Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Czym jest i do czego służy „zimna” plazma?
Agata Łoś, 03.02.2017 , Tagi: technologie, plazma
Czym jest i do czego służy „zimna” plazma?
Chociaż plazma jest najpowszechniej występującym we Wszechświecie stanem skupienia materii, nieczęsto mamy okazję ją widywać - przykładem zjawisk, w których można zaobserwować powstawanie plazmy są błyskawice i zorza polarna. Ze względu na swoje przeciwdrobnoustrojowe właściwości, plazma coraz częściej znajduje swoje zastosowanie w wielu dziedzinach, przede wszystkim medycynie, stomatologii i przetwórstwie żywności.

 

Definicja i składniki niskotemperaturowej plazmy

Pojęcie plazmy wprowadził w 1928 roku amerykański fizykochemik Irving Langmuir, noblista z 1932 roku [1]. Plazma, zwana czwartym i najpowszechniej występującym we Wszechświecie stanem skupienia materii, to zjonizowany gaz mogący przewodzić ładunki elektryczne. Wyróżniamy plazmę wysokotemperaturową - „gorą­cą”, będącą składnikiem gwiazd i powstającą podczas wybuchu bomby wodorowej oraz niskotemperaturową - „zimną” (ang. non-thermal plasma lub cold plasma) – powstającą w znacznie niższych temperaturach. np. pokojowej. Plazma niskotemperaturowa może składać się z mieszaniny zarówno zjonizowanych, jak i niezjonizowanych cząsteczek, atomów w stanie podstawowym i wzbudzonych, wolnych rodników, w tym tlenu (ang. reactive oxygen species, ROS) i azotu (ang. reactive nitrogen species – RNS), ozonu oraz elektronów i promieniowania UV [2].

 

Rys. 1. Główne składniki plazmy [3]

 

Mechanizm inaktywacji drobnoustrojów

Zarówno biologiczne, jak i medyczne zastosowania plazmy ni­skotemperaturowej opierają się na jej przeciwdrobnoustrojowych właściwościach – szereg badań wykazał skuteczność działania zimnej plazmy przeciw komórkom wegetatywnym i sporom bakterii, a także drożdżom, pleśniom i wirusom [4-6]. To właśnie szereg reaktywnych cząsteczek chemicznych jest odpowiedzialny za uszkodzenie komórek mikroorganizmów. Uszkodzenia te mogą dotyczyć:  

- ściany i błony komórkowej - dezintegracja struktur powierzchniowych zachodzi na skutek bombardowania komórek reaktywnymi składnikami plazmy (O2, O3, OH·, H2O2, NO· i NO2), przy czym najbardziej letalne działanie wykazuje tlen atomowy i rodnik hydroksylowy), co może prowadzić do przerwania ich ciągłości i lizy komórek,

-  DNA - ze względu na promienie UV powstające podczas jej wytwarzania, plazma prowadzi także do degradacji DNA mikroorganizmów – promienie UV charakteryzują się wysoką wartością energetyczną i dużym stopniem absorbancji przez czą­steczki DNA i RNA, co prowadzi do powstania dimerów tyminy i fragmentacji nukleoidu [1, 2, 7]

 

Rys. 2. Efekt działania reaktywnych plazmy na komórki mikroorganizmów [8]

 

Zastosowanie w obróbce żywności

Wykorzystanie zimnej plazmy w oczyszczaniu produktów żywnościowych z mikroorganizmów niesie ze sobą szereg zalet – w porównaniu do tradycyjnych metod dekontaminacji żywności, takich jak obróbka termiczna, plazma praktycznie nie zmienia struktury ani właściwości odżywczych bądź sensorycznych produktów – wartości smakowe czy zapachowe pozostają takie same, jak w przypadku próbek nie poddanych działaniu plazmy. Zastosowanie zimnej plazmy do zabijania drobnoustrojów w żywności zostało zbadane przy wykorzystaniu wielu różnych produktów, takich jak warzywa i owoce [9, 10], mięso [11], przyprawy [12], nasiona [13] czy soki [14], a głównymi czynnikami decydującymi o skuteczności metody jest typ oczyszczanego produktu, a także rodzaj mikroorganizmów występujących na jego powierzchni.

 

Plazma w stomatologii i medycynie

Prowadzone badania nad zastosowaniem zimnej plazmy w stomatologii i medycynie koncentrują się przede wszystkim na działaniu plazmy na stan fizjologiczny komórek prawidłowych i nowotwo­rowych, hamowaniu rozwoju nowotworów, przyspie­szeniu leczenia trudno gojących się ran, a także usuwaniu mikroorganizmów z powierzchni biologicznych oraz sprzętu medycznego. Działanie plazmy na komórki organizmów wyższych, w tym człowieka, zależy od jej dawki – wykazano, że małe dawki powodują zabicie bak­terii nie mając wpływu na komórki ssaków. Przy średnich dawkach, zachodzi proces przyspieszenia gojenia ran, zwiększenia proliferacji komórek, zwiększenia wydzie­lania czynnika wzrostu oraz apoptozy komórek nowo­tworowych, natomiast wysokie dawki plazmy są szkodliwe i mogą powodować śmierć komórek ssaków [15].

Wykorzystanie plazmy w stomatologii opiera się głównie na walcę z bakteriami bytującymi na powierzchni zębów w postaci trudnych do zwalczenia biofilmów, które powodują zakażenia ust, zębów czy dziąseł [16].

 

Podsumowanie

Nietermiczny charakter, brak toksycznych produktów ubocznych, wysoka skuteczność przeciwko wielu rodzajom mikroorganizmów – to tylko niektóre z zalet wykorzystania zimnej plazmy w przetwórstwie żywności, medycynie i stomatologii, jednak przed wdrożeniem jej do rutynowego zastosowania we wspomnianych dziedzinach niezbędne są dalsze badania i optymalizacja.  

Źródła

1. Langmuir I.: Oscillations in ionized gases. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 14, 627–637 (1928)

2. Misra N.N., Tiwari B.K., Raghavarao K.S.M.S., Cullen P.J.: Nonthermal plasma inactivation of food-borne pathogens. Food Eng. Rev., 2011, 3, 159-170.

3. Samoń, R., Czapiński, J., Pawłat, J., & Diatczyk, J. (2014). Ocena działania ­ bakteriobójczego niskotemperaturowej plazmy ­ nierównowagowej generowanej w reaktorze RF Evaluation of bactericidal activity of ­­, 2(3), 17–26.

4.  Ermolaeva SA, Sysolyatina EV, Kolkova NI, Bortsov P, Tuhvatulin AI, Vasiliev MM, Mukhachev AY, Petrov OF, Tetsuji S, Naroditsky BS, Morfill GE, Fortov VE, Grigoriev AI, Zigangirova NA, Gintsburg AL: Non-thermal argon plasma is bactericidal for the intracellular bacterial pathogen Chlamydia trachomatis. J Med Microbiol 2012, 61:793–799.

5.  Klämpfl TG, Isbary G, Shimizu T, Li Y-F, Zimmermann JL, Stolz W, Schlegel J, Morfill GE, Schmidt H-U: Cold atmospheric air plasma sterilization against spores and other microorganisms of clinical interest. Appl Environ Micro- biol 2012, 78(15):5077.

6.  Leclaire C, Lecoq E, Orial G, Clement F, Bousta F: Fungal decontamination by cold plasma: an innovating process for wood treatment. Braga (Portugal): COST Action IE0601 / ESWM - International Conference 5–7 November 2008; 2008

7. Moreau M., Orange N., Feuilloley M.G.: Non-thermal plasma technologies: new tools for bio-decontamination. Biotechnol. Adv. 26, 610–617 (2008)

8. Laskowska, M., Bogusławska-wąs, E., & Kowal, P. (2016). SKUTECZNOŚĆ WYKORZYSTANIA NISKOTEMPERATUROWEJ PLAZMY W MIKROBIOLOGII, (3), 172–181.

9.  Zhanga M., Oh J.K., Cisneros-Zevallos L., Akbulut M.: Bacte­ricidal effects of nonthermal low-pressure oxygen plasma on S. typhimurium LT2 attached to fresh produce surfaces. J. Food Eng. 119, 425–432 (2013)

10.  Ziuzina D., Patil S., Cullen P.J., Keener K.M., Bourke P.: Atmo­spheric cold plasma inactivation of Escherichia coli, Salmo-nella enterica serovar Typhimurium and Listeria monocyto-genes inoculated on fresh produce. Food Microbiol. 42, 109–116 (2014)

11. Noriega E., Shama G., Laca A., Díaz M., Kong M.G.: Cold atmo- spheric gas plasma disinfection of chicken meat and chicken skin contaminated with Listeria innocua. Food Microbiol. 28, 1293–1300 (2011)

12. Kim J.E., Lee D.-U., Min S.C.: Microbial decontamination of red pepper powder by cold plasma. Food Microbiol. 38, 128–136 (2014)

13. Selcuk M., Oksuz L., Basaran P.: Decontamination of grains and legumes infected with Aspergillus spp. and Penicillum spp. by cold plasma treatment. Bioresource Technol. 99, 5104–5109 (2008)

14. Surowsky B., Fröhling A., Gottschalk N., Schlüter O., Knorr D.: Impact of cold plasma on Citrobacter freundii in apple juice: inactivation kinetics and mechanisms. Int. J. Food Microbiol. 17, 63–71 (2014)

15. Mai-Prochnow A., Murphya A.B., McLeanb K.M., Kongc M.G., Ostrikov K.: Atmospheric pressure plasmas: Infection control and bacterial responses. Int. J. Antimicrob. Agents (2014)

16. http://viterbi.usc.edu/news/news/2009/the-plasma-toothbrush.htm

KOMENTARZE
news

<Listopad 2017>

pnwtśrczptsbnd
30
31
1
2
3
4
5
6
7
9
10
11
12
14
15
16
17
II Seminarium Inżynierii Biomedycznej
2017-11-17 do 2017-11-17
19
II Kongres Podologiczny
2017-11-19 do 2017-11-19
20
V Międzynarodowy Kongres Biogospodarki
2017-11-20 do 2017-11-21
Prowadzenie badań w Kontroli Jakości
2017-11-20 do 2017-11-20
Szkolenie dla QP
2017-11-20 do 2017-11-20
22
25
26
27
1
3
Newsletter