Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Überwachung der mikrobiologischen Wasserqualität durch Detektion mikrobieller Indikatorenzyme mit einer bioelektrischen Fließzelle

Angesichts knapper Ressourcen und einer wachsenden Weltbevölkerung benötigt die Menschheit neue, nachhaltige Arten des Wirtschaftens. Einen solchen Ansatz bietet die bio-basierte Wirtschaft. Ein Baustein auf dem Weg zu dieser Bioökonomie stellen elektrobiotechnologische Verfahren dar. Voraussetzung für die zukünftige erfolgreiche industrielle Anwendung der elektrobiotechnologischen Verfahren ist einerseits die Übertragung dieser vielversprechenden Laborergebnisse in die Praxis und andererseits die Verfügbarkeit von skalierbaren Reaktorkonzepten für industrielle Anwendungen.

Für relevante Raum-Zeit-Ausbeuten und damit eine technische Umsetzung der elektrobiotechnologischen Verfahren sind skalierbare Reaktorkonzepte und eine optimierte Biofilmbildung erforderlich. Diese Ziele des Antrags sollen mit der Entwicklung von Wirbel- und Festbettelektroden erreicht werden. Das besondere Innovationspotenzial des Antrages liegt im breiten Verwertungspotential der adressierten Anwendungen und in dem Ziel, sehr vielversprechende Laborergebnissen in die industrienahe Prozesse zu übertragen. Die Erfolge bei der Entwicklung und Vermarktung von Abwasserreinigungsanlagen und deren Komponenten werden zu einem Großteil von kleinen und mittelständischen Unternehmen und deren innovativen Produkten getragen. Hier haben deutsche Unternehmen eine starke Position im internationalen Vergleich.

Aus dem geplanten Vorhaben ergibt sich ein branchenübergreifender Nutzen für die mittelständische Industrie in Deutschland: Unternehmen des Apparatebaus und deren Zulieferer, Unternehmen im Bereich der Partikel-Systeme sowie KMUs aus dem Bereiche der modernen Datenanalyse werden von den Forschungsarbeiten profitieren. Weiterhin können Unternehmen aus der der biotechnologischen Produktion die Projektergebnisse für die zukünftige Entwicklung moderner Prozesse der mikrobiellen Elektrosynthese nutzen.

Ergebniszusammenfassung:

Ein Verfahren für die Ermittlung der mikrobiologischen Wasserqualität mit einer bioelektrischen Fließzelle wurde entwickelt. Der Nachweis der Mikroorganismen erfolgt indirekt über spezifische Indikatorenzyme, die von den Bakterien produziert und über ein Lysereagenz zugänglich gemacht werden. Praxisrelevante Mikroorganismen wurden ausgewählt und ihre spezifischen Enzyme identifiziert. Zusätzlich wurden zu den Enzymen passende Inhibitoren ausgewählt und ihre Affinität spektroskopisch mithilfe eines chromogenen Substrates bestimmt. Die ausgewählten Inhibitoren fungieren als spezifische Adsorptionsstellen für die jeweils passenden Indikatorenzyme.

Die voltammetrischen Messeinheiten der Fließzelle bestehen aus Arbeitselektroden mit immobilisierten Enzyminhibitoren, an denen durch den Elektronenübergang einer Redoxreaktion (redoxsensitives System) adsorbierte Indikatorenzyme voltammetrisch nachgewiesen werden können. Dazu wurden nanopartikuläre Mediatoren verwendet, die in der Lage sind, gezielt an die inhibierten Indikatorenzyme anzulagern und den Elektronenübergang an den Elektroden zu katalysieren. Auf Grundlage der erzielten Ergebnisse wurde im Rahmen des Forschungsprojektes eine experimentelle Messeinheit für den Nachweis von coliformen Keimen auf der Basis des Indikatorenzyms β-D-Galactosidase und 4-Aminophenyl-1-thio-β-D-galactopyranosid als Inhibitor aufgebaut. Als Mediatoren für das redoxsensitive System wurden Oberflächen-modifizierte Goldnanopartikel und als redoxsensitives System eine stöchiometrische Mischung aus Natriumthiosulfat und Kaliumhexacyanoferrat ausgewählt. Mit diesem Aufbau der Messeinheit gelang der spezifische Nachweis des Indikatorenzyms β-D-Galactosidase aus Zelllysat und damit der quantitative Nachweis von coliformen Keimen durch voltammetrische Messungen.