Авторы отмечают, что оптимальные параметры плазмы различаются в зависимости от используемых семян растений, а также от используемого при создании плазмы газа. В основном, в исследованиях по плазменной обработке семян при низком давлении применяли аргон, кислород и воздух [4].
Для генерирования плазмы низкого давления требуется такое оборудование, как вакуумная камера и насосы, что ведет к повышению стоимости обработки. В отличие от нее, низкотемпературная плазма при атмосферном давлении не требует вакуумного оборудования, и, следовательно, обработка такой плазмой стоит дешевле.
2.2 Прямая обработка плазмой
В опубликованных исследованиях авторами для генерирования нетермальной плазмы атмосферного давления чаще используется DBD, чем plasma jet, а обработка плазмой проводится предпочтительнее в газовой фазе. Наблюдаемое повышение всхожести семян авторы связывают с тем, что их «смачиваемость» значительно повышается за счет улучшения гидрофильности поверхности оболочки, поэтому улучшается поглощение воды. Также стимулирование прорастания семян возможно из-за изменения их антиоксидантной активности, например, образования некоторых тиоловых соединений [2, 4, 45]. Эффекты, вызываемые от воздействия плазмы, исследователи объясняют химическим составом ионизированного газа, а именно: содержащимися в нем активными формами кислорода и азота, которые влияют на семенную оболочку, запуская биомолекулярные механизмы в клетках семян [46].
Например, в исследовании было показано, что после обработки плазмой семена томатов прорастают быстрее, чем необработанные в контроле. Длина и вес полученных всходов значительно превышали эти показатели у необработанных семян, а корни -- были значительно длиннее и более разветвленные. Вес растений, выращенных из обработанных семян, был на 20-40 % выше по сравнению с контрольными культурами [47]. Имеются данные, что обработка плазмой также способствовала улучшению всхожести семян огурца и перца [48] и увеличению веса семян и числа семян у Arabidopsis thaliana [49]. Было показано, что рост обработанного плазмой ячменя был увеличен минимум на 15% [50]. Согласно данным ряда исследований, обработка плазмой может положительно влиять на рост не только растений, но и других организмов, используемых в сельском хозяйстве [2]: была показана возможность усиливать рост дрожжей Saccharomyces cerevisiae в лаг-фазе, используя устройство DBD с масштабируемым атмосферным давлением; а также было показано, что скорость роста личинок тутового шелкопряда Bombyx mori L. резко снижалась после обработки плазмой в зависимости от продолжительности, а общий вес личинок уменьшился с увеличением количества обработок. Вес шелковых коконов, полученных после однократной обработки, на 11% превышал этот показатель у необлученных.
2.3 Обработка жидкостью, активированной плазмой
плазма нетермальный сельскохозяйственный токсин
Активированная плазмой жидкость применяется не только для обеззараживания продуктов, как описано нами в п. 1.2 и 1.3, но также для стимулирования биологических процессов [51]. Для этих целей генерирование плазмы чаще производят с применением plasma jet (из-за более высокой плотности газа), чем DBD.
Например, в одном исследовании дренажная вода обрабатывалась в плазменном реакторе (10-20 мин), а затем повторно применялась для орошения китайской капусты Brassica rapa var. perviridis. Было отмечено повышение скорости роста растений и инактивация бактерий в почве [52]. В другой работе авторы исследовали влияние активированной плазмой воды на всхожесть, скорость роста и общую питательную ценность таких растений, как арбуз (Citrullus lanatus), цинния (Zinnia peruviana), люцерна (Medicago sativa), горох (Phaseolus coccineus), редис (Raphanus sativus), томат (Solanum lycopersicum) и перцы (Capsicum annuum) [53]. Были использованы три типа разряда для генерирования плазмы, которыми обрабатывали водопроводную, родниковую и дистиллированную воду. Показаны положительные результаты применения активированной воды, которые разнились в зависимости от исследуемых растений, обрабатываемой воды и разряда, которым получали плазму. В одном из исследований наблюдали стимулирование роста семян через 5 суток эксперимента, в котором семена каждый день обрабатывали водой, на которую воздействовали плазменной струей в течение 5 мин на расстоянии 5 мм от поверхности [2].
Также в исследовании было показано, что жидкость, активированная плазмой, улавливает атмосферный азот, который потом можно использовать для создания удобрений [54].
В опубликованной литературе есть данные об использовании активированной плазмой жидкости для уменьшения остаточного содержания пестицидов в сельскохозяйственных продуктах, а также, например, микотоксинов [55]. В исследовании авторами показано снижение содержания пестицида на винограде до 73,60% после обработки в течение 10 мин с помощью активированной плазмой воды [56]. В другой работе авторами было исследовано уже влияние плазмы на удаление остатков пестицидов и на изменение качества манго. Результаты показали, что обработка в течение 5 мин при скорости потока аргона 5 л/мин понизила концентрации двух видов пестицидов на 74,0-62,9 %. Параметры цвета и текстуры плода в контроле и после обработки существенно не различались [57].
3. Другие направления применения плазмы
Некоторые свежие продукты (овощи, фрукты) выделяют газообразный этилен, который способствует не только их собственному созреванию, но и ускоряет созревание других («соседних») сельскохозяйственных продуктов. Поэтому снижение содержания этилена в транспортных контейнерах представляется важным для поддержания свежести продуктов. В опубликованной литературе сообщается об успешном разложении этилена с использованием плазменного реактора c DBD [2].
В последнее время исследователями изучается воздействие плазмы на полимеры, поскольку это может быть востребовано в различных областях применения, например, для модификации такого биополимера, как крахмал, используемый в пищевой промышленности, который обычно подвергается химической и/или физической обработке для улучшения его функциональных свойств [58]. Согласно литературным данным, воздействие плазмы на поверхность полимера позволяет ее модифицировать и изменять такие свойства, как смачивание, адгезия, гидрофильность, гидрофобность, что может усилить биодеградацию трудно разлагаемого полимера в бактериальной среде [59].
Разложение органических и других соединений в загрязненных промышленных сточных водах тоже интенсивно исследуется. Например, сточные воды бумажной и текстильной промышленности сильно загрязнены красителями. Согласно ряду научных исследований, плазма может быть альтернативным способом деградации красителей в жидкости, что связано с образованием в результате ее воздействия высокоактивных форм кислорода. Рядом авторов сообщается, что озон легко реагирует, например, с красителем метиленовым синим, а поскольку озон считают одной из долгоживущих активных форм кислорода, получаемого в плазме, ожидается, что плазменная обработка будет способствовать деградации красителя метиленового синего [60, 61].
В ряде исследований сообщается, что плазму возможно использовать для обеззараживания и модификации почвы, поскольку плазма как ионизированный газ образует радикалы с коротким временем существования и большой реакционной способностью, что, по мнению авторов, приведет к меньшему негативному воздействию на почвенную биоту, чем при использовании химических веществ. Например, плазму предлагается использовать для повышения жизнеспособности полезных микроорганизмов, таких как азотфиксирующие бактерии, и для «улучшения здоровья почвы», например, за счет уничтожения вредных организмов [62, 63].
Благодаря успешному развитию технологий генерирования низкотемпературной плазмы при атмосферном давлении устранена необходимость использовать дорогое вакуумное оборудование, необходимое для плазмы низкого давления, что ранее приводило к высокой стоимости обработки. Кроме того, плазма низкого давления не подходит для непрерывной обработки продуктов, транспортируемых на конвейерных лентах, поскольку не все продукты могут быть обработаны в вакууме [4]. В настоящее время ряд исследований посвящен созданию, например, роликового конвейерного плазменного устройства, которое генерирует плазму, используя DBD, для дезинфекции овощей в процессе сортировки, а также снижения содержания пестицидов [64, 65]. Имеется сообщение об апробации устройства для дезинфекции пищевых продуктов в промышленном масштабе [66].
Заключение
После изучения опубликованных исследований на тему использования нетермальной плазмы в сельском хозяйстве и пищевой промышленности можно сказать, что экспериментальные результаты, полученные разными авторами на одних и тех же объектах, часто различаются как в зависимости от используемого типа разряда, так и от применяемой установки для генерирования плазмы. Чаще всего сравнить используемые в работах плазмы невозможно, поскольку в статьях не приводятся характеристики плазмы, даже тип разряда, с помощью которого она получена, а только время обработки продукта. Также часто в исследованиях используется собственная, обычно экспериментальная (существующая в единственном экземпляре) установка-плазматрон. Довольно часто в статьях приводятся только схемы установок, по которым специалистам невозможно понять и, тем более, сравнить, используемые подходы / условия облучения, подтвердить, действительно ли использовался заявленный тип разряда для генерирования плазмы.
Изучение опубликованных исследований показало, что установки по получению нетермальной плазмы атмосферного давления широко варьируются в научных исследованиях (в особенности используемый для генерирования плазмы газ, его расход, конфигурация электрода и напряжение) и могут влиять на получаемый в экспериментах обеззараживающий эффект. Также могут влиять на эффект обеззараживания вид бактерий, их концентрация и субстрат или обрабатываемая среда. Например, в исследовании было показано, что на эффективность обработки с применением plasma jet для инактивации сальмонеллы влияла поверхность субстрата [31]. В другом исследовании было показано, что обработка воздуха, используемого для инактивации бактерий, посеянных на яблоки, была эффективнее при более высоких скоростях потока газа [20]. Также, согласно опубликованным результатам исследований, на антимикробную эффективность обработки влияют расстояние от источника плазмы, а также вид микроорганизма и состав газа [37]. Таким образом, по мнению ряда авторов, максимальное обеззараживание зависит от вида микроорганизма, обрабатываемого продукта, условий обработки и используемого оборудования.
Список использованных источников
1. Scholtz V., Pazlarova J., Souskova H., Khun J., Julak J. Nonthermal plasma -- A tool for decontamination and disinfection // Biotechnology Advances. 2015, vol. 33, no. 6, part 2. p. 1108-1119.
2. Ito M., Oh J.-S., Ohta T., Shiratani M., Hori M. Current status and future prospects of agricultural applications using atmospheric-pressure plasma technologies // Plasma Processes and Polymers. 2017, vol. 15. p. e1700073.
3. Ehlbeck J., Schnabel U., Polak M., Winter J., von Woedtke T., Brandenburg R., von dem Hagen T., Weltmann K.D. Low temperature atmospheric pressure plasma sources for microbial decontamination // Journal of Physics D: Applied Physics. 2010, vol. 44, no. 1. p. 013002.
4. Puaи N., Gherardi M., Shiratani M. Plasma agriculture: A rapidly emerging field // Plasma Processes and Polymers. 2017, vol. 15. p. e1700174.
5. Pankaj S.K., Bueno-Ferrer C., Misra N.N., Milosavljeviж V., O'Donnell C.P., Bourke P., Keener K.M., Cullen P.J. Applications of cold plasma technology in food packaging // Trends in Food Science & Technology. 2014, vol. 35, no1. p. 5-17.
6. Guo J., Huang K., Wang J. Bactericidal effect of various non-thermal plasma agents and the influence of experimental conditions in microbial inactivation: A review // Food Control. 2015, vol. 50. p. 482-490.
7. Ziuzina D. Atmospheric cold plasma as a tool for microbiological control: Doctoral Thesis; Dublin Institute of Technology. Dublin, 2015. 259. p.
8. Misra N.N. Chapter 10 - Quality of Cold Plasma Treated Plant Foods // Cold Plasma in Food and Agriculture. San Diego: Academic Press, 2016. p. 253-271.
9. Тихонов В.Н., Алешин С.Н., Иванов И.А., Тихонов А.В. Плазменные технологии в сельском хозяйстве и пищевой промышленности // Радиационные технологии в сельском хозяйстве и пищевой промышленности: состояние и перспективы: Сборник докладов международной научно-практической конференции. 2018. С. 307-310.
10. Jahid I.K., Han N., Zhang C.Y., Ha S.D. Mixed culture biofilms of Salmonella typhimurium and cultivable indigenous microorganisms on lettuce show enhanced resistance of their sessile cells to cold oxygen plasma // Food Microbiol. 2015, vol. 46. p. 383-394.
11. Srey S., Park S., Jahid I., Ha S.-D. Reduction effect of the selected chemical and physical treatments to reduce L. monocytogenes biofilms formed on lettuce and cabbage // Food Research International. 2014, vol. 62. p. 484-491.
12. Jahid I., Han N., Ha S.-D. Inactivation kinetics of cold oxygen plasma depend on incubation conditions of Aeromonas hydrophila biofilm on lettuce // Food Research International. 2014, vol. 55. p. 181-189.
13. Bermudez-Aguirre D., Wemlinger E., Pedrow P., Barbosa-Cбnovas G., Garcia-Perez M. Effect of atmospheric pressure cold plasma (APCP) on the inactivation of Escherichia coli in fresh produce // Food Control. 2013, vol. 34. p. 149-157.
14. Kim B., Yun H., Jung S., Jung Y., Jung H., Choe W., Jo C. Effect of atmospheric pressure plasma on inactivation of pathogens inoculated onto bacon using two different gas compositions // Food Microbiology. 2011, vol. 28, no 1. p. 9-13.
15. Kim J.E., Lee D.U., Min S.C. Microbial decontamination of red pepper powder by cold plasma // Food Microbiol. 2014, vol. 38. p. 128-136.
16. Baier M., Gцrgen M., Ehlbeck J., Knorr D., Herppich W.B., Schlьter O. Non-thermal atmospheric pressure plasma: Screening for gentle process conditions and antibacterial efficiency on perishable fresh produce // Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2014, vol. 22. p. 147-157.
17. Kobayashi T., Iwata N., Oh J.-S., Hahizume H., Ohta T., Takeda K., Ishikawa K., Hori M., Ito M. Bactericidal pathway of Escherichia coli in buffered saline treated with oxygen radicals // Journal of Physics D: Applied Physics. 2017, vol. 50, no. 15. p. 155208.
18. Critzer F.J., Kelly-Wintenberg K., South S.L., Golden D.A. Atmospheric plasma inactivation of foodborne pathogens on fresh produce surfaces // J Food Prot. 2007, vol. 70, no. 10. p. 2290-2296.
19. Kim H., Cho Y., H. Hwang I., H. Lee D., Cho D., Rabinovich A., Fridman A. Use of plasma gliding arc discharges on the inactivation of E. coli in water // Separation and Purification Technology. 2013, vol. 120. p. 423-428.
20. Niemira B.A., Sites J. Cold plasma inactivates Salmonella stanley and Escherichia coli O157:H7 inoculated on golden delicious apples // J Food Prot. 2008, vol. 71, no. 7. p. 1357-1365.
21. Schnabel U., Andrasch M., Weltmann K.-D., Ehlbeck J. Inactivation of Vegetative Microorganisms and Bacillus atrophaeus Endospores by Reactive Nitrogen Species (RNS) // Plasma Processes and Polymers. 2014, vol. 11, no. 2. p. 110-116.
22. Ehlbeck J., Schnabel U., Andrasch M., Stachowiak J., Stolz N., Frцhling A., Schlьter O., Weltmann K.-D. Plasma Treatment of Food // Contributions to Plasma Physics. 2015, vol. 55, no. 10. p. 753-757.