Biocidal effects of non-thermal atmospheric pressure plasma

Abstract

The subject of this Ph.D. thesis covers bio-chemical pathways in plasma activated liquids (PAW), that are under intensive investigation during last decades. Three possible ways of bacteria inactivation with PAW were studied. The DC plasma jet generated plasma in gas phase (N2/O2) during underwater operation was used to provide postdischarge bacteria treatment. The synergistic effect of transition metal ions and reactive oxygen and reactive nitrogen species was considered to play the dominant role in bacteria inactivation. Moreover, toxicity of the copper ions even in sublethal doses should be taken into account, due to possible DNA damages induced in the cell. Direct bacteria treatment with PAW was studied using RF operating APPJ working in He + O2 gas mixture over the bacterial suspension. Reactive oxygen species were assumed to play a major role in bacteria inactivation process through inducing the oxidative stress, that led to DNA damage and viable but non-cultivable state of bacteria. The evidence of peroxidation of lipids in the bilayer was measured; however, we propose, that it did not play a major role in the bactericidal process. The contaminated agar and spinach leaves surface was treated by electrospraying of 3% oregano essential oil (OEO) suspended in 5% polysorbate 80 water solution through the transient spark discharge. The synergistic effect of charged and reactive species carried with micelles onto the surface and phenolic component of OEO was assumed to cause membrane fluidisation and resulted to the cell death.

Náplní této práce je studium biocidních úcinku v roztocích vyvolaných pusobením netermálního plazmatu (NTP), jež jsou v posledních letech predmetem intenzivního výzkumu. Ke zjištení odezvy baterie E. coli na chemické procesy, vyvolané pusobením NTP, generovaného v plynné fázi (N2/O2) ale pusobícím pod vodní hladinou, byla použita plazmová tryska napájená zdrojem stejnosmerného napetí. Díky použitému technickému rešení, jež umožnilo prímý kontakt kovového hrotu s ošetrovanou tekutinou, bylo možné sledovat synergické pusobení iontu prechodných kovu a reaktivních kyslíkových a dusíkových cástic na inaktivaci bakterií. Úcinky plazmatu pusobícího nad hladinou bakteriální suspenze byly zkoumány za použití APPJ, generujícího RF plazma v plynné fázi (He + O2). Namerené výsledky poukazují na dominantní roli reaktivních kyslíkových cástic, jež zpusobují oxidacní stres, vedou k poškození DNA a prechodu bakterie do stavu, v nemž je živá ale nekultivovatelná. Inaktivaci mikroorganizmu lze rovnež docílit rozprášením tekutiny aktivované plazmatem na kontaminovaný povrch. K tomuto úcelu byl na listy špenátu pomocí prechodového jiskrového výboje rozprášen 3% roztok silic oregano. Cidní úcinky byly pravdepodobne zpusobené synergickým pusobením náboje prenášeného micely na povrch mikroorganizmu a fenoly OEO zpusobující fluidaci bakteriální membrány.