Mechanisms of interaction between nitrogen based plasma discharges and living matter

Les décharges électriques (plasmas) sont capables de produire simultanément de grandes concentrations d'espèces chargées (électrons, ions), d'espèces neutres réactives (atomes, états métastables) et des états radiatifs émetteurs de rayonnement dans une large gamme spectrale allant de l'UV à l'infra-rouge. Certaines de ces décharges sont susceptibles de fonctionner à une température proche de la température ambiante, ce qui leur confère un fort potentiel d'interaction avec la matière vivante. La plupart des travaux actuels dans ce domaine sont focalisés sur les effets induits sur le vivant par les ROS (reactive oxygen species) mais une récente étude a établi que les atomes d'azote produits par une post-décharge en flux d'azote pur fonctionnant à pression réduite (1-20 Torr, 1 Torr = 133.3 Pa) étaient vraisemblablement l'agent principal de l'interaction avec le vivant. L'objectif de la présente thèse est de poursuivre ce travail initial en cherchant à confirmer cette hypothèse et en améliorant la compréhension générale des phénomènes physico-biochimiques mis en jeu au cours de l'interaction plasma à base d'azote / matière vivante. Pour ce faire, deux types de décharges ont été utilisés : l'une est une post-décharge en flux micro-onde fonctionnant à pression réduite dans l'azote pur ou dans un mélange Argon/Azote, l'autre est un jet de décharge couronne (corona) opérant dans l'air ambiant ou sous atmosphère contrôlée d'azote à pression atmosphérique. La première partie de l'étude est consacrée à la caractérisation physique des deux décharges par spectroscope d'émission : détermination de leur température, identification des espèces chimiques produites. Dans le cas des post-décharges à base d'azote, il a été possible de quantifier la concentration en atomes d'azote et de maximiser leur production en fonction des paramètres opératoires. Dans la deuxième partie de l'étude, l'interaction entre les espèces plasma et le vivant est quantifiée à travers la réduction logarithmique d'une population initiale de bactéries Gram - (Escherichia coli, E. coli) en fonction de la durée d'exposition aux décharges. Cette réduction est mise en corrélation avec des modifications morphologiques observées par microscopie électronique à balayage (MEB) sur les bactéries traitées et par analyse de la viabilité cellulaire obtenue via les tests MTT et DAPI. En parallèle, la capacité des deux décharges à éliminer ou à dénaturer le lipide A, sous composant pyrogène et hydrophobe d'une endotoxine (Lipopolysaccharide ou LPS) présente dans la membrane de la plupart des bactéries Gram - est établie. Au vu de ces différents éléments, un scénario de l'inactivation bactérienne par les atomes d'azote contenus dans les post-décharges à base d'azote est proposé.Electrical discharges (plasmas) are able to simultaneously produce large concentrations of charged species (electrons, ions), of neutral reactive species (atoms, metastable states) and of radiative states emitting radiation from infrared to ultraviolet. Some of them can operate at a temperature close to the room temperature, which confer them a strong interaction potential with the living matter. Most of the existing works in this field focus on the effects induced by the ROS (reactive oxygen species) but a study recently established that the nitrogen atoms produced in a pure nitrogen flowing late afterglow operating at reduced pressure (1-20 Torr, 1 Torr = 133.3 Pa) were probably the main agent of the interaction with the living. The goal of the present thesis is to pursue this initial work by seeking to confirm this hypothesis and by improving the general comprehension of the physical and bio-chemical processes involved in the interaction between nitrogen plasmas and living matter. To do such, two types of discharges were used : one is a flowing microwave afterglow operating at reduced pressure in pure nitrogen or in mixtures of argon and nitrogen, the other is a corona discharge jet working at atmospheric pressure in ambient air or in a controlled nitrogen atmosphere. The first part of the study is devoted to the physical characterization of both discharges by emission spectroscopy, temperature determination, and identification of the produced chemical species. For the nitrogen-based afterglows, it was possible to quantify the nitrogen atoms absolute concentration and to maximize their production through the operating parameters. In the second part of the study, the interaction between plasma species and living matter is quantified by the use of the logarithmic reduction of an initial Gram - bacteria population (Escherichia coli, E. coli) vs. the discharge exposure time. This reduction is correlated with morphologic changes observed by scanning electron microscopy (SEM) on treated bacteria and by an analysis of the cell viability obtained via MTT tests and DAPI. In parallel, the ability of the two discharges to remove or alter lipid A, a pyrogenic hydrophobic sub-component of an endotoxin (Lipopolysaccharide or LPS) present in the membrane of most of the Gram - bacteria is established. Considering these elements, a scenario of bacterial inactivation by the nitrogen atoms of the late nitrogen afterglow is proposed