Mikroorganismen wie Bakterien, Schimmel- und Hefepilze und Urtierchen (Protozoen) können durch physikalische, biologische und chemische Methoden zerstört oder entfernt werden. Die Art der Strahlung, die eine Inaktivierung von Bakterien verursacht, ist heute als Ultraviolettstrahlung bekannt; Forschungen über das Verhalten von Mikroorganismen gegenüber dieser Strahlung führten zu der Entwicklung neuer Desinfektionsmöglichkeiten, sowohl von Luft als auch von Oberflächen fester Materialien. Desinfektion, ohne den Gebrauch von chemischen Desinfektionsmitteln oder den Einsatz von hohen Temperaturen, ist möglich, wo sie vorher nicht oder nur schwer durchführbar war.
Kurzwellige UVC-Strahlung hat einen stark keimtötenden Effekt. UVC benutzt hierfür den photolytischen Effekt, wobei durch Strahlung die Mikroorganismen zerstört oder inaktiviert werden, was sie dadurch an weiterer Vervielfältigung hindert.
Das bedeutet, dass auf dem DNS-Strang nebeneinander liegende Thymin Basen eine
chemische Bindung eingehen und auf diese Weise eine Brücke (Dimer) bilden. Wenn genügend dieser Dimer gebildet werden, kann sich die DNS nicht mehr replizieren. Manche Mikroorganismen können sich allerdings selbst regenerieren indem sie UVA absorbieren. In anderen Fällen kann UVC auch UVA oder UVB die Spaltung einer Verbindung in einem Molekül verursachen, woraus freie Radikale resultieren, welche oft höchst instabil sind und zu einem inaktiven Endprodukt reagieren können. Beim Desinfizieren treten diese Effekte bei Wellenlängen unter 320 nm, mit dem Optimum bei ca. 260 nm auf. Die entstellende oder zerstörende Wirkung auf Mikroorganismen ist unabhängig von pH-Wert, Temperatur oder davon, ob diese im flüssigen, festen oder gasförmigen Medium vorliegen. Wichtig ist, dass die Strahlung den Organismus erreicht. Das heißt, dass eine Bakterie die von einer anderen Bakterie oder einem Partikel überdeckt wird, dem Einfluss entgeht. Anders als andere Techniken produziert UVC Photolyse kaum potentiell gefährliche Nebenprodukte.
Ultraviolette Strahlung
Ultraviolette Strahlung ist eine der vielen Strahlungsarten (Röntgenstrahlung, Licht, Rundfunk- und Fernsehwellen, Wechselstrom usw.), die alle zur gleichen Kategorie der elektromagnetischen Wellenstrahlung gehören. Der Unterschied zwischen den Strahlungsarten wird einzig und allein durch die Wellenlängen bestimmt. Die kürzesten Wellenlängen haben kosmische Strahlen und Röntgenstrahlen. Das andere Extrem weisen Wechselströme auf. Nur einen sehr kleinen Bereich nimmt die optische Strahlung ein, hierzu gehört die UV-Strahlung. Sichtbare Strahlung und Infrarotstrahlung setzen das Wellenspektrum in dem langwelligen Bereich fort.
Ultraviolett ist ein Teil der elektromagnetischen Strahlung, begrenzt nach oben durch das sichtbare Spektrum und nach unten durch die Röntgenstrahlung. Das Spektrum der ultravioletten Strahlung bewegt sich per Definition zwischen 100 nm und 400 nm (1 nm = 10-9 m) und sie ist für das menschliche Auge unsichtbar.
Für die praktische Anwendung wurde das UV-Spektrum in drei Gebiete unterteilt:
- UVA (langwellige Strahlung) von 315 nm bis 400 nm
- UVB (mittelwellige Strahlung) von 280 nm bis 315 nm
- UVC (kurzwellige Strahlung) von 100 nm bis 280 nm
Strahlungen im kurzwelligen UVC-Band verfügen über eine starke keimtötende Wirkung. Die von einer Quelle ausgestrahlte UV-Strahlung wird in Watt (W) angegeben, die Dichte der Bestrahlungsstärke in W/m². Für die keimtötende Wirkung ist die Dosis wichtig, welche die Dichte der Bestrahlungsstärke mit der Zeit (t) in Sekunden multipliziert. Sie wird in J/m² ausgedrückt. 1 Joule = 1 Wattsekunde.
Die Widerstandsfähigkeit der Mikroorganismen gegenüber der UV-Bestrahlung variiert erheblich. Außerdem beeinflusst das Umfeld des Mikroorganismus die Dosis, die für seine Zerstörung benötigt wird. Wasser zum Beispiel kann einen Teil der wirksamen Strahlung absorbieren, abhängig von der Konzentration der enthaltenen Fremdstoffe. Eisensalze in Lösung sind bekannte Inhibitoren. Eisenionen absorbieren UV-Strahlung.
Warum gerade UV-Desinfektion?
Das heutzutage noch am häufigsten verwendete Desinfektionsverfahren ist die Chlorung. Bei diesem Verfahren entstehen jedoch u. U. Haloforme wie z. B. Chloroform, dessen krebserregende Wirkung diskutiert wird. Verständlicherweise möchte man deshalb mehr und mehr dieses Verfahren substituieren bzw. die Chlorverwendung einschränken. Außerdem muss zunehmend auf oberflächennahes Wasser zugegriffen werden, das stärker verkeimt bzw. verunreinigt ist als Grundwasser (z. B. mit Fäkalkeimen). Ein Verfahren, bei welchem dem
aufzubereitenden Wasser keinerlei Stoffe zugesetzt werden, ist die Desinfektion mittels UVC-Strahlung. Diese Methode hinterlässt keine toxischen Stoffe im Wasser. Prinzipiell geschieht hier nichts anderes als in der Natur. Denn die oxidierenden und keimtötenden Wirkungen der Sonnenstrahlung tragen wesentlich zur Reinhaltung unserer Umwelt bei. Der Betrag der Strahlungsstärke bzw. mehr Strahlung im wirksamen Bereich, und damit der Wirkungsgrad, ist bei der künstlichen UV-Desinfektion erhöht.
