UV-behandling

Ultraviolette straling (UV) is een effectieve methode die gebruikt kan worden om organismen te inactiveren of om bepaalde organische moleculen te veranderen of te vernietigen. UV-straling is elektromagnetische straling in een golflengtebereik van 100 – 380 nanometer (nm) en is daarom niet waarneembaar voor het menselijk oog. Het bereik van UV-straling kan worden onderverdeeld in 3 bereiken: UV-A (380-315 nm), UV-B (315-280 nm) en UV-C (280-100 nm). UV-straling is energetischer dan straling van zichtbaar licht en heeft een ioniserend effect bij golflengten <250 nm [1,2].

De kortgolvige en hoogenergetische UV-C-straling treft het absorptiebereik van de organische biomoleculegroepen nucleïnezuren en eiwitten. Nucleïnezuren zoals desoxyribonucleïnezuur (DNA) en ribonucleïnezuur (RNA) absorberen bij ongeveer 260 nm.

Aromatische aminozuren, de bouwstenen van eiwitten, absorberen bij ongeveer 280 nm. Wanneer aromatische systemen deze energie absorberen, worden elektronen aangeslagen met als gevolg dat de moleculaire eigenschappen van de biomoleculen veranderen. Bij eiwitten kan dit leiden tot de reductie van disulfidebindingen, de vorming van radicale functionele groepen en de vorming van nieuwe bindingen, waarna de ruimtelijke moleculaire structuur verandert. Dit uit zich in het ontvouwen, misvouwen of aggregatie, maar kan bijvoorbeeld ook leiden tot de verknoping van eiwitten met DNA [3].DNA-schade ontstaat bijvoorbeeld wanneer thyminebasen van het DNA de energie absorberen en twee aangrenzende thyminebasen zich covalent aan elkaar binden. Dergelijke door UV-straling veroorzaakte DNA-schade leidt tot verstoringen in de daaropvolgende replicatie van het DNA wat als gevolg heeft dat de replicatie stopt. Om stralingsgeïnduceerde DNA-schade te herstellen, hebben bijna alle micro-organismen effectieve herstelsystemen (zogenaamde fotolyasen) die worden geactiveerd door laag-energetisch licht (blauw spectraal bereik, 380-500 nm) [4]. Daarom zijn er relatief hoge stralingsdoses nodig om micro-organismen te inactiveren, zodat de cellulaire reparatiemechanismen overweldigd worden en niet langer in staat zijn om alle door straling veroorzaakte schade te herstellen.

Naast de directe invloed van hoogenergetische UV-straling op biomoleculen, hebben andere moleculaire processen, veroorzaakt door radicale of foto-ondersteunde katalytische reacties, een denaturerend effect op organismen of organische structuren en biomoleculen. UV-straling genereert verschillende radicalen, bijv. OH^–, O^2-, die onmiddellijk reageren met oxideerbare moleculen in de directe omgeving.

Op UV gebaseerde processen worden op grote schaal gebruikt voor de desinfectie van oppervlakken en de desinfectie van vloeistoffen, bijvoorbeeld bij de behandeling van drinkwater. In de context van drinkwaterbehandeling wordt bijvoorbeeld bestraling met UV-C (254 nm) gebruikt met een dosis van 400 J/m2 [5]. Echter neemt het desinfectie-effect snel af bij troebele vloeistoffen en organische stoffen (bijvoorbeeld bij de behandeling van proces- of afvalwater).

[1] Federal Office for Radiation Protection, accessed 28.08.2024. https://www.bfs.de/DE/themen/opt/uv/einfuehrung/einfuehrung_node.html

[2] European Commission, Scientific Commitees Glossar, accessed 28.08.2024., https://ec.europa.eu/health/scientific_committees/opinions_layman/de/glossar/tuv/uv-strahlung.htm

[3] M.T. Neves-Petersen, S. Petersen & G.P. Gajula (2012). UV Light Effects on Proteins: From Photochemistry to Nanomedicine, Molecular Photochemistry – Various Aspects, Dr. Satyen Saha (Ed.), ISBN: 978-953-51-0446-9, InTech,

[4] R.P. Rastogi, et al. (2010). Molecular Mechanisms of Ultraviolet Radiation – Induced DNA Damage and Repair. Journal of Nucleic Acid. Volume 2012(592980). DOI: 10.4061/2010/592980.

[5] DVGW regulations, worksheet W 294 “UV disinfection systems for drinking water supply – requirements and testing” Austrian Standards Institute, ÖNORM M 5873 “Requirements for systems for the disinfection of water using ultraviolet rays” (latest edition)