Cơ chế tiêu diệt vi sinh vật của nước hoạt hóa plasma

Cơ chế tiêu diệt vi sinh vật của nước plasma là một quá trình phức tạp, bao gồm cả quá trình vật lý và hóa học. Trong đó, quá trình hóa học xảy ra khi các hoạt chất của oxi và nitơ (RONS) trong nước plasma tương tác với tế bào vi sinh vật. Còn quá trình vật lý xảy ra khi các tác nhân như pH, bức xạ tia UV, sóng xung kích hay điện trường tham gia diệt khuẩn.^1,2 Tùy theo cách chế tạo nước plasma mà vai trò của các tác nhân này trong bất hoạt vi sinh vật sẽ thay đổi.

RONS trong nước plasma sẽ phá hủy các liên kết trong các thành phần, đồng thời oxi hóa các protein, lipid trên màng tế bào gây biến dạng, co rút, hình thành những lỗ thủng trên màng tế bào.¹ Khi màng bị thủng, các RONS sẽ ‘thừa cơ’ thâm nhập vào bên trong tế bào. (Riêng H₂O₂³ và các gốc tự do⁴ còn có thể thẩm thấu qua màng tế bào nguyên vẹn). Khi đã vào trong tế bào, RONS sẽ biến đổi cấu trúc của phân tử DNA, làm mất khả năng nhân đôi của vi sinh vật. RONS cũng oxi hóa, phân mảnh các phân tử protein, lipid nội bào và những phân tử bị phân mảnh này sẽ rò rỉ ra khỏi tế bào qua các lỗ đã hình thành trên màng tế bào.

Sự hình thành các lỗ trên màng tế bào còn dẫn đến thay đổi của điện thế màng.¹ Thông thường, trên màng tế bào có sự khác biệt về điện thế, điện thế màng này chính là nguồn năng lượng cho phép vi sinh vật thực hiện các quá trình hóa học và cơ học cần thiết. Các nghiên cứu gần đây cho thấy vai trò “động” của điện thế màng, thay đổi tùy theo nhu cầu của vi sinh vật, nó có thể giữ vai trò trong cân bằng pH, vận chuyển các chất qua màng tế bào, vận động, kháng kháng sinh, phân chia tế bào, cảm biến với các tác nhân của môi trường, v.v.⁵ Do đó, sự thay đổi về điện thế màng sẽ gây rối loạn chức năng của vi sinh vật.

Ngoài ra, lỗ trên màng tế bào sẽ khiến ion H⁺ thẩm thấu vào tế bào, từ đó làm giảm pH nội bào. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi pH giảm, quá trình trao đổi chất của vi sinh vật sẽ bị ức chế, và khi vượt quá giá trị tới hạn (thay đổi theo loại vi sinh vật) thì quá trình này sẽ ngừng hẳn, dẫn đến cái chết của vi sinh vật.⁶

Với nước plasma được chế tạo bằng cách bắn trực tiếp plasma trong nước, ngoài các tác nhân hóa học, các tác nhân vật lý như bức xạ tia UV, sóng xung kích, điện trường cũng góp phần bất hoạt vi sinh vật.

Bức xạ tia UV trong vùng bước sóng 200-300 nm với mức năng lượng khoảng vài mW/cm² có thể phá hủy các tế bào, cơ chế được biết đến nhiều nhất là thay đổi cấu trúc phân tử DNA, ức chế khả năng nhân lên của tế bào. Độ dẫn điện của dung dịch cũng như năng lượng đầu vào (nguồn plasma) có thể ảnh hưởng đến sự hình thành cũng như cường độ của bức xạ tia UV trong dung dịch.²

Khi plasma trực tiếp trong nước, một phần đáng kể năng lượng được chuyển hóa thành sóng xung kích. Một nghiên cứu về tác động của plasma khi bắn trực tiếp vào nước lên vi khuẩn lam cho thấy rằng sóng xung kích đã làm vỡ không bào (túi khí giúp vi khuẩn nổi lên mặt nước) của vi khuẩn này.⁷

Điện trường sinh ra khi phóng điện tạo plasma, đặc biệt trong nước đã được chứng minh là có vai trò trong bất hoạt vi sinh vật. Tùy thuộc vào độ lớn của điện trường và thời gian của xung điện mà có tác động khác nhau lên cấu tạo tế bào. Xung điện với thời gian khoảng vài micro giây hoặc điện trường khoảng 1V/cm có thể làm tăng tính thấm của màng do hình thành các lỗ trên màng tế bào.²

So với vi khuẩn, khả năng bất hoạt nấm của nước plasma có hiệu quả thấp hơn đáng kể, chủ yếu là do cấu trúc phức tạp hơn của nấm. Sau 2-4 phút xử lý bằng nước plasma, E.coli và S.aureus đã bị bất hoạt hoàn toàn, trong khi đó ở nấm men thời gian này là 30 phút. Các bào tử nấm cũng cho thấy khả năng chống chịu nước plasma tốt hơn bào tử vi khuẩn.⁸ Bởi vậy, việc chiếu plasma trực tiếp trên nấm sẽ hiệu quả hơn xử lý bằng dung dịch plasma (chiếu plasma trong dung dịch nuôi cấy nấm).⁹

 

Tài liệu tham khảo

1. Yi-Ming Zhao, Apurva Patange, Da-Wen Sun, Brijesh Tiwari (2020), Plasma-activated water: Physicochemical properties, microbial inactivation mechanisms, factors influencing antimicrobial effectiveness, and applications in the food industry, Comprehensive Reviews In Food Science And Food Safety, 19 (6), 3951-3979
2. Lukes, P., Brisset, J.L. and Locke, B.R. (2012) Biological Effects of Electrical Discharge Plasma in Water and in Gas-Liquid Environments. Plasma Chemistry and Catalysis in Gases and Liquids, 8, 330-335
3. Boehm, D., Heslin, C., Cullen, P. J., & Bourke, P. (2016). Cytotoxic and mutagenic potential of solutions exposed to cold atmospheric plasma. Scientific Reports, 6, 21464.
4. Watts, R. J., Kong, S., Orr, M. P., Miller, G. C., & Henry, B. E. (1995). Photocatalytic inactivation of coliform bacteria and viruses in secondary wastewater effluent. Water research, 29(1), 95–100
5. Jonatan M. Benarroch, Munehiro Asally (2020), The Microbiologist’s Guide to Membrane Potential Dynamics, Trends in Microbiology, 28 (4), 304-314
6. Kashket, E. R. (1987). Bioenergetics of lactic acid bacteria: Cytoplasmic pH and osmotolerance. FEMS Microbiology Reviews, 3(3), 233–244
7. Li, Z., Sakai, S., Yamada, C., Wang, D., Chung, S., Lin, X., Namihira, T., Katsuki, S., and Akiyama, H. (2006) The effects of pulsed streamerlike discharge on cyanobacteria cells. IEEE Plasma Sci., 34, 1719–1725
8. Scholtz V, Julák J, Kříha V, Mosinger J, Kopecká S (2007b) Decontamination effects of low-temperature plasma generated by corona discharge. Part II: new insights. Prague Med Rep 108:128–146
9. Hojnik, M. Modic, Y. Ni, G. Filipic, U. Cvelbar, J.L. Walsh, Environmental Science & Technology, 53 (2019) 1893-1904.

 

Ban Truyền thông – Viện Nghiên cứu Công nghệ Plasma