DE19602786A1

DE19602786A1 - Immobilisierung von Mikroorganismen

Info

Publication number: DE19602786A1
Application number: DE1996102786
Authority: DE
Inventors: Guenter Prof Dr Fuhr; Burkard Watermann; Torsten Dr Mueller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-01-26
Filing date: 1996-01-26
Publication date: 1997-07-31

Description

Die Erfindung betrifft mit Mikroelektroden versehene Oberflächen, mit deren Hilfe in unmittelbarer Nähe dieser Oberfläche schwimmende Mikroorganismen vollständig, partiell, zeitweise oder dauerhaft bewegungsunfähig gemacht oder über die angelegten elektrischen Hochfrequenzsignale abgetötet werden.

Zahlreiche Meßverfahren in wäßrigen Lösungen weisen Probleme bezüglich der Langzeitstabilität auf, wenn die Meßfühler, Meßflächen oder optischen Hilfseinrichtungen von Mikroorganismen wie Bakterien, Diatomeen und anderen Kleinalgen, sowie Larvenstadien von Makroorganismen wie Seepocken, Muscheln, Großalgen etc. besiedelt werden. Im marinen Bereich ist dieser Prozeß besonders ausgeprägt. Die Anheftzeiten einiger dieser Oberflächen besiedelnden Organismen liegen im Sekundenbereich und darunter. Ist erst einmal die Anheftung erfolgt, kann der Bewuchs nur schwer verhindert werden. Das gilt auch für stark angeströmte Oberflächen, wie Schiffskörper.

Dem Stand der Technik entsprechen im wesentlichen zwei Grundprinzipien, mit denen ein Bewuchs von Oberflächen verhindert werden soll: i. Der Überzug mit einer die Haftung der Organismen vermindernden oder toxisch wirkenden Schicht und 2. die aktive Säuberung der Oberfläche über Flüssigkeitsströmungen, mechanische Wischelemente oder auch Aufheizung der Oberfläche.

Weit verbreitet sind auf die genannten Organismen toxisch wirkende Anstriche, wie sie bei Schiffen verwendet werden. Ihr Nachteil, auch bei Benutzung auf kleineren Flächen, wie Sensorelementen, ist die Gefahr der Kontamination der Meßlösung. Die aktive Säuberung wird vor allem bei optischen Sicht- und Meßfeldern angewendet, erfordert jedoch erheblichen Energie- und Wartungsaufwand. Gegenwärtig gibt es noch kein langzeitstabiles Konzept, das alle Organismen von einer Oberflächenbesiedlung abzuhalten vermag.

Einige Organismen erweisen sich als besonders problematisch. Im marinen Bereich sind es Larven verschiedener Spezies wie beispielsweise die von Seepocken. Für bestimmte Anwendungsbereiche wären somit auch das Abhalten und die Behinderung einzelner Organismenarten eine spürbare Verbesserung.

Gegenüber dem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, aktiv bewegliche Mikroorganismen und Einzeller mit Hilfe hochfrequenter starker elektrischer Felder in ihrer Beweglichkeit einzuschränken oder diese vollständig zu verhindern. Das soll jedoch nur dann erfolgen, wenn sich die Organismen in unmittelbarer Nähe der Oberfläche befinden. Darüber hinaus muß die Bewegungsbeeinträchtigung steuerbar reversibel oder irreversibel sein. Durch die Bewegungsminderung oder -verhinderung ist ein Anhaften der Organismen an der Oberfläche unterdrückbar bzw. sie können mit geringerem Aufwand davon abgehalten werden. Diese Aufgabe wird mit der technischen Verfahrenslehre und Vorrichtung gemäß Anspruch 1 erreicht. Die Einsatzgebiete der Vorrichtung und der Verfahren sind in den Ansprüchen 15 bis 19 angegeben.

Die Verwendung extrem miniaturisierter Elektrodensysteme (typische Abmessungen und Elektrodenabstände in um- oder sub-Mikrometerbereich) erlaubt die Applikation lokal sehr starker elektrischer Felder (bis zu einigen zehn oder hundert MV/m), vor allem in unmittelbarer Nähe der mit Mikroelektroden bedeckten Oberfläche (Wirksamkeit in etwa bis auf eine Entfernung des 3- bis 10-fachen der Elektrodenabstände). Die Anwendung hoher Frequenzen (< 1 kHz), typischerweise im kHz- oder MHz-Bereich induziert in den Zellen des Organismus derart starke elektrische Polarisationen, daß eine vorübergehende oder permanente Bewegungslosigkeit oder sogar das Abtöten erreicht wird.

Die abhängigen Ansprüche konkretisieren und erweitern die abstrakten - vom Anspruch 1 in seinen tragenden Merkmalen umrissenen - Gedanken der elektrisch steuerbaren Immobilisierung und Anhaftunterdrückung von Mikroorganismen und Einzellern.

Da die Geschwindigkeit der Annäherung von einigen Organismen an die Oberfläche in wäßrigen Medien relativ gering ist, kann unter diesen Bedingungen die Feldapplikation auch in periodischer Folge oder mit sehr kurzen Burstsignalen erfolgen. Auf diese Weise kann mit sehr verringertem energetischen Aufwand ein dem Dauerfeld vergleichbarer Effekt erreicht, bzw. größere Flächen betrieben werden.

Je kleiner (in mindestens zwei Dimensionen, z. B. Breite und Höhe) die Einzelelektroden ausgeführt werden, um so höhere Spannungen lassen sich anlegen und um so wirksamer wird die o.g. Anwendung. Mit kleiner werdendem Elektrodenabstand nimmt jedoch gleichermaßen die Fernwirkung von der Oberfläche gesehen auf die Mikroorganismen ab, so daß ein Kompromiß für den jeweiligen Organismengrößenbereich gefunden werden muß.

Die periodische Feldapplikation (z. B. mit einem Pausen-Ausschaltverhältnis von 1 : 1, 2 : 1 oder mehr) und in noch stärkerem Maße der Impuls- oder Burstbetrieb gestatten die Anwendung wesentlich höherer Elektrodenanregungsspannungen als der Dauerbetrieb.

Die Wirkung auf die Organismen kann durch die Applikation rotierender oder sich bewegender Felder durch Anlegen phasenverschobener Signale modifiziert werden. Neben der Bewegungseinschränkung erhalten die Organismen dann noch ein Drehmoment oder eine sie parallel zur Oberfläche verschiebende Kraft, die die Anhaftwahrscheinlichkeit noch weiter vermindert und die betrachtete Oberfläche freihält.

Die Ausführung der Mikroelektroden kann mit den Methoden der Halbleitertechnologie bis in einen Bereich von wenigen 10 nm (E-Strahl- Lithographe) oder den um-Bereich (Photolithographie) getrieben werden. Zweckmäßig und sinnvoll sind Mehrebenenprozessierungen, um isolierende Abdeckungen herstellen zu können. Diese können partiell oder vollständig sein. Ebenfalls möglich sind eine 3-dimensionale Anordnung in Hybridform oder das Auskleiden von Hohlräumen und Rohrsystemen, mit diesbezüglichen Anwendungen. Für größere Flächen (dm² oder m²) sind Drucktechniken und ähnliche Verfahren zur Herstellung der Mikroelektrodenoberfläche anwendbar.

Im einfachsten Fall genügen 2 Zuleitungen (Wechselstrombetrieb) zum elektrischen Betrieb der Mikroelektroden. Für wandernde oder rotierende Felder lassen sich jeweils Gruppen von Elektroden zusammenfassen, die mit jeweils einem phasenverschobenen Signal betrieben werden. Entsprechend der Gruppenzahl ist die Phasenverschiebung zu wählen (z. B. je 3 Elektroden 120°, je 4 Elektroden 90°) oder auch andere Werte.

Mittels der Anwendung der Mikroelektroden lassen sich auf den Oberflächen Muster ausbilden (z. B. Ringe, Straßen, Kreuzungen etc.), die dem jeweiligen Zweck, d. h. speziellen Organismen, angepaßt werden. Die Bereiche zwischen den Elektroden lassen die Integration von Sensorelementen zu oder können transparent gehalten werden (z. B. optische Fenster).

Die geometrische Anordnung der Elektroden erlaubt es weiterhin zu bestimmen, ob die Mikroorganismen vollständig oder nur partiell bewegungsbeeinflußt werden. Oft wird die einseitige Lähmung (z. B. bei bi- oder multipedalen Organismen) genügen, um ein Anhaften zu verhindern, da eine gerichtete Schwingungsbewegung und Steuerung nicht mehr möglich ist. Das kann erreicht werden, indem einzelne Elektroden lokal enger beabstandet werden als an anderen Stellen der Oberflächen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.

Fig. 1 veranschaulicht einen Ausschnitt aus einer mikrostrukturierten Oberfläche (Substrat (12)), auf dem Mikroelektroden (11a bis 11l) planar aufgebracht wurden. Jeweils zwischen den benachbarten Elektroden wird ein Wechselfeld der beschriebenen Art (kHz bis MHz) angelegt. Ein in der darüber befindlichen Lösung schwimmender Mikroorganismus (hier Cypris-Larve (14)), der aus der Richtung (15) kommt, würde in dem gezeichneten Bereich bewegungsunfähig werden und von dem Oberflächenbereich (13) weggedrängt bzw. könnte diesen nicht erreichen. Auch eine einseitige Behinderung hätte denselben Effekt, da ein Kreisschwimmen entstünde, so daß ein Anhaften im Bereich (13) nicht möglich wird. Die Elektroden (11a bis 11l) können entweder in alternierender Folge mit 180°-phasenverscho benen Signalen (Wechselspannungsbetrieb) oder 3mal 120° - 4mal 90° usw. phasenverschobenen Signalen angesteuert werden. Je nach der im oberflächennahen Bereich der Lösung entwickelten Feldstärken wird die Bewegungsbeeinträchtigung des Mikroorganismus (14) kurzfristig, langfristig oder irreversibel sein. Falls Impulssignale periodisch angelegt werden, kann der Organismus auch zerstört werden.

Fig. 2 zeigt das Muster einer Oberflächen (22), mit der in bestimmten Arealen ein An haften der Mikroorganismen (24) unterbunden werden soll. Die Elektroden (22a bis 22i) sind zu Gruppen zusammengefaßt. Auf diese Weise lassen sich wandernde Hochfrequenzfelder als auch Wechselfelder applizieren. Auch hier werden die Mikroorganismen (24) beim unmittelbaren Überschwimmen der Oberfläche bewegungsbeeinflußt. Für kleinere Organismen eignen sich auch engere Elektrodenanordnungen. Typische Abstände und Breiten liegen zwischen 50 nm und 100 µm. Die Anregungsspannungen variieren dann zwischen mV und einigen 10 V.

Im Impulsbetrieb und dem periodischen An- und Abschalten des Feldes sind Werte von bis zu 100 V und mehr möglich.

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zur reversiblen und irreversiblen Bewegungshemmung (Immobilisierung) von Mikroorganismen wie Bakterien, Einzeller, Kleinalgen und Larvenstadien von Makroorganismen wie Seepocken, Muscheln, Großalgen etc., suspendiert in wäßrigen Lösungen, dadurch gekennzeichnet, daß über Mikroelektroden, aufgebracht auf einem Substrat, starke Impuls oder/und hochfrequente, elektrische Wechsel- und/oder Wanderfelder einer Feldstärke zwischen 10 kV/m und 50 MV/m und einer Frequenz zwischen 1 kHz und 500 MHz in einem Flüssigkeitsbereich nahe der Substratoberfläche von etwa dem 3- bis 10fachen des mittleren Elektrodenabstandes, erzeugt werden.

2. Verfahren und Vorrichtung zur reversiblen und irreversiblen Bewegungshemmung (Immobilisierung) von Mikroorganismen wie Bakterien, Einzeller, Kleinalgen und Larvenstadien von Makroorganismen wie Seepocken, Muscheln, Großalgen etc., suspendiert in wäßrigen Lösungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld dauerhaft, periodisch oder in diskontinuierlicher Impulsform (Burst) appliziert wird.

3. Verfahren und Vorrichtung zur reversiblen und irreversiblen Bewegungshemmung (Immobilisierung) von Mikroorganismen wie Bakterien, Einzeller, Kleinalgen und Larvenstadien von Makroorganismen wie Seepocken, Muscheln, Großalgen etc., suspendiert in wäßrigen Lösungen nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Applikation oder Impulserzeugung mit wesentlich höheren Spannungen erfolgt (einige Volt bis zu einigen 100 V)

4. Verfahren und Vorrichtung zur reversiblen und irreversiblen Bewegungshemmung (Immobilisierung) von Mikroorganismen wie Bakterien, Einzeller, Kleinalgen und Larvenstadien von Makroorganismen wie Seepocken, Muscheln, Großalgen etc., suspendiert in wäßrigen Lösungen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die angelegten Wechselfelder periodisch mit einer oder mehreren Frequenzen oder kurzen Bursts oder Spikes moduliert werden.

5. Verfahren und Vorrichtung zur reversiblen und irreversiblen Bewegungshemmung (Immobilisierung) von Mikroorganismen wie Bakterien, Einzeller, Kleinalgen und Larvenstadien von Makroorganismen wie Seepocken, Muscheln, Großalgen etc., suspendiert in wäßrigen Lösungen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die angelegten Wechselfelder sich linear oder zirkular bewegen.

6. Verfahren und Vorrichtung zur reversiblen und irreversiblen Bewegungshemmung (Immobilisierung) von Mikroorganismen wie Bakterien, Einzeller, Kleinalgen und Larvenstadien von Makroorganismen wie Seepocken, Muscheln, Großalgen etc., suspendiert in wäßrigen Lösungen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroelektroden mit typischen Abmessungen in wenigstens 2 Richtungen (z. B. Höhe und Breite) kleiner 100 µm bis zu einem Bereich von einigen 10 nm ausgelegt sind, typischerweise einige Mikrometer bis zu einigen 10 Mikrometern in demselben Größenbereich beabstandet sind, auf einem Substrat, wie Glas, Halbleitermaterial, Plastik, Keramik, Folien, polierten Gesteinen u.ä., prozessiert sind.

7. Verfahren und Vorrichtung zur reversiblen und irreversiblen Bewegungshemmung (Immobilisierung) von Mikroorganismen wie Bakterien, Einzeller, Kleinalgen und Larvenstadien von Makroorganismen wie Seepocken, Muscheln, Großalgen etc., suspendiert in wäßrigen Lösungen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Mikrostrukturen mit den Methoden der Halbleiterstrukturierung erfolgt.

8. Verfahren und Vorrichtung zur reversiblen und irreversiblen Bewegungshemmung (Immobilisierung) von Mikroorganismen wie Bakterien, Einzeller, Kleinalgen und Larvenstadien von Makroorganismen wie Seepocken, Muscheln, Großalgen etc., suspendiert in wäßrigen Lösungen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratoberfläche und/oder die Elektroden teilweise oder vollständig von mikrometer- oder submikrometerdicken isolierten oder dielektrischen Schichten überzogen oder in anderer Weise oberflächenbehandelt sind.

9. Verfahren und Vorrichtung zur reversiblen und irreversiblen Bewegungshemmung (Immobilisierung) von Mikroorganismen wie Bakterien, Einzeller, Kleinalgen und Larvenstadien von Makroorganismen wie Seepocken, Muscheln, Großalgen etc., suspendiert in wäßrigen Lösungen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß solche Grundelemente zu komplexen Systemen zusammengebaut werden oder entsprechende Oberflächen Hohlräume und/oder Rohre, Kanäle auskleiden.

10. Verfahren und Vorrichtung zur reversiblen und irreversiblen Bewegungshemmung (Immobilisierung) von Mikroorganismen wie Bakterien, Einzeller, Kleinalgen und Larvenstadien von Makroorganismen wie Seepocken, Muscheln, Großalgen etc., suspendiert in wäßrigen Lösungen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat verschieden beabstandete und dimensionierte Elektroden aufgebracht werden, um an einigen Stellen kleinere an anderen größere Mikroorganismen in ihrer Beweglichkeit einzuschränken.

11. Verfahren und Vorrichtung zur reversiblen und irreversiblen Bewegungshemmung (Immobilisierung) von Mikroorganismen wie Bakterien, Einzeller, Kleinalgen und Larvenstadien von Makroorganismen wie Seepocken, Muscheln, Großalgen etc., suspendiert in wäßrigen Lösungen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß diese Oberflächen gleichzeitig als Fenster, Sensorelemente oder Bestandteile eines optischen oder elektronischen Meßsystems benutzt werden.

12. Verfahren und Vorrichtung zur reversiblen und irreversiblen Bewegungshemmung (Immobilisierung) von Mikroorganismen wie Bakterien, Einzeller, Kleinalgen und Larvenstadien von Makroorganismen wie Seepocken, Muscheln, Großalgen etc., suspendiert in wäßrigen Lösungen nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die immobilisierten Organismen mit einer gebräuchlichen Zusatzanordnung abgesammelt werden (z. B. durch steriles Absaugen eines Lösungsstromes in ein Filter, Gitter o. ä.

13. Verfahren und Vorrichtung zur reversiblen und irreversiblen Bewegungshemmung (Immobilisierung) von Mikroorganismen wie Bakterien, Einzeller, Kleinalgen und Larvenstadien von Makroorganismen wie Seepocken, Muscheln, Großalgen etc., suspendiert in wäßrigen Lösungen nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Organismen während der Immobilisierung mit einer Zusatzvorrichtung weggespült werden, z. B. durch einen Flüssigkeitsstrahl oder Ultraschallelemente.

14. Verfahren und Vorrichtung zur reversiblen und irreversiblen Bewegungshemmung (Immobilisierung) von Mikroorganismen wie Bakterien, Einzeller, Kleinalgen und Larvenstadien von Makroorganismen wie Seepocken, Muscheln, Großalgen etc., suspendiert in wäßrigen Lösungen nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Oberflächentyp mit gebräuchlichen Anhaftminderungsprinzipien, wie Silikonisierung, toxischen Anstrichen usw. kombiniert werden.

15. Verfahren und Vorrichtung zur reversiblen und irreversiblen Bewegungshemmung (Immobilisierung) von Mikroorganismen wie Bakterien Einzeller, Kleinalgen und Larvenstadien von Makroorganismen wie Seepocken, Muscheln, Großalgen etc., suspendiert in wäßrigen Lösungen nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen für Sensorelemente, optische Sichtfenster und andere gerätetechnische Bestandteile an Schiffskörpern Anwendung finden.

16. Verfahren und Vorrichtung zur reversiblen und irreversiblen Bewegungshemmung (Immobilisierung) von Mikroorganismen wie Bakterien, Einzeller, Kleinalgen und Larvenstadien von Makroorganismen wie Seepocken, Muscheln, Großalgen etc., suspendiert in wäßrigen Lösungen nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen an maritimen Meßstationen angebracht werden.

17. Verfahren und Vorrichtung zur reversiblen und irreversiblen Bewegungshemmung (Immobilisierung) von Mikroorganismen wie Bakterien, Einzeller, Kleinalgen und Larvenstadien von Makroorganismen wie Seepocken, Muscheln, Großalgen etc., suspendiert in wäßrigen Lösungen nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen in Bioreaktoren angewendet werden.

18. Verfahren und Vorrichtung zur reversiblen und irreversiblen Bewegungshemmung (Immobilisierung) von Mikroorganismen wie Bakterien Einzeller, Kleinalgen und Larvenstadien von Makroorganismen wie Seepocken, Muscheln, Großalgen etc., suspendiert in wäßrigen Lösungen nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche für automatische Meßsysteme in Süßwasser, Brackwasser und/oder im maritimen Bereich eingesetzt werden, vorzugsweise für optische Messungen, Sauerstoffmessungen, Temperaturmessungen, Leitfähigkeitsmessungen und pH- Messungen.

19. Verfahren und Vorrichtung zur reversiblen und irreversiblen Bewegungshemmung (Immobilisierung) von Mikroorganismen wie Bakterien Einzeller, Kleinalgen und Larvenstadien von Makroorganismen wie Seepocken, Muscheln, Großalgen etc., suspendiert in wäßrigen Lösungen nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen im Zusammenhang mit Meerwasserentsalzungsanlagen und industriellen Kühlsystemen eingesetzt werden.