốt.
. Uropathogenic E. coli (UPEC): Nguyên nhân khoảng 90% các bệnh nhiễm trùng đường tiết niệu (UTI) được thấy ở các bệnh nhân với giải phẫu bình thường.
2.3.3. Sinh trưởng của vi sinh vật
Sinh trưởng của vi sinh vật là sự tăng số lượng tế bào. Tuy nhiên, do kích thước tế bào nhỏ nên khi nghiên cứu sinh trưởng của vi sinh vật, để thuận tiện, người ta theo dõi sự thay đổi của cả quần thể vi sinh vật.
Đối với những vi sinh vật khác nhau thì tốc độ sinh trưởng của chúng khác nhau gọi là thời gian thế hệ. Thời gian thế hệ được tính từ khi nó được sinh ra
đến khi nó phân chia
79H
Hình 2. 13: Mô tả quá trình phân chia của vi khuẩn.
Nếu ta cấy một vi khuẩn (sinh sản bằng phân đôi) vào bình chứa môi trường thì sự tăng số lượng tế bào sẽ diễn ra như sau:
Nt =N0 x 2n [2.7] Trong đó:
Nt : là số tế bào trong quần thể sau thời gian t. No: là số tế bào ban đầu.
Thời gian thế hệ của mỗi loài vi sinh vật không giống nhau. Nó phụ thuộc vào loài và môi trường nuôi cấy
Ví dụ, trong điều kiện phòng thí nghiệm:
. Thời gian thế hệ của vi khuẩn E. Coli là 20 phút . Thời gian thế hệ của vi khuẩn lao là 1000 phút . Thời gian thế hệ của trùng đế giày là 24 giờ
2.4. Qui trình xét nghiệm và khảo sát 2.4.1. Qui trình xét nghiệm 2.4.1. Qui trình xét nghiệm
Mẫu bệnh phẩm được lấy trong môi trường tự nhiên, do nó chứa nhiều loại vi khuẩn khác nhau nên mẫu bệnh phẩm phải được tiến hành phân lập để tách lấy Coliform hoặc E. coli phục vụ cho thí nghiệm.
Bước 1: Các mẫu bệnh phẩm trong tự nhiên được nuôi cấy trong môi trường dinh dưỡng thích hợp cho việc phát triển của E.coli nhưng lại không thích hợp cho các loại vi sinh vật khác. Sau nhiều lần phân lập để tách lấy E.coli ta sẽ có nguồn E.coli mẫu.
Bước 2: Tiến hành chia lượng E.coli phân lập được thành nhiều mẫu đồng
đều nhau.
Bước 3: Lấy một mẫu tiến hành pha loãng và nuôi cấy trên thạch để hình thành khuẩn lạc, xác định lượng E.coli trước chiếu xạ.
Bước 4: Lấy các mẫu còn lại đem chiếu xạ với các cường độ chiếu xạ khác nhau và thời gian chiếu xạ khác nhau. Sau đó đem đi pha loãng và tiến hành nuôi cấy trên thạch để hình thành khuẩn lạc.
Bước 5: Đếm các khuẩn lạc tương ứng với các mẫu chiếu với các cường độ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2. 14: Mô tả phương pháp pha loãng thập phân.
(a) (b) (c)
Hình 2. 15: Mô tả qui trình đếm vi khuẩn trên mẫu: (a) môi trường MC (Mac Conkey agar) tạo khuẩn lạc màu đỏ hay hồng sáng, (b) môi trường BGA (Brillant
Green Agar) có màu vàng xung quanh khuẩn lạc và (c) môi trường Indol tạo khuẩn lạc màu đỏ3 01H[12].
Hình 2. 16. Phương pháp đếm khuẩn lạc xác định số lượng vi khuẩn E.coli 302H[12]. Ria tia Ria 4 gốc Ria liên tục Ria chữ T Mẫu gốc 1ml 9ml nước cất Độ pha loãng 101 102 103 104 9ml nước cất 9ml nước cất 9ml nước cất 1ml 1ml 1ml
2.4.2. Khảo sát các tính chất và môi trường
Độ hấp thụ tia tử ngoại của các môi trường khác nhau
Với những môi trường nước khác nhau thì hiệu quả diệt khuẩn khác nhau,
đó là do với mỗi môi trường nước khác nhau sẽ có độ hấp thụ tia tử ngoại khác nhau. Với những môi trường có độ hấp thụ tử ngoại lớn thì hiệu quả diệt khuẩn thấp và với những môi trường có độ hấp thụ tử ngoại thấp thì hiệu quả diệt khuẩn sẽ cao hơn.
Quan hệ giữa độ hấp thụ và môi trường nước được thể hiện qua công thức sau: ) 1 ( 100 ad e P = − − [2.8] Trong đó: P: Tỷ lệ phần trăm năng lượng khử trùng bị hấp thụ; a : hệ số hấp thụ; d: Độ sâu của tầng hấp thụ.
Sau đây là bảng quan hệ giữa độ sâu và phần trăm năng lượng tia cực tím bị
hấp thụ của một số môi trường nước. Bảng được trình bày bởi Luckiesh's trong tác phẩm“Applications of Germicidal, Erythemal, and Infrared Energy”. Môi trường nước ở đây coi nhưđồng nhất.
Bảng 2. 2: Phần trăm năng lượng khử trùng của tia UV bị hấp thụ với những độ
Mức độ hấp thụ của tia tử ngoại trong môi trường nước phụ thuộc rất nhiều vào độ tạp chất chứa trong nước. Các tạp chất có tác dụng lớn nhất trong việc hấp thụ năng lượng khử trùng là sắt. Giáo sư Luckiesh và trợ lý của ông đã chỉ ra rằng việc bổ sung thêm 1 lượng sắt bằng 1/1.000.000 nước cất gây ra một sự suy giảm của truyền năng lượng khử trùng bằng 66%. Vì vậy, nước để khử trùng bằng tia UV phải được lọc bằng phương pháp vật lý trước khi đi qua buồng bức xạ khử trùng. Một quá trình lọc khép kín gồm chưng cất (loại bỏ vật lý), và cuối cùng khử trùng bằng UV (loại bỏ các vi khuẩn và virus gây hại). Qui trình này
đươc coi là ứng dụng an toàn nhất của UV trong quá trình xử lý nước uống
Cường độ chiếu xạ
Vào nửa cuối thế kỷ 20, các nhà khoa học thuộc công ty Westinghouse Electricsđã tiếp tục nghiên cứu hiệu quả của các tia UV trong khử trùng sử dụng tia UV bước sóng 254 nm và nhận thấy rằng [13]:
. Cường độ cao cho một khoảng thời gian ngắn, hoặc cường độ thấp trong một thời gian dài hơn về cơ bản giống nhau trong diệt khuẩn.
. Với cùng một nguồn chiếu xạ vào một vùng nhất định thì cường độ năng lượng khử trùng trên bề mặt phơi nhiễm tỉ lệ nghịch với khoảng cách từ nguồn
đến bề mặt phơi nhiễm.
Tỉ lệ diệt khuẩn
Qua nhiều năm nghiên cứu, các nhà khoa học đã đưa ra công thức toán học thống kê về hiệu quả diệt vi sinh vật của tia cực tím. Tỉ lệ sống sót được định nghĩa bằng tỉ số mật độ vi khuẩn trước khi chiếu xạ và mật độ vi khuẩn sau chiếu xạ: KEt e P P − = 0 [2.9] Trong đó:
P: là mật độ của vi khuẩn sau chiếu xạ P0: là mật độ ban đầu của vi khuẩn
K: là hằng số xác định từ môi trường (độẩm, nhiệt độ, và các thông số
phụ là thông số biến đổi)
E: là hệ số dòng bức xạ của thiết bị sát trùng t : là thời gian phơi nhiễm.
Cần lưu ý rằng đây là một công thức bị chi phối bởi nguồn gốc và khả năng
đề kháng khác nhau của các vi khuẩn đối với tia UV. Với phân tích chi tiết, các số thực nghiệm có thể bổ sung những giá trị cần thiết cho hằng số K, điều này làm tăng tính chính xác của những mối quan hệở trên.
Do khi dùng công thức trên, ta gặp phải một số khó khăn khi xác định các hệ số thực nghiệm. Vì vậy người ta thường xác định tỉ lệ diệt khuẩn bằng phương
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});