UVB LEDs

Siehe auch:

Wunderlich, S., Griffiths, T., & Baines, F. UVB-emitting LEDsfor reptile lighting: Identifying the risks of nonsolar uv spectra. Zoo Biology, (2023). (read-only full-text link: https://onlinelibrary.wiley.com/share/author/S963PPA3CYXSTM2SEJC7?target=10.1002/zoo.21806 [1380Wunderlich, S., Griffiths, T., & Baines, F. (2024). Uvb-emitting leds for reptile lighting: Identifying the risks of nonsolar uv spectra. Zoo Biology, 43(1), 61–74.]

Wunderlich, S. (2022) UV-B-LEDs für die Terraristik. elaphe, 2022/01, 72–79. [1330Wunderlich, S. (2022). Uv-b-leds für die terraristik. elaphe, 2022(1), 72–79.]

Wunderlich, S. 2022. LEDs and Reptiles. Unpublished paper read at BIAZA RAWG, July 1. pdf [1304Wunderlich, S. 2022, July 1 Leds and reptiles. Unpublished paper presented at BIAZA RAWG.]

Seit Anfang 2021 tauchten plötzlich immer mehr LED-basierte UVB-Lampen für Reptilien im Handel auf. Zuerst no-name Produkte auf den großen Handelsplattformen. Dann startete einer der Größten in der Reptilienbeleuchtung - ZooMed - mit großformatiger Werbung für die ZooMed ReptiSun® UVB/LED.

Ich habe bisher über 10 Lampen selbst getestet (d.h. spektrale Beurteilung und Iso-UV-Index-Karte) und kann auch auf die Tests meiner “Reptile-Lighting”-Kollegen Frances Baines und Thomas Griffiths zurück greifen, und wir müssen bisher (Stand 09/2022) von allen UVB-LEDs abraten.

Aktuell sind viele der Lampen Spotstrahler mit E27-Fassung. Wenige, wie die ZooMed, sind LED-Leisten mit E27-Fassung, die waagrecht betrieben werden. Relativ neu kommen gerade auch normale LED-Leisten mit UVB-LEDs auf den Markt. Die Lampen haben zunächst zwei riesige Vorteil gegenüber den anderen UVB-Lampen: Sie sind extrem einfach in der Anwendung weil sie leicht sind und kein externes Vorschaltgerät brauchen. Außerdem enthalten sie kein Quecksilber, es gibt also keine Gesundheitsgefahr, wenn die Lampen einmal herunter fallen, und auch für die Umwelt ist das besser. Langfristig werden alle quecksilberhaltigen Lampen durch EU-Verordnungen sowieso verboten werden - natürlich sobald es technische Alternativen gibt.

Auch wenn man mit einem Solarmeter 6.5 den UV-Index misst, machen die Lampen zunächst einen guten Eindruck. Die Lampen haben meist einen sehr großen Strahlkegel, meist größer als bei UV-HQI-Strahlern.

Beim Spektrum kommt aber leider die große Enttäuschung.

Grundsätzlich eröffnen LEDs im Gegensatz zu anderen Lampentechnologien eine sehr flexible Zusammensetzung des Spektrums. Es können verschiedene Einzel-LEDs in einer Lampe kombiniert werden um unterschiedliche Wellenlängenbereiche abzudecken. Die bisherigen Lampen haben meist drei Einzel-LED-Typen kombiniert: normale Weiße LEDs, UVA-LEDs und UVB-LEDs. Selten sind auch zusätzliche rote oder blaue LEDs verbaut.

Bei den UVB-LEDs habe ich bisher folgende Spektren gesehen:

Die besseren Lampen setzten LED mit Maximum zwischen 305 und 312 nm ein. Die 310-nm-LED bildet das Sonnenspektrum im Bereich <310 nm recht gut nach. Bei den kürzeren Maximalwellenlängen ist etwas mehr kurzwellige, aggressive Strahlung vorhanden als im intensiven Sonnenlicht. Die LEDs werden voraussichtlich zu mehr Zellschädigung führen als das Sonnenlicht. Noch wichtiger aber: Es fehlt aber Strahlung im Bereich 315-335 nm, die enorm wichtig für das Gleichgewicht der Vitamin-D3-Bildung ist. Es ist davon auszugehen, dass diese Lampen alle evolutionär an das Sonnenlicht angepassten Schutzmechanismen vor einer Vitamin-D3-Überdosierung aushebeln und unkontrolliert zu viel Vitamin D3 bilden. Siehe dazu bildung_von_vitamin_d3_durch_uv-strahlung und auch die Ausführliche Erklärung der Tierärztin Frances Baines [1277Baines, F. M. (2021). Vitamin d3 synthesis: a self-limiting process in natural sunlight.].

Noch mal deutlich schlechtere Lampen nutzen eine 295-nm-LED. Hier ist zwar kein UVC (unterhalb von 280 nm) vorhanden, aber große Mengen an nicht-terrestrischem UVB (280 - 290 nm). Mit diesen Wellenlängen haben wir um 2007 herum bei einigen Leuchtstofflampen sehr schlechte Erfahrungen machen müssen. Die kurzen Wellenlängen verursachen starke Verbrennungen der Augen (Hornhaut und Bindehaut) und der Haut und haben zu einigen Todesfällen geführt (siehe auch verbrennungsschaeden_2007.

Und vereinzelt habe ich sogar Lampen mit UVC-LEDs gesehen.

Bei diesen drei Grafiken sieht man einen gefährlichen Punkt bei UVB-LEDs: Obwohl alle drei Lampenspektren auf UV-Index 40 skaliert sind, ist bei der ersten (sonnenähnlichsten) Lampe viel mehr Intensität vorhanden (der graue Hügel ist höher). Die kürzeren Wellenlängen tragen stärker zum UV-Index bei. Daher ist weniger Leistung notwendig, um den gleichen UV-Index zu erreichen. Es ist daher verlockend für die Hersteller, kurzwellige LEDs zu verwenden, die bei geringerem Stromverbrauch einen höheren UV-Index erzeugen. Gleichzeitig wird viel mehr elektrische Energie notwendig, um den UV-Index mit einem sonnenähnlichen Spektrum (bis 335nm) zu erzeugen.

Das Solarmeter-Verhältnis warnt vor diesen Lampen. Ich hatte folgende Verhältnisse:

• 275-nm-LED: 7,6
• 279-nm-LED: 7,3
• 307-nm-LED: 11,5
• 310-nm-KED: 17,0

Da die Solarmeter hier in ihrem Grenzbereich betrieben werden, für den sie nicht gedacht und nicht kalibriert sind, werden die Fertigungstoleranzen noch stärker sichtbar. Mit einem anderen Paar an Solarmetern sind auch andere Verhältnisse bei der gleichen Lampe möglich. Bisher habe ich aber nur Verhältnisse kleiner als 15 gesehen. Generell halte ich alles unter 25 für ein deutliches Warnsignal, das mit dem Spektrum etwas nicht in Ordnung ist. Die Lampen müssen mit einem guten Spektrometer überprüft werden.

Inzwischen (2024) gibt es auch die ersten UVB-LED-Lampen mit einem ausgewogenerem UVB-Spektrum. Durch die Kombination von UV-Dioden mit Maximum bei 310 nm, 325 nm und 340 nm lässt sich das Sonnenspektrum im Vitamin-D3-relevanten Bereich gut nachbilden. Leider sind gerade die 325-nm-Dioden sehr teuer und schwach, so dass die Hersteller hier weniger Intensität liefern als das Sonnenlicht. Weitere LEDs bei 375 und 400 nm füllen das Sehspektrum für Reptilien auf. Es bleiben aber Risiken bei denen uns aktuell die Langzeiterfahrungen fehlen:

• Die Einzeldioden werden über eine elektronische Schaltung angesteuert. Einzelne Bauteile können zu unterschiedlichen Zeitpunkten defekt werden. Es gibt einen (nicht unabhängig überprüften) Bericht mit einer UVB-LED-Lampe, die nach mehreren Monaten Betrieb plötzlich 3-4 mal höhere UV-Index-Werte geliefert hat. Mutmaßlich wurde durch ein defektes elektronisches Bauteil die LED plötzlich mit höherer Leistung betrieben. In diesem Fall kam es zu UV-Verbrennungen bei den Tieren, weil der Abstand durch die höhere UV-Intensität plötzlich viel zu gering war. Für den Halter ist ein solcher Fehler ohne UV-Messgerät nicht erkennbar. Und selbst mit UV-Messgerät messen die meisten Halter ihre Lampen nur alle paar Monate und erwarten nur eine langsame Verringerung aber keine Erhöhung der UV-Intensität.
• Wenn 310, 325 und 340 nm LEDs kombiniert werden, um ein sonnenähnliches Spektrum zu erzeugen, ist es wichtig, dass alle Einzel-Dioden in einem ähnlichen Tempo altern. Hier fehlen uns die Langzeiterfahrung. Sollten die 325nm und 340 nm LEDs durch Alterung oder Defekt in der Elektronik ausfallen, wird das der Halter mit einem UV-Index-Messgerät nicht erkennen können. Der UV-Index würde sich dem Fall nur leicht verringern. Die erwartete Wirkung auf die Vitamin-D3-Bildung wäre aber drastisch.
• Bei vielen UV-LEDs ist eine Linse direkt auf die Diode geklebt um das Licht der LED zu bündeln. Es ist ein Fall dokumentiert wo sich diese Linse gelöst hat.

In der humanmedizinischen Forschung werden LEDs zur Vitamin D3-Bildung untersucht. Dabei hat man besonders die Menschen im Blick, die Vitamin-D3 z.B. wegen einer Darmerkrankung nicht über Supplemente aufnehmen können. Ein Sonnenstudio ist in diesem Fall sehr aufwändig und man hofft, mit intensiven LEDs die Vitamin-D3-Versorgung mit nur wenigen Minuten Bestrahlung pro Woche sicherzustellen. Mir sind bisher nur Versuche an Tieren oder menschlichen Hautproben bekannt. Es wird mit sehr hoher UV-Intensität (UV-Index 100-200) für wenige Minuten bestrahlt.

In [1252Kalajian, Aldoukhi, Veronikis, Persons, K. S., & Holick, M. F. (2017). ultraviolet b light emitting diodes (leds) are more efficient and effective in producing vitamin d3 in human skin compared to natural sunlight. Scientific Reports, 7, 11489.] wurden menschliche Hautproben mit LEDs mit Maximalwellenlänge 293nm, 295nm 298 nmn 305 nm bestrahlt. Trotz einiger Ungereimtheiten sieht es danach aus, dass die UVB-LEDs bei gleichem UV-Index und gleicher Bestrahlungsdauer etwa 2,5 mal so viel Vitamin D3 in menschlicher Haut bilden wie Sonnenlicht. Grundsätzlich sagt das Solarmeter 6.5 (UV-Index) die Vitamin-D3-Bildung sehr gut voraus (siehe auch: Solarmeter 6.5), da bei den UVB-LEDs aber der Bereich bis 315 nm bis 330 nm nicht oder kaum abgestrahlt wird, wird der natürliche Schutzeffekt vor einer Vitamin-D3-Überdosierung ausgehebelt (Einfluss des Spektrums auf die Vitamin-D3-Bildung) und mehr Vitamin D3 gebildet.

In [1251Veronikis, A. J., Cevik, M. B., Allen, R. H., Shirvan, A., Sun, A., & Persons, K. S., et al. (2020). evaluation of a ultraviolet b light emitting diode (led) for producing vitamin d3 in human skin. Anticancer Research, (2), 719–722.] wurden Hautproben und Glasampullen mit einer LED mit 295 nm Maximalwellenlänge bestrahlt und die gebildete Vitamin-D3-Menge gemessen. Im Vergleich zu einer anderen Studie mit intensiver Sonnenstrahlung [1262Chen, T. C., Chimeh, F., Lu, Z., Mathieu, J., Person, K. S., & Zhang, A., et al. (2007). Factors that influence the cutaneous synthesis and dietary sources of vitamin d. Archives of Biochemistry and Biophysics, 460(2), 213–217.] erscheint die gebildete Vitamin D3 durch Sonne und 295-nm-LED aber sehr ähnlich.

Mäuse haben unter verschiedenen UV-LEDs mit 268 nm, 282 nm, 290 nm, 305 nm Maximalwellenlänge gleichermaßen sehr gut Vitamin D3 gebildet. Auch die LED mit 316 nm Maximalwellenlänge war noch mehr als halb so effektiv wie die anderen LEDs [1256Morita, D., Nishida, Y., Higuchi, Y., Seki, T., Ikuta, K., & Asano, H., et al. (2016). Short-range ultraviolet irradiation with led device effectively increases serum levels of 25(oh)d. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 164, 256–263.]. In Schweinehautproben dagegen waren verschiedene LEDs mit 280 nm bis 340 nm Maximalwellenlänge stark unterschiedlich effektiv [1255Barnkob, L. L., Argyraki, A., Petersen, P. M., & Jakobsen, J. (2016). Investigation of the effect of uv-led exposure conditions on the production of vitamin d in pig skin. Food Chemistry, 212, 386–391.], 296 nm am effektivsten und ab 318 nm Maximalwellenlänge wurde kein Vitamin D3 mehr gebildet.

[1277Baines, F. M. (2021). Vitamin d3 synthesis: a self-limiting process in natural sunlight.; 1278]

Eine einzige Studie mit Reptilien existiert bisher: Juvenile Bartagamen wurden mit einem Prototypen einer UVB-LED-Lampe von ZooMed bestrahlt [1074Cusack, L., Rivera, S., Lock, B., Benboe, D., Brothers, D., & Divers, S. (2017). Effects of a light-emitting diode on the production of cholecalciferol and associated blood parameters in the bearded dragon (pogona vitticeps). Journal of zoo and wildlife medicine, 48(4), 1120–1126.]. Als Vergleich diente eine Gruppe von Tieren ganz ohne UVB und eine Gruppe mit einer UVB-Leuchtstofflampe. Die LED-Lampe bestand aus mehreren UVB-LEDs mit unterschiedlicher Wellenlänge (300, 310, 320, 355 nm), so dass die Ergebnisse sicherlich nicht auf die aktuell typischen UVB-Terrarienlampen übertragbar sind. In der LED-Gruppe war der UV-Index im Mittel 0,24, in der Leuchtstofflampen-Gruppe 0,92. In beiden Fällen also ein extrem geringer UV-Index, obwohl Bartagamen in Ferguson-Zone 3 sonst ein UV-Index zwischen 3 und 7 empfohlen wird. Wenig überraschend blieben die Vitamin-D3-Blutwerte der Gruppe ohne UV konstant niedrig (um 120 nmol/l) und auch die Blutwerte der Tiere mit der Leuchtstoffröhre mit viel zu geringem UV-Index stiegen nur minimal auf 130 nmol/l. Völlig überraschend hatten die Tiere der LED Gruppe, trotz fast nicht messbarem UV-Index (0,24) sehr hohe Blutwerte von fast 200 nmol/l, die während der gesamten Studiendauer von 11 Monaten auch kontinuierlich stiegen. Diese Studie stützt die Sorge vor einer Vitamin-D3-Überdosierung durch das Spektrum.

Es wäre sehr interessant gewesen, wie sich der 25(OH)D3-Spiegel nach den 11 Monaten Studiendauer weiterentwickelt hätte und was passiert wäre, wenn die Intensität der Lampe passend zur Ferguson-Zone mehr als verzehnfacht worden wäre.

Es gibt bisher keine Messung in Glasampullen oder Hautproben, wie sich bei 310-nm-LEDs das Gleichgewicht der 4 Substanzen des Vitamin-D-Gleichgewichts ausbilden. Aber nach allem, was man weiß, kann es nur so sein, dass mehr preD3 und Tachysterol und weniger Lumisterol und 7DHC im Gleichgewicht vorhanden ist. Das mehr an preD3 könnte wie oben erklärt zu einer Vitamin-D3-Überdosierung führen. Zu den Symptomen einer Vitamin-D3-Überdosierung siehe: folgen_einer_vitamin-d3-ueberdosierung

Aber es ist auch denkbar, dass die geänderte Menge an Lumisterol und Tachysterol gesundheitliche Auswirkungen haben [1055Wacker, M., & Holick, M. F. (2013). Sunlight and vitamin d: A global perspective for health. Dermatoendocrinol, 5(1), 51–108.]. Bei Lumisterol wird diskutiert, ob es vor Krebserkrankungen schützt [1341Dixon, K. M., Norman, A. W., Sequeira, V. B., Mohan, R., Rybchyn, M. S., & Reeve, V. E., et al. (2011). 1α,25(OH)2-Vitamin D and a Nongenomic Vitamin D Analogue Inhibit Ultraviolet Radiation–Induced Skin Carcinogenesis. Cancer Prevention Research, 4(9), 1485–1494.]. In [1338Sakich, N. B., & Tattersall, G. J. (2022). Regulation of Exposure to Ultraviolet Light in Bearded Dragons (Pogona vitticeps) in Relation to Temperature and Scalation Phenotype. Ichthyology & Herpetology, 110(3), 477–488.] wird unter anderem die Hypothese aufgestellt, Lumisterol könnte von Reptilien genutzt werden, um die UVB-Intensität zu erkennen. Nach ersten Versuchen scheinen Reptilien sehr gut in der Lage zu sein, sich der korrekten Menge an UV auszusetzen. Welche Methode sie nutzen, um die UV-Stärke zu erkennen, ist noch ungeklärt. Falls Lumisterol hierbei eine Rolle spielt, würden sich Reptilien unter 310-nm-LEDs deutlich länger sonnen, da weniger Lumisterol gebildet wird. Und dass wo wegen der stärkeren Vitamin-D3-Bildung eigentlich eine deutlich geringere Sonnendauer notwendig ist.

310-nm-LEDs strahlen keine nicht-terrestrische UV-Strahlung ab und haben daher kein erhöhtes Risiko von Zellschäden. Für Wellenlängen < 310 nm stimmt das Spektrum sehr gut mit dem Sonnenspektrum überein. Allerdings fehlt der Wellenlängenbereich 320-335, der wichtig zur Regulierung der Vitamin-D3-Bildung ist. Welche gesundheitlichen Auswirkungen diese Abweichung von Sonnenspektrum hat, muss dringend vor einem Einsatz der Lampen untersucht werden. Dabei müssen realistische Intensitäten verwendet werden und alle Blutparameter des Vitamin-D3-Kalizium-Komplexes gemessen werden (Parathormon, 1,25(OH)D3, Vitamin D3, Serum-Kalzium, Ionisiertes Kalzium). Wichtige Hinweise zur Bestimmung der 25-OHD3-Blutwerte bei Reptilien

Oder noch besser: Diese Lampen müssen sonnenähnlich gemacht werden. Technisch ist das durch weitere LEDs mit Maximalwellenlängen im Bereich 320-340 nm möglich. Ob es sich von den Kosten her gegenüber Leuchtstofflampen lohnt und wie die unterschiedliche Lebensdauer der LEDs ist, muss sich noch zeigen.

Ich beziehe mich als Referenz auf das Sonnenspektrum mit UV-Index 7,6 gemessen von Bernhard [10Bernhard, G., Mayer, B., & Seckmeyer, G. (1997). Measurements of spectral solar uv irradiance in tropical australia. Journal of Geophysical Research, 102(D7), 8719–8730.], hier in der Lampendatenbank. Bei dieser Form des Spektrums entsprechen UV-Index 7.6

• 1,6 W/m² UVB 290 - 315 nm
• 1,0 W/m² UVB 315 - 320 nm
• 14,1 W/m² UVA2 320 - 350 nm

Sofern man also das Spektrum der Sonne im bereich < 350 nm nachbilden will, sind 16,7 W/m² Strahlungsleistung notwendig. Will man das auf einer Fläche mit 30cm Durchmesser erreichen, sind 16,7 W/m² * (0,15m)² * π = 1.18 W Strahlungsleistung notwendig. Bei einer angenommenen Effizienz der UVB-LEDs von 10% sind das 12 W elektrische Leistung. Wenn zusätzlich sichtbare LEDs und UVA-LEDs (mit ca. 390 nm Maximalwellenlänge) verwendet werden, wird die Lampe mindestens etwa 20 W elektrische Leistungsaufnahme benötigen.

[1380] Wunderlich, S., Griffiths, T., & Baines, F. (2024). Uvb-emitting leds for reptile lighting: Identifying the risks of nonsolar uv spectra. Zoo Biology, 43(1), 61–74.
[1330] Wunderlich, S. (2022). Uv-b-leds für die terraristik. elaphe, 2022(1), 72–79.
[1304] Wunderlich, S. 2022, July 1 Leds and reptiles. Unpublished paper presented at BIAZA RAWG.
[1277] Baines, F. M. (2021). Vitamin d3 synthesis: a self-limiting process in natural sunlight.
[1252] Kalajian, Aldoukhi, Veronikis, Persons, K. S., & Holick, M. F. (2017). ultraviolet b light emitting diodes (leds) are more efficient and effective in producing vitamin d3 in human skin compared to natural sunlight. Scientific Reports, 7, 11489.
[1251] Veronikis, A. J., Cevik, M. B., Allen, R. H., Shirvan, A., Sun, A., & Persons, K. S., et al. (2020). evaluation of a ultraviolet b light emitting diode (led) for producing vitamin d3 in human skin. Anticancer Research, (2), 719–722.
[1262] Chen, T. C., Chimeh, F., Lu, Z., Mathieu, J., Person, K. S., & Zhang, A., et al. (2007). Factors that influence the cutaneous synthesis and dietary sources of vitamin d. Archives of Biochemistry and Biophysics, 460(2), 213–217.
[1256] Morita, D., Nishida, Y., Higuchi, Y., Seki, T., Ikuta, K., & Asano, H., et al. (2016). Short-range ultraviolet irradiation with led device effectively increases serum levels of 25(oh)d. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 164, 256–263.
[1255] Barnkob, L. L., Argyraki, A., Petersen, P. M., & Jakobsen, J. (2016). Investigation of the effect of uv-led exposure conditions on the production of vitamin d in pig skin. Food Chemistry, 212, 386–391.
[1278]
[1074] Cusack, L., Rivera, S., Lock, B., Benboe, D., Brothers, D., & Divers, S. (2017). Effects of a light-emitting diode on the production of cholecalciferol and associated blood parameters in the bearded dragon (pogona vitticeps). Journal of zoo and wildlife medicine, 48(4), 1120–1126.
[1055] Wacker, M., & Holick, M. F. (2013). Sunlight and vitamin d: A global perspective for health. Dermatoendocrinol, 5(1), 51–108.
[1341] Dixon, K. M., Norman, A. W., Sequeira, V. B., Mohan, R., Rybchyn, M. S., & Reeve, V. E., et al. (2011). 1α,25(OH)2-Vitamin D and a Nongenomic Vitamin D Analogue Inhibit Ultraviolet Radiation–Induced Skin Carcinogenesis. Cancer Prevention Research, 4(9), 1485–1494.
[1338] Sakich, N. B., & Tattersall, G. J. (2022). Regulation of Exposure to Ultraviolet Light in Bearded Dragons (Pogona vitticeps) in Relation to Temperature and Scalation Phenotype. Ichthyology & Herpetology, 110(3), 477–488.
[10] Bernhard, G., Mayer, B., & Seckmeyer, G. (1997). Measurements of spectral solar uv irradiance in tropical australia. Journal of Geophysical Research, 102(D7), 8719–8730.