DE10034578B4 - Biosensors, process for their preparation and their use - Google Patents
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Abstract
Biosensor bestehend aus Mikroorganismen als Biokomponente und einem physikalischen Transduktor, gekennzeichnet dadurch, dass die Biokomponente in Mycelform vorliegt.Biosensor consisting of microorganisms as biocomponent and a physical transducer, characterized in that the biocomponent is in mycelial form.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft neuartige mikrobielle Biosensoren auf Mycelbasis, Verfahren zu deren Herstellung und ihre Verwendung. Erfindungsgemäß wird Mikroorganismen-Mycel in dünnen kompakten Schichten auf einem festen Nährboden erzeugt und vorzugsweise auf Polymeren immobilisiert. Diese festen Nährböden werden in Kombination mit physikalischen Transduktoren als Biosensoren für die Umweltanalytik, Biotechnologie, Lebensmittelanalytik und medizinische Diagnostik, insbesondere zur BSB-Bestimmung und Bestimmung von Disacchariden, angewendet. Derartige Sensoren werden in verschiedenen Anwendungsgebieten, insbesondere in der Umweltkontrolle eingesetztThe The present invention relates to novel microbial biosensors mycelium-based, process for their preparation and their use. According to the invention, microorganism mycelium becomes thin compact layers on a solid medium produced and preferably immobilized on polymers. These solid nutrient media will be in combination with physical transducers as biosensors for the Environmental analysis, biotechnology, food analysis and medical Diagnostics, in particular for the determination of BOD and determination of disaccharides, applied. Such sensors are used in various fields of application, especially used in environmental control
Mikrobielle
Biosensoren auf Zellbasis sind bekannt für die Bestimmung einer Vielzahl
von organischen und anorganischen Verbindungen, wie Zuckern, Aminosäuren, Peptiden,
Aromaten, Halogenaromaten, Harnstoff, Phosphat usw. (siehe hierzu
Riedel K. et al.: Microbial Sensors: Fundamentals and Application
for Process Control. J. Chem. Techn. Biotechnol. 44, 85–106 (1989);
Riedel, K. et al.: Mikrobielle Sensoren auf der Basis von Respirationsmessungen.
Chem.-Ing.-Techn. 64, 518-528 (1992); Wittmann, C. et al.: Microbial
and enzyme sensors for environmental monitoring. In: Handbook of
biosensors and electronic noses (Ed.: Kress-Rogers, E.) CRC Press, pp. 299–332 (1997)).
Weit verbreitet ist auch ihr Einsatz in der Abwasserkontrolle, zur
Bestimmung des „Biochemischen
Sauerstoffbedarfs" (BSB),
deine Aussage über
die Belastung des jeweiligen Abwassers erlaubt (
Als
mikrobielle Sensorkomponenten werden für diese Sensoren definierte
Mikroorganismenspezies mit einem möglichst breiten Substratspektrum
genutzt, wie Trichosporon cutaneum (Hikuma, M. et al. Europ. J,.
Appl. Microbiol. Biotechnol. 8, 289–297 [1979]), Klebisella (
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, weitere Biosensoren bereitzustellen, die besondere Leistungsvermögen von Mikroorganismen für Biosensoren nutzbar machen können sowie entsprechende Verfahren zu ihrer Herstellung zu entwickeln.Of the The invention was based on the object of providing further biosensors, the special performance of microorganisms for Biosensors can harness and to develop corresponding processes for their production.
Überraschend wurde festgestellt, dass es möglich ist, auch Mycelien von Mikroorganismen als mikrobielle Komponente der Biosensoren zu nutzen. Das Mycel stellt unter diesen Bedingungen eine kompakte Schicht dar.Surprised it was found possible is also mycelia of microorganisms as a microbial component to use the biosensors. The mycelium presents under these conditions a compact layer.
Bisher wurden Mikroorganismen nur in Form von Zellen in Biosensoren eingesetzt. Für eine ganze Reihe von Mikroorganismen existieren jedoch verschiedene Wuchsformen. Man spricht auch von Pleiomorphismus. In Abhängigkeit von den Kultivierungs- oder Umweltbedingungen bilden beispelsweise Hefen und Streptomyceten neben den Zellen (einzellige Wuchsform) auch Mycelien, die auch als Pilzgeflecht bezeichnet werden (Schlegel, H. G. [1981]: Allgemeine Mikrobiologie. 5. Aufl. Thieme, Stuttgart).So far Microorganisms were used only in the form of cells in biosensors. For one However, a whole series of microorganisms exist different growth forms. One speaks also of Pleiomorphismus. Depending on the cultivation or environmental conditions form, for example, yeasts and streptomycetes in addition to the cells (single-celled growth form) also mycelia, which also be referred to as mushroom braid (Schlegel, H. G. [1981]: Allgemeine Microbiology. 5th edition Thieme, Stuttgart).
Die
Aufgabe wird gemäß den Ansprüchen gelöst. Besonders
bevorzugt ist ein Biosensor mit der Hefe Arxula adeninivorans als
mycelbildender Biokomponente. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß insbesondere durch
Bereitstellung von Biosensoren gelöst, bei denen das Mycel durch
Oberflächenwachstum
auf einen festen Nährboden
in Form einer kompakten 2–100 μm dicken
Platte erhalten und diese direkt in Biosensoren eingesetzt wird.
Eine weitere Verfestigung ist in einer bevorzugten Ausführungsvariante
durch Immobilisierung mit anorganischen und organischen Polymeren
in Analogie an sich bekannter Techniken möglich (
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante
werden die Mycelien auf einer durchlässigen Trägermembran, vorzugsweise eine
Dialysemembran fixiert und ggf. desweiteren mit einem Immobilisierungsmittel,
vorzugsweise Polymeren in Analogie zu
Die erfindungsgemäßen Biosensoren sind vielfältig verwendbar, insbesondere zur Bestimmung des biologischen Sauerstoffbedarfs (BSB) und zahlreicher Substrate, wie z. B. von Monosacchariden, Disacchariden, Polysacchariden, Alkoholen, Aminosäuren oder anderen organischen Verbindungen.The biosensors according to the invention are diverse usable, in particular for the determination of the biological oxygen demand (BSB) and numerous substrates, such. B. of monosaccharides, Disaccharides, polysaccharides, alcohols, amino acids or other organic compounds.
Die veränderte morphologische Form wird durch Kultivierung im an sich bekannten Kultivierungsmedium nach Riedel et al. (1998), Anal. Lett. 31:1-12) erreicht. Im Unterschied zum bekannten Kultivierungsverfahren erfolgt die Kultivierung jedoch bei einer höheren Temperatur, > 42°C, was bei A. adeninivorans, vorzugsweise Stamm LS3, zur Bildung von Mycelien führt.The morphological morphology is changed by culturing in a conventional culture dium according to Riedel et al. (1998), Anal. Lett. 31: 1-12). In contrast to the known cultivation method, however, the cultivation is carried out at a higher temperature,> 42 ° C, which leads to the formation of mycelia in A. adeninivorans, preferably strain LS3.
Vorzugsweise wird bei einer Temperatur von 45°C kultiviert. Im Sensor erfolgt keine morphologische Änderung mehr.Preferably is at a temperature of 45 ° C cultured. There is no morphological change in the sensor more.
Nachfolgend wird die Erfindung an repräsentativen Beispielen erläutert. Dazu wird die Hefe A. adeninivorans, die besonders durch ihr breites Substratspektrum, sowie ihre große Temperaturstabilität und Salztoleranz als mikrobiologischer BSB-Sensor geeignet ist (Kunze, I. & Kunze G. Antonie van Leeuwenhoek 65, 29–34 [1994], Wartmann T. et al. Antonie van Leeuwenhoek 68, 215–223 [1995]), genutzt. Diese Hefe ist in der Lage, mit Hilfe ihres umweltbedingtem Dimorphismus, ihre Zellmorphologie zu ändern. So wächst A. adeninivorans bei einer Temperatur bis 41°C als Zellkultur, bei 42°C als Pseudomycel und bei höheren Temperaturen als Mycel.following the invention is representative Examples explained. For this, the yeast A. adeninivorans, which is particularly distinguished by its broad Substrate spectrum, as well as their high temperature stability and salt tolerance is suitable as a microbiological BOD sensor (Kunze, I. & Kunze G. Antonie van Leeuwenhoek 65, 29-34 [1994], Wartmann T. et al. Antonie van Leeuwenhoek 68, 215-223 [1995]), used. This yeast is able, with the help of its environmental Dimorphism to change their cell morphology. So A. adeninivorans grows at one Temperature up to 41 ° C as cell culture, at 42 ° C as pseudomycel and at higher Temperatures as mycelium.
Der Einsatz morphologischer Formen in Biosensoren ist bisher nicht bekannt. Erfindungsgemäß wurden erstmalig Mycelien vorzugsweise von A. adeninivorans, bevorzugt Stamm LS3, eingesetzt. Wie aus den Beispielen hervorgeht, sind die mikrobiologischen Sensoren mit Mycel als mikrobieller Sensorkomponente Hefezellen überlegen. Die Mycelform zeichnet sich nun durch größere Stabilität (z. B. Thermostabilität, Osmostabilität) und im Vergleich zur Zellform durch erhöhte metabolische Aktivität aus.Of the Use of morphological forms in biosensors is not yet known. According to the invention were For the first time, mycelia, preferably of A. adeninivorans, are preferred Strain LS3, used. As can be seen from the examples, the Microbiological sensors with mycelium as a microbial sensor component Superior to yeast cells. The mycelial form is now characterized by greater stability (eg. Thermal stability, Osmostabilität) and in comparison to the cell shape by increased metabolic activity.
Da sich diese Mycelien auch in ihren physiologischen Parameter von Hefezellen unterscheiden, war eine solche Überlegenheit nicht voraussehbar. Die Messung wird bei einer Temperatur von 15°C–50°C durchgeführt, wobei die Meßflüssigkeit ggf. bis zu 30% Salz, insbesondere Kochsalz, enthält.There These mycelia also in their physiological parameters of Distinguish yeast cells, such superiority was unpredictable. The measurement is carried out at a temperature of 15 ° C-50 ° C, wherein the measuring liquid optionally up to 30% salt, in particular saline.
Ein Einsatz von Mycelien in Biosensoren ist auf Grund ihres breiten Substratspektrums sowie der großen Temperaturstabilität und Salztoleranz deshalb dem Einsatz von Hefezellen vorzuziehen.One Use of mycelia in biosensors is due to their broad Substrate spectrum and the large temperature stability and salt tolerance therefore preferable to the use of yeast cells.
Ausführungsbeispieleembodiments
Beispiel 1example 1
Für die Präparation von A. adeninivorans LS3 als mikrobielle Sensorkomponente erfolgt eine 36-stündige Kultivierung in YEPD-Medium (0,3% Pepton, 0,3% Malzextrakt, 0,3% Hefeextrakt, 1% Glucose) bei 45°C. Das nach Kultivierung bei 45°C (Medium: 0,5% Hefeextrakt; 0,5% Pepton; 1% Glukose) erhaltene Mycel von A. adeninivorans LS3 wird abzentrifugiert, resuspendiert, immobilisiert und die mikrobiellen Sensoren in bekannter Art und Weise präpariert.For the preparation of A. adeninivorans LS3 as a microbial sensor component a 36-hour Cultivation in YEPD medium (0.3% peptone, 0.3% malt extract, 0.3% Yeast extract, 1% glucose) at 45 ° C. The after cultivation at 45 ° C (Medium: 0.5% yeast extract; 0.5% peptone; 1% glucose) obtained mycelium of A. adeninivorans LS3 is centrifuged off, resuspended, immobilized and preparing the microbial sensors in a known manner.
Um möglichst hohe Sensorsignale zu erhalten, muß eine optimale Menge an Mycelien auf der Dialysemembran immobilisiert werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß mit steigender Mycelkonzentration der Sauerstoffverbrauch und damit auch das Meßsignal und die Stabilität des Sensors erhöht werden. Gleichzeitig beeinflussen zu hohe Mycelkonzentrationen das Sensorsignal negativ, da dies zur Verringerung von Sauerstoff- und Substratdiffusion führt.Around preferably Obtaining high sensor signals requires an optimal amount of mycelia be immobilized on the dialysis membrane. It is important to take into account that with increasing mycelium concentration of oxygen consumption and thus also the measuring signal and the stability of the sensor increases become. At the same time, too high mycelial concentrations influence this Sensor signal negative, as this reduces oxygen and Substrate diffusion leads.
Dialysemembranen wurden mit 2.5–30 mg Mycelien/cm2 beladen und auf ihre Eignung zur BSB-Messung getestet. Nach einer 12-ständigen Aktivierung der Sensoren mit 1,88 mM Glucose wird bei Immobilisierungen von 6,8 mg Mycel/cm2 der für die BSB-Messung optimale Grundstrom (Io) von 4500 nA erreicht.Dialysis membranes were loaded with 2.5-30 mg mycelia / cm 2 and tested for their suitability for BOD measurement. After a 12-hour activation of the sensors with 1.88 mM glucose, immobilization of 6.8 mg mycelium / cm 2 achieves the optimum basic current (Io) of 4500 nA for the BOD measurement.
Gleichzeitig
wurden mit den beladenen Dialysemembranen die SensorBSB-Werte von
0–8 mM
Glucose ermittelt. Die besten Meßwerte wurden mit den 6,8 mg
Mycel/cm2 beladenen Membranen erhalten.
Hier wird eine Linearität
des SensorBSB-Signales bis zu 524 mg O2/1
bei einem r2 von 0,9681 erreicht. Sowohl
die Bestimmungsgrenze mit 7,73 mg O2/l als
auch die Nachweisgrenze mit 2,61 mg O2/l
liegen bei Messungen mit solch einem Mycel-Sensor deutlich günstiger
als beim Zell-Sensor (
Beispiel 2Example 2
Die Stabilität und Lagerkapazität von A. adeninivorans Mycel- bzw. Zell-Sensoren wurde mittels Glucose-Standard (1,88 mM) ermittelt. Dazu wurden Dialysemembranen mit 6,8 mg Mycelien/cm2 bzw. 6,8 mg Zellen/cm2 auf ihre Eignung zur BSB-Messung über einem Zeitraum von 110 Tage getestet. Es wurde sowohl der Grundstrom (Io) als auch die mit Glucose als Standard erreichten Sensor-Signale ermittelt. Bei beiden Sensortypen (Mycel- und Zellsensor) betrug die Standardabweichung beider Parameter innerhalb dieses Zeitraumes weniger als 10%.The stability and storage capacity of A. adeninivorans mycelial or cell sensors was determined by glucose standard (1.88 mM). For this purpose, dialysis membranes with 6.8 mg mycelia / cm 2 or 6.8 mg cells / cm 2 were tested for their suitability for BOD measurement over a period of 110 days. Both the background current (Io) and the sensor signals achieved with glucose were determined. For both sensor types (mycelial and cell sensor) the standard deviation of both parameters was less than 10% within this period.
Auch die Lagerstabilität der mit Mycelien- bzw. Zellen beladenen Membranen wurde ermittelt. Bei Lagertemperaturen von 4°C waren die mit Mycel beladenen Membranen bis zu 6 Monate lagerbar, ohne das es zu Veränderungen der Sensorparameter kam. In Gegensatz dazu ist der Zellsensor nur 2 Monate lagerbar.Also the storage stability the membrane loaded with mycelia or cells was determined. At storage temperatures of 4 ° C the membranes loaded with mycelium could be stored for up to 6 months, without it to change the sensor parameter came. In contrast, the cell sensor is only Storable for 2 months.
Beispiel 3Example 3
Mit
dem Mycel-Sensor wurden 27 verschiedene Substrate gemessen und die
erhaltenen Signale (ΔI) mit
denen des Zell-Sensors verglichen. Hierbei werden bei 17 Substraten
mit dem Mycel-Sensor höhere
Sensor-Signale erreicht. Dies betrifft vor allem Mono-, Di- und
Oligosaccharide (Glucose, Galactose, Xylose, Lactose, Maltose, Saccharose,
Raffinose), aber auch Zitronensäure,
Essigsäure,
Glucosamin, Glycerin und die Aminosäuren Asparagin, Lysin, Arginin,
Histidin, Phenylalanin und Prolin. Lediglich 8 der 27 Substrate
(Fructose, Ethanol, Glutamin, Alanin, Leucin, Methionin, Threonin,
Tryptophan) lassen sich besser mit dem Zell-Sensor messen (Tab.
2). Tab. 2: Vergleich der mit einem A. adeninivorans
Zell- bzw. Mycel-Sensors erhaltenen Sensor-Signale von 27 Substraten.
Für deren
Herstellung der Sensoren wurden die Zellen bei 37°C (Zell-Sensor)
bzw. 45°C
(Mycel-Sensor) kultiviert. Die Substratkonzentration der Meßproben
betrug stets 1 mM.
Beispiel 4Example 4
Um
den Mycel-Sensor zur Messung des SensorBSB nutzen zu können, sollten
die Meßwerte
einer Probe untereinander nur gering variieren. Um dies zu testen,
wurde ein Substratgemisch eingesetzt, daß jeweils 1 mM Glucose, Glutamin,
Glycin, Histidin, Lysin, Asparagin, Valin, Tryptophan, Methionin,
Prolin, Alanin, Asparaginsäure,
Tyrosin, Methanol, Fructose, Saccharose, Maltose, Serin, Threonin
und Isoleucin enthält.
Der BSB5-Wert dieses Gemisches liegt bei
138 mg/l. Die 6-malige Messung der Probe mit dem Mycel- und dem Zell-Sensor
zeigt, daß die
mit dem Mycel-Sensor erhaltenen Meßwerte nur gering untereinander
differieren, was in der sehr niedrigen Standardabweichung zum Ausdruck
kommt. Außerdem
kommt der mit dem Mycel-Sensor erhaltene, gemittelte SensorBSB-Wert
von 144 mg/l dem BSB5-Wert sehr nahe, während der
SensorBSB-Wert des Zell-Sensors stärker vom BSB5-Wert
abweicht (Tab. 3). Tab. 3: Mittelwert, Standardabweichung
und VK-Wert des mit dem Mycel- und Zell-Sensor jeweils 6× gemessenen
Substratgemisches.
Beispiel 5Example 5
Die
Eignung des Mycel-Sensors zur Messung von NaCl-haltigen Proben beschreibt
das Beispiel 5. Dazu wurde der Sensor, wie beschrieben, präpariert
und der Einfluß von
steigenden Konzentrationen an NaCl auf die bei 37°C gemessenen
Sensor-Signale (ΔI)
getestet. Im Gegensatz zum Zell-Sensor, ändern sich beim Mycel-Sensor
die Signale (ΔI)
bei Zusatz von NaCl nur gering. Dieser Effekt (physikalischer Effekt)
ist vor allem auf die Verringerung der in der Meßlösung vorhandenen gelösten Sauerstoffkonzentration
zurückführbar. Im Gegensatz
zum Zell-Sensor erfolgt beim Mycel-Sensor jedoch bis zu einer NaCl-Konzentration von
30% in der Meßprobe
weder eine zusätzliche
Hemmung noch eine Aktivierung des Sensors, was für die BSB-Messung von salzhaltigen
Proben von großem
Vorteil ist (
Um
den physiologischen Effekt von NaCl genauer zu untersuchen, wurde
zuerst in die Meßflüssigkeit NaCl
zugegeben, was einen Abfall des Sensor-Signals (ΔI) verursacht. Erst nach erreichen
des „Steady
State" wurde 1 mM
Glucose zugesetzt und die erneute Änderung des Stromes gemessen.
Bis zu einer NaCl-Konzentration von 1,5% in der Meßzelle (entspricht
30% in der Meßprobe)
bleibt das Sensor-Signal (ΔI)
beim Mycel-Sensor relativ konstant, d. h. bis zu dieser Konzentration
ist bei der BSB-Messung nur der physikalische Effekt von NaCl auf
den Biosensor zu berücksichtigen.
Im Gegensatz dazu kommt es beim Zell-Sensor bei einer NaCl-Konzentration
von 0,5% in der Meßzelle
(entspricht 10% NaCl in der Meßprobe)
zum Abfall des gemessenen Sensor-Signals (ΔI), d. h. hier muß neben
dem physikalischen Effekt auch der physiologischen Effekt des NaCl
auf den Zell-Sensor bei der BSB-Messung berücksichtigt werden (
Die Abhängigkeit der Substratspezifität des Mycel-Sensors von der NaCl-Konzentration wurde mit Glucose, Essigsäure und Maltose getestet. Dazu wurden diese Substrate in einer Konzentration von 1 mM mit steigenden Salzkonzentrationen in die Meßzelle gegeben und das Sensor-Signal (ΔISubstrat-Effetk+Salz-Effetk – ΔISalz-Effekt) bestimmt. Als Kontrolle wurde das Sensor-Signal ohne Substrat mit steigender NaCl-Konzentration bestimmt. Durch Subtraktion der Kontrollkurve läßt sich der physiologische Effekt des Salzes auf das entsprechende Substrat ermitteln.The dependence of the substrate specificity of the mycelium sensor on the NaCl concentration was tested with glucose, acetic acid and maltose. For this purpose, these substrates were added in a concentration of 1 mM with increasing salt concentrations in the measuring cell and the sensor signal (.DELTA.I substrate effetk + salt effetk - .DELTA.I salt effect ) determined. As a control, the sensor signal without substrate was determined with increasing NaCl concentration. By subtracting the control curve, the physiological effect of the salt on the corresponding substrate can be determined.
Die
Glucose-, Essigsäure
und Maltose-Signale werden bis zu einer NaCl-Konzentration von 30%
in der Meßprobe
nur durch den physikalischen und nicht bzw. nur gering durch den
physiologischen Effekt beeinflußt
(
Beispiel 6Example 6
Die
mit 6,8 mg Mycelien/cm2 bzw. 6,8 mg Zellen/cm2 beladenen A. adeninivorans Sensoren wurden auf
ihre Eignung zur SensorBSB-Bestimmung getestet. Da Abwässer in
der Regel Substratgemische entalten, wurde ein synthetische Abwasser,
Hefeextrakt, für
diese Vergleiche genutzt. Hier korrelieren die mit dem Mycel-Sensor
ermittelten SensorBSB-Werte direkt mit dem BSB5-Wert
(m = 1,168). Im Gegensatz dazu erreichen die mit dem Zell-Sensor erhaltenen
Werte (m = 0,75) eine geringere Korrelation zwischen beiden Parameter (
Beispiel 7Example 7
Die
Eignung des Mycel-Sensors zur SensorBSB-Messung wurde am Beispiel
von Abwasserproben mit hohem Disaccharid-Anteil, entnommen an verschiedenen
Tagen aus dem Zu- und Ablauf einer Kläranlage, getestet. Dazu wurde
der Sensor, wie in Beispiel 1 beschrieben, präpariert und die bei 37°C erhaltenen
Meßwerte
mit denen des A. adeninivorans Zell-Sensors verglichen. Gleichzeitig
wurde von allen Proben der BSB5-Wert ermittelt
(Tab. 4). Tab. 4: Vergleich der mit einem Arxula
Zell-Sensor bzw. einem Arxula Mycel-Sensor gemessenen SensorBSB-Werte
verschiedener Abwasserproben mit dem BSB5-Wert.
Die Meßwerte von Tab. 4 belegen, daß bei einer erlaubten Abweichung der SensorBSB-Werte vom BSB5-Wert 65% der mit dem Mycel-Sensor erreichten Meßwerte vom Ein- und Auslauf der Kläranlage mit dem BSB5-Wert übereinstimmen. Im Gegensatz dazu wird bei dem Zell-Sensor nur ein Übereinstimmungsgrad von 14% erreicht.The measured values of Tab. 4 prove that with a permitted deviation of the SensorBSB values from the BOD 5 value 65% of the measured values achieved by the mycelium sensor from the inlet and outlet of the sewage treatment plant correspond to the BOD 5 value. In contrast, only a degree of agreement of 14% is achieved with the cell sensor.
Beispiel 8 (Immobilisierung)Example 8 (Immobilization)
Für die Präparation
von A. adeninivorans LS3 als mikrobielle Sensorkomponente erfolgt
eine 36-stündige
Kultivierung in YEPD-Medium (0,3% Pepton, 0,3% Malzextrakt, 0,3%
Hefeextrakt, 1% Glucose) bei 45°C. Von
dieser Kultur werden anschließend
10 μl auf
eine auf YEPD-Agar befindliche Dialysemembran gedropft und alles
für mehrere
Stunden bei 45°C
inkubiert. Es bildet sich nun auf der Dialysemembran eine Mycelkolonie,
die mit PVA bzw. PU nach bekannter Art und Weise stabilisiert wird
(
Beispiel 9 (Beladungsdichte)Example 9 (loading density)
Um reproduzierbare Messwerte zu erhalten, muss eine optimale Zellzahl auf die Dialysemembran immobilisiert werden. Dabei gilt, je mehr Zellen immobilisiert werden, desto höher der Sauerstoffverbrauch und damit das Messsignal. Gleichzeitig steigt mit der Beladungsdichte die Stabilität des Sensors. Diesem Prozeß wirkt jedoch die Diffusionsgeschwindigkeit entgegen, die proportional zur Stärke der immobilisierten Zellschicht ist. Dies bedeutet, dass eine zu hohe Beladungsdichte die Diffusion von Sauerstoff und Substrat herabsetzt, was zum Absinken der Grundstromes (Io) und damit zu kleineren Messsignalen führt.Around to obtain reproducible readings, must have an optimal cell count be immobilized on the dialysis membrane. The more applies Cells are immobilized, the higher the oxygen consumption and thus the measuring signal. At the same time increases with the loading density the stability of the sensor. This process works however, contrary to the diffusion rate, which is proportional to strength the immobilized cell layer is. This means that one too high loading density reduces the diffusion of oxygen and substrate, which leads to a decrease of the background current (Io) and thus to smaller measuring signals leads.
Um ein konstantes Mycelwachstum auf einer Dialysemembran zu gewährleisten, müssen z. B. aufgetropfte 10 μl Mycel-Kulturen über eine definierte Fläche ausgestrichen werden (Durchmesser: 0,4 cm). Durch die Verwendung unterschiedlicher Kultivierungszeiten und die Nutzung von zwei Dialysemembran-Typen mit unterschiedlicher Porengröße (0,6 μm, 10 μm), lässt sich die Beladungsprozedur optimieren.Around to ensure a constant mycelial growth on a dialysis membrane, have to z. B. dripped 10 .mu.l Mycelial cultures over a defined area are struck out (diameter: 0.4 cm). By use different culture times and the use of two dialysis membrane types with different pore size (0.6 μm, 10 μm), can be optimize the loading procedure.
Tab.
5: Beladung der Dialysemembran mit Mycelien von A. adeninivorans
LS3. Dazu wurde der Stamm LS3 für
36 Stunden bei 45°C
in YEPD-Medium kultiviert, 10 μl
dieser Mycel-Kultur auf Dialysemembranen mit 0,6 μm bzw. 10 μm Porengröße gegeben,
die auf YEPD-Agar aufgelegt waren. Alles wurde für 6, 10, 12 und 24 Stunden
bei 45°C
inkubiert, die Beladung der Membran (mg Trockengewicht/cm2) nach der Formel m/π·d2 berechnet,
die Mycelien mit PU immobilisiert und der Grundstrom (Io) als auch
das letztes Sensorsignal bei der Aktivierungsmessung (ΔI) bestimmt.
Zur Aktivierung wurde 100 mM Glucose genutzt.
Nach 6-stündiger Inkubation beider Membrantypen bei 45°C erreichen die Mycel-Kolonien einen Durchmesser ca. 0,4 cm. Während aber die Mycel-Masse bei der 0,6 μm Dialysemembran zwischen 1,6 und 4,0 mg beträgt, liegt diese bei den 10 μm Membranen nur zwischen 1,6 und 3,3 mg. Damit erfolgt die Zunahme der Dicke der Mycel-Kolonie in Anhängigkeit von der Porengröße der Dialysemembran. Während der weiteren Kultivierung werden Mycel-Massen von über 10 mg erreicht.To 6 hours Incubation of both types of membranes at 45 ° C reach the mycelial colonies a diameter about 0.4 cm. While but the mycelium mass at the 0.6 microns Dialysis membrane is between 1.6 and 4.0 mg, this is the 10 micron membranes only between 1.6 and 3.3 mg. This is the increase in thickness the mycelial colony in pendency of the pore size of the dialysis membrane. While the further cultivation will be mycelium masses of over 10 mg reached.
Werden nun die auf beiden Membrantypen gewachsenen Mycel-Massen hinsichtlich ihrer erreichbaren Aktivierungssignalen (ΔI) verglichen, die stets zwischen 150 und 450 nA betragen sollten, so können diese Werte nur mit Mycelmassen zwischen 2,1 und 8,2 mg, d. h. 4,2 und 15,5 mg TG/cm2 erreicht werden. Derartige Werte werden nach 10-stündiger Inkubation bei 45°C erreicht. Werden für die Beladungen längere Inkubationszeiten genutzt, kommt es zu einem weiteren Anstieg der Mycel-Masse, was gleichzeitig einen Abfall des Aktivierungssignales (ΔI) zu Folge hat.If the mycelium masses grown on both types of membranes are compared with regard to their achievable activation signals (ΔI), which should always be between 150 and 450 nA, these values can only be determined with mycelium masses between 2.1 and 8.2 mg, ie 4.2 and 15.5 mg TG / cm 2 can be achieved. Such values are reached after 10 hours incubation at 45 ° C. If longer incubation times are used for the loadings, there is a further increase in the mycelium mass, which at the same time results in a decrease in the activation signal (ΔI).
Optimale
Beladungen der 0,6 μm
und 10 μm
Dialsemembranen mit A. adeninivorans Mycelien werden damit nach
10-ständiger
Inkubation bei 45°C
erreicht (
Gleichzeitig
wurden mit den beladenen 0,6 μm
und 10 μm
Dialysemembranen die Sensor-BSB-Werte von
0–8 mM
Glucose ermittelt. Die besten Messwerte wurden mit den 6,8 mg Mycel/cm2 beladenen Membranen beider Typen (0,6 μm, 10 μm) erhalten.
Sowohl die Bestimmungsgrenze (4,46 mg O2/l – 0,6 μm Membran, 5,8
mg O2/l – 10 μm Membran) als auch die Nachweisgrenze
(1,5 mg O2/l – 0,6 μm Membran, 2,0 mg O2/l – 10 μm Membran) liegen
bei Messungen mit solch präparierten
Mycelsensoren deutlich günstiger
als bei den konventionell präparierten
Zell-Sensoren (
Beispiel 10 (Stabilität. Lagerkapazität)Example 10 (stability, storage capacity)
Die Stabilität und Lagerkapazität beider Sensoren wurde mit Hilfe von Glucose-Standard (1,88 mM Glucose) ermittelt. Dazu wurden die beiden Dialysemembranen (0,6 μm, 10 μm) mit 6,8 mg Mycelien/cm2 beladen und auf ihre Eignung zur BSB-Messung über einem Zeitraum von 110 Tagen getestet. Es wurde sowohl der Grundstrom (Io) als auch die mit Glucose als Standard erreichten Sensor-Signale ermittelt. Bei beiden Sensortypen betrug die Standardabweichung dieser Messwerte innerhalb von 110 Tagen weniger als 10%.The stability and storage capacity of both sensors was determined using glucose standard (1.88 mM glucose). For this purpose, the two dialysis membranes (0.6 μm, 10 μm) were loaded with 6.8 mg mycelia / cm 2 and tested for their suitability for BOD measurement over a period of 110 days. Both the background current (Io) and the sensor signals achieved with glucose were determined. At both Sen The standard deviation of these measurements within 110 days was less than 10%.
Auch die Lagerkapazität beider beladenen Membrantypen wurde ermittelt. Bei Lagertemperaturen von 4°C waren die Membranen bis zu 6 Monate lagerbar, ohne dass es zu Veränderungen der Sensorparameter kam. Damit weisen beide beladenen Membrantypen ähnliche Stabilitäten und Lagerkapazitäten wie der konventionell präparierte Mycel-sensor auf. Im Gegensatz dazu ist der konventionell präparierte Zell-Sensor nur 2 Monate lagerbar.Also the storage capacity both loaded membrane types was determined. At storage temperatures of 4 ° C The membranes were storable for up to 6 months without causing any changes the sensor parameter came. Thus, both loaded membrane types have similar stabilities and storage capacities like the conventionally prepared one Mycelium sensor on. In contrast, the conventionally prepared Cell sensor can be stored for only 2 months.
Beispiel 11 (Substratspezifität)Example 11 (substrate specificity)
Die auf Dialysemembranen mit 0,6 bzw. 10 μm Porendurchmesser über PU immobilisierten Mycelien wurden als mikrobielle Sensorkomponenten in bekannter Art und Weise präpariert. Mit beiden Sensortypen wurden verschiedene Substrate gemessen und die erhaltenen Signale mit einem konventionell hergestellten Mycel-Sensor verglichen.The immobilized on dialysis membranes with 0.6 or 10 microns pore diameter via PU Mycelia were used as microbial sensor components in a known manner and prepared. With both sensor types different substrates were measured and the signals obtained with a conventionally prepared mycelium sensor compared.
Der Vergleich der SensorBSB-Werte 29 unterschiedlicher Substrate, gemessen mit allen drei Sensortypen zeigt, dass deren Substratspezifität sehr ähnlich ist.Of the Comparison of SensorBSB values of 29 different substrates, measured with all three sensor types shows that their substrate specificity is very similar.
Tab.
3: Vergleich der Substratspezifität von A. adeninivorans LS3
Mycel-Sensoren, präpariert
nach der in diesem Patent neu beschiebenen und nach der konventionellen
Art und Weise. Für
die Herstellung der Sensoren wurden Dialysemembranen mit 0,6 μm und 10 μm Porendurchmesser
zur Immobilisierung der Arxula Mycelien (kultiviert bei 45°C) bzw. Zellen
(kultiviert bei 30°C)
genutzt. Die Messtemperatur betrug 37°C und die Substratkonzentration
der Messproben 1 mM.
Beispiel 12 (Parameter, die den Sensor beeinflussen)Example 12 (parameters that the sensor influence)
Die Eignung der drei Sensortypen zur Messung von NaCl-haltigen Proben beschreibt das Beispiel 12. Dazu wurden sie wie beschrieben präpariert und der Einfluß von steigenden Konzentrationen an NaCl auf die bei 37°C gemessenen Sensorsignale (ΔI) getestet.The Suitability of the three sensor types for the measurement of NaCl-containing samples describes Example 12. For this they were prepared as described and the influence of increasing concentrations of NaCl to those measured at 37 ° C Sensor signals (ΔI) tested.
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Biosensors + Bioelectronics, 14, 1999, S. 295-302 Antonie van Leeuwenhoek 68, S. 215-223, 1995 |
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