Manfaat Unsur nitrogen reaktif dalam air yang diaktivasi plasma ( Plasma Activated Water )

Cold plasma adalah teknologi desinfeksi non-termal dan modifikasi permukaan pada unsur yang sedang berkembang dan bebas bahan kimia, serta ramah lingkungan. Pengolahan air menggunakan plasma, disebut sebagai air aktif plasma (PAW), menciptakan sebuah lingkungan asam yang menghasilkan perubahan potensial redoks, konduktivitas dan pembentukan reaktif oksigen (ROS) dan spesies nitrogen (RNS). Akibatnya, PAW memiliki komposisi kimia yang berbeda dengan air dan dapat berfungsi sebagai metode alternatif untuk desinfeksi mikroba.

Dapat disimpulkan bahwa PAW memiliki efek sinergis pada desinfeksi makanan,  dan dapat sebagai pupuk aktif dalam pertumbuhan bibit benih pada tanaman. Peningkatan ion nitrat dan nitrit yang terkadung dalam PAW menjadi penyebab utamanya alasan peningkatan pertumbuhan tanaman. Perendaman biji dalam PAW tidak hanya berfungsi sebagai anti bakteri tetapi juga meningkatkan perkecambahan benih dan pertumbuhan tanaman. PAW berpotensi digunakan untuk meningkatkan hasil panen dan untuk melawan kondisi lingkungan yang ekstrem jika terjadi kekeringan.

Karakterisasi fase gas pada plasma sebelum menjadi larutan PAW

Banyak spesies reaktif diproduksi selama pelepasan plasma di udara. Dalam fase gas, bergantung pada energi yang diinjeksikan, molekul nitrogen dan oksigen dipisahkan oleh elektron energik dalam pelepasan yang sebagian besar mengarah pada pembentukan radikal (O dan OH), ozon (O3), nitrogen oksida (NO, NO2), dan mengeluarkan N2 melalui beberapa jalur reaksi. Gambar dibawah ini menunjukkan spektrum FTIR yang direkam selama aktivasi lucutan pijar corona. Hanya molekul stabil seperti O₃, nitrous oksida (N₂O), dan karbon dioksida (CO₂) yang diukur di outlet reaktor. Menariknya, bahkan setelah 30 menit perawatan plasma, konsentrasi N₂O dan O₃ yang diukur tetap konstan pada (30 ± 2) dan (850 ± 10) ppm, masing-masing. Karakterisasi fasa gas, tanpa air dalam ruangan, juga telah dilakukan dan spesies sejenis telah dikuantifikasi. Patut dicatat bahwa puncak CO₂ muncul dari latar belakang. Yang penting, baik nitrogen oksida (NO) dan maupun nitrogen dioksida (NO₂) tidak terdeteksi dalam fasa gas dalam kondisi tersebut. Tidak adanya NOX dalam fase gas yang dianalisis, dengan dan tanpa air dalam ruangan, dapat dikorelasikan dengan fakta berikut: (i) kemungkinan NOX diproduksi lebih rendah dari batas deteksi FTIR (<0,5 ppm),

(ii) setelah penggelembungan gas melalui air spesies berumur panjang ini dapat berpartisipasi dalam reaksi kimia pada antarmuka gas-cair, di mana NO dan NO₂ terlarut bereaksi ireversibel dengan H₂O untuk menghasilkan asam nitrous (HNO₂) dan nitric (HNO₃).

Di satu sisi, reaksi molekul-molekul ini dari fase gas dengan air dapat mengakibatkan pengasaman dan pembentukan spesies NO₃−, NO₂− dan H₂O₂. Sebaliknya, NO₃−, NO₂− dan H₂O₂ dapat berfungsi sebagai spesi awal reaktif untuk menghasilkan NO, NO₂, radikal hidroksil (OH), dan HNO₃ dalam cairan.

Konsentrasi ion nitrit (NO2−) dan nitrat (NO3−) pada PAW

Deteksi ion nitrit dan nitrat di PAW adalah bukti utama pembentukan RNS dan beberapa peneliti menyimpulkan sebagai aktivitas anti-mikroba. Shen et al. (2016) melaporkan bahwa ion nitrat dapat berumur panjang dalam PAW yang dihasilkan sebagai produk sekunder dan dapat dimanfaatkan sebagai aktivitas anti mikroba pada penyimpanan. Penulis telah mengamati konsentrasi NO₃− dan NO₂− dalam 20 menit pada PAW terdapat konsentrasi  sekitar 42 mg / L dan 1,2 mg / L.

Reaksi pasca pelepasan antara NO₂− dan H₂O₂ yang terjadi di PAW mengakibatkan pembentukan peroksinitrit yang memiliki sifat antibakteri yang signifikan (Lukes et al., 2014). Seperti ROS, konsentrasi NO₃− dan NO₂− menurun dengan bertambahnya waktu penyimpanan. Oksida nitrogen yang terbentuk melalui disosiasi N₂ dan O₂ dalam plasma udara bereaksi dengan air dan menghasilkan pembentukan ion nitrit dan ion nitrit ini bereaksi dengan H₂O₂ membentuk ion nitrat. Lukes dkk. (2014) mempelajari pembentukan nitrat dari reaksi pasca-pelepasan antara nitrit dan H2O2. Penulis telah mengusulkan reaksi pembentukan nitrat sebagai berikut:

Pengalaman penulis bahwa konsentrasi ion nitrat dan nitrit adalah 113 mg / L dan 1,5 mg / L setelah 30 menit pada PAW yang dijasilkanoleh reaktor yang diinjeksioleh gas oksigen (Oehmigen et al., 2010). Perlakuan plasma di atas permukaan air dan langsung di dalam air menghasilkan konsentrasi nitrat dan nitrit yang berbeda yang terbentuk di PAW yang dihasilkan menggunakan injeksi O₂ dan N₂ yang telah dicampur sebelumnya. Konsentrasi nitrat dan nitrit yang terbentuk di PAW yang dihasilkan oleh air yang sedikit lebih tinggi di atas permukaan air. 

 Evaluasi sifat fisikokimia larutan PAW

Dapat disarankan bahwa pembentukan plasma dalam fasa gas dan menggelembung melalui cairan mungkin merupakan cara yang efektif untuk menghasilkan konsentrasi RNS dan ROS yang optimal. Lackmann dkk. 27 mengemukakan bahwa spesies aktif tidak hanya diproduksi dalam fase gas melalui pelepasan plasma, tetapi melalui fotolisis oleh plasma yang dipancarkan foton UV dan VUV dalam fase cair. Untuk memahami pengasaman oleh pijar corona yang diinduksi plasma, ion nitrat (NO₃−) dan nitrit (NO₂−) serta konsentrasi hidrogen peroksida (H₂O₂) dalam air dan larutan PAW diukur menggunakan metode spektrofotometri dan hasilnya dilaporkan di Tabel dibwah ini. Semua pengukuran dilakukan setelah treatment dengan plasma.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/ra/c6ra24762h#!divAbstract

Aplikasi air aktif plasma (PAW)

Telah terbukti bahwa penerapan teknologi plasma dingin untuk PAW, pada produk makanan dapat berperan penting dalam inaktivasi mikroba. Penerapan PAW semakin meningkat dan sangat penting di kalangan peneliti sebagai sumber larutan anti mikroba atau larutan desinfektan. Larutan PAW dapat digunakan setelah penanganan pascapanen, pencucian produk mentah dan potongan buah segar dengan air atau larutan desinfeksi lainnya untuk meningkatkan umur simpan merupakan komponen penting dari makanan adalah program keamanan dari pertanian. Salah satu solusi desinfeksi tersebut yang saat ini digunakan adalah penerapan reduksi oksidasi tinggi potensi (ORP) di air. Manfaat khusus menggunakan larutan PAW adalah dapat mengganti air ORP tinggi yang dihasilkan dengan penambahan bahan kimia. Itu adalah aplikasi yang sangat potensial pada larutan PAW lainnya adalah peningkatan perkecambahan benih dan pertumbuhan tanaman. Ji et al. (2015) melaporkan bahwa reaktif spesies yang terbentuk dari donor kimia memainkan peran penting dalam perkecambahan benih dan perkembangan tanaman. Mengubah properti air dengan plasma nonthermal dan pemanfaatannya dapat mempengaruhi proses pertumbuhan tanaman dan peningkatan kualitas hasil pertanian (Park et al., 2013). Pada gambar dibawah ini, ketika benih (tomat dan lada) dipapar 10 menit dengan plasma dan disiram dengan larutan PAW selama 9 hari pertama diikuti dengan air ledeng selama 51 hari, panjang batang bertambah sekitar 60% dibandingkan dengan sampel kontrol.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/ra/c6ra24762h#!divAbstract

Hasil pada gambar diatas menunjukkan bahwa aplikasi plasma dingin terhadap benih tanaman dan larutan PAW dapat digunakan untuk meningkatkan perkecambahan benih serta pertumbuhan tanaman secara signifikan, namun waktu perawatan plasma harus dioptimalkan untuk setiap benih.

Peran PAW pada inaktivasi mikroba

Bagian ini menyajikan peran PAW pada inaktivasi mikroba dan merangkum sejumlah penelitian yang muncul dalam literatur beberapa tahun terakhir. Tabel 4 mengilustrasikan pengurangan log mikroorganisme yang berbeda setelah treatment oleh PAW. Dari laporan itu diamati bahwa sebagian besar Aplikasi PAW telah diterapkan pada sel-sel yang menempel pada planktonik, melekat atau permukaan makanan (Kamgang-Youbi et al., 2009; Sarangapani, Patange, Bourke, Keener, & Cullen, 2018). Spesies ROS dan RNS yang dihasilkan di PAW oleh aktivasi plasma bertanggung jawab atas inaktivasi mikroba.

Pengaruh PAW pada kualitas pasca panen

Ma et al. (2015) menganalisis warna stroberi setelah perlakuan PAW. Penulis tidak menemukan perubahan signifikan pada L *, a *, dan b * nilai stroberi setelah perlakuan PAW pada hari ke 0 dan hari ke 4. Bahkan, mereka mengamati sedikit peningkatan kemerahan pada akhir hari ke-4. Peningkatan serupa pada L *, a * dan b * diamati oleh Xu et al. (2016) di jamur kancing dirawat PAW. Para penulis telah melaporkan bahwa ada peningkatan keputihan jamur yang mungkin disebabkan oleh aksi oksidasi dan pemutihan ROS yang dihasilkan dalam PAW. Efek PAW pada kemerahan pada stroberi mirip dengan hasil yang dilaporkan pada aplikasi langsung plasma dingin. Sebuah studi serupa dilakukan oleh Ma et al. (2016) tentang pembusukan buah dan kualitas hasil segar bayberry cina setelah direndam dalam PAW yang dihasilkan dengan pelepasan plasma udara langsung ke air. Para penulis mengamati kekerasan yang lebih tinggi, indeks warna dan total padatan terlarut dalam buah beri yang diberi perlakuan PAW dibandingkan dengan sampel kontrol setelah 8 hari penyimpanan. Efek potensial lain dari PAW adalah penurunan reaksi kecoklatan pada buah dan sayuran potong. Dengan perendaman atau mengobati buah dan sayuran potong dengan PAW, aktivitas enzim pencoklatan enzimatis dapat dihambat (Xu et al., 2016). Penulis mengamati penurunan warna kecokelatan setelah pengobatan PAW dibandingkan dengan jamur yang direndam air. Sampai saat ini, tidak ada laporan tentang penerapan PAW untuk mencegah reaksi pencoklatan enzimatik (Tappi et al., 2014).

Batasan

Kompleksitas perangkat reaktor plasma pada tekanan atmosfer, perbedaan desain dan operasi dapat menyebabkan senyawa reaksi yang berbeda mekanisme yang berbeda. Kimia plasma gas sangat kompleks dan pengendalian reaksi merupakan masalah utama. Batasan yang paling penting adalah waktu paruh yang pendek dari spesies reaktif seperti OH. Ada beberapa perbedaan signifikan dalam sifat PAW saat diaktifkan di atas permukaan air dan di bawah air.

Kedua metode penghasil PAW ini memiliki efek biologis berbeda yang memerlukan perhatian lebih. Untuk mengetahui efisiensi antimikroba PAW, diagnostik lengkap plasma dan PAW harus dilakukan yang membutuhkan alat diagnostik radikal yang berbeda. Sangat sulit untuk membedakan antara sifat fisik dan kimia PAW yang menyebabkan inaktivasi mikroba. Pengoksidasi berbeda yang terbentuk dalam PAW, efeknya masing-masing dan mekanisme proses inaktivasi mikroba tidak diketahui. Produk reaksi akhir terbentuk di plasma bervariasi dengan gas yang diikutkan pada proses untuk menghasilkan larutan PAW. Beberapa penulis telah melaporkan bahwa penurunan pH dan asam pada larutan PAW pada inaktivasi mikroba masih belum jelas.

Aspek masa depan

Upaya masa depan harus fokus pada pengembangan aplikasi larutan PAW untuk memenuhi tantangan dalam meningkatkan produksi pangan dan memastikan keamanan pangan. Hal ini membutuhkan pemahaman tentang prinsip-prinsip yang mendasari pembuatan dan tindakan PAW pada tingkat skala mikro. Identifikasi zat antara reaksi dan penentuan produk akhir setelah treatmen sangat penting. Penentuan toksisitas senyawa reaksi yang berbeda menyediakan cara yang bagus untuk menyampaikan berbagai macam reaksi aplikasi yang relevan dari PAW. Keberadaan kimia plasma kompleks dan pembentukan beberapa ROS dan RNS harus diperiksa dan dinilai dengan cermat. Kemampuan peningkatan pertumbuhan tanaman PAW dapat dimanfaatkan untuk aplikasi hidroponik. Dari sudut regulasi, persetujuan penggunaan larutan PAW dari berbagai badan pengatur pemerintah diperlukan untuk memperlakukannya secara umum dan dianggap aman. Keberhasilan teknologi ini bergantung pada peningkatan skala pada masa depan dan kapasitasnya untuk bekerja terus-menerus dengan pemeliharaan seminimal mungkin.

Kesimpulan

Perlakuan plasma di atas permukaan air dan langsung di air terbukti menonaktifkan berbagai mikroorganisme. Dari beberapa temuan jelas terlihat bahwa sifat kimia dan fisik PAW menyebabkan inaktivasi mikroba. Dasar-dasar properti larutan PAW dan tindakannya terhadap penonaktifan telah dibahas. Pembentukan ROS dan RNS di larutan PAW dan interaksinya dengan komponen seluler seperti membran dan dinding sel, asam nukleat dan protein bertanggung jawab atas inaktivasi sel mikroba. Faktor fisik seperti gelombang kejut, radiasi UV dapat mengganggu membran sel mikroba hadir selama generasi PAW. PAW meningkatkan umur simpan dan atribut kualitas produk segar. Berdasarkan informasi yang tersedia, jelas bahwa PAW tampaknya menjadi alat yang ampuh dan berguna untuk meningkatkan perkecambahan benih dan mempromosikan pertumbuhan tanaman. Efisiensi perkecambahan biji bisa dilakukan dengan cara menentukan waktu yang efisen pada perlakuan dengan larutan PAW, yaitu jumlah nitrat (NO₃−) dan hidrogen peroksida (H₂O₂) yang ada pada larutan PAW. Pembentukan spesies nitrogen seperti nitrat di PAW terutama bertanggung jawab atas pertumbuhan tanaman karena berfungsi sebagai nutrisi.  Larutan PAW dalam kondisi asam yang diperoleh dengan plasma dapat digunakan sebagai pupuk. Tingkat keasaman pada larutan PAW tidak hanya dikontrol oleh HNO₃ yang dihasilkan oleh spesies nitrogen reaktif tetapi juga tergantung pada spesies oksigen reaktif dan produknya (OH, O, O₃, HO₂…) yang diproduksi oleh pijar corona yang dilepskan diudara. PAW, pupuk. PAW dapat meningkatkan kecepatan perkecambahan biji hingga 80% dan meningkatkan pertumbuhan bibit dibandingkan dengan kontrol. Oleh karena itu, disarankan agar hasil panen dapat ditingkatkan dalam waktu singkat dan dengan konsumsi air yang lebih sedikit. Efek keseluruhan pada aplikasi larutan PAW  dapat di manfaatkan dalam desinfeksi, dekontaminasi, meningkatkan perkecambahan benih dan pertumbuhan tanaman. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa PAW merupakan larutan desinfektan yang ramah lingkungan.

Daftar Pustaka

Adamovich, I., Baalrud, S. D., Bogaerts, A., Bruggeman, P. J., Cappelli, M., Colombo, V., et al. (2017). The 2017 Plasma Roadmap: Low temperature plasma science and technology. Journal of Physics D: Applied Physics, 50(32), 323001.

Adams, G. E., Aldrich, J. E., Bisby, R. H., Cundall, R. B., Redpath, J. L., & Willson, R. L. (1972). Selective free radical reactions with proteins and enzymes: Reactions of inorganic radical anions with amino acids. Radiation Research, 49(2), 278–289.

Alshraiedeh, N. H., Alkawareek, M. Y., Gorman, S. P., Graham, W. G., & Gilmore, B. F. (2013). Atmospheric pressure, nonthermal plasma inactivation of MS2 bacteriophage: Effect of oxygen concentration on virucidal activity. Journal of Applied Microbiology, 115(6), 1420–1426.

Batak, I., Dević, M., Gibal, Z., Grubišić, D., Poff, K. L., & Konjević, R. (2002). The effects of potassium nitrate and NO-donors on phytochrome A-and phytochrome B-specific induced germination of Arabidopsis thaliana seeds. Seed Science Research, 12(4), 253–259.

Benstaali, B., Moussa, D., Addou, A., & Brisset, J. L. (1998). Plasma treatment of aqueous solutes: Some chemical properties of a gliding arc in humid air. The European Physical Journal - Applied Physics, 4(2), 171–179.

Bogaerts, A., Neyts, E., Gijbels, R., & Van der Mullen, J. (2002). Gas discharge plasmas and their applications. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 57(4), 609–658.

Brisset, J. L., Benstaali, B., Moussa, D., Fanmoe, J., & Njoyim-Tamungang, E. (2011). Acidity control of plasma-chemical oxidation: Applications to dye removal, urban waste abatement and microbial inactivation. Plasma Sources Science and Technology, 20(3), 034021.

Brisset, J. L., & Pawlat, J. (2016). Chemical effects of air plasma species on aqueous solutes in direct and delayed exposure modes: Discharge, post-discharge and plasma activated water. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 36(2), 355–381.

Bruggeman, P., & Leys, C. (2009). Non-thermal plasmas in and in contact with liquids. Journal of Physics D: Applied Physics, 42(5), 053001. Bryk, R., Griffin, P., & Nathan, C. (2000). Peroxynitrite reductase activity of bacterial peroxiredoxins. Nature, 407(6801), 211.