The effect of low-temperature plasma on microorganisms in water and wastewater

• Autorzy: Wypart-Pawul Aleksandra , Grobelak Anna , Noszczyk Wiktoria

Identyfikatory

DOI

10.24425/aep.2025.156005

Warianty tytułu

PL

Wpływ plazmy niskotemperaturowej na mikroorganizmy w wodzie i ściekach

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The presence of microorganisms in water and wastewater is of significant importance for public health. Bacteria from the Enterobacteriaceae family, such as E. coli and Salmonella sp., pose a serious health risk. Their presence in treated wastewater and drinking water is absolutely unacceptable. The aim of the study was to evaluate the effectiveness of the bactericidal properties of low-temperature atmospheric plasma. The research involved treating water and wastewater samples containing suspended bacteria with plasma for varying durations(ranging from 5 seconds to 30 minutes). The plasma stream was generated using a pulsed atmospheric plasma arc, with air as the working gas. The samples contained both microorganisms that naturally occur in wastewater treatment plants and laboratory-cultured strains (in water). The results showed that low-temperature atmospheric plasma effectively eliminates microorganisms, although the required exposure time depends on microbial origin. Laboratory-cultured bacteria were eliminated within 30 seconds of plasma treatment, whereas naturally occurring wastewater microorganisms required up to 20 minutes for effective inactivation. The efficiency of the process depended on many factors such as contact time and microorganism type . In addition to its strong bactericidal and fungicidal properties, low-temperature atmospheric plasma also impacts physicochemical parameters , including pH and electrical conductivity. However, these changes tend to stabilize within 24 hours, particularly in wastewater samples. Overall, cold plasma presents a promising method for water and wastewater disinfection.

PL

Obecność mikroorganizmów w wodzie i ściekach ma istotne znaczenie dla zdrowia organizmów żywych. Bakterie z rodziny Enterobacteriaceae, takie jak E. coli i Salmonella sp., stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia. Ich obecność w oczyszczonych ściekach i wodzie pitnej jest absolutnie niedopuszczalna. Celem badania była ocena skuteczności właściwości bakteriobójczych niskotemperaturowej plazmy atmosferycznej. Badaniami objęto próbki ścieków i wody z zawieszonymi bakteriami, które poddano obróbce plazmowej przez różny czas (od 5 sekund do 30 minut). Strumień plazmy generowano za pomocą pulsacyjnego łuku plazmowego w atmosferze, przy czym gazem roboczym było powietrze. Próbki zawierały zarówno mikroorganizmy występujące naturalnie w oczyszczalniach ścieków, jak i szczepy hodowane w warunkach laboratoryjnych (testy na wodzie). Wyniki wykazały, że niskotemperaturowa plazma atmosferyczna skutecznie eliminuje mikroorganizmy, chociaż czas potrzebny na ich eliminację zależy od ich pochodzenia. Bakterie hodowane w warunkach laboratoryjnych są eliminowane w ciągu 30 sekund od obróbki plazmą, podczas gdy mikroorganizmy naturalnie występujące w ściekach wymagają nawet 20 minut. Skuteczność procesu zależy od wielu czynników, takich jak czas kontaktu lub rodzaj mikroorganizmu. Niskotemperaturowa plazma atmosferyczna wykazuje silne właściwości bakteriobójcze i grzybobójcze, co czyni ją obiecującą metodą dezynfekcji wody i ścieków. Zimna plazma wpływa również na parametry fizykochemiczne, takie jak pH i przewodnictwo elektryczne; jednak zmiany te mają tendencję do stabilizacji w ciągu 24 godzin, szczególnie w ściekach.

Słowa kluczowe

EN

bacteria; fungi; bactericidal properties; cold plasma

PL

bakterie; grzyby; plazma niskotemperaturowa; właściwości bakteriobójcze

• Wydawca: Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Environmental Protection
• Rocznik: 2025
• Tom: Vol. 51, no. 3
• Strony: 13--22
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Wypart-Pawul Aleksandra

• Częstochowa University of Technology, Poland

• https://orcid.org/0009-0008-1735-5277

autor

Grobelak Anna

• Częstochowa University of Technology, Poland

autor

Noszczyk Wiktoria

• Częstochowa University of Technology, Poland

Bibliografia

• 1. Escobar-Muciño, E., Arenas-Hernández, M. M. P. & Luna-Guevara, M. L. (2022). Mechanisms of Inhibition of Quorum Sensing as an Alternative for the Control of E. coli and Salmonella. In Microorganisms, 10,5. MDPI. DOI:10.3390/microorganisms10050884
• 2. Ezugbe, E. O. & Rathilal, S. (2020). Membrane technologies in wastewater treatment: A review. In Membranes (Vol. 10, Issue 5). MDPI AG. DOI:10.3390/membranes10050089
• 3. Fan J., Wu H., Liu R., Meng L. & Sun Y. (2021). Review on the treatment of organic wastewater by discharge plasma combined with oxidants and catalysts. Environmental Science and Pollution Research, 28, 3, pp. 2522–2548. DOI:10.1007/s11356-020-11222-z
• 4. Jałowiecki, Ł., Borgulat, J., Strugała-Wilczek, A., Jastrzębski, J., Matejczyk, M. & Płaza, G. (2024). Insights into bacterial diversity in industrial post-processing water from underground coal gasification (UCG) process. Archives of Environmental Protection, 50, 2, pp. 32–41. DOI:10.24425/aep.2024.150550
• 5. Kadadou, D., Tizani, L., Wadi, V. S., Banat, F., Alsafar, H., Yousef, A. F., Barceló, D. & Hasan, S. W. (2022). Recent advances in the biosensors application for the detection of bacteria and viruses in wastewater. Journal of Environmental Chemical Engineering, 10, 1, Elsevier Ltd. DOI:10.1016/j.jece.2021.107070
• 6. Klenivskyi, M., Khun, J., Thonová, L., Vaňková, E. & Scholtz, V. (2024). Portable and affordable cold air plasma source with optimized bactericidal effect. Scientific Reports, 14, 1. DOI:10.1038/s41598-024-66017-w
• 7. Kowalska, A., Grobelak, A., Kacprzak, M. & Lyng, K. A. (2021). Methods and tools for environmental technologies risk evaluation: the principal guidelines—a review. International Journal of Environmental Science and Technology, 18, 6, pp. 1683–1694. DOI:10.1007/s13762-020-02979-4
• 8. Lin, L., Yang, H. & Xu, X. (2022). Effects of Water Pollution on Human Health and Disease Heterogeneity: A Review. Frontiers in Environmental Science, 10. DOI:10.3389/fenvs.2022.880246
• 9. Lv, X. & Cheng, J. H. (2022). Evaluation of the Effects of Cold Plasma on Cell Membrane Lipids and Oxidative Injury of Salmonella typhimurium. Molecules, 27, 3. DOI:10.3390/molecules27030640
• 10. Ma, R. & Jiao, Z. (2022). Inactivation of Fungi and Fungal Toxins by Cold Plasma. Applications of Cold Plasma in Food Safety, pp. 113–166. DOI:10.1007/978-981-16-1827-7_5
• 11. Minister of Health of Poland. (2017, December 7). Regulation of the Minister of Health of 7 December 2017 on the quality of water intended for human consumption. Journal of Laws of the Republic of Poland. (in Polish)
• 12. Mohseni, P., Ghorbani, A. & Fariborzi, N. (2023). Exploring the potential of cold plasma therapy in treating bacterial infections in veterinary medicine: opportunities and challenges. Frontiers in Veterinary Science, 10. DOI:10.3389/fvets.2023.1240596
• 13. Mouele E.S., Massima Tijani J.O., Badmus K.O., Pereao O., Babajide O., Fatoba O.O., Zhang Ch., Shao T., Sosnin E., Tarasenko V., Laatikainen K. & Petrik L.F. (2021). A critical review on ozone and co-species, generation and reaction mechanisms in plasma induced by dielectric barrier discharge technologies for wastewater remediation. Journal of Environmental Chemical Engineering, 9, 5, 105758. DOI:10.1016/j.jece.2021.105758
• 14. Nwabor, O. F., Onyeaka, H., Miri, T., Obileke, K., Anumudu, C. & Hart, A. (2022). A Cold Plasma Technology for Ensuring the Microbiological Safety and Quality of Foods. Food Engineering Reviews, 14, 4, pp. 535–554. DOI:10.1007/s12393-022-09316-0
• 15. Odonkor, S. T. & Mahami, T. (2020). Escherichia coli as a Tool for Disease Risk Assessment of Drinking Water Sources. International Journal of Microbiology, DOI:10.1155/2020/2534130
• 16. Wear, S. L., Acuña, V., McDonald, R. & Font, C. (2021). Sewage pollution, declining ecosystem health, and cross-sector collaboration. Biological Conservation, 255. DOI:10.1016/j.biocon.2021.109010
• 17. Wei, Q., Yuan, Y., Zhang, J. & Wang, J. (2024). Fungicidal efficiency of DBD cold plasma against Aspergillus niger on dried jujube. Food Microbiology, 121, 104523. DOI:10.1016/j.fm.2024.104523
• 18. Wolska, M., Kabsch-Korbutowicz, M., Solipiwko-Pieścik, A., Urbanska-Kozłowska, H. & Ferenc, Z. (2024). Assessing the feasibility of using ultrafiltration to recirculate backwash water in a surface water treatment plant. Archives of Environmental Protection, 50, 2, pp/ 3–13. DOI:10.24425/aep.2024.150547
• 19. Wypart-Pawul, A., Neczaj, E. & Grobelak, A. (2023). Advanced oxidation processes for removal of organic micropollutants from wastewater. Desalination And Water Treatment, 305, pp. 114–128. DOI:10.5004/dwt.2023.29665
• 20. Wypart-Pawul, A., Neczaj, E., Grosser, A. & Grobelak, A. (2024). Assessment of the effectiveness of atmospheric plasma on the removal of selected pharmaceuticals from water. Desalination and Water Treatment, 320. DOI:10.1016/j.dwt.2024.100600
• 21. Yahaya, A. G., Okuyama, T., Kristof, J., Blajan, M. G. & Shimizu, K. (2021). Direct and indirect bactericidal effects of cold atmospheric-pressure microplasma and plasma jet. Molecules, 26, 9. DOI:10.3390/molecules26092523
• 22. Yanagimoto, K., Yamagami, T., Uematsu, K. & Haramoto, E. (2020). Characterization of Salmonella isolates from wastewater treatment plant influents to estimate unreported cases and infection sources of salmonellosis. Pathogens, 9, 1. DOI:10.3390/pathogens9010052
• 23. Zhu, Z., Bassey, A. P., Huang, T., Zhang, Y., Ali Khan, I., & Huang, M. (2022). The formation, germination, and cold plasma inactivation of bacterial spore. Food Chemistry Advances, 1. DOI:10.1016/j.focha.2022.100056

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki (2025).