DE10346733A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Züchtung multizellularer Meerestiere wie beispielsweise Schwämme - Google Patents

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Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Züchtung multizellularer Meerestiere wie beispielsweise Schwämme. In diesem Zusammenhang organisieren sich Fragmente des jeweiligen Meerestieres in einer Lösung bei Vorhandensein wenigstens eines reaggregierenden Mineralzusatzes zu vollständigen Meerestieren. Erfindungsgemäß wird in die Lösung ein den reaggregierenden Mineralzusatz abgebendes Substrat (5) eingebracht. Das Substrat (5) ist mit einer Beschichtung (6) ausgerüstet, welche den reaggregierenden Mineralzustand zur Verfügung stellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Züchtung multizellularer Meerestiere wie beispielsweise Schwämme, wonach sich Fragmente des jeweiligen Meerestieres in einer Lösung bei Vorhandensein wenigstens eines reaggregierenden Zusatzes, insbesondere Mineralzusatzes, zu vollständigen Meerestieren organisieren.
  • Schwämme stellen bekanntermaßen die älteste lebende Spezies an multizellularen wirbellosen Meerestieren dar. Solche wirbellosen Meerestiere bzw. Evertebraten verfügen über ein begrenztes natürliches Vorkommen. Sie sind jedoch insbesondere für die pharmazeutische Industrie von Interesse, weil aus ihnen Inhaltsstoffe gewonnen werden können, die vorteilhaft in der Pharmaindustrie Nutzen entfalten. Zu diesen Inhaltsstoffen gehören antibiotische, cyostatische, antiinflammatorische oder andere pharmazeutisch bedeutungsvolle Stoffkomponenten.
  • Aufgrund dieser Tatsache erklärt sich das zunehmende Interesse an einer wirtschaftlichen Nutzung solcher Schwämme, um die in ihnen enthaltenen und wirtschaftlich interessanten Inhaltsstoffe vorteilhaft nutzen zu können.
  • Zu diesem Zweck sind in der Vergangenheit bereits Züchtungsverfahren zum Einsatz gekommen, welche sich die Fähigkeit der beschriebenen multizellularen Meerestiere zunutze machen, die in einer Reorganisation einzelner Fragmente besteht. Das heißt, bei Vorhandensein wenigstens eines reaggregierenden Stoffzusatzes, insbesondere Mineralzusatzes sind die Fragmente in der Lage, sich (wieder) zu vollständigen Meerestieren zu organisieren. Auf diese Weise kann beispielsweise ein einzelnes Meerestier nach seiner Zerkleinerung in die Fragmente als Keimzelle für eine Vielzahl gleich aufgebauter Meerestiere im Rahmen der Züchtung fungieren.
  • Es ist es bekannt, diese Reaggregation in künstlichem Meerwasser durchzuführen, welches über eine vorgegebene Zusammensetzung verfügt (vgl. Aufsatz von Michael Nickel, Sven Leininger, Günther Proll und Franz Brümmer "Comparative studies on two potential methods for the biotechnological production of sponge biomass"; Journal of Biotechnology 92 (2001) S. 169–179). Dabei kommt den mineralischen bzw. Salzbestandteilen des Meereswassers eine entscheidende Bedeutung zu.
  • So wird in der Literatur beispielsweise die Brückenbildung zwischen einzelnen Zellen durch Calcium-Ionen beschrieben. Hier geht die Annahme dahin, dass zwei anionische Zellgruppen jeweils durch ein positiv geladenes Calciumatom miteinander verbunden werden und so die Entstehung eines kompletten Organismus entscheidend unterstützen. Jedenfalls stellen bestimmte Stoffzusätze bzw. Mineralzusätze ein probates Mittel für die Reaggregation von Fragmenten bei Meerestieren zu (wieder) vollständigen Organismen dar (vgl. das Buch "Aggregation in Sponges" von Werner E. G. Müller, Isabel Müller und Rudolf K. Zahn; Akademie der Wissenschaften und der Literatur; I. Auflage; Mainz; in Kommission bei Franz Steiner Verlag GmbH, Wiesbaden (1978), S. 18 und 19).
  • Es ist also grundsätzlich bekannt, die Fähigkeit multizellularer Meerestiere zur Selbstorganisation aus Fragmenten für die Züchtung einzusetzen. In diesem Zusammenhang müssen zunächst die Fragmente gebildet und anschließend in eine Lösung eingebracht werden, die über den wenigstens einen reaggregierenden Mineralzusatz verfügt, um die Selbstorganisation zu initiieren. Die bekannten Verfahren sind aufwendig, schon weil im Rahmen der Publikation "Comparative studies ..." auf ein künstliches Meerwasser kontrollierter Qualität zurückgegriffen wird. Hier will die Erfindung insgesamt Abhilfe schaffen.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zur Züchtung multizellularer Meerestiere, wie beispielsweise Schwämme, anzugeben, welches mit im Vergleich zu bekannten Vorgehensweisen verringertem Aufwand arbeitet. Außerdem soll eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung angegeben werden.
  • Zur Lösung dieser technischen Problemstellung ist ein gattungsgemäßes Verfahren erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass in die Lösung ein den reaggregierenden Stoffzusatz bzw. Mineralzusatz freisetzendes bzw. abgebendes Substrat eingebracht wird.
  • Bei der Lösung handelt es sich bevorzugt aber nicht notwendigerweise um eine (mineralzusatzfreie) Meerwasserlösung. Im Gegensatz zum Stand der Technik nach der Literaturstelle "Comparative studies ..." greift die Erfindung also nicht (mehr) auf eine Lösung bzw. Meerwasserlösung vorgegebener Konsistenz zurück. Vielmehr setzt der Anmeldungsgegenstand die Erkenntnis um, dass für die Reaggreation der Fragmente primär die Menge an geeigneten Ionen des Mineralzusatzes von Bedeutung ist. Diese Ionen werden nun von dem Substrat zur Verfügung gestellt, welches den reaggregierenden Mineralzusatz bzw. Stoffzusatz abgibt.
  • Dabei hat es sich darüber hinaus herausgestellt, dass bisher die multizellularen Meerestiere nur in geklumpter Form, d.h. in der Regel als geschnittene Transplantate beliebiger Größe, eingesetzt werden konnten. Mit der Erfindung ist es nun jedoch möglich, einen flächendeckenden und homogenen Besatz zu erreichen.
  • In diesem Zusammenhang kann das Substrat selbst über eine entsprechende Beschichtung aus dem Stoffzusatz bzw. Mineralzusatz verfügen. Infolge dieser Beschichtung wird gewährleistet, dass einzelne Ionen der Beschichtung beim Einbringen des Substrates in die Lösung abgelöst werden und für die eingangs bereits beschriebene Brückenbildung zwischen einzelnen Zellen im Zuge der Selbstorganisation sorgen. Die Beschichtung mag aufgedampft oder abgeschieden sein. Besonders bevorzugt ist es jedoch, auf eine elektrolytisch aufgebrachte Beschichtung auf dem Substrat zurückzugreifen. Das heißt, das Substrat wird in einem vorgeschalteten Verfahrensschritt in einen Elektrolyt eingebracht, wobei sich nach Anlegen einer Gleichspannung der im Elektrolyt gelöste gewünschte und reaggregierend wirkende Mineralzusatz als Beschichtung auf das Substrat legt. Als Elektrolyt fungiert vorteilhaft natürliches Meerwasser, in dem der reaggregierende Mineralzusatz gelöst ist. Auf diese Weise kann die Beschichtung elektrolytisch in natürlichem Meerwasser auf das Substrat aufgebracht werden.
  • Dabei hat es sich bewährt, wenn das Substrat wenigstens eine elektrisch leitende Gitterstruktur aufweist bzw. beinhaltet. Hierbei kann es sich um einen metallischen Rahmen mit gegebenenfalls eingebrachten metallischen Quer- und/oder Längsstreben handeln. Diese elektrisch leitende Gitterstruktur mag als ein Gleichspannungspol gegenüber einer Drahtkonstruktion oder einem vergleichbaren elektrischen Leiter als anderem Gleichspannungspol fungieren. Auf diese Weise wird das Substrat bzw. die elektrisch leitende Gitterstruktur in dem als Elektrolyt wirkenden natürlichen Meerwasser mit dem gewünschten Mineralzusatz durch Anlegen einer Gleichspannung beschichtet. Je nach Stromstärke und Dauer der Gleichspannungsbeaufschlagung kann die Struktur und auch die Dicke der Beschichtung des Substrates gesteuert werden.
  • Zunächst werden die zerkleinerten Fragmente in eine mineralzusatzfreie Lösung eingebracht und filtriert. Dadurch besteht die Möglichkeit, im Filtrat überwiegend einzellige Strukturen des zu züchtenden Meerestieres zu erhalten. Die Anzahl der damit zur Verfügung stehenden Keime für die nachfolgende Züchtung ist also groß.
  • Im Anschluss daran wird das Filtrat auf das Substrat zur Zellaggregation aufgebracht. Das kann durch Aufträufeln, Besprühen etc. erfolgen. Auf diese Weise lagern sich die einzelligen Strukturen des jeweiligen Meerestieres auf dem Substrat ab, welches dadurch gleichzeitig eine Besatzstruk tur zur Verfügung gestellt. Infolge der Beschichtung des Substrates mit dem reaggregierenden Mineralzusatz sind die einzelligen Strukturen in der Lage, in der solchermaßen gebildeten Lösung frei umherschwimmende andere ein- oder mehrzellige Strukturen anzulagern. Es kommt folglich zu der beschriebenen Selbstorganisation, wobei am Ende des Züchtungsvorganges ein kompletter Organismus aus dem einzelligen Keim durch das Vorhandensein des reaggregierenden Mineralzusatzes entstanden ist. Dieser steht unmittelbar in dem Bereich zur Verfügung, wo er für die notwendige Brückenbildung zwischen den einzelnen Zellen benötigt wird, nämlich direkt am oder auf dem Substrat.
  • Wie einleitend bereits ausgeführt, stellt das Substrat in Gestalt der elektrisch leitenden Gitterstruktur insgesamt sicher, dass durch das beschriebene Züchtungsverfahren ein homogener Besatz an multizellularen Meerestieren, wie beispielsweise Schwämmen, erreicht wird. Dieser Besatz liegt flächendeckend vor. Das unterscheidet sich von bisherigen Maßnahmen, bei denen das Schwammmaterial nur in geklumpter Form zur Verfügung steht.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung, welche sich zur Züchtung multizellularer Meerestiere wie beispielsweise Schwämme im Rahmen des vorgestellten Verfahrens besonders eignet. Die Vorrichtung wird im Patentanspruch 7 beschrieben. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 8 bis 10.
  • Im Ergebnis werden ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zur Züchtung von insbesondere Schwämmen zur Verfü gung gestellt, die auf einfache Weise den reaggregierenden Mineralzusatz zur Verfügung stellen, und zwar exakt an der benötigten räumlichen Position. Tatsächlich greift die Erfindung auf ein Substrat zurück, welches vorzugsweise elektrolytisch in natürlichem Meerwasser mit der erforderlichen Beschichtung aus dem reaggregierenden Mineralzusatz ausgerüstet wird.
  • Im Rahmen der eigentlichen Züchtungsmaßnahme in beispielsweise einem Aquarium oder einem separaten Meerwasserbecken dient dieses Substrat nun als Besatzstruktur für die hierin eingebrachten zumeist einzelligen Meerestiere. Diese lagern sich auf dem Substrat bzw. der Beschichtung ab. Dadurch, dass die Beschichtung Ionen des reaggregierenden Mineralzusatzes an die (mineralzusatzfreie) (Meerwasser-)Lösung abgibt, sind die einzelnen Besatzorganismen in der Lage, Brücken zu in der Lösung befindlichen ein- oder mehrzelligen anderen Strukturen herzustellen. Auf diese Weise wächst das Meerestier zu einem vollständigen Organismus unter gleichzeitiger Selbstorganisation heran und kann dann abgeerntet werden. Hierin sind die wesentlichen Vorteile zu sehen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigen:
  • 1 eine Vorrichtung zur Züchtung multizellularer Meerestiere, wie beispielsweise Schwämme in schematischer Darstellung und
  • 2 das Substrat im Detail.
  • In den Figuren ist eine Vorrichtung zur Züchtung multizellularer Meerestiere dargestellt. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels geht es um die Vermehrung wirbelloser Meerestiere (Evertebraten), z.B. von Schwämmen. Zu diesem Zweck werden zunächst einzelne Fragmente der Meerestiere in einer Zerkleinerungseinrichtung 1 hergestellt. Bei dieser Zerkleinerungseinrichtung 1 mag es sich um einen angedeuteten Schredder handeln.
  • Die zerkleinerten Fragmente der Meerestiere werden im Anschluss daran in eine calcium- bzw. mineralzusatzfreie Lösung und in eine Filtereinheit 2 eingebracht. Ein Sieb 3 in dieser Filtereinheit 2 sorgt dafür, dass die beispielsweise in der calciumfreien Meerwasserlösung befindlichen Fragmente der Meerestiere eine Klassifizierung erfahren.
  • Denn das Sieb 3 bzw. der Filter ist mit Poren ausgerüstet, deren Größe im Wesentlichen der Zellgröße der Meerestiere entspricht. Auf diese Weise stellt die Filtereinheit 2 sicher, dass das bodenseitig der Filtereinheit 2 zur Verfügung stehende Filtrat im Wesentlichen im Meerwasser schwimmende einzellige Strukturen des betreffenden Meerestieres beinhaltet. Bei diesem Vorgang ist dafür Sorge zu tragen, dass die Lösung bzw. das Meerwasser für diese einzelligen Strukturen frei von dem eingangs bereits beschriebenen reaggregierenden Stoffzusatz, insbesondere Mineralzusatz (meistens Calcium) ist. Dies deshalb, um im Filtrat die an dieser Stelle unerwünschte Selbstorganisation der Meerestiere zu unterdrücken.
  • Das Filtrat wird nun in eine Zuchtanlage 4 eingebracht, bei dem es sich um ein Aquarium oder ein vergleichbares Aufnahmebecken handeln mag. Auch in diesem Fall wird man das Aquarium bzw. die Zuchtanlage 4 mit einer Meerwasserlösung beschicken, die den reaggregierenden Mineralzusatz nicht aufweist. Denn dieser soll einzig von dem in die Zuchtanlage 4 eingebrachten Substrat 5 geliefert werden, wie nachfolgend noch zu beschreiben ist.
  • Das Substrat 5 ist mit einer Beschichtung 6 umhüllt, die man in der 2 erkennt. Die Beschichtung 6 wird im Rahmen des Ausführungsbeispiels auf das Substrat 5 elektrolytisch aufgebracht. Dazu ist das Substrat 5 im Rahmen des Ausführungsbeispiels als elektrisch leitende Gitterstruktur bzw. als Stahldrahtgewebe ausgeführt. Selbstverständlich sind auch andere Strukturen denkbar.
  • Jedenfalls wird das Substrat 5 mit der Beschichtung 6 bodenseitig in die Zuchtanlage bzw. das Aquarium 4 eingebracht. Kopfseitig befindet sich eine Einlauf E für das durch die Filtriereinheit 2 gewonnene Filtrat. Auf diese Weise können sich die im Filtrat befindlichen einzelligen Strukturen auf dem Substrat 5 mit Beschichtung 6 niederlassen, welches folglich als Besatzstruktur fungiert.
  • Da die Beschichtung 6 gleichzeitig den reaggregierenden Mineralzusatz in die Meerwasserlösung gezielt abgibt, stehen im Bereich des Besatzes unmittelbar genügend Ionen des reaggregierenden Mineralzusatzes, nach dem Ausführungsbeispiel Calcium-Ionen, zur Verfügung. Diese von der Beschich tung 6 ständig abgegebenen Calcium-Ionen sorgen in unmittelbarer Nähe der sich auf dem Substrat 5 abgelagerten Besatzorganismen bzw. einzelligen Strukturen dafür, dass sich weitere Zellen des betreffenden Meerestieres anlagern und es zu der eingangs bereits beschriebenen Selbstorganisation kommt.
  • Am Ende stehen jeweils vollständig funktionsfähige Meerestiere auf dem Substrat 5 zur Verfügung, die problemlos abgeerntet werden können. Die Beschichtung 6 ist unverändert vorhanden, kann sich aber auch auflösen oder abgelöst bzw. entfernt werden.
  • Um nun die Beschichtung 6 auf das Substrat 5 aufzubringen, fungiert das Substrat 5 in natürlichem Meerwasser als Kathode für eine Gleichspannungsquelle 7. Die zugehörige Anode wird von einer Drahtkonstruktion 8 als weiterem Gleichspannungspol geliefert (vgl. hierzu auch die DE 101 61 174 C1 ) .
  • In diesem Zusammenhang mag das Substrat 5 bzw. die Kathode aus Stahl oder Eisen gefertigt sein, während die Anode 8 bzw. die dortige Drahtkonstruktion aus Titan bzw. Titanoxid, Blei, Graphit etc. hergestellt sein kann. Selbstverständlich können die Drahtgitterstruktur 8 und das Substrat 5 auch die Funktion von Anode und Kathode tauschen. Das hängt ebenso wie die zuvor beschriebene Materialwahl von der gewünschten elektrochemischen Reaktion ab.
  • Jedenfalls fungiert das umgebende Meerwasser als Elektrolyt und sorgt dafür, dass in dem natürlichen Meerwasser gelöste Mineralstoffe (im Wesentlichen Calcium) elektrochemisch als Beschichtung 6 auf dem Substrat 5 abgeschieden werden. Dadurch wird nicht nur das Substrat 5 in einen korrosionsresistenten Zustand überführt, sondern es steht zugleich die Beschichtung 6 zur Verfügung, um den reaggregierenden Mineralzusatz für die zu züchtenden Meerestiere in der Zuchtanlage 4 abgeben zu können.
  • Der beschriebene elektrochemische Vorgang lässt sich dabei einfach optisch nachweisen, weil an der Kathode 5 bei angelegter Gleichspannung gasförmiger Wasserstoff aufsteigt. Außerdem verbinden sich dort im natürlichen Meerwasser gelöste Magnesium- und Calcium-Ionen mit Hydroxylcarbonat-Ionen vor allem zu Magnesiumhydroxid und Calciumcarbonat. Diese Niederschläge umkrusten das Substrat 5, und zwar imprägniert mit geringen Mengen an Steinsalz sowie Calciumsulfat. Gleichzeitig werden an der Anode 8 negative Ionen oxydiert, beispielsweise Chlorid-Ionen zu Chlor.
  • Die Abscheidungsrate an dem Substrat 5, also das Wachstum der Beschichtung 6 und letztlich auch deren Dicke hängen direkt von der Stromdichte, also von der Stromstärke pro Kathodenfläche ab. Dabei kann beispielsweise mit einer hohen Stromstärke zudem eine raue Oberfläche der Beschichtung 6 erzielt werden, die das anschließende Anhaften und Wachstum der einzelligen Strukturen der Meerestiere in der Zuchtanlage 4 begünstigt. Aus der Beschichtung 6 werden primär Calcium-Ionen aus dem dort gebildeten Calciumcarbonat in der Zuchtanlage 4 in das calciumfreie Meerwasser bzw. das Meerwasser ohne den reaggregierenden Mineralzusatz abgegeben und sorgen – wie beischrieben – für die Brücken bildung zwischen den einzelnen Zellen im Zuge der Selbstorganisation der Meerestiere bei der Züchtung.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Züchtung multizellularer Meerestiere wie beispielsweise Schwämme, wonach sich Fragmente des jeweiligen Meerestieres in einer Lösung bei Vorhandensein wenigstens eines reaggregierenden Stoffzusatzes, insbesondere Mineralzusatzes zu vollständigen Meerestieren organisieren, dadurch gekennzeichnet, dass in die Lösung ein den reaggregierenden Mineralzusatz abgebendes Substrat (5) eingebracht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoffzusatz bzw. Mineralzusatz als elektrolytisch aufgebrachte, aufgedampfte, abgeschiedene etc. Beschichtung (6) auf dem Substrat (5) ausgebildet ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) elektrolytisch in natürlichem Meerwasser auf das Substrat (5) aufgebracht wird.
  4. Verfahren nach einem der, Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (5) wenigstens eine elektrisch leitende Gitterstruktur (5) als ein Gleichspannungspol gegenüber einer Drahtkonstruktion (8) als anderem Gleichspannungspol aufweist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zerkleinerten Fragmente in eine mineralzusatzfreie Lösung eingebracht und filtriert werden.
  6. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtrat auf das Substrat (5) mit der Beschichtung (6) zur Zellaggregation aufgebracht wird.
  7. Vorrichtung zur Züchtung multizellularer Meerestiere wie beispielsweise Schwämme, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit – einer Zerkleinerungseinrichtung (1) für die Meerestiere, ferner mit – eine Filtriereinheit (2), und mit – einer Zuchtanlage (4) mit darin befindlichem Substrat (5), welches den reaggregierenden Mineralzusatz abgibt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerkleinerungseinheit (1) als Schredder ausgebildet ist oder eine solchen aufweist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtriereinheit (2) mit einem Filter (3) mit Poren ausgerüstet ist, deren Größe im Wesentlichen der Zellgröße des Meerestieres entspricht.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuchtanlage (4) als Aquarium mit bodenseitigem Substrat (5) mit Beschichtung (6) und kopfseitigem Einlauf (E) für das Filtrat ausgebildet ist.
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