Source plasma pour la décontamination microbiologique des liquides

Cold atmospheric plasma for liquid decontamination

• Auteur / Autrice : Ibtissam Courti
• Direction : Philippe Guillot, Florent Sainct
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie pour la santé et pour le vivant
• Date : Soutenance le 02/06/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Diagnostic des Plasmas Hors Equilibres
• Jury : Président / Présidente : Eric Robert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Guillot, Florent Sainct, Pierre-Marie Girard, Thierry Dufour, Marie-Pierre Rols, Laurent Moulin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Marie Girard, Thierry Dufour

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biocides

Plasmas froids

Bactériologie

Mots clés libres

Plasma froid

Bactéries multirésistantes

Biocide

Bactericidal activity

Cold atmospheric plasma

Multidrug resistant bacteria

Résumé

De nos jours, la sécurité sanitaire est au centre des préoccupations des acteurs socio-économiques. L'un des problèmes sanitaires émergeant est la libération des bactéries pathogènes et résistantes aux antibiotiques dans l'environnement aquatique. Les décharges plasma à la pression atmosphérique sont d'un grand intérêt pour de nombreuses applications. L'une de ces applications est la décontamination microbiologie des liquides. Les travaux développés dans cette thèse participent à mieux appréhender l'intérêt du plasma pour la décontamination microbiologie de liquides et pour la dégradation des gènes de résistance aux antibiotiques. La source utilisée est un multi-jets plasma généré à partir d'un mélange hélium-oxygène à la pression atmosphérique. Différents diagnostics ont été réalisés pour la caractérisation de la décharge plasma. Les mesures de courant et de tension réalisées nous ont permis de déterminer l'énergie du plasma. La spectroscopie d'émission optique mise en oeuvre nous a permis de mettre en évidence et d'identifier les espèces réactives de l'oxygène et de l'azote (RONS) dans le plasma. La création des RONS tels que le peroxyde d'hydrogène, les nitrites et les nitrates dans le liquide modifie la chimie du liquide. Dans ce contexte nous avons quantifié la production de ces espèces dans le liquide. L'interaction plasma-bactérie pour la décontamination microbiologie des liquides a été évaluée à travers trois études distinctes. La première consiste à comprendre l'influence de la phase de croissance des bactéries sur l'efficacité du procédé de décontamination par plasma. Nous avons montré que les bactéries en phase exponentielle sont plus sensibles au traitement plasma que les bactéries issues de la phase stationnaire. De plus, les cellules en phase exponentielle sont plus susceptibles de réduire leur activité métabolique en passant à l'état de bactéries viables mais non-cultivables (VBNC) après un court temps d'exposition au plasma tandis que celles en phase stationnaire acceptent un temps plus long d'exposition au plasma avant d'entrer dans cet état. Pour mieux appréhender les raisons qui peuvent expliquer ces différences, nous avons évalué l'effet du plasma sur l'intégrité de la membrane cellulaire et de l'ADN. Dans la seconde étude, nous avons évalué l'effet de la présence du plasmide sur la sensibilité des bactéries au traitement par plasma. Cette étude a révélé que les bactéries portant un plasmide sont plus sensibles au plasma que celles qui en sont dépourvues. Les bactéries soumises à une intégration de plasmide ont subi plus de dommages membranaires et un taux de ROS intracellulaires plus élevé après exposition au plasma. Nous suggérons que la présence de plasmides présente des inconvénients pour les bactéries en diminuant leur croissance et en imposant un état d'affaiblissement. La dernière étude consiste à évaluer l'effet du plasma sur la dégradation des gènes de résistance aux antibiotiques et sur la réduction des mécanismes de transfert horizontal des gènes (HGT) entre les bactéries donneuses traitées par plasma et celles réceptrices non traitées par plasma. Nous avons démontré que le plasma réduit le nombre de cellules donneuses, ce qui par conséquent diminue la fréquence de transfert conjugatif. Nous avons également conclu que le transfert de plasmides pouvait se produire chez les bactéries VBNC. Toutefois, la prolongation du temps d'exposition entraîne une inhibition de HGT. Bien que le plasma semble être une solution pour la décontamination des liquides et la dégradation des gènes de résistance aux antibiotiques, il serait pertinent de réaliser des études intégrant des conditions qui se rapprochent de l'environnement réel avec la présence de matière organique et en augmentant le volume du liquide traitement.

Nowadays, health safety is a central concern for socio-economic actors. One of the emerging health problems is the release of pathogenic and antibiotic resistant bacteria into the aquatic environment. Plasma discharges at atmospheric pressure are of great interest for many applications. One of these applications is the microbiological decontamination of liquids. The work developed in this thesis contributes to a better understanding of the interest of plasma for the microbiological decontamination of liquids and for the degradation of antibiotic resistance genes. The source used is a multi-jet plasma generated from a helium-oxygen mixture at atmospheric pressure. Various diagnostics were performed to characterize the plasma discharge. The current and voltage measurements carried out allowed us to determine the energy of the plasma. The optical emission spectroscopy used allowed us to highlight and identify the reactive oxygen and nitrogen species (RONS) in the plasma. The creation of RONS, such as hydrogen peroxides, nitrites and nitrates, in the liquid modifies the chemistry of the liquid and in this context we quantified the production of these species in the liquid. The plasma-bacteria interaction for microbiological decontamination of liquids was evaluated through three separate studies. The first is to understand the influence of the growth phase of the bacteria on the efficiency of the plasma decontamination process. We showed that bacteria in the exponential phase were more sensitive to the plasma treatment compared to bacteria from the stationary phase. In addition, exponential phase bacteria were more likely to reduce their metabolic activity by entering the viable but non-cultivable (VBNC) state after a short time of exposure to plasma while stationary phase bacteria accepted a longer time of exposure to plasma before entering this state. To better understand the reasons for these differences we assessed the effect of plasma on cell membrane and DNA integrity. In the second study we evaluated the effect of the presence of the plasmid on the sensitivity of the bacteria to plasma treatment. This study revealed that bacteria carrying a plasmid were more susceptible to plasma than those without. Plasmid-integrated bacteria had more membrane damage and higher intracellular ROS levels after exposure to plasma. We suggest that the presence of plasmid presents disadvantages to the bacteria by decreasing their growth and imposing a weakened state. The final study is to evaluate the effect of plasma on the degradation of antibiotic resistance genes and the reduction of horizontal gene transfer (HGT) mechanisms between plasma-treated donor bacteria and non-plasma-treated recipient bacteria. We demonstrated that plasma reduces the number of donor cells and therefore reduces the frequency of conjugative transfer. Furthermore, we deduced that plasmid transfer could also occur in VBNC bacteria. However, prolonging the exposure time leads to an inhibition of HGT. Although plasma seems to be a solution for the decontamination of fluids and the degradation of antibiotic resistance genes, it would be relevant to carry out studies incorporating conditions that approximate the real environment, with the presence of organic matter and by increasing the volume of the treatment fluid.