Нами были исследованы эффекты влияния низкотемпературной плазмы атмосферного давления, генерируемой плазмотроном в инертном газе (аргон, гелий) и в смеси аргона и воздуха, на культуру клеток Paramecium caudatum [Карпухина и др.; 2018; Savinov et al., 2019; Груздев и др., 2021]. Плазмотрон представляет собой высокоресурсный источник дугового разряда [Рябый и др., 2017], работающий при атмосферном давлении с постоянным напряжением дуги на уровне 20-40 В; расход инертного газа, обдувающего вольфрамовый катод, был равен 2 л/мин., расход подаваемого в технологический канал воздуха составлял 10 л/ мин., электрический ток дуги был равен 50 А. Оригинальная конструкция плазматрона обеспечивает выход в окружающий воздух сверхчистой плазменной струи, практически свободной от частиц металла электродов. Для исследования влияния плазмы на биологическую систему, клетки Paramecium caudatum оказались подходящим тест - объектом для быстрого комплексного анализа одновременного воздействия таких физико-химических факторов как излучения разного типа и потоки активных радикалов O, N, ОН-, NO-, NO2-, O2(1Δg). Даже при использовании чистых плазмообразующих инертных газов, в плазменную струю, распространяющуюся за пределами разрядного промежутка, попадают частицы, содержащие O и N, вследствие их диффузии в струю из окружающего воздуха. Поскольку Paramecium caudatum – одноклеточный организм, свободнодвижущийся в водной среде, то в момент обработки плазмой большинство клеток находилось не на поверхности среды (h=7мм) в микропробирке (d=10мм), а двигались по всему объему; максимально допустимое удаление клеток от среза сопла источника плазмы составляло 20 см; значения температуры плазмы фиксировались на уровне 28-30° С. Время экспозиции плазмы на клетки варьировали от 0,5 до 5 мин.

Одним из потенциально значимых факторов воздействия плазмы на Paramecium caudatum оказалось изменение ионного состава водной среды, в которой находились клетки. Степень изменения рН среды зависела от состава плазмы и от времени её воздействия. Результатом действия плазмы инертных газов стало слабое понижение pH водного раствора с клетками, при этом более заметный эффект отмечался для аргоновой плазмы. После обработки микропробирки с клетками плазменной струёй, при плазмообразующей смеси (Ar + воздух), отмечалось существенное уменьшение рН водной среды (на 2,5 от исходных 6,5-7), что приводило к серьезным нарушениям движения Paramecium caudatum в начальные 30 мин, клетки двигались замедленно или вращались на месте. Двигательная активность Paramecium caudatum формируется на основе работы ионных каналов, встроенных в мембрану специальных органов движения – ресничек. В кислой среде происходит деполяризация мембран, что влечет уменьшение амплитуды биения ресничек, снижение скорости и реверсивного движения клеток. Дополнительно к двигательным нарушениям через сутки у большинства клеток, подвергшихся 3 мин. и 5 мин. обработке плазмой, появились значительные морфологические изменения, характерные для апоптоза, такие как расслоение мембраны, вакуолизация и фрагментация цитоплазмы перед дегенерацией. Реакции наблюдаемых нами клеток являются следствием влияния долгоживущих активных форм кислорода и азота (NO, O, OH, ONOO –, O2(1Δg)), которые переносятся из плазменной среды в водную среду. Используемый нами источник плазмы с дуговым разрядом постоянного тока в плазмообразующем инертном газе создаёт в среднем концентрации радикалов NO и ОН не менее 500 ppm, и таким образом при воздействии струи плазмы в витальной среде Paramecium caudatum запускаются окислительно-восстановительные процессы с образованием концентраций пероксида водорода, критических для нормального функционирования клеток.

Кроме того, присутствие свободных радикалов в среде нарушало воспроизводство Paramecium caudatum, что свидетельствовало о воздействии плазмы на ядерный аппарат клеток, при этом наиболее выраженный эффект последействия плазмы (72 часа) на размножение Paramecium caudatum отмечался в случае применения гелия или смеси аргона с воздухом.

Потенциальная эффективность воздействия низкотемпературной плазмы на микроорганизмы демонстрирует возможность её широкого использования, например, для очистки воды от биозагрязнений или обработки инструментов медицинского назначения.

Исследование выполнено в рамках научного проекта государственного задания МГУ имени М.В. Ломоносова (тема № 121032500080-8) и Междисциплинарной научно-образовательной школы МГУ «Мозг, когнитивные системы, искусственный интеллект».

We have studied the effects of low-temperature atmospheric pressure plasma generated by a plasmatron in an inert gas (argon, helium) and in a mixture of argon and air on the Paramecium caudatum cell culture [Karpukhina et al.; 2018; Savinov et al., 2019; Gruzdev et al., 2021]. The plasmatron is a high-resource arc discharge source [Ryaby et al., 2017], operating at atmospheric pressure with a constant arc voltage at the level of 20–40 V; the flow rate of the inert gas blowing the tungsten cathode was equal to 2 l/min., the flow rate of the air supplied to the process channel was 10 l/ min., the electric arc current was equal to 50 A. The original design of the plasmatron ensures the release of an ultra-pure plasma jet into the surrounding air, which is practically free of metal particles of the electrodes. To study the effect of plasma on a biological system, Paramecium caudatum cells turned out to be a suitable test object for a quick comprehensive analysis of the simultaneous effects of such physicochemical factors as radiation of various types and fluxes of active radicals O, N, OH-, NO-, NO_2^-, O2( 1Δg). Even when pure plasma-forming inert gases are used, particles containing O and N get into the plasma jet propagating outside the discharge gap due to their diffusion into the jet from the surrounding air.

Since Paramecium caudatum is a single–celled organism that freely move in an aqueous environment, at the time of plasma treatment, most of the cells were not on the liquid’surface (h = 7mm) in a micro test tube (d= 10mm), but moved throughout the volume; the maximum allowable removal of cells from the nozzle of the plasma source was 20 cm; plasma temperature values were fixed at 28-30 ° C. The time of plasma exposure to cells varied from 0.5 to 5 minutes. One of the potentially significant factors of plasma exposure to Paramecium caudatum was a change in the ionic composition of the aqueous environment in which the cells were located. The degree of change in the pH of the medium depended on the composition of the plasma and on the time of its exposure. The result of the action of the plasma of inert gases was a slight decrease in the pH of the aqueous solution with cells, while a more noticeable effect was observed for argon plasma. After processing the micro test tube with cells with a plasma jet, which included argon and air, there was a significant decrease in the pH of the aqueous medium (by 2.5 from the initial 6.5-7), which led to serious violations of the movement of Paramecium caudatum in the initial 30 minutes, the cells moved slowly or rotated in place. The motor activity of Paramecium caudatum is formed on the basis of the work of ion channels integrated in the membrane of special organs of movement – cilia. In an acidic environment, the membranes are depolarized, which leads to a decrease in the amplitude of the beating of the cilia, a decrease in the speed and reverse movement of cells. In addition to motor disorders after a day in most cells exposed to 3 min and 5 min after plasma treatment, significant morphological changes characteristic of apoptosis appeared, such as membrane stratification, vacuolization and fragmentation of the cytoplasm before degeneration.

The reactions of the cells observed by us are a consequence of the influence of long–lived reactive oxygen and nitrogen species (NO, O, OH, ONOO -, O2(1Δg)), which are transferred from the plasma medium to the aqueous medium. The plasma source we use with a DC arc discharge in a plasma-forming inert gas creates, on average, concentrations of NO and OH radicals of at least 500 ppm, and thus, when exposed to a plasma jet in the vital environment of Paramecium caudatum, redox processes are triggered with the formation of hydrogen peroxide concentrations critical for the normal functioning of cells. In addition, the presence of free radicals in the medium disrupted the reproduction of Paramecium caudatum, which indicated the effect of plasma on the nuclears of cells, while the most expressed effect of plasma after effect (72 hours) on the reproduction of Paramecium caudatum was observed in the case of the use of helium or a combination of argon with air.

The potential effectiveness of low-temperature plasma on microorganisms demonstrates the possibility of its wide use, for example, for water purification from biocontaminants or treatment of medical instruments.



The research was carried out within the framework of the scientific project of the state assignment of Lomonosov Moscow State University (№ 121032500080-8) and the Multidisciplinary Scientific and Educational School of Moscow State University "Brain, Сognitive systems, Artificial Intelligence".