Characterization of antimicrobial effects triggered by non-thermal atmospheric pressure plasmas on microbial biofilms relevant in food processing, preservation and packaging

The here presented dissertation investigated the molecular mechanisms, by which the food industry model bacteria Pseudomonas fluorescens and Listeria monocytogenes, grown either as planktonic cultures, were inhibited by plasma treated water (PTW) produced by a microwave-induced plasma source (MidiPLexc). As a starting point, optimal operating parameters were determined with 5 standard liters per minutes(slm)compressed air during the treatment of 10 ml deionized water within a treatment time of up to 15 min (pre-treatment time). Treatment times of 1, 3 and 5 min were selected (post-treatment time). In addition to physical parameters, i.e. temperature measurements at different spots at the plasma source during the production of the PTW, the chemical composition of PTW was determined by pH measurements, chronoamperometry (determination of the H2O2 concentration), ion chromatography (determination of the NO2-, NO3- and ONOO- concentrations) and mass spectrometry (qualitative determination of the molecules). In addition, concentration changes of reactive species over a period of 3 h indicated a decrease of the NO2- concentration as well as an increase of the NO3- and ONOO- concentration in the PTW. Microbiological assays, i.e. quantification of colony-forming units (CFU), fluorescence and XTT assays, revealed a significant reduction of the proliferation ability of the cells, membrane damages and metabolic activity have been demonstrated for planktonic cultures as well as mono- and multispecies biofilms. PTW effects on biofilm structures were investigated using microscopic methods such as fluorescence microscopy, confocal laser scanning microscopy (CLSM), atomic force microscopy (AFM), and scanning electron microscopy (SEM), as well as physical methods such as contact angle measurements. Significant changes in the biofilm structure have been shown, which indicate an ablation of the biofilm mass from top to bottom by approximately 2/3 of the biofilm mass and a destruction of the extracellular matrix (ECM) by the reactive species within the PTW. Subsequently, fresh-cut lettuce has been treated with PTW produced by up-scaled plasma sources. Apart from qualitative parameters of the lettuce after PTW treatment such as texture and color, the concentration of PTW reactive species have been determined. These experiments showed that the composition of the reactive species were slightly different from that of the laboratory-scaled plasma source MidiPLexc. Notably, the PTW treatment did not cause significant changes in texture and color of the fresh-cut lettuce. Finally, a synergistic effect of PTW treatment followed by plasma-processed air (PPA) drying was demonstrated application-specific.In der hier vorgestellten Dissertation wurden die molekularen Mechanismen untersucht, durch die die Lebensmittel Modellbakterien Pseudomonas fluorescens und Listeria monocytogenes, die als planktonische Kulturen gewachsen sind und durch plasmabehandeltes Wasser (PTW) gehemmt wurden, dass mit einer Mikrowellen-induzierten Plasmaquelle (MidiPLexc) hergestellt wurde. Als Ausgangspunkt wurden die optimalen Betriebsparameter mit 5 Standardlitern pro Minute (slm) Druckluft bei der Behandlung von 10 ml deionisiertem Wasser innerhalb einer Behandlungszeit von bis zu 15 min (Vorbehandlungszeit). Es wurden Behandlungszeiten von 1, 3 und 5 min zur Behandlung der bakteriellen Biofilme gewählt (Nachbehandlungszeit). Zusätzlich zu den physikalischen Parametern, d.h. Temperaturmessungen an verschiedenen Stellen der Plasmaquelle während der Herstellung des PTW, wurde die chemische Zusammensetzung des PTW durch pH Messungen, Chronoamperometrie (Bestimmung der H2O2-Konzentration), Ionen Chromatographie (Bestimmung der NO2-, NO3- und ONOO- Konzentrationen) und Massenspektrometrie (qualitative Bestimmung der Moleküle) bestimmt. Darüber hinaus wurden die Konzentrationsänderungen der reaktiven Spezies über einen Zeitraum von 3 Stunden bestimmt und eine Abnahme der NO2- Konzentration sowie einen Anstieg der NO3- und ONOO-Konzentration im PTW gemessen. Mikrobiologische Untersuchungen, d.h. Quantifizierung der koloniebildenden Einheiten (CFU), Fluoreszenz- und XTT-Tests, zeigten eine signifikante Verringerung der Vermehrungsfähigkeit der Zellen, Membranschäden und Stoffwechselaktivität und wurden sowohl für planktonische Kulturen als auch für Mono- und Multispezies-Biofilme nachgewiesen. Die Auswirkungen von PTW auf die Biofilmstrukturen wurden mit mikroskopischen Methoden untersucht, wie Fluoreszenzmikroskopie, konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM), Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM) sowie mit physikalischen Methoden wie Kontaktwinkelmessungen. Es wurden signifikante Veränderungen in der Biofilmstruktur nachgewiesen, die eine Abtragung der Biofilmmasse von oben nach unten um etwa 2/3 der Biofilmmasse darstellt und eine Zerstörung der extrazellulären Matrix (ECM) durch die reaktiven Spezies innerhalb des PTW bewirkt. Anschließend wurde frisch geschnittener Kopfsalat mit PTW behandelt, das mithilfe von hochskalierten Plasmaquellen hergestellt wurde. Neben den qualitativen Parametern des Salats nach der PTW-Behandlung wie Textur und Farbe, wurde auch die Konzentration der reaktiven PTW-Spezies bestimmt. Diese Experimente zeigten, dass sich die Zusammensetzung der reaktiven Spezies leicht von denen der Laborplasmaquelle MidiPLexc unterscheidet. Bemerkenswert ist, dass die PTW-Behandlung keine signifikanten Veränderungen in Textur und Farbe des frisch geschnittenen Salats bewirkt. Schließlich konnte anwendungsspezifisch ein Synergieeffekt der PTW-Behandlung und der anschließenden Trocknung der Proben mit plasmaprozessierter Luft (PPA) nachgewiesen werden