LEDs wurden zur Luftdesinfektion, Wasseraufbereitung, Oberflächendekontaminierung und Aushärtung eingesetzt. Licht mit Wellenlängen im Bereich von 200-280 nm (UV-C), 280-320 nm (UV-B), 320-400 nm (UV-A und nahes UV-Vis) und 400-470 nm (blaues Licht) wurde auf seine antimikrobielle Wirksamkeit hin untersucht. Längere Wellenlängen, d. h. Infrarot und Rot (630-1000 nm), werden für Anwendungen wie Phototherapie, Färben und Aushärten von Beschichtungen und Tintenhärtung verwendet. Die antimikrobielle Wirksamkeit der von Lampen emittierten Lichtenergie, insbesondere im UV-C-Bereich, ist gut dokumentiert. Die meisten LED-Studien haben sich auf die Anwendung von UV-C-LEDs zur Wasserdesinfektion konzentriert. Die Anwendung von LEDs, die Licht mit Wellenlängen wie 365 nm, 395 nm und 455 nm emittieren, wird jedoch zunehmend in der Lebensmittelverarbeitung und Wasseraufbereitung eingesetzt.

LED-Behandlung fester Lebensmittel

Die Wirksamkeit der LED-Behandlung fester Lebensmittel hängt von der Art und Beschaffenheit der Lebensmittelprodukte und -bestandteile, der Wasseraktivität (aw) und der Morphologie der Lebensmitteloberfläche ab. Parameter wie Lichtwellenlänge, Behandlungsdauer, Dosis, Beleuchtungstemperatur, relative Luftfeuchtigkeit und mikrobiologische Parameter sind ebenfalls wichtig. Für verzehrfertiges, frisch geschnittenes Obst gibt es eine große Nachfrage auf dem Markt. Diese Produkte werden in Kühlschränken gelagert, sind aber anfällig für resistente Mikroorganismen, obwohl deren Wachstum bei niedrigen Temperaturen begrenzt ist. LEDs haben eine vielversprechende antibakterielle Wirksamkeit bei solchen Produkten gezeigt, obwohl ihre antibakterielle Wirksamkeit von vielen Produkt- und Prozessparametern abhängt, einschließlich der Art des Produkts, der Zusammensetzung, der Behandlungstemperatur und der Umgebungsbedingungen. LEDs, die Licht bei 405 nm emittieren, bewirkten eine Verringerung von 1-1,2 log CFU/cm2 (koloniebildende Einheiten pro cm2) in frisch geschnittener Papaya, die mit Salmonellen beimpft war. Die Papaya wurde 48 Stunden lang mit einer Gesamtdosis von 1,7 kJ/cm2 bei einer Solltemperatur von 4 °C behandelt. Die antibakterielle Wirksamkeit von 405-nm-LEDs wurde durch eine weitere Studie von Kim et al. an frisch aufgeschnittenen Mangos bestätigt, bei der die Zellzahlen eines Cocktails aus drei Stämmen von E. coli O157:H7, drei Serotypen von L. monocytogenes und fünf Serotypen von Salmonella spp. auf weniger als 1.6 log CFU/cm2 mit einer Gesamtdosis von 2,6-3,5 kJ/cm2 für 36-48 h reduziert. Die E. coli O157:H7 und Salmonellen in der Cocktailkultur wurden nach 36 h Behandlung bei 4 °C und bei 10 °C unter die Nachweisgrenze reduziert, was darauf hindeutet, dass die antibakterielle Wirksamkeit der LED von der Art der Bakterien abhängt. Die sterilisierende Wirkung der LED-Behandlung mit sichtbarem Licht auf frisch geschnittenes Obst wurde ebenfalls untersucht. Ghate et al. testeten die antibakterielle Wirkung einer 460-nm-LED bei verschiedenen Beleuchtungstemperaturen und Bestrahlungsstärken auf frisch geschnittene Ananas, die mit einem Cocktail von S. enterica infiziert waren. Eine maximale Reduktion von 1,72 log CFU/g wurde mit 92 mW/cm2 Bestrahlungsstärke bei 16 °C Beleuchtungstemperatur erreicht. Unterschiedliche Bestrahlungsstärken hatten keine signifikanten Auswirkungen auf die Inaktivierung. Hohe Energiedosen, die über einen langen Zeitraum eingesetzt werden und nur eine geringe Reduzierung der Zielerreger bewirken, können die praktischen Anwendungen der LED-Behandlung einschränken, es sei denn, die antimikrobielle Wirksamkeit wird verbessert.

Nahrungsmittel wie Weichtiere und Krabben sind reich an Proteinen und anderen Nahrungsbestandteilen und sind anfällig für mikrobielle Verunreinigungen aus vielen Quellen, entweder durch Verschmutzung oder durch Quellen vor oder nach der Verarbeitung. LEDs, eine aufkommende nichtthermische antibakterielle Technologie, wurden an kontaminierten Meeresfrüchten getestet. In einer Studie von Josewin et al. wurde die Wirksamkeit einer blauen LED (460 nm) mit einem Riboflavin-Photosensibilisator an geräuchertem Lachs untersucht, der mit einem 4-Stämme-Cocktail von L. monocytogenes beimpft war. Die synergistische Wirkung einer LED (15 mW/cm2) und von Riboflavin (100 μM) führte zu einer Reduzierung von 1,2 bzw. 1,1 log CFU/cm2 bei Umgebungstemperaturen von 4 °C bzw. 12 °C. Die LED-Behandlung von Meeresfrüchten könnte sie anfällig für einen anschließenden sauren Zustand machen. Dies wurde in einer Studie über verzehrfertigen Lachs berichtet, der mit einem Cocktail aus L. monocytogenes und Salmonella spp. beimpft war. Eine 405-nm-LED-Behandlung über 8 Stunden mit einer Gesamtdosis von 460,8 J/cm2 führte zu einer Verringerung der Zellzahlen von L. monocytogenes um 0,4 und 0,3 log CFU/cm2 und zu einer Verringerung von Salmonella spp. um 0,5 log bei 4 °C und bei 12 °C. Obwohl die Inaktivierung gering war, wiesen beide Bakterien im Vergleich zu unbehandelten Proben geringere D-Werte auf (Zeit, die benötigt wird, um 90 % der Population in simulierter Magenflüssigkeit zu reduzieren), und die behandelten Proben waren empfindlicher gegenüber simulierter Magenflüssigkeit. Dieser Effekt variierte jedoch für beide Stämme, da Salmonella spp. (gram-negativ) eine höhere Empfindlichkeit als L. monocytogenes (gram-positiv) zeigte, was darauf hindeutet, dass die Behandlung gram-positive und gram-negative Bakterien unterschiedlich inaktivierte.

Aufgrund des hohen Wassergehalts sind verzehrfertige Fleischerzeugnisse sehr anfällig für Kontaminationen durch lebensmittelbedingte Krankheitserreger. Da das Garen von Fleisch Krankheitserreger abtötet, aber auch den Nährwert des Fleisches mindert, ist es eine Herausforderung, eine optimale Garzeit und eine optimale Gartemperatur zu wählen. Kim et al. maßen die Auswirkungen auf S. Enteritidis, das mit einer gepulsten LED, die Licht bei 405 nm aussendet, gegart wurde. Eine Gesamtdosis von 3,8 kJ/cm2 bei 4 °C führte zu einer Reduzierung von 0,8-0,9 log CFU/cm2. Ein ähnliches Experiment bei Raumtemperatur führte zu einer geringeren Reduzierung von S. Enteritidis. LED-Systeme können je nach Zielsetzung entweder für eine kontinuierliche oder eine gepulste Behandlung ausgelegt werden, aber die Behandlungseffizienz kann je nach Auslegung variieren. Dieser Aspekt wurde in einer kürzlich durchgeführten Untersuchung von weißen Pilzen und handelsüblichen verzehrfertigen Würsten festgestellt. Eine gepulste UV-C-LED-Behandlung mit einer Frequenz von 20 Hz und einer Einschaltdauer von 50 % zeigte eine bessere antibakterielle Wirksamkeit als eine kontinuierliche UV-C-LED-Behandlung gegen Drei-Stamm-Cocktails mit E. coli O157:H7, S. Typhimurium und L. monocytogenes. Eine kontinuierliche Behandlung führte zu einer Reduktion von 2, 1,5 und 2 log, während eine gepulste LED-Bestrahlung mit einer Dosis von 5 J/cm2 zu einer Reduktion von 3, 4 und 4 log bei E. coli, Salmonella und Listeria in verzehrfertiger Wurst führte. Bei weißen Champignons führte die kontinuierliche Bestrahlung zu einer Verringerung von 2, 1 und 1 log und die gepulste LED zu einer Verringerung von 2, 1,5 und 1,8 log bei E. coli, Salmonellen und Listerien. LEDs, die Licht im sichtbaren Spektrum emittieren, müssen weiter untersucht werden.

In Nordamerika wurden viele Krankheitsfälle gemeldet, die durch die bakterielle Verunreinigung von Käse verursacht wurden. Der hohe Feuchtigkeitsgehalt von Käseprodukten begünstigt das Wachstum und Überleben von Krankheitserregern, die durch Lebensmittel übertragen werden. Gepulste LED-Behandlungen haben das Potenzial, diese Produkte zu dekontaminieren. In einer kürzlich durchgeführten Studie an in Scheiben geschnittenem Camembert-Käse führte eine UVC-LED mit einer Wellenlänge von 266 nm zu einer Reduktion von 4,88, 4,72 bzw. 3,52 log in Camembert-Käse, der Cocktails von E. coli O157:H7, S. Typhimurium und L. monocytogenes enthielt. Auch UVC-LED-Behandlungen mit höheren Wellenlängen (266-279 nm) zeigten eine Verringerung von E. coli O157:H7 und Salmonella spp. um 4-5 log, während eine 3-4 log-Reduktion bei Listeria spp. in geschnittenem Camembert-Käse mit einer Behandlung von 3 mJ/cm2 erreicht wurde.

Die Kontamination von Lebensmitteln mit niedriger Wasseraktivität (aw), wie z. B. Trockennüsse, Getreide und Tiernahrung (aw < 0,85), ist ein weltweites Problem, da die florierenden Mikroorganismen schließlich eine Resistenz gegen Dekontaminationsmaßnahmen entwickeln. Lebensmittelbedingte Krankheitserreger können lange Zeit in einem ruhenden Zustand überleben und werden aktiv, wenn sie einer günstigen Umgebung ausgesetzt sind. Es gibt nur wenige Studien über die antibakterielle Wirksamkeit von LED-Behandlungen in Lebensmitteln mit niedrigem pH-Wert, aber die durchgeführten Studien haben vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Lacombe et al. behandelten geschälte Mandeln mit einer 405-nm-LED und erreichten eine maximale Reduzierung von 2,44, 0,96, 1,86 und 0,7 log CFU/g bei E. coli O157:H7, S. Typhimurium, E. coli K12 bzw. S. Enteritidis. Weitere Forschung ist erforderlich, um die antimikrobielle Wirksamkeit von LED-Behandlungen von Lebensmitteln mit geringer Wasseraktivität unter Verwendung verschiedener Wellenlängen (275, 365, 395 und 455 nm) der Lichtenergie zu verbessern. Die Ergebnisse der LED-Behandlungen von festen Lebensmitteln sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Oberflächeneigenschaften von Lebensmitteln beeinflussen die Inaktivierungswirksamkeit der LED-Behandlung. Die unterschiedliche Wirkung von UV-C-LED auf weiße Champignons und Würste war wahrscheinlich auf das begrenzte Eindringen des Lichts in die Lebensmittelmatrix zurückzuführen. Es ist jedoch unklar, warum für die Eliminierung grampositiver Bakterien eine höhere LED-Dosis erforderlich war als für die Eliminierung gramnegativer Bakterien. Die bakterielle Inaktivierung verbesserte sich auch mit einer Erhöhung des Betriebsverhältnisses. Im sichtbaren Bereich bewirkte eine LED mit 461 nm eine bessere Bakterieninaktivierung als LEDs mit 521 nm und 642 nm. Die Beleuchtungstemperatur der Behandlung beeinflusste die Wirksamkeit der LED und die Wellenlänge der LED, die bei der Behandlung verwendet wurde.

LED-Behandlung von flüssigen Lebensmitteln

Flüssige Lebensmittel wie Getränke sind aufgrund ihrer hohen aw- und Kohlenhydratzusammensetzung anfällig für pathogene Kontaminationen. Üblicherweise werden flüssigen Lebensmitteln chemische Konservierungsmittel zugesetzt, um ihre Haltbarkeit zu verlängern und das mikrobielle Wachstum zu reduzieren. Aufgrund der wachsenden Nachfrage nach Lebensmitteln ohne Zusatzstoffe und der zunehmenden Besorgnis der Verbraucher über sichere Lebensmittelzutaten wurden Behandlungen wie die Verwendung von ultraviolettem Licht als physikalisches Mittel zur Reduzierung von Krankheitserregern in flüssigen Lebensmitteln eingehend untersucht. Die Desinfektionswirkung einer UV-Behandlung mit einem breiten Spektrum von Wellenlängen aus verschiedenen Quellen (z. B. Quecksilberlampen, Excimerlampen, Mikrowellenlampen) auf flüssige Lebensmittel wie Apfelwein, Säfte, Bier und Milch wurde untersucht. Die Studien betrafen gängige lebensmittelbedingte Krankheitserreger wie E. coli, C. parvum oocyst, S. cerevisiae, L. innocua, Hefen und Schimmelpilze. LEDs können Licht in einem breiten Wellenlängenbereich emittieren, einschließlich des sichtbaren Lichts, UVA, UVB und UVC, daher wurde ihre antimikrobielle Aktivität auf verschiedene flüssige Lebensmittel angewandt.

Studien über die antimikrobielle Wirkung von LED-Behandlungen in flüssigen Lebensmitteln haben sich hauptsächlich auf Apfelsaft, Orangensaft und Milch konzentriert. Im Vergleich zu Wasser sind flüssige Lebensmittel komplexe Systeme, die Pigmente, Fasern und unlösliche Partikel enthalten, und die Trübung und Farbe von flüssigen Lebensmitteln kann die antimikrobielle Wirksamkeit von LED-Behandlungen beeinflussen. Lian et al. benutzten eine UVA-LED, um ihre Desinfektionsaktivität sowohl in gefärbten Lösungen als auch in mit E. coli DH5α beimpftem Orangensaft zu bewerten. Verschiedene Lebensmittelfarben, Carotinoide, das Flavonoid Karthamusgelb und gemischte Lebensmittelfarben aus Melonenfarbe-L und Traubenfarbe RCG wurden in unterschiedlichen Konzentrationen von 0,001 bis 0,1 % mit E. coli DH5α hergestellt, und die Lösungen wurden mit UVA-LED-Licht von 126 J/cm2 behandelt. Diese Energiemenge war enorm, aber technisch möglich, insbesondere mit LEDs mit 365, 395 und 455 nm. Die Autoren verwendeten UV-A-LEDs mit einer Intensität von 70 mW/cm2 für 30 Minuten. Es gibt eine Reihe von Studien, die enorme Energiedosen von UV-A- und Blaulichtimpulsen aus LEDs zur Inaktivierung von Mikroorganismen in verschiedenen festen/flüssigen Lebensmittelmatrizes zeigen. Die berichteten Energiedosen von UV-C-LEDs waren jedoch, wie in diesem und den vorangegangenen Abschnitten erwähnt, im Vergleich zu anderen Wellenlängen deutlich niedriger. Eine geringere antimikrobielle Aktivität nach der LED-Behandlung wurde bei höheren Konzentrationen der gefärbten Lösungen erzielt, und die log-Reduktionen der Zellzahlen in den verschiedenen gefärbten Lösungen waren unterschiedlich. Eine maximale logarithmische Reduktion von 1,75 log CFU/ml wurde in der 0,001% β-Carotin gefärbten Lösung erreicht, was immer noch weit unter der 2,5 logarithmischen Reduktion in der phosphatgepufferten Salzlösung (PBS) lag. Ähnliche Ergebnisse wurden in Orangensaft erzielt, bei dem die log-Reduktion nach der Behandlung viel geringer war als die der transparenten Kontrolllösung. Pigmente und andere Schwebeteilchen in flüssigen Lebensmitteln können das Licht reflektieren und streuen, wodurch die LED-Effizienz der Bakterienbeseitigung verringert wird. Da reaktive Sauerstoffspezies (ROS), die durch ultraviolettes A-Licht (UVA, 320-400 nm) induziert werden, für die bakterizide Wirkung von zentraler Bedeutung sind, kann die antioxidative Aktivität von Lebensmittelfarben wie Carotinoiden in flüssigen Lebensmitteln reduziert werden, was zu Oxidation und Qualitätsveränderungen führt.

LEDs, die blaues Licht (400 nm-480 nm) emittieren, wurden auf ihre Fähigkeit getestet, Krankheitserreger in Orangensaft und Milch zu zerstören. In pasteurisiertem Orangensaft, der mit einem Salmonellencocktail beimpft und mit einer 460-nm-LED bei verschiedenen Bestrahlungsstärken und Temperaturkombinationen behandelt wurde, wurde eine Reduktion der Salmonellen um 2 bis 5 Logs beobachtet. Die Bedingungen, die die höchste Salmonelleninaktivierung bewirkten, waren 92 mW/cm2 bei einer sehr langen Behandlungszeit von 13,6 Stunden und einer enormen Energiedosis von 4500 J/cm2 bei 12 °C. Die Autoren hielten die Bestrahlungsstärke von 92, 147,7 und 254,7 mW/cm2 aufrecht, indem sie den Abstand der Probe von der 460-nm-LED einstellten und eine Gesamtdosis von 4500 J/cm2 für die Behandlung verwendeten, indem sie die Behandlungszeiten entsprechend 13,6, 8,46 bzw. 4,91 Stunden regulierten. Die lange Behandlungszeit und die enorme Energie, die während der LED-Behandlung auf die Produkte einwirkt, müssen gerechtfertigt werden, wenn diese Technologie mit UV-A und blauen Lichtimpulsen für die kommerzielle Desinfektion von Lebensmitteln entwickelt werden soll. Ein Ansatz wäre die Erforschung des Einsatzes dieser Technologie für andere Anwendungen (z. B. Erhitzen oder Trocknen, da die enorme Energie, die verwendet wird, die Produkte erhitzt und ihnen Wasser entzieht) zusammen mit der gleichzeitigen Inaktivierung von Mikroorganismen.

Srimagal et al. verglichen die Inaktivierung von E. coli in Milch unter Verwendung von blauen LEDs bei 405, 433 und 460 nm bei 5, 10 und 15 °C und Behandlungszeiten von 0 bis 90 Minuten. Die mikrobielle Inaktivierung war bei höheren Temperaturen und niedrigeren Wellenlängen am höchsten, mit einer maximalen Reduktion von 5,27 log CFU/ml von E. coli O157:H7 nach 60 Minuten Bestrahlung bei 405 nm. Die 460-nm-LED führte zu einer Reduktion von 2 bis 5 log, wobei die Wirkung auf die bakterielle Inaktivierung bei höheren Temperaturen stärker war, ähnlich wie in Ghate et al. berichtet. In beiden Studien wurden signifikante Veränderungen der Farbe von Lebensmitteln (Orangensaft und Milch) nach der Bestrahlung mit blauen LEDs festgestellt, was darauf hindeutet, dass die blauen LEDs die Qualität der flüssigen Lebensmittel veränderten. LED-Lichter im blauen Bereich verringern die bakterielle Aktivität hauptsächlich durch photodynamische Inaktivierung (PDI) der Mikroorganismen. Die mit dem LED-Licht erzeugten Photonen können von endogenen Photosensibilisatoren (z. B. Porphyrine, Cytochrome, Flavine) und NADH in Bakterien absorbiert werden, die nach der Beleuchtung, wie im Abschnitt „LED-Grundlagen“ beschrieben, sensibilisiert werden. Srimagal et al. berichteten über eine optimale Bedingung (405 nm, 13,8 °C, 37,83 min), unter der die behandelte Milch ohne Veränderung der physikalisch-chemischen Eigenschaften im Vergleich zur unbehandelten Milch pasteurisiert wurde. Außerdem erhöhte sich die Haltbarkeit der behandelten Milch bei Kühlung auf fast das Doppelte derjenigen der unbehandelten Milch.

In einer kürzlich von Akgün und Ünlütürk veröffentlichten Studie wurde die Inaktivierung von E. coli K12 durch UVC-LED bei 254 (0,3 mW/cm2) und 280 nm (0,3 mW/cm2) sowie UVC-LED gekoppelt mit 365 (0,8 mW/cm2) und 405 nm (0,4 mW/cm2) (UVA-LED) in trübem und klarem Apfelsaft untersucht. Die Kombinationen der Emissionswellenlängen umfassten 280 nm/365 nm, 280 nm/405 nm, 254 nm/365 nm, 254 nm/405 nm und 254 nm/280 nm/365 nm/405 nm. Die höchste antimikrobielle Aktivität wurde erreicht, wenn der trübe Apfelsaft mit 280 nm allein und einer 280 nm/365 nm-Kombination behandelt wurde, mit einer logarithmischen Reduktion von 2,0 ± 0,1 bzw. 2,0 ± 0,4 log KBE/mL bei einer LED-Behandlung von 40 Minuten. Im klaren Apfelsaft wurde eine deutlich stärkere Inaktivierung beobachtet als im trüben Apfelsaft. Die höchste logarithmische Reduktion wurde mit 4,4 log CFU/mL in dem klaren Apfelsaft erzielt, der ausschließlich mit 280 nm (771,6 mJ/cm2, 40 min) behandelt wurde. Das hybride System, das mit 280 und 365 nm UV-LEDs behandelt wurde, führte zu einer logarithmischen Reduktion von 3,9 ± 0,2 log CFU/mL, ähnlich wie bei der 280 nm-Behandlung von trübem Apfelsaft bei gleicher Behandlungszeit (40 min). Es wurde auch gezeigt, dass diese Hybrid-LED-Behandlungen bessere Inaktivierungseffekte auf die Polyphenoloxidase zeigten. Obwohl der vollständig pasteurisierte Zustand (~ 5 log-Reduktionen) in Apfelsaft durch die kombinierten UVA- und UVC-LEDs nicht erreicht werden konnte, deutet diese Studie darauf hin, dass UVA- und UVC-LEDs ein synergistisches Potenzial für die Desinfektion haben, mit dem Potenzial, Lebensmittelfarben zu erhalten. Ein zusätzlicher Desinfektionseffekt könnte durch eine Erhöhung der Dosierung der UVA- und UVC-LEDs erzielt werden. Die höhere Effizienz der UV-LED-Kombination und ihr geringer Energieverbrauch machen sie für die Inaktivierung der Polyphenoloxidase vorteilhafter als herkömmliche Quecksilberlampen. Studien zur Inaktivierungswirkung von LEDs in flüssigen Systemen sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Blaues Licht und UVC in Kombination mit UVA-LEDs haben synergistische Effekte in Bezug auf die bakterielle Inaktivierung und die Erhaltung der Lebensmittelqualität gezeigt. Die Beschaffenheit der flüssigen Lebensmittel (Partikelgröße, Trübung und Farbe), die Dosierung, die Bestrahlungsdauer und die Temperatur sollten bei der LED-Dekontamination von flüssigen Lebensmitteln optimiert werden. Die Kombination von LEDs mit anderen nicht-thermischen Technologien oder mit milden thermischen Behandlungen sollte erforscht werden, um die Wirksamkeit der Dekontamination zu verbessern.

LED-Behandlung von Wasser

Sicheres Trinkwasser ist von globaler Bedeutung, insbesondere in Ländern mit begrenzten Ressourcen. Etwa 1,2 Milliarden Menschen haben keinen Zugang zu unbelastetem Trinkwasser. Millionen von Menschen sterben jedes Jahr an Krankheiten, die durch Wasser übertragen werden. Mikroorganismen im Wasser verursachen Darminfektionen wie Durchfall, Typhus, Cholera, Dysenterie, Amöbiasis, Salmonellose, Shigellose und Hepatitis A. Herkömmliche Verfahren zur Abwasserbehandlung erfordern den Einsatz von Chemikalien und viel Energie, was sie teuer und für viele Gesellschaften unerschwinglich macht. Die fortschrittlichen Wasseraufbereitungsverfahren in den Industrieländern sind ebenfalls kostspielig und umfassen thermische Behandlungen, chemische Desinfektionen (Chlorierung, Ozon, Chlordioxid, Chloraminierung) und Metallionen (Ag und Cu) zur Reduzierung des mikrobiellen Gehalts. Herkömmliche Methoden der Wasserdesinfektion sind nicht nur teuer, sondern auch oft ineffektiv und nicht nachhaltig. Daher werden effiziente, wirtschaftliche und robuste Technologien, die nur minimale schädliche Auswirkungen auf die Umwelt haben, weiterhin auf ihre Anwendung zur Wasserdesinfektion und -dekontaminierung untersucht.

Mehr als 7000 kommunale UV-Desinfektionssysteme wurden weltweit installiert, und kleine Desinfektionssysteme sind für den Hausgebrauch erhältlich. Die Wasserdesinfektion mit UV-Licht hat mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Desinfektionsmethoden. UV-Licht ist antimikrobiell wirksam, erzeugt nur minimale Rückstände und Nebenprodukte, hat geringe Auswirkungen auf die Umwelt und ist mit den gängigen industriellen Verfahren kompatibel. Im Gegensatz zu chemischen Wasserbehandlungen entstehen bei der UV-Wasserbehandlung keine arzneimittelresistenten Bakterien. Zu den Nachteilen herkömmlicher UV-Quellen gehören der leichte Bruch und die Notwendigkeit einer sorgfältigen Entsorgung, da die Quecksilberlampe die Umwelt verschmutzen kann.

Song et al. berichteten über die Inaktivierung von Mikroorganismen wie E. coli und Coliphage MS2 in Laborwasser und E. coli und Gesamtcoliforme in Abwasser mit kontinuierlichen und gepulsten 265 nm LED-Behandlungen. Die Inaktivierungswerte aller Mikroorganismen waren sowohl bei den kontinuierlichen als auch bei den gepulsten LED-Behandlungen mit unterschiedlichen Pulsmustern bei gleicher UV-Energiedosierung ähnlich. Die gepulsten LED-Behandlungen inaktivierten die Mikroorganismen genauso effektiv wie die von herkömmlichen Xenon-Lampen erzeugten Pulse und boten ein leistungsstarkes Wärmemanagement für die Wasserdesinfektion. Die Inaktivierung von pathogenen Bakterien (Legionella pneumophila, Pseudomonas aeruginosa) und Surrogatarten (Bacillus subtilis Sporen, Bakteriophage Qβ, E. coli) wurde mit UV-LEDs, die Licht verschiedener Wellenlängen (265, 280 und 300 nm) emittieren, untersucht und mit der bakteriellen Inaktivierung mit einer herkömmlichen Niederdruck-UV-Lampe (LPUV), die Licht bei 254 nm emittiert, verglichen. Die Kinetik der Inaktivierung von Mikroorganismen wurde mathematisch mit Hilfe von LED-Energie-Wirkungskurven bei verschiedenen Wellenlängen unter Verwendung eines Multitarget-Modells bestimmt. Das Inaktivierungsprofil jeder Spezies zeigte entweder eine lineare oder eine sigmoidale Überlebenskurve. LED-Behandlungen waren bei der Inaktivierung von P. aeruginosa, L. pneumophila und Surrogat-Mikroorganismen in Wasser effizienter als LPUV-Behandlungen. Die 265-nm-LED wies die effektivste Energieausbeute auf, basierend auf der Inaktivierungsratenkonstante aller getesteten Mikroorganismen, außer E. coli. Die 280-nm-LED-Behandlung verbrauchte die geringste elektrische Energie, um eine 3 log-Reduktion der getesteten Mikroorganismen zu erreichen (0,15-1,11 kWh/m3), verglichen mit 265- und 300-nm-LEDs (0,24-17,4 kWh/m3).

Li et al. bewerteten die Inaktivierung von E. coli mit 265- und 280-nm-LED-Behandlungen, einzeln und in Kombinationen von 265, 280 (50%) nm und 265, 280 (75%) nm. Eine vergleichende Studie zur Photoreaktivierung und Dunkelreparatur von E. coli wurde ebenfalls quantitativ mit LEDs und LPUV durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Kombination aus 265 und 280 nm LED keinen synergistischen Effekt auf die Inaktivierung von E. coli hatte. Die Reaktivierung der mit 265 nm LED behandelten Bakterien war vergleichbar mit der der mit LPUV behandelten Bakterien. E. coli, das mit 280-nm-LEDs bei 6,9 mJ/cm2 behandelt wurde, zeigte den geringsten Prozentsatz an Photoreaktivierung und Dunkelreparatur. Die Studie kam zu dem Schluss, dass die 280-nm-LED in Wasser E. coli effizienter inaktivierte als die 265-nm-LED, was auf die zusätzliche Ausgangsleistung der ersteren und ihre bessere Hemmung der bakteriellen Reaktivierung zurückzuführen ist. Die synergistische antimikrobielle Wirksamkeit von 260-nm- und 280-nm-LEDs wurde gegen E. coli, B. pumilus-Sporen, MS2-Coliphage und humanes Adenovirus Typ 2 (HAdV2) untersucht und mit Quecksilberdampflampen bei niedrigem und mittlerem Druck verglichen. Die 260-nm-LED war am besten für die Inaktivierung von MS2-Koliphagen geeignet, während eine UV-Lampe mit mittlerem Druck HAdV2 und B. pumilus effizienter inaktivierte als andere UV-Quellen. Ähnliche Beobachtungen wurden in einer Studie von Sholtes et al. gemacht, in der die Inaktivierung von E. coli B, B. atrophaeus und MS2 mit einer 260-nm-LED und Niederdruck-UV-Lampen untersucht wurde. Die Kinetik der Inaktivierung von E. coli B und MS-2 war bei LED- und LPUV-Behandlungen ähnlich. Bei allen UV-Strahlungsquellen waren die für eine Verringerung der Mikroorganismen um 4 log erforderlichen Dosen für B. atrophaeus und MS2 höher als für E. coli B. Chatterley und Linden behandelten E. coli in Wasser mit einer 265-nm-LED und einer herkömmlichen LPUV. Die LED bot eine höhere antimikrobielle Wirksamkeit als LPUV-Lampen, verursachte jedoch höhere Desinfektionskosten. Gross et al. berichteten über die Wasserdesinfektion mit einer 280-nm-LED zur Inaktivierung von E. coli und B. subtilis mit zwei verschiedenen glasgeführten Lampen (Natronkalk und Quarz) zur Erhöhung der Desinfektionswirkung. Fast das gesamte eingestrahlte Licht wurde aufgrund von Totalreflexion zu den Proben geleitet. Die Geschwindigkeit und Effizienz der Desinfektion von B. subtilis und E. coli wurden durch diese lichtgeführte Methode verbessert.

Die Inaktivierung von E. coli wurde in Bezug auf die Expositionszeit und die LED-Fluenz zwischen Batch- und Durchflussreaktoren bei Spitzenemissionen von 265, 280 und 310 nm getestet. Lichtwellenlängenkombinationen (265/310, 265/280/310, 280/310 und 265/280 nm) wurden auf ihre Inaktivierungswirksamkeit getestet. Die zeitabhängige Inaktivierungswirksamkeit war bei 280 nm-LEDs maximal, während 265 nm-LEDs die höchste fluenzabhängige Effizienz aufwiesen. Im Batch-System benötigten 265 und 280 nm LEDs eine Dosis von 10,8 und 13,8 mJ/cm2, um eine 4 log-Reduktion von E. coli zu erreichen. Die 310-nm-LED benötigte eine Dosis von 56,9 mJ/cm2 für eine Inaktivierung von nur 0,6 log. Eine geringere Inaktivierungseffizienz und eine geringere Ausgangsleistung wurden bei kombinierten Emissionen bei 265/280, 265/310, 280/310 und 265/280/310 nm in einem Durchflussreaktor beobachtet. Die Effizienz der 265-nm-LED-Behandlung bei der Wasserdesinfektion war auch zeitabhängig. Die Ergebnisse zeigten, dass die Trübung der Probe die bakterielle Inaktivierung beeinflusste und dass eine bessere Effizienz in weniger trüben Wasserproben erreicht wurde. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Anhäufung von Partikeln in Flüssigkeiten Mikroorganismen vor der UV-Lichtexposition schützen kann.

Hamamoto et al. desinfizierten Wasser mit UV-A-LEDs (365 nm) und einer UV-C-Niederdrucklampe (254 nm). Die Inaktivierung von Staphylococcus aureus, Vibrio parahaemolyticus, enteropathogenen E. coli und E. coli DH5α war nach 80 Minuten hochenergetischer UV-A-LED-Behandlung größer als 3 log KBE/ml. Diese Beobachtung wurde in einer Studie von Mori et al. bestätigt, in der eine 365 nm (UV-A) LED antimikrobielle Wirkungen gegen E. coli DH5α, enteropathogene E. coli, Vibrio parahaemolyticus, Staphylococcus aureus und Salmonella Enteritidis zeigte. Vilhunen et al. beobachteten die Wirkung von 269 und 276 nm auf die Inaktivierung von E. coli in zwei photolytischen Batch-Reaktoren, die sich in der emittierten Wellenlänge unterscheiden, mit verschiedenen Testmedien, darunter Reinstwasser, Nährstoff und Wasser sowie Nährstoff und Wasser mit Huminsäuren. Die LEDs zerstörten E. coli selbst bei niedriger optischer Leistung effizient. Die Studie zeigte, dass die LED-Wellenlängen für die Inaktivierung von E. coli wirksam waren, das Testmedium jedoch keinen großen Einfluss auf die Inaktivierung hatte.

Verschiedene Studien haben gezeigt, dass UV-LED herkömmliche Behandlungsmethoden zur Wasserdesinfektion ersetzen können und dass sie Vorteile bieten, die bei herkömmlichen Behandlungen fehlen. Der am meisten untersuchte Bereich des UV-Spektrums für die Wasserdesinfektion liegt zwischen 200 und 300 nm, wobei eine Wellenlänge von 265 nm die am häufigsten verwendete Wellenlänge ist und E. coli der am häufigsten untersuchte Mikroorganismus ist. Die Wasserdesinfektion mit einer einzigen Wellenlänge wurde mit der Wasserdesinfektion mit einer Kombination aus zwei Wellenlängen verglichen. Die Daten waren jedoch nicht konsistent, so dass keine Schlussfolgerung gezogen werden konnte. Die Tatsache, dass verschiedene Mikroorganismen unterschiedlich auf Lichtenergie der gleichen Wellenlänge reagieren, kann auf die UV-Lichtquelle, die Fluenzrate, die UV-Dosis und die Expositionszeit zurückgeführt werden. Es ist notwendig, eine Standardmethode zu entwickeln, um die für die Inaktivierung von Mikroorganismen in Wasser erforderliche Dosis zu bestimmen und den Mechanismus der mikrobiellen Inaktivierung durch LED zu ermitteln.