Study of plasma and plasma activated water effect for bacterial disease treatment

Cílem této diplomové práce bylo připravit a charakterizovat plazmatem ošetřenou kapalinu (PTL), konkrétně fyziologický roztok pomocí různých plazmových systémů. Dále aplikovat připravené PTL na vybrané mikroorganismy pro zjištění jejich antimikrobiálního účinku. Byly vybrány systémy, které využívají přímou i nepřímou interakci plazmatu s kapalinou a plazma bylo generováno za atmosférického tlaku. Teoretická část je zaměřená na plazmatem ošetřenou vodu jako takovou, systémy, kterými lze plazmatem ošetřenou vodu produkovat, ale také popis charakterizace z pohledu množství aktivních částic nebo fyzikálně-chemických vlastností. Nalezneme zde také mikrobiologickou část této práce, a to konkrétně popis mikroorganismů zvolených pro experimentální práci. Rovněž je zde popsáno onemocnění otitis externa (zánět zevního zvukovodu) a možnosti jeho antibiotické léčby. V této práci byly testovány PTL připravené čtyřmi různými systémy: výboj za pomocí plazmové trysky ponořené do kapaliny se stejnosměrným nebo střídavým zdrojem napětí (PTLAC a PTLDC), dielektrický bariérový výboj s tekutou elektrodou (PTLDBD) a mikrovlnný výboj s povrchovou vlnou (PTLSW). Takto připravené roztoky byly nejprve charakterizovány z hlediska reaktivních částic (peroxid vodíku, dusičnany a dusitany) a změny měrné vodivosti a pH. Následuje mikrobiologické testování antimikrobiální účinnosti připravených PTL. Jako testovací mikroorganismy byly vybrány bakterie Staphylococcus pseudintermedius, Pseudomonas aeruginosa a kvasinka Malassezia pachydermatis. Tyto mikroorganismy byly vystaveny PTL a sledovány byly expoziční časy od 1 minuty až do 4 hodin. Po 24 hodinové kultivaci byl vyhodnocen antimikrobiální účinek počítáním kolonií a také pomocí programu Aurora metodou obrazové analýzy. Dalším krokem bylo sestavení antibiogramu a porovnání účinků připravených PTL v různých systémech s účinkem antibiotik. V této práci bylo dokázáno, že bakterie Pseudomonas aeruginosa je rezistentní na několik antibiotických látek. Připravená PTLDC by tedy mohla představovat možnost její inaktivace bez použití antibiotik. Staphylococcus pseudintermedius a Malassezia pachydermatis na žádné antibiotikum (antimykotikum) rezistenci nemají, ale při nesprávném užívání je možné riziko vzniku rezistence, proto byly i pro tyto mikroorganismy nalezeny PTL, které mají na dané mikroorganismy nejvyšší antimikrobiální účinek.The aim of this master thesis was to prepare plasma-treated liquids (PTL), specifically plasma-treated saline solutions, using different plasma systems. Subsequently, PTL was applies onto selected microorganisms to determine its antimicrobial effect. Systems that use both direct and indirect plasma-liquid interactions were selected, and the plasma was generated at atmospheric pressure. The theoretical part is focused on the plasma treated water, the systems by which PTL can be produced, and a description of the characterization process, from the viewpoint of the amount of active particles or the physical-chemical properties. Here, the microbiological part of this work is also included, namely a description of the microorganisms used for the experimental part. The disease of otitis externa (inflammation of the external auditory canal) and the possibilities of its antibiotic treatment are also described here. In this work, PTL prepared by four different plasma systems were tested: the pinhole discharge with DC or AC high voltage source (PTLAC and PTLDC), the liquid electrode dielectric barrier discharge (PTLDBD), and the microwave surface wave discharge (PTLSW). Prepared PTLs were first characterized in terms of reactive particles (hydrogen peroxide, nitrates and nitrites) and changes in specific conductivity and pH. This was followed by microbiological testing of the antimicrobial efficiency of the prepared PTL. The bacteria Staphylococcus pseudintermedius, Pseudomonas aeruginosa and the yeast Malassezia pachydermatis were selected as test microorganisms. These microorganisms were exposed to PTL and the effects were studied for exposure times from 1 minute to 4 hours. After 24 hours of cultivation, the antimicrobial effects were evaluated by the standard plate count method and also by the image analysis method in the software Aurora. The next step was to compile antibiograms and compare the effect of the prepared PTL in different systems with the effect of antibiotics. In this master thesis, it was proven that the bacterium Pseudomonas aeruginosa is resistant to several antibiotics. Thus, the prepared PTLDC could represent the possibility of its inactivation without the use of antibiotics. Staphylococcus pseudintermedius and Malassezia pachydermatis do not have resistance to any antibiotic (antimycotic), but with incorrect use there is a risk of developing resistance, which is why PTL, with the highest antimicrobial effect, were also found for these microorganisms.