Zahlreiche Studien berichten über ein zunehmendes Auftreten multiresistenter Krank-heitserreger im klinischen Umfeld, in der Landwirtschaft und der Massentierhaltung (LANDERS et al. 2012; ANONYMOUS 2015f). Erkrankungen mit diesen Erregern stehen im Zusammenhang mit einem erheblichen finanziellen Schaden für die Gesundheitskassen sowie noch schwerwiegenderen Folgen für die erkrankten Patienten (COSGROVE u. CARMELI 2003; RICE 2008; ANONYMOUS 2016b). Diese gehen mit längeren Krankenhausaufenthalten der Patienten, einer erhöhten Morbidität und Mortalität einher (COSGROVE 2006). Das RKI meldete im Jahr 2016 insgesamt 1.568 Fälle nosokomialer Infektionen, von denen 10 % durch bakterielle Krankheitserreger verursacht wurden (ANONYMOUS 2016f).
Hergestellte Lebensmittel tierischer Herkunft von latent infizierten Tieren können die Verbreitung dieser Erreger über den Lebensmitteleinzelhandel ebenfalls fördern (LANDERS et al. 2012; TANG et al. 2017). Auch berichten erste Studien über einen
30 Nachweis von Resistenzen gegenüber Desinfektionsmitteln (VAN BREDA u. WARD 2017).
In Folge der stagnierenden Verfügbarkeit antibakteriell wirkender Chemotherapeutika sind alternative Ansätze zur Kontrolle und Behandlung nosokomialer Infektionen bzw.
zur antimikrobiellen Behandlung kontaminierter Lebensmittel dringend notwendig.
31 2.9. Ziele der Studie
Die immer komplexeren Warentransportketten über Landesgrenzen hinweg, sowie die steigende Nachfrage der Verbraucher nach frischen und verzehrfertigen Lebens-mitteln, machen immer bessere Haltbarmachungsverfahren notwendig, um lebens-mittelassoziierte Zoonoseerkrankungen zu minimieren.
Ziel dieser Arbeit war es daher…
(1) …erstmalig das neu entwickelte Plasmatube-System (SMD-Quelle) zur Reduktion von Lebensmittel-assoziierten Zoonoseerregern anzuwenden.
Dies beinhaltete folgende Zielsetzungen und die Bearbeitung der Fragestellungen:
- Untersuchungen zweier Plasma-Modi auf die Effektivität der Reduktion.
- Nachweis des Einflusses des Feuchtigkeitsgehaltes des Arbeitsgases auf die Wirkung des kalten Plasmas gegenüber S. Typhimurium und L. monocytogenes auf Lachsschinken.
- Können S. Typhimurium und L. monocytogenes effektiv auf der Matrix Lachs-schinken inaktiviert werden?
- Wird die Produktsicherheit plasmabehandelten Schinkens auch während einer anschließenden Lagerung unter modifizierter Schutzgasatmosphäre gewähr-leistet, sodass diese Produkte gelagert und exportiert werden können?
- Nimmt die Plasma-Behandlung Einfluss auf organoleptische Eigenschaften des Schinkens?
(2) …auf Grundlage dieser Ergebnisse das zu untersuchende Keimspektrum für den zweiten Versuchsansatz zu erweitern. Hierbei galt es, die Reduktion multiresistenter Erreger und von Y. enterocolitica durch kaltes Plasma auf der Oberfläche eines standardisierten Edelstahl-Keimträgers zu testen. Die ausgewählten Mikroorganismen dienten als Modellorganismen für eine Vielzahl pathogener Erreger, die im Krankenhaussektor als Problemkeime gelten und auch vermehrt aus Lebensmitteln isoliert werden.
32 Dabei wurden folgende Fragestellungen berücksichtigt:
- Können multiresistente Erreger durch kaltes Plasma inaktiviert werden?
- Welchen Einfluss haben die zu behandelnde Oberfläche und die Bakterienzelldichte auf die Effektivität der Reduktion?
- Kann eine subletale Schädigung der Bakterien nachgewiesen werden?
33 3. Publikationen
3.1. Publikation 1
Inactivation of Salmonella Typhimurium and Listeria monocytogenes on ham with nonthermal atmospheric pressure plasma
Karolina A. Lis1, Annika Boulaaba1*, Sylvia Binder2, Yangfang Li2, Corinna Kehrenberg1, Julia L. Zimmermann2, Günter Klein1†, Birte Ahlfeld1
1 Institute of Food Quality and Food Safety, University of Veterinary Medicine Hannover, Foundation, Hannover, Germany
2 Terraplasma GmbH, Garching, Germany
* Corresponding author
E-Mail: annika.boulaaba@tiho-hannover.de (AB)
Link: http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0197773 DOI: https: 10.1371/journal.pone.0197773
† Deceased
34 Abstract
The application of cold atmospheric pressure plasma (CAP) for decontamination of sliced ready-to-eat (RTE) meat products (in this case, rolled fillets of ham), inoculated with Salmonella (S.) Typhimurium and Listeria (L.) monocytogenes was investigated.
Cold atmospheric plasma (CAP) is an ionised gas that includes highly reactive species and ozone, interacting with cell membranes and DNA of bacteria. The mode of action of CAPs includes penetration and disruption of the outer cell membrane or intracellular destruction of DNA located in the cytoplasm.
Inoculated ham was treated for 10 and 20 min with CAP generated by a surface-micro-discharge-plasma source using cost-effective ambient air as working gas with different humidity levels of 45-50 and 90 %. The chosen plasma modes had a peak-to-peak voltage of 6.4 or 10 kV and a frequency of 2 and 10 kHz.
Under the tested conditions, the direct effectiveness of CAP on microbial inactivation was limited. Although all treated samples showed significant reductions in the microbial load subsequent to plasma treatment, the maximum inactivation of S. Typhimurium was 1.14 lg steps after 20 min of CAP-treatment (p<0.05), and L. monocytogenes was reduced by 1.02 lg steps (p<0.05) using high peak-to-peak voltage of 10 kV and a frequency of 2 kHz regardless of moisture content. However, effective inactivation was achieved by a combination of CAP-treatment and cold storage at 8 °C ± 0.5 °C for 7 and 14 days after packaging under sealed high nitrogen gas flush (70 % N2, 30 % CO2). Synergistic effects of CAP and cold storage for 14 days led to a clearer decrease in the microbial load of 1.84 lg steps for S. Typhimurium (p<0.05) and 2.55 lg steps for L. monocytogenes (p<0.05). In the case of L. monocytogenes, subsequent to CAP-treatment (10 kV, 2 kHz) and cold storage, microbial counts were predominantly below the detection limit. Measurement showed that after CAP-treatment, surface temperature of ham did not exceed the room temperature of 22 °C ± 2 °C. With the application of humidity levels of 45-50 %, the colour distance ΔE increased in CAP treated samples due to a decrease in L* values.
In conclusion, effectiveness of CAP-treatment was limited. However, the combination of CAP-treatment and cold storage of samples under modified-atmospheric-conditions
35 up to 14 days could significantly reduce microorganisms on RTE ham. Further investigations are required to improve effectiveness of CAP-treatment.
36 3.2. Publikation 2
Inactivation of multidrug-resistant pathogens and Y. enterocolitica with cold atmospheric pressure plasma on stainless steel surfaces
Karolina A. Lisa, Corinna Kehrenberga, Annika Boulaabaa, Maren von Köckritz-Blickwedeb, Sylvia Binderc, Yangfang Lic, Julia L. Zimmermannc, Yvonne Pfeiferd, Birte Ahlfelda*
a Institute for Food Quality and Food Safety, University of Veterinary Medicine Hannover, Foundation, D-30173 Hannover, Germany
E-Mail addresses: Karolina.Lis@tiho-hannover.de, Corinna.Kehrenberg@tiho-hannover.de, Annika.Boulaaba@tiho-Corinna.Kehrenberg@tiho-hannover.de, Birte.Ahlfeld@tiho-hannover.de
b Department of Physiological Chemistry & Research Center for Emerging Infections and Zoonoses (RIZ), University of Veterinary Medicine Hannover, Foundation, D-30559 Hannover, Germany
E-Mail address: Maren.von.Koeckritz-Blickwede@tiho-hannover.de
c terraplasma GmbH, D-85748 Garching, Germany
E-Mail addresses: Binder@terraplasma.com, Li@terraplasma.com, Zimmermann@terraplasma.com
d Robert Koch-Institute, FG 13 Nosocomial Pathogens and Antibiotic Resistance, D-38855 Wernigerode, Germany
E-Mail address: PfeiferY@RKI.de
37
* Corresponding author: Birte Ahlfeld
University of Veterinary Medicine Hannover, Foundation Institute for Food Quality and Food Safety
Bischofsholer Damm 15 D-30171 Hannover, Germany
E-Mail: Birte.Ahlfeld@tiho-hannover.de
Link:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924857918302498?via%3Dihub DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijantimicag.2018.08.023
38 Abstract
Objective: To investigate the impact of cold atmospheric pressure plasma (CAP) produced by a Surface-Micro-Discharge (SMD) plasma source as a new strategy to combat the transmission of five multidrug-resistant pathogens and Y. enterocolitica on typical hospital- and food-producing surfaces, like stainless steel.
Methods: Approximately 106 CFU/cm2 vancomycin-resistant Enterococcus (E.) faecium, methicillin-resistant Staphylococcus (S.) aureus, Klebsiella (K.) pneumoniae, Acinetobacter (A.) baumannii, extended-spectrum beta-lactamase-producing Escherichia (E.) coli and Yersinia (Y.) enterocolitica were inoculated on a 3.14 cm2 stainless steel surface. Bovine serum albumin (3 %) was used as a natural disruptive factor simulating natural organic material. The inoculated surfaces were subsequently exposed to CAP, generated by a peak-to-peak voltage of 10 kV with sinusoidal waveform and a frequency of 2 kHz, for 5, 10 and 20 min, respectively. Fluorescent staining with propidium iodide and SytoTM 9 were used to demonstrate the manner of bacterial cell damage.
Results: Significant (p < 0.05) inactivation of 1.68 ± 0.17 up to 2.80 ± 0.17 lg steps was achieved after 5 min of CAP-treatment. However, bacterial reduction could be increased to 3.35 ± 0.1 up to 5.17 ± 0.67 lg steps after a 20 min CAP-treatment.
Bacterial cells covered with serum albumin were statistically significant, but less inactivated by CAP. Fluorescent staining showed a predominant level of orange-stained sublethal damaged bacterial cells after 10 min of CAP-treatment.
Conclusion: CAP has the ability to inactivate multidrug-resistant bacterial pathogens on stainless steel surfaces. Further research required to investigate the clinical features of CAP.
Keywords: hospital environment, surface-micro-discharge plasma, non-thermal, plasma-sterilisation
39 Highlights:
- Y. enterocolitica and multidrug-resistant VRE, MRSA, carbapenemase-resistant K. pneumoniae and A. baumannii, and ESBL producing E. coli were inactivated by cold atmospheric plasma treatment in a time-dependent manner.
- Different response of Gram-negative and Gram-positive bacteria towards CAP was observed.
- Fluorescent microscopy showed a high amount of sublethal bacterial cells.
- CAP could be a suitable alternative sterilization method for heat sensitive devices and surfaces.
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