The Mechanism of Non-thermal Plasma ion (NPi) Technology Sterilization Using Escherichia coli

Abstract

최근 사람들의 실내에서 활동하는 시간이 증가함에 따라 실내 공기 정화는 중요한 문제로 인식 되고 있다. 공기정화와 오염원을 제거하기 위해 다양한 방법들이 개발되고 있으며 특히 인체에 무해한 저온 플라즈마 이온 (NPi)을 이용한 공기 정화법이 활발히 연구 되고 있다. 저온 플라즈마 방식에 의해 생성되는 다양한 양이온과 음이온 중 특히 수산화 이온이 공기 중 미생물에 대하여 높은 살균력을 나타낸다고 알려져 있다. 본 연구에서는 저온 플라즈마 이온이 대장균에 미치는 살균 메카니즘을 규명하고자 하였다. 먼저 이온 조사 시간에 따른 대장균의 살균력을 측정하여 생존율을 정량적으로 나타내었고, 형광 현미경 (LIVE/DEAD Kit)과 전자현미경 (SEM, TEM)으로 사멸된 대장균을 직접 관찰 하였다. 그리고 세포막, 세포질 단백질을 분리하여 SDS-PAGE, 2D-PAGE, PMF 단백질 동정 과정을 거쳐 변성이 일어난 단백질의 기능을 분석 하였다. 그 결과, 60분간 이온 조사한 대장균을 전자현미경으로 관찰하였을 때 세포막에서 세포질이 흘러나오는 형태로 관찰 되었다. 이는 저온 플라즈마 이온이 세포 내에 침투하여 바이오 라디칼을 생성하게 되면 세포질 단백질에 변성작용을 일으켜 산화적 스트레스로부터 자신을 보호할 수 있는 물질 분비가 억제 되고, 대장균 세포의 자가 회복 능력을 상실하여 사멸된 것으로 추정된다.

Indoor air quality is an important issue, since people spend considerable time indoors. Non-thermal plasma ion (NPi) technology is a new air-purification technique based on the production of positive and negative ions. In this study, denatured proteins from Escherichia coli were isolated and identified following NPi irradiation to investigate the mechanism by which bacteria are inactivated by an NPi generator. Based on the results, I propose that (i) positive and negative ions enter the bacterial cytoplasm; (ii) reactions between positive and negative cluster ions generate OH radicals; (iii) positive and negative cluster ions break down cytoplasmic proteins; (iv) bacteria cannot protect themselves from oxidative stress; (v) these processes also affect cell membrane proteins; thus, (vi) denatured bacterial membrane proteins cannot be repaired; and (vii) as a result, the osmotic pressure cannot be maintained, and the bacteria are killed.