<< на главную
<< назад

Перспективы использования низкотемпературной плазмы в области биологической и экологической безопасности

Холоденко В.П.1, Чугунов В.А.1, Ирхина И.А.1, Кобзев Е.Н.1, Жиркова Н.А.1,
Ермоленко З.М.1, Трушкин Н.И.2, Грушин М.Е.2, Акишев Ю.С.2
1 Государственный научный центр Прикладной микробиологии и биотехнологии, Оболенск,
2 Государственный научный центр РФ ТРИНИТИ, Троицк

Использование трех новых источников холодной плазмы в наших исследованиях продемонстрировало, что холодная плазма является эффективным средством инактивации различных микроорганизмов. В условиях прямого контакта между клетками и активными частицами плазмы в ходе обработки поверхностей с клетками чистых культур (E.coli, Bacillus sp., Pseudomonas sp.), а также природной биоплёнки (состоящей из аэробных гетеротрофов и сульфатредуцирующих бактерий) были получены данные по высокой эффективности стерилизующего воздействия плазмы. Холодная плазма оказалась также высокоэффективной для инактивации спор Bacillus sp. Таким образом, новые источники холодной плазмы при атмосферном давлении могут найти широкое применение в медицине, сфере защиты промышленных материалов против биоповреждений и биокоррозии, дезинфекции пищевых продуктов и продовольственного сырья, очистке систем водоподачи от патогенов и токсикантов, обработке тканей, полимерных плёнок, почтовых конвертов, пластиковых карточек (как часть антитеррористических программ) и в других областях.

We have tested three new sources of low temperature plasma. It has been shown that the application of cold plasma at atmospheric pressure is an effective means for inactivation of various microorganisms. The high sterilizing effect of plasma was demonstrated by treating surfaces contaminated with cells of pure cultures (E.coli, Bacillus sp., Pseudomonas sp.), as well as a natural biofilm comprising aerobic heterotrophs and sulfate-reducing bacteria. The surfaces and the biofilm were in direct contact with plasma active particles. Cold plasma appeared to be highly effective against spores of Bacillus sp. These new sources of plasma can find wide application in medicine and in industries to mitigate biodamages and biocorrosion. Besides, they may be useful to disinfect food products and raw, to clean up water supply systems for elimination of pathogens and toxicants, to treat fabrics, polymeric films, post envelopes, plastic cards (as a part of anti-terrorism programs), as well as for any other purposes.

Разработка новых и эффективных методов инактивации патогенов и химических токсикантов в газах, жидкости и на поверхностях - является одной из важнейших проблем в медицине, промышленности и сфере защиты окружающей среды.

Появление новых медицинских материалов на основе различных полимеров требует быстрых, дешевых и безопасных методов их стерилизации. Как правило, для стерилизации используют сухой и влажной жар, фильтрацию, обработку радиацией и химическими биоцидами. Эти методы преимущественно являются низко производительными и дорогими, а также не всегда экологически безопасны, как, например, в случае биоцидов.

Другая проблема - защита промышленных материалов, оборудования, электроники, военной и космической техники и т.д. от биоповреждений и микробиологически индуцированной коррозии. Эта проблема связана с повреждающим действием биоплёнок на промышленные материалы. Микроорганизмы, составляющие биоплёнки, как известно, являются очень устойчивыми к обычным агентам стерилизации.

Кроме того, в свете увеличивающейся опасности международного терроризма, появилась необходимость в методах, позволяющих эффективно устранять вредные последствия биологических или химических атак террористов. Так, тепловая или химическая дезактивация интерьера зданий может повредить художественное оформление и декор. Кроме того, также важно иметь метод для быстрой и экологически чистой обработки воды, загрязненной опасными биологическими и химическими агентами.

Всё вышеупомянутое требует развития быстрых, безопасных и дешевых методов дезактивации. В этом отношении, холодная плазма при атмосферном давлении, которая создаётся непосредственно в жидкостях, газах или на поверхности, может представлять особый интерес. Во время обработки холодной плазмы образуется широкий спектр экологически безопасных частиц (свободные радикалы О и ОН, озон, окислы азота, ультрафиолет и т.д.), которые разрушают биологически опасные загрязнители - патогенные микроорганизмы и химические токсиканты.

Несмотря на некоторый прогресс, достигнутый в испытаниях лабораторного масштаба, обработка холодной плазмой при атмосферном давлении не получила ещё широкого практического распространения. Это связано, во-первых, с тем, что источники холодной плазмы в настоящее время представляют собой технически сложное оборудование с низкой экономической эффективностью. Во-вторых, существующие методы плазменной обработки потенциально могут приводить к разрушению материалов в местах контакта плазмы и обрабатываемой поверхности.

Два новых метода получения холодной плазмы при атмосферном давлении, предложенные авторами работы, не имеют описанных выше недостатков. Эти методы являются оригинальными, простыми в выполнении, легко масштабируемыми и эффективными в своём воздействии на обрабатываемые объекты.

Первый метод предназначен для обработки поверхностей и базируется на использовании специального разряда, состоящей из большого количества потоков низкой интенсивности, широко охватывающих поверхность обрабатываемого объекта. Разряд распространяется по поверхности и поддерживается в электро-положительном газе с использованием низкого переменного напряжения. Эта форма разряда обеспечивает эффективную обработку объектов при низкой плотности энергетического потока. Именно низкая плотность энергетического потока позволяет избежать повреждения обрабатываемой поверхности.

Второй метод, предназначенный для обработки жидкостей, базируется на использовании уникального электрического разряда в жидкости с газовыми пузырями. Этот разряд реализуется методом, который можно назвать "холодное кипение". В этом методе первоначально существующие большие газовые пузырьки разбиваются и формируют многочисленные маленькие пузыри с холодной плазмой внутри. Сильное дробление газовых пузырей и интенсивное их смешивание с разрядом обеспечивает хорошую эффективность транспортирования произведенных плазмой активных частиц от пузырей к жидкости. Эта форма разряда требует постоянного напряжения величиной 25 кВ. Это важное преимущество разряда над существующими источниками холодной плазмы в жидкостях лабораторного масштаба, которые используют дорогостоящие установки для получения тока высокого напряжения и высокой частоты. Другое большое преимущество "холодного кипения" - нечувствительность разряда в пузырях к электрическим свойствам жидкостей. Это позволит применять данный метод в различных областях, потому что в реальных условиях электрические свойства жидкостей значительно варьируют.

Цель нашего исследования состояла в том, чтобы исследовать влияние различных источников холодной плазмы на жизнеспособность вегетативных клеток и спор бактерий, так же как на микроорганизмы модельной и природной биоплёнок.

В работе использовали три типа источников газовых разрядов, производящих холодную плазму при атмосферном давлении. Два из них производят, соответственно, так называемую плазменную струю в пространстве и тонкой плазменный слой у поверхности. Третий - создает холодную плазму в пределах жидкости, активизированной газовыми пузырями. Плазма, произведенная всеми перечисленными источниками, является холодной (комнатной температуры) и содержит много химически активных частиц, такие, как метастабильные частицы и радикалы (N2*, O, ОН и т.д.) и фотоны ультрафиолета. Значения напряжения и потока разгрузки варьировали в различных экспериментах от 15 до 40kV и 0.5 к 5.0 mA, соответственно.

В исследовании использовали вегетативные формы штаммов Escherichia coli, Pseudomonas sp., Bacillus subtilis, споровую форму Bacillus subtilis, а также модельную и природную биоплёнки (ТАТ). Консорциум ТАТ, был изолирован из почвы нефтедобывающего района Татарстана и состоял из аэробных гетеротрофов, кислотообразующих бактерии и сульфатредуцирующих бактерий (СРБ).

Было исследовано влияние разряда "корона" на вегетативные и споровые формы различных бактерий. В качестве вегетативных использовали 18-часовые клетки Pseudomonas sp., а Bacillus sp. использовали на споровой стадии роста клеток после 7-суточного культивирования на плотной агаризованной среде на основе гидролизата рыбной муки. Из выросшего материала делали водные суспензии плотностью 1.109 клеток(спор)/мл. Суспензию наносили на медные пластинки тонким слоем и подсушивали материал в условиях комнатной температуры.

Время обработки пластин варьировало от 1 до 10 мин. Изучение выживаемости бактерий после этого эксперимента показало, что после обработки пластин разрядом в течение 1 минуты вегетативные клетки Pseudomonas sp. погибали полностью. В аналогичных условиях большая часть спор Bacillus sp. также погибала (доля выживших после 1-минутной экспозиции составляла 0,1 %). Увеличение времени плазменной обработки до 10 минут не привело к существенному снижению выживаемости микроорганизмов.

В предварительных экспериментах была исследована эффективность биоцидного действия плазмы на клетки E.coli. Культура E.coli была выращена на агаризованной богатой среде в виде газона. Время обработки плазмой варьировало от 1 до 30 секунд. Расстояние от источника плазмы до поверхности, на которой росли микроорганизмы, составляло 1 см. Полученные данные свидетельствуют, что обработка чашек потоком плазмы в течение 1 секунды приводило к гибели практически всех клеток в радиусе 10 мм. После 3-х секундной обработки, диаметр зоны гибели бактерий заметно увеличился. Зависимость между размером диаметра зоны гибели микробов и временем экспозиции была не линейной и может определяться как скоростью распространения продуцируемых свободных радикалов, так и скоростью их распада.

Этот же источник холодной плазмы использовался также в экспериментах с природными биоплёнками. Режим обработки был аналогичен предыдущим экспериментам. Опытные купоны с биопленкой подвергали воздействию холодной плазмы, варьируя продолжительность экспозиции от 1 до 60 сек. Полная гибель клеток СРБ была зарегистрирована через 20 секунд обработки, в то время как гибель аэробных гетеротрофов, включая кислотообразующих микроорганизмов, произошла после 30 секунд. Подобные результаты были получены для модельной биоплёнки, состоящей из вегетативных форм E.coli и B.subtilis. В этом случае все клетки погибали после 30 секундной обработки плазмой. Сравнение данных для газона E. coli и микроорганизмов биоплёнки показало, что микроорганизмы, составляющие биоплёнки, были более устойчивы к воздействию плазмы.

В ходе исследования также был проведён ряд экспериментов по определению воздействия плазмы на микроорганизмы в жидкой среде содержащей газовые пузырьки. В этих условиях после 7 мин обработки количество клеток E.coli и B.subtilis снижалось на порядок в случае E.coli и на два порядка в случае B.subtilis. Аналогичные эксперименты с использованием клеток Pseudomonas sp. показали, что выживаемость клеток после обработки плазмой связана с составом питательной среды. Так, выживаемость клеток на синтетической среде 8E после обработки плазмой в течение 5 минут была 10 %, тогда как выживаемость клеток, выращенных и обработанных в мясопептонном бульоне, была значительно выше (75 %).

Использование трех новых источников холодной плазмы в наших исследованиях продемонстрировало, что холодная плазма является эффективным средством инактивации различных микроорганизмов. В условиях прямого контакта между клетками и активными частицами плазмы в ходе обработки поверхностей с клетками чистых культур (E.coli, Bacillus sp., Pseudomonas sp.), а также модельной и природной биоплёнок (состоящей из аэробных гетеротрофов и сульфатредуцирующих бактерии) можно добиться достаточно быстрой и полной гибели микроорганизмов. В этих условиях также почти полностью погибали споры Bacillus sp. В то же самое время обработка клеток в жидкости (физраствор) приводила к значительно меньшей степени инактивации клеток E.coli и Bacillus sp. на 1-2 порядка. Так, обработка клеток Pseudomonas sp. в богатой питательной среде (мясопептонный бульон) вызывала гибель только 25 % клеток. В настоящее время мы продолжаем работу по исследованию инактивирующего влияния холодной плазмы на клетки микроорганизмов в различных средах.

С нашей точки зрения, новые источники холодной плазмы при атмосферном давлении могут найти широкое применение в медицине, сфере защиты промышленных материалов от биоповреждений и биокоррозии, дезинфекции пищевых продуктов и продовольственного сырья, очистке систем водоподачи от патогенов и токсикантов, обработке тканей, полимерных плёнок, почтовых конвертов, пластиковых карточек (как часть антитеррористических программ) и в других областях.

<< на главную
<< назад