CH630117A5

CH630117A5 - Verfahren zur herstellung von zellen mit erhoehter aufnahmefaehigkeit fuer metallionen sowie nach dem verfahren hergestellte zellen und verwendung derselben.

Info

Publication number: CH630117A5
Application number: CH1336776A
Authority: CH
Inventors: Ulrich Prof Dr Zimmermann; Guenter Dr Pilwat
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich
Priority date: 1975-12-24
Filing date: 1976-10-22
Publication date: 1982-05-28
Also published as: GB1560300A; US4292408A; DE2558750B2; JPS6119232B2; DE2558750C3; FR2336480A1; DE2558750A1; FR2336480B1; JPS5282778A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von eine Zellwand aufweisenden lebenden Zellen mit erhöhter Aufnahmefähigkeit für Metallionen aus einer zellverträglichen Flüssigkeit sowie nach dem Verfahren hergestellte Zellen und Verwendung der Zellen zur Anreicherung von Metallen aus einer mindestens 0,5 mM/1 Magnesium-und/oder Calcium- sowie Kaliumionen enthaltenden zellverträglichen wässrigen Flüssigkeit.

Zellen von Lebewesen haben die Fähigkeit, Metallionen, die sich in einer zell verträglichen Flüssigkeit befinden, zu absorbieren. Werden Zellen von Lebewesen in eine Metallionen enthaltende zell verträgliche Flüssigkeit gegeben, so werden jedoch nur diejenigen Adsorberstellen der Zellen wirksam, die sich an den Oberflächen der Zellen befinden. Zweck der Erfindung ist es, auch die innerhalb der Zellen vorhandenen Adsorberstellen für die Adsorption von in einer zellverträglichen Flüssigkeit vorhandenen Metallionen nutzbar zu machen, um so die hohe Adsorptionsfähigkeit von Zellen von Lebewesen für technische Zwecke einsetzen zu können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von in der Art eines Adsorptionsmittels zur Aufnahme von Metallionen aus einer zellverträglichen Flüssigkeit einsetzbaren zellverträglichen Zellwände aufweisenden lebenden Zellen zu schaffen, das auf einfache und wirtschaftliche Weise durchführbar ist und das zu einem eine hohe Adsorberwirkung aufweisenden Produkt führt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Zellen in einer zell verträglichen Flüssigkeit suspendiert einem elektrischen Feld mit einer Stärke und einer Einwirkdauer ausgesetzt werden, dass die Membran der Zellen so verändert wird, dass im Zellinnern vorhandene Stoffe, deren Durchmesser im Bereich zwischen 2 und 50 Â liegt, aus dem Zellinnern in die zellverträgliche Flüssigkeit gelangen, wobei jedoch die elektrische Feldstärke und Einwirkdauer so begrenzt sind, dass die Veränderungen der Membran der Zellen durch Regeneration der Zellen ausheilbar sind. Die aus dem Zellinneren in die zellverträgliche Flüssigkeit gelangenden Stoffe können z.B. Kalium oder Proteine sein. Unter der Gewichtsangabe für die Zellen wird dabei das Gewicht frischer Zellen verstanden.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Aufnahmefähigkeit von Zellen von Lebewesen für Metallionen drastisch erhöht wird, wenn die im Zellinnern vorhandenen Adsorberstellen für die in der zellverträglichen Flüssigkeit befindlichen Metallionen zugänglich gemacht werden, ohne dass die Zellen dabei zerstört werden. Die Erfindung geht ferner davon aus, dass durch Einwirkung des elektrischen Feldes die Membran der Zellen geöffnet wird, die Zellwand jedoch unverändert bleibt, so dass sie ihre Funktion, die Membran zu stützen, weiterhin behält. Dabei wird die Lebensfähigkeit der Zellen nicht beeinträchtigt.

Durch die gebildeten Öffnungen gelangen sowohl Stoffe aus dem Zellinneren in die zellverträgliche Flüssigkeit, als auch Stoffe aus der zellverträglichen Flüssigkeit in das Zellinnere, so dass dann, wenn die Zellen in eine Metallionen enthaltende Flüssigkeit gegeben werden, auch die Metallionen in das Zellinnere gelangen und so die im Inneren der Zellen vorhandenen Adsorberstellen wirksam werden. Die Adsorptionsfähigkeit der Zellen wird so für Metallionen beträchtlich erhöht. Dabei ist es selbstverständlich auch möglich, durch Einwirken einer elektromagnetischen Strahlung, wie beispielsweise Röntgenstrahlung, einer mechanischen Strahlung, wie beispielsweise Ultraschallstrahlung oder einer korpuskularen Strahlung, wie beispielsweise Neutronenstrahlung, Öffnungen in der Zellmembran zu erzielen. Ferner ist es möglich, durch osmotische Kräfte die angestrebten Veränderungen der Membran der Zellen zu bewirken, wobei es notwendig sein kann, die Zell wand vorher zu entfernen.

Die Erfindung geht weiterhin davon aus, dass eine Permeabilitätserhöhung der Membran der Zellen und damit ein Öffnen der Zellen beim elektrischen Durchbruch der Zellen bewirkt wird. Dabei werden die Zellen in eine eine Elektrolytlösung bildende zellverträgliche Flüssigkeit gegeben und zwei in die Flüssigkeit hineinragende Elektroden mit der elektrischen Spannung beaufschlagt, die gerade den elektrischen Durchbruch der Zellen bewirkt. Die elektrische Spannung, bei der dies erreicht wird, wird als elektrische Durchbruch-spannung bezeichnet. Die Membran einer lebenden Zelle, die in ihrem Normalzustand elektrisch nicht leitend ist, wird dabei elektrisch leitend. Die Höhe der elektrischen Durch-bruchspannung, bei der die Permeabilitätserhöhung eintritt, hängt im wesentlichen von den elektrischen Eigenschaften der Membran der Zelle, von deren elastischen Eigenschaften, von der die Dicke der Membran der Zelle sowie der Grösse der Zellen ab.

Als zweckmässig hat sich dabei erwiesen, dass die Feldstärke des elektrischen Feldes etwa 1 bis 20 kV beträgt. Dabei kann so verfahren werden, dass die die Zellen enthaltende zellverträgliche Flüssigkeit durch den Einwirkungsbereich des elektrischen Feldes strömen gelassen wird. Zweckmässig

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ist es ferner, dass die Zellen einem gepulsten elektrischen Feld mit einer Pulsdauer von einer [isec bis zu einer Dauer ausgesetzt werden, bei der die Zellen gerade noch nicht durch Erhitzung zerstört werden. Die Feldstärke des elektrischen Feldes ist dabei so bemessen, dass sich an der Membran der Zellen die elektrische Durchbruchsspannung aufbaut. Die Zahl der Pulse beträgt etwa 2 bis 10.

Um zu erreichen, dass die nach dem Verfahren gemäss der Erfindung hergesteilen Zellen trotz Regeneration der Zellen ihre volle Adsorptionsfähigkeit während ihrer Verwendung behalten, werden die Zellen entweder direkt im Anschluss an ihre Herstellung in die zellverträgliche Flüssigkeit gegeben, die die aufzunehmenden Metalle enthält oder direkt in der die Metalle enthaltenden zellverträglichen Flüssigkeit hergestellt. Es kann jedoch auch zweckmässig sein, die Zellen im Anschluss an ihre Herstellung im unterkühlten Zustand, etwa bei 0°C, bis zu ihrer Verwendung aufzubewahren. Auf diese Weise ist es möglich, die hohe Adsoprtionsfähigkeit der nach dem Verfahren gemäss der Erfindung hergestellten Zellen über mehrere Tage aufrechtzuerhalten.

Eine besonders vorteilhafte Variante des Verfahrens besteht darin, dass in die zellverträgliche Flüssigkeit Proteinsyntheseinhibitoren, wie Cycloheximid od. dgl., in einer Konzentration von etwa 10"6 Mol/1 eingegeben werden. Dadurch wird erreicht, dass die nach dem Verfahren in den Zellen bewirkten Veränderungen und somit auch die Öffnungen in der Membran der Zellen durch Ausbleiben des Regenerationsprozesses weitgehend erhalten bleiben und die erhaltenen Zellen somit auch bei Normaltemperatur ihre hohe Adsorptionsfähigkeit über längere Zeit beibehalten.

Die durch dieses Verfahren hergestellten Zellen besitzen eine Adsorptionsfähigkeit, die in der Regel um mindestens den Faktor 2 gegenüber der Adsorptionsfähigkeit von in einer zellverträglichen Flüssigkeit suspendierten, im ursprünglichen Zustand befindlichen Zellen der gleichen Art erhöht ist. Für die Adsorption von Kupfer aus einer zellverträglichen Flüssigkeit ist die Adsorptionsfähigkeit der beispielsweise aus Meerwasserbakterien MB 22 hergestellten Masse bei Verwendung in einer Suspensionsdichte von 0,1 Gewichtsprozenten an Zellen in der Flüssigkeit und einer Konzentration an Kupfer in der Lösung von 1 |xMol/l etwa um wenigstens einen Faktor 2 höher als bei Verwendung einer vergleichbaren Menge von im ursprünglichen Zustand befindlichen Zellen gleicher Art und bei gleicher Suspensionsdichte und gleicher Konzentration an Kupfer in der Lösung.

Die Verwendung der nach diesem Verfahren erhaltenen Zellen zur Anreicherung von Metallen aus einer mindestens 0,5 mM/1 Magnesium- und/oder Calcium- sowie Kaliumionen enthaltenden wässrigen Lösung, wie Meerwasser, Süss-wasser oder Abwässer, zeichnet sich dadurch aus, dass die Zellen in die wässrige Lösung eingegeben und in dieser so lange belassen werden, bis die Metalle in vorgesehener Konzentration von den Zellen aufgenommen worden sind, worauf die Zellen von der wässrigen Lösung abgetrennt werden.

Es ist somit in vorteilhafter Weise möglich, die durch das erfindungsgemässe Verfahren hergestellen Zellen zur Gewinnung von in der Technik dringend benötigten Metallen, wie beispielsweise Uran und Lithium einzusetzen. Diese Metalle sind in Meerwasser zwar in grosser Menge, jedoch in so hoher Verdünnung vorhanden, dass es bisher nicht gelungen ist, sie in wirtschaftlicher Weise aus dem Meerwasser zu gewinnen. Die Verwendung der gemäss der Erfindung hergestellten Zellen macht infolge ihrer sehr hohen Adsorptionsfähigkeit für die Metalle Uran und Lithium die wirtschaftliche Gewinnung dieser Metalle möglich, wobei die Wirtschaftlichkeit noch dadurch erhöht werden kann, dass bei der Herstellung der Zellen gemäss der Erfindung beispielsweise Clorella- oder Dunalliela-Algen oder Meerwasserbakterien MB 22 ausgegangen wird, die in Nitrat- und Phosphatabwässern, die beispielsweise bei der Waschmittelherstellung anfallen, gezüchtet worden sind. Dies ermöglicht ausserdem eine sehr wirtschaftliche Rückgewinnung von Metallen aus industriellen Abwässern.

Ausfiihrungsbeispiel 1

Chlorella-Algen wurden in einer Dichte von etwa 10 Gewichtsprozenten in eine wässrige Flüssigkeit gegeben, die 0,5 Gewichtsprozente NaCl enthält und daher eine gut leitende Elektrolytlösung bildet. Mittels einer Einrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Hochspannung wurde darauf viermal hintereinander in Abständen von einigen Sekunden ein elektrischer Spannungsimpuls einer elektrischen Spannung von etwa 10 kV und einer Pulsdauer von 10 |is auf zwei in die Lösung hineinragende, flache quadratische Platinelektroden mit den Abmessungen 3 cm • 3 cm gegeben.

Zur Absorption von Uran aus Seewasser wurden die Zellen im Anschluss daran aus der Lösung abzentrifugiert und etwa 5 g Zellen in 100 Liter Seewasser eingegeben, das 430 mM/1 NaCl, 50 mM/1 MgCk, 9,5 mM/1 KCl, 10 mM/1 CaCl, 2 jiM/1 Lithium sowie 0,03 ji.M/1 Uran enthielt und die Zellen etwa 24 Stunden unter Rühren in dem Seewasser belassen. Der im Anschluss daran bestimmte Anreicherungsfaktor von Uran in den Zellen, bezogen auf die Konzentration des Urans im Seewasser, wurde zu 106 bestimmt.

Ausführungsbeispiel 2

Meereswasserbakterien MB 22 wurden in ein wässriges Medium mit folgender Zusammensetzung eingegeben: 400 mM/1 NaCl, 10 mM/1 KCl, 20 mM/1 MgSOt, 15 mM/1 MgCL2,3 mM/1 Na2HP04,0,7% Caseinhydrolysat und 0,01% Hefeextrakt.

Das Wachstum der Bakterien erfolgte über Nacht bei 30°C unter Begasung mit Carbogen. Im Anschluss daran wurden die Zellen durch zehnminütiges Zentrifugieren bei 10.000 g dem Nährmedium entnommen und zweimal mit einem Medium der vorgenannten Zusammensetzung, jedoch ohne die Substrate Caseinhydrolysat und Hefeextrakt, gewaschen und darauf in dem für die Waschung verwendeten Medium auf eine Suspensionsdichte von etwa 20 Gewichtsprozente gebracht.

Mittels einer Einrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Hochspannung wurden in der Suspension 10 kV über einen Kondensator von 4 ji.F entladen, was einer Pulsdauer von etwa 40 (isec entspricht.

Im Anschluss daran wurde die Suspension im Gewichtsverhältnis von 1:100 in ein Medium der vorgenannten Zusammensetzung, jedoch wieder ohne die Substrate und mit einem Kupferionengehalt von einem jj.M/1 gegeben und zwei Stunden bei Raumtemperatur gerührt.

Zur Bestimung des Anreicherungsfaktors von Kupfer in den Zellen wurden diese aus der Lösung abzentrifugiert, in einer Tracerlab-Kaltveraschungsanlage verascht und im Rückstand das Kupfer chemisch bestimmt. Ein Verlgeich des so bestimmten Kupfergehaltes in den Zellen mit dem Kupfergehalt in der Ausgangslösung ergab, dass eine Anreicherung um den Faktor 3 erfolgt war.

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1. Verfahren zur Herstellung von eine Zellwand aufweisenden lebenden Zellen mit erhöhter Aufnahmefähigkeit für Metallionen aus einer zellverträglichen Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen in einer zell verträglichen Flüssigkeit suspendiert einem elektrischen Feld mit einer Stärke und einer Einwirkdauer ausgesetzt werden, dass die Membran der Zellen so verändert wird, dass im Zellinnern vorhandene Stoffe, deren Durchmesser im Bereich zwischen 2 und 50 Â liegt, aus dem Zellinnern in die zellverträgliche Flüssigkeit gelangen, wobei jedoch die elektrische Feldstärke und Einwirkdauer so begrenzt sind, dass die Veränderungen der Membran der Zellen durch Regeneration der Zellen ausheilbar sind.

2. Zellen mit erhöhter Aufnahmefähigkeit für Metallionen hergestellt nach dem Verfahren gemäss Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Aufnahmefähigkeit für Metallionen in zellverträglicher Flüssigkeit, die um mindestens den Faktor 2 gegenüber der Aufnahmefähigkeit von in zellverträglicher Flüssigkeit suspendierten, im ursprünglichen Zustand befindlichen Zellen der gleichen Art erhöht ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verwendung der Zellen nach Anspruch 2 zur Anreicherung von Metallen aus einer mindestens 0,5 mM/1 Magnesium- und/oder Calcium- sowie Kaliumionen enthaltenden zell verträglichen wässrigen Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass eine Suspension der Zellen in der Flüssigkeit erzeugt und so lange aufrecht erhalten wird, bis die Metalle in vorgesehener Konzentration von den Zellen aufgenommen worden sind, worauf die Zellen von der wässrigen Lösung abgetrennt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die behandelten Zellen von der Flüssigkeit abgetrennt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen einem elektrischen Feld einer Feldstärke von 1 bis 20 kV ausgesetzt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die zellverträgliche Flüssigkeit Proteinsyntheseinhibitoren, z.B. Cycloheximid, in einer Konzentration von etwa IO-6 Mol/1 eingegeben werden.