Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej i z Uniwersytetu Gdańskiego prowadzą badania nad wykorzystaniem zimnej plazmy atmosferycznej do inaktywacji bakterii odpowiedzialnych za choroby roślin uprawnych i ozdobnych. Ich prace mogą zrewolucjonizować przemysł agrotechniczny

Plazma jest postrzegana jako czwarty stan skupienia materii. Czym ona jest? To zjonizowany gaz, a chcąc ją wytworzyć należy dostarczyć odpowiednią ilość energii, która umożliwi najpierw przekształcenie ciała stałego w ciekłe, następnie w gaz i wreszcie w plazmę. Plazma jest najpowszechniej występującym stanem skupienia materii we Wszechświecie, tworząc m.in. gwiazdy. 

Na Ziemi w warunkach naturalnych plazma występuje w postaci zorzy polarnej oraz błyskawic. Można ją sklasyfikować zależnie od ciśnienia, w jakim jest generowana (plazma nisko- oraz wysokociśnieniowa), bądź temperatury (zimna oraz gorąca plazma). 

W badaniach prowadzonych przez naukowców z Zakładu Chemii Analitycznej i Metalurgii Chemicznej Politechniki Wrocławskiej wykorzystywane są tzw. zimne plazmy atmosferyczne. Są one otrzymywane za pomocą różnego rodzaju wyładowań elektrycznych.

Wiele możliwości wykorzystania zimnej plazmy atmosferycznej

Gorącą plazmę o temperaturze dochodzącej do kilku tysięcy stopni Celsjusza można wytwarzać w specjalnie skonstruowanych generatorach tzw. plazmotronach i jest ona najczęściej wykorzystywana m.in. do spawania, cięcia lub topienia różnego rodzaju materiałów, a także do przeprowadzenia procesów plazmochemicznych. Z kolei urządzenia wytwarzające zimną plazmę atmosferyczną, a więc plazmę o temperaturze kinetycznej gazu wyładowczego zbliżonej do otoczenia, wykorzystuje się w medycynie, weterynarii czy agrotechnice. 

To właśnie na tym ostatnim zastosowaniu skupili się naukowcy z zespołu prof. Pawła Pohla z Zakładu Chemii Analitycznej i Metalurgii Chemicznej Politechniki Wrocławskiej i Międzyuczelnianego Wydziału Biotechnologii Uniwersytetu Gdańskiego i Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego (UG i GUMed, Zakład Ochrony i Biotechnologii Roślin) pod kierownictwem prof. Ewy Łojkowskiej.

– Celem naszego wspólnego projektu jest opracowanie szybkiej, efektywnej i taniej metody eradykacji bakteryjnych patogenów odpowiedzialnych za choroby roślin uprawnych i ozdobnych. Nasze doświadczenia prowadzimy obecnie wykorzystując jako rośliny modelowe ziemniaki, cykorię i hiacynty – mówi dr inż. Anna Dzimitrowicz z Zakładu Chemii Analitycznej i Metalurgii Chemicznej PWr.

W badaniach wykorzystywane są dwa rodzaje wyładowań – wyładowanie jarzeniowe generowane pod cienieniem atmosferycznym w kontakcie z cieczą oraz wyładowanie barierowe. W wyniku generowania tych wyładowań powstają reaktywne formy tlenu i azotu umożliwiając zastosowania ukierunkowane na unieczynnienie bakterii chorobotwórczych. Te reaktywne cząstki w kontakcie z komórkami bakteryjnymi prowadzą do poważnych uszkodzeń w obrębie błony komórkowej, dlatego zimna plazma atmosferyczna może zostać z powodzeniem wykorzystana w medycynie, przemyśle spożywczym oraz rolnictwie.

– Wielu osobom plazma kojarzy się z czymś bardzo gorącym, materią osiągającą nawet kilka lub kilkanaście milionów stopni Celsjusza. Tymczasem my dysponujemy plazmami, które charakteryzują się temperaturą zbliżoną do temperatury ludzkiego ciała, a więc można je np. przykładać do palca bez ryzyka oparzenia. Nie ma również efektu porażenia prądem, dlatego właściwe wykorzystanie ich na roślinach nie powoduje uszkodzenia ich tkanek, a jedynie może prowadzić do inaktywacji patogenów roślin wywołujących choroby – wyjaśnia dr hab. inż. Piotr Jamróz z Zakładu Chemii Analitycznej i Metalurgii Chemicznej PWr.

Podręczne „pióro plazmowe”

„Lecząc” rośliny naukowcy stosują zamontowane na statywie tzw. pióro plazmowe generujące stożek zimnej plazmy atmosferycznej o długości kilku centymetrów i grubości zaledwie kilku milimetrów. Pozwala to na precyzyjne niszczenie bakterii w zainfekowanej części rośliny.

– Pióro plazmowe nie musi być jednak nieruchome. Możemy je trzymać w ręce i swobodnie używać, a jednym z celów projektu jest właśnie stworzenie podręcznej aparatury do sterylizacji nasion i unieczynnienia patogenów występujących w obrębie punktowych zmian chorobowych na liściach czy bulwach – dodaje dr inż. Anna Dzimitrowicz. Jest to możliwe dzięki współpracy naszych naukowców z badaczami z Gdańska i jedną z wrocławskich firm. 

Obecnie prowadzone są prace eksperymentalne dotyczące wpływu zimnej plazmy atmosferycznej na eradykację bakteryjnych fitopatogenów wywołujących objawy chorobowe m.in. na cykorii, zimniakach oraz hiacyntach. Dlaczego właśnie te rośliny? Cykoria jest dla fitopatologów rośliną modelową podczas wykonywania tego rodzaju prac eksperymentalnych, ziemniaki są istotne z ekonomicznego punktu widzenia, natomiast hiacynty uwzględniono, jako rośliny modelowe spośród gatunków ozdobnych.

A jak wygląda całe doświadczenie? Rośliny są najpierw ranione za pomocą jałowej igły, zarażane bakteriami z rodzaju Dickeya, a następnie traktowane za pomocą zimnej plazmy atmosferycznej. Efekty tych działań okazują się być obiecujące. Co więcej, podczas przeprowadzania wcześniejszych badań, naukowcom udało się skutecznie wyeliminować komórki bakteryjnych fitopatogenów z zawiesin płynnych. Wyniki tych prac badawczych zostały już opublikowane w prestiżowym czasopiśmie naukowym z listy JCR, „Biotechnology and Bioengineering”. 

– W naszym projekcie zamierzamy nie tylko eradykować chorobotwórcze bakterie, lecz także promować wzrost tych, które są odpowiedzialne za zwiększenie plonów wśród roślin uprawnych. Tę cześć badań będziemy realizować we współpracy z grupą badawczą kierowaną przez prof. Alessio Mengoni z Uniwersytetu we Florencji. Chcąc osiągnąć zamierzone efekty będziemy musieli dobrać odpowiedni rodzaj zimnej plazmy atmosferycznej, a także zoptymalizować parametry jej generowania – tłumaczy dr inż. Anna Dzimitrowicz.

Plazma lepsza niż antybiotyki

Badania prowadzone przez naszych naukowców mogą mieć ogromny wpływ na przemysł agrotechniczny. – Obecnie w Polsce antybiotyki stosuje do unieczynniania bakterii jedynie w medycynie czy weterynarii, problemem jest również szerzenie się wielolekooporności, stąd cały czas szuka się nowych rozwiązań. Przyszłością może być właśnie zimna plazma atmosferyczna, której wykorzystanie nie niesie ze sobą żadnych efektów ubocznych – podkreśla dr hab. inż. Piotr Jamróz.

Ciekawym pomysłem może być także wykorzystanie wody aktywowanej za pomocą zimnej plazmy atmosferycznej, która ma nie tylko właściwości bakteriobójcze, lecz także pozytywnie wpływa na wzrost roślin. – We współpracy z grupą prof. Ewy Łojkowskiej, w skład której weszli dr inż. Wojciech Śledź, Agata Motyka-Pomagruk oraz Weronika Babińska, przeprowadziliśmy eksperyment, w którym bakterie odpowiedzialne za choroby roślin uprawnych traktowaliśmy za pomocą wody aktywowanej zimną plazmą atmosferyczną. W tym przypadku konieczne było odpowiednie dobranie warunków otrzymywania wody aktywowanej zimną plazmą atmosferyczną – zaznacza dr inż. Anna Dzimitrowicz.

Innowacyjność i potencjał rozwojowy badań prowadzonych przez naukowców z PWr został wielokrotnie doceniony i nagrodzony. Obecnie grupa badawcza uzyskała już jeden patent na temat możliwości wykorzystania zimnej plazmy atmosferycznej, tj. wyładowania jarzeniowego generowanego pod ciśnieniem atmosferycznym, do syntezy nanostruktur metali szlachetnych o określonych właściwościach optycznych i strukturalnych, a także opublikowała na ten temat szereg artykułów w wiodących czasopismach z listy JCR.

Co więcej, interdyscyplinarność prowadzonych prac umożliwiła naszym naukowcom opracowanie i złożenie we współpracy z UG i GUM dwóch zgłoszeń patentowych związanych z zastosowaniem zimnych plazm atmosferycznych do unieczynnieniem bakteryjnych fitopatogenów oraz do wytwarzania wody aktywowanej za pomocą plazmy. Na uwagę zasługuje również fakt, że prace badawcze prowadzone przez dr inż. Annę Dzimitrowicz zostały wielokrotnie nagrodzone m.in. przez Fundację na Rzecz Nauki Polskiej (program START) oraz przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego (stypendium Młody Wybitny Naukowiec).

W najbliższej przyszłości naukowcy z PWr planują kontynuować badania nad możliwością wykorzystania zimnych plazm atmosferycznych nie tylko w agrotechnice, lecz także w medycynie. We współpracy z Instytutem Immunologii i Terapii Doświadczalnej im. Ludwika Hirszfelda PAN we Wrocławiu naukowcy planują wykorzystać zimną plazmę atmosferyczną do zahamowania tempa proliferacji komórek nowotworowych.

mic