DE19606081A1

DE19606081A1 - Verfahren zum Entkeimen von Wasser

Info

Publication number: DE19606081A1
Application number: DE1996106081
Authority: DE
Inventors: Guilio Prof Jori
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-02-19
Filing date: 1996-02-19
Publication date: 1997-08-21
Also published as: IL125853A0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bekämpfen von bakteriellen Keimen in Wasser und Zusammensetzungen hier für.

Im Laufe der Jahre hat die Wasserreinheit und deren Einfluß auf die damit in Kontakt stehenden Produkte zunehmend an Bedeutung gewonnen. Eines der größten Probleme bei der Bereitstellung von sauberem Wasser stellt die bakterielle Kontamination dar. Es gibt zahlreiche Verfahren zum Verhindern oder Entfernen solcher Kontaminationen aus Wasser, die jedoch alle gewisse Nachteile aufweisen. So kennt der Stand der Technik beispielsweise Ver fahren, bei denen zur Desinfektion Chemikalien, Dampf, UV-Licht, Sterilfiltration oder Ozon eingesetzt wird. Sämtliche dieser Verfahren besitzen jedoch Nachteile, die die Anwendung in großem Stil teilweise als ökonomisch wenig sinnvoll erschei nen lassen. So kann beispielsweise die Chemikalienbehandlung die Qualität des Wassers durch die eingebrachten Chemikalien nachteilig beeinflussen. Die Ultraviolettbehandlung birgt das Risiko, daß die Desinfektion nur unvollständig erfolgt, insbe sondere bei größeren Mengen zu behandelnden Wassers. Die Ste rilfiltration vermag zwar bakterielle Keime bis zu einem gewis sen Grade zu beseitigen, sie ist jedoch nicht geeignet, das er neute bakterielle Wachstum zu verhindern.

Ein Anwendungsbereich, der die Entkeimung großer Mengen an Was ser erforderlich macht, ist die Fischzucht, die insbesondere auch die steigenden Bedürfnisse an Nahrungsmitteln befriedigen soll. Die Produktivität von Fischzuchtanlagen hängt u. a. davon ab, inwieweit die Übertragung von Krankheiten auf die gezüchte ten Fische eingeschränkt oder verhindert werden kann. Die Ver unreinigung des Wassers mit Keimen ist besonders stark zu Jah reszeiten, in denen sich die Temperatur erhöht und somit das bakterielle Wachstum zunimmt. Auch die Streßbedingungen für die Fische erhöhen sich aufgrund erniedrigter Konzentrationen an gelöstem Sauerstoff, so daß deren Krankheitsanfälligkeit zu nimmt.

In Monokulturen, wie Fischfarmen, erhöht die große Anzahl an Tieren pro Volumeneinheit Wasser die Vermehrung und Ausbreitung von patentiell pathogenen Mikroorganismen, die die Fische infi zieren können. Somit kann der Keimgehalt des Wassers die Pro duktivität der Anlage nachteilig beeinflussen. Fischkrankheiten können in vier Hauptgruppen eingeteilt werden:

i) sporadische Erkrankungen, die nur zufällig auftreten und eine vergleichsweise geringe Anzahl an Fischen einer Popu lation befallen;
ii) epizootische Erkrankungen, die Krankheitsausbrüche in gro ßem Ausmaß darstellen und vorübergehend innerhalb einer bestimmten Region auftreten;
iii) panzootische Erkrankungen, die über einen großen geogra phischen Bereich hinweg auftreten; und
iv) enzootische Erkrankungen, die persistieren oder wiederholt in einem niedrigen Ausmaß in bestimmten Bereichen auftre ten.

Es sind zahlreiche bakterielle Pathogene in Wasser identifi ziert worden, einschließlich gram-positive Stäbchen- und Kok kenbakterien, Aeromonaden, Myxobakterien, gram-negative Stäbchenbakterien, Vibrios und Pseudomonaden. Neben den oben aufgeführten Verfahren zur Entkeimung von Wasser sind in der Fischindustrie insbesondere auch Impfstoffe oder das Einbringen von antimikrobiellen Verbindungen als Maßnahmen ergriffen wor den, um die Ausbreitung von Krankheiten zu unterdrücken. Jedoch sind diese Maßnahmen von beschränkter Wirksamkeit und verursa chen enorme Kosten und stellen ferner ein Risiko für die Umge bung dar.

Weitere Informationen über die mikrobielle Verunreinigung und die Behandlung von verunreinigtem Wasser wird in dem folgenden Stand der Technik beschrieben: Austin B. und Austin D.A., "Bacterial Fish Pathogens", Ellis Harwood Ltd, Chichester (1987); Yoshimizu M., Kimura T. und Sakai M. Bull. Japan. Soc. Scientific Fisheries 46: 967-975 (1980); Kinne O., "Diseases of Marine Animals Vol. 1: General Aspects, Protozoa to Gasteropo da", J. Wiley & Sons, Chichester (1990); Cipriano R. C., Tran sactions Amer. Fisheries Soc. 112: 95-99 (1992); Monjour L., "Rural Hydraulics and Health" Houille Blanche, Herausg. Assoc. Hau, Agric. et Sante, France (1993), Seiten 233-245; Morris R.W., Grabow O.K. und Dufour A.P. "Health-related Water Micro biology", Pergamon Press, Oxford (1993); Pouliquen H., Le Bris H. und Pinault L., Aquaculture 112: 113-123 (1993); Comes F., Huau M.C. und Kloninger P., Water Sci. Technol. 25: 123-133 (1992). Die Ozonbehandlung von Wasser stellt heutzutage das be deutendste Verfahren zur Entkeimung von Wasser dar. Dieses Ver fahren erfordert jedoch nach Abschluß der Ozonbehandlung das Entfernen von Ozon aus dem behandelten Wasser, wobei die Ozon entfernung einen großen apparativen Aufwand erforderlich macht.

So sind beispielsweise häufig verwendete Impfstoffe, nämlich inaktivierte bakterielle Zellen oder gereinigte subzelluläre Organellen, oft schädlich für zahlreiche Bestandteile von Meer wasser oder Frischwassersystemen mit dem Ergebnis, daß das öko logische Gleichgewichtssystem gestört wird. Ähnlich besitzen auch antimikrobielle Substanzen, von Antibiotika bis hin zu verschiedenen anderen Chemikalien, mehrere Nachteile, wie bei spielsweise die Entwicklung einer resistenten Mikroflora und die Resistenzübertragung auf andere Erreger mittels Plasmid transfer; die Freisetzung von Wirkstoffen in das Wasser der Um gebung mit möglicherweise nachteiligen Wirkungen für den Men schen; die Ablagerung von Abbauprodukten der eingebrachten Che mikalien in der Umgebung mit möglicherweise akkumulierenden toxischen Wirkungen auf die Lebewesen in der Umgebung der Anla ge. Typische Beispiele für umweltschädliche Chemikalien, die in der Fischindustrie verwendet werden, sind Chloramphenicol, Chloramin B und T sowie Tetracycline.

Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung das technische Pro blem zugrunde, ein Verfahren zur Bekämpfung von bakteriellen Keimen in Wasser bereitzustellen, das eine hohe antibakterielle Effizienz besitzt, das umweltschonend und auch im großindustri ellen Maßstab kostengünstig durchzuführen ist.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Bekämpfen von bakteriellen Keimen in Wasser, bei dem das keimhaltige Wasser mit mindestens einem Photosensibilisator der Tetrapyrrol- und/oder Tetraazapyrrolreihe, der mindestens eine positive Ladung trägt, in Kontakt gebracht und elektromagneti scher Strahlung, vorzugsweise Licht, ausgesetzt wird.

Fig. 1 zeigt die Wirkung von Photosensibilisatoren auf ver schiedene Bakterien.

Fig. 2 zeigt den beispielhaften Aufbau einer Anlage zur Be handlung von Wasser unter Verwendung des erfindungsgemäßen Ver fahrens, die je nach verfügbarem Stand der Technik und Einsatz ziel beliebig durch unterschiedlichen Einsatz technischer Kom ponenten modifiziert werden kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können gram-positive wie auch gram-negative Bakterien wirksam bekämpft werden. Insbeson dere besitzt das erfindungsgemäße Verfahren jedoch gegenüber Alternativverfahren den Vorteil, daß gram-negative Bakterien, die gegenüber zahlreichen anderen Chemikalien resistent sind, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren äußerst wirksam bekämpft werden können.

Als "Photosensibilisatoren" werden hierin Verbindungen verstan den, die elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise sichtbares Licht, absorbieren und die Bildung von Radikalen und/oder Sin gulett-Sauerstoff aus Triplett-Sauerstoff unter Einfluß der Strahlung katalysieren können. Für den Einsatz in der vorlie genden Erfindung kommen Tetrapyrrol- und/oder Tetraazapyrrol verbindungen in Betracht, die mindestens eine positive Ladung enthalten (kationische Photosensibilisatoren). Eine bevorzugte Gruppe, die die positive Ladung in dem Molekül trägt, ist eine quartäre Ammoniumgruppe. Die Art der Substituenten an dem Ma krozyklus ist für die photochemischen Eigenschaften der Photo sensibilisatoren von untergeordneter Bedeutung; sie beeinflus sen im wesentlichen die Löslichkeitseigenschaften. Demzufolge kann der Fachmann durch gezieltes Einführen von Substituenten dem Photosensibilisator die gewünschten Löslichkeitseigenschaf ten verleihen unter Beibehaltung der photochemischen Eigen schaften der Ausgangsverbindung. Dein Fachmann steht eine Viel zahl an gewerblich erhältlichen Verbindungen, die für den vor liegenden Zweck geeignet sind, zur Verfügung.

Wenn ein Photosensibilisator der oben genannten Art, vorzugs weise mit Licht, bestrahlt wird, entfaltet er seine antibakte rielle Wirkung über die Aktivierung von Sauerstoff und/oder die Förderung von Vorgängen, an denen Radikale beteiligt sind. Vor zugsweise wird eine Strahlung mit einem Spektrum in dem Bereich von ca. 350-900 nm eingesetzt.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß das erfindungsgemäße Verfahren eine gute Wirksamkeit bei der Bekämpfung von gram negativen Bakterien erlaubt. Typische Beispiele für gram negative Bakterien, die rasch und effizient durch die Bestrah lung mit sichtbarem Licht in Anwesenheit von kationischen Pho tosensibilisatoren inaktiviert werden, umfassen Escherichia co li, Pseudomonas aerogiinosa und Vibrio anguillarum. Das erfin dungsgemäße Verfahren eignet sich somit zur Bekämpfung einer Vielzahl an gram-negativen Bakterien. Andererseits können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch gram-positive Bakterien, wie Staphylococcen und Streptococcen inaktiviert werden. Die für die antibakterielle Aktivität erforderliche positive Ladung kann durch beliebige Substituenten des Makrozyklus in das Mole kül eingeführt werden, wobei mindestens eine Seitenkette in be sonders bevorzugter Weise mindestens eine Aminogruppe oder des sen Mono-, Di- und/oder Trialkylderivat enthält. Die positive Ladung kann beispielsweise auch durch eine N-Alkylpyridyl-Funk tion in das Molekül eingeführt werden. Die Anzahl der positiv geladenen Substituenten liegt vorzugsweise in dem Bereich von 1 bis 4. Die positive Ladung des Substituenten kann durch Anio nen, wie beispielsweise Halogenidionen oder durch Tosylat, neu tralisiert werden.

Als Photosensibilisator sind besonders bevorzugt Verbindungen aus der Gruppe der Bacteriochlorine, Chlorine, Porphycene, Por phyrine, Phthalocyanine und Naphthalocyanine. Porphycene sind Tetrapyrrolderivate, wie beispielsweise beschrieben in E. Vo gel, M. Köcher, H. Schmickler, J. Lex, (1986), Angewandte Che mie 98, S. 262. Es sind elektronische Isomere von Porphyrinen, da sie durch eine 18π-Elektronenwolke charakterisiert sind, die für ihre aromatischen Eigenschaften, ihre Absorption im nahen UV-/sichtbaren Licht und ihr Fluoreszenzemissionsspektrum ver antwortlich sind. Porphyrine stellen ebenfalls ein 18π-Elek tronensystem dar, jedoch unterscheiden sie sich von den Porphycenen in ihrer chemischen Struktur (insbesondere der An zahl der Kohlenstoffatome oder der Methinbrücken, die die ein zelnen Pyrrolringe verbinden: 1,1,1,1 bei Porphyrinen; 2,0,2,0 bei Porphycenen). Weiterhin sind die Eigenschaften der Absorp tionsspektren unterschiedlich, nämlich die Intensität und Posi tion der Soret-Bande in dem nahen UV- und dem Blaubereich sind unterschiedlich (siehe z. B. J. Walluc, M. Müller, P. Swiderek, M. Köcher, E. Vogel, G. Hohlneicher, J. Michl, (1991), J. Amer. Chem. Society, 113: 5551). Die photophysikalischen Sauerstoff photoaktivierenden Eigenschaften von Porphycenen sind aus führ lich untersucht worden (P.E. Anamenidia, R.W. Redmond, S. No nell, W. Schuster, S.E. Braslawsky, K. Schaffner, E. Vogel, (1986) Photochem. Photobiol., 44: 555, und R.W. Redmond, S. Valduga, S. Nonell, S.E. Braslawsky, K. Schaffner, (1989), J. Photochem. Photobiol. 3: S. 193, (1989)). Porphycene sind effi ziente Erzeuger von Singulett-Sauerstoff; sie sind somit geeig net zum Fördern der Inaktivierung von biologischen Systemen bei der Aktivierung durch nahes UV- oder sichtbares Licht.

Vorzugsweise besitzen die Porphycene die folgenden gemeinsamen Merkmale:

a) Sie besitzen vier Substituenten in den Positionen 2, 7, 12, 17 des Tetrapyrrol-Makrozyklus; üblicherweise umfassen solche Substituenten vier Alkylketten (z. B. Tetrapropylde rivate) oder vier Alkoxyketten (z. B. Tetra-methoxy- oder Tetra-ethoxy-Derivate);
b) Eine Seitenkette liegt in der 9-Position vor, d. h. an ei nem zwischen den Ringen gelegenen Kohlenstoffatom. Dieser Substituent kann beispielsweise ein Hydroxyderivat, ein Ester, ein Amid oder ein Ether mit einer Alkylgruppe un terschiedlicher Komplexität darstellen; beispielsweise um faßt die Kohlenwasserstoffkette 1 bis 18 C-Atome.

Die Substituenten beeinflussen die physikochemischen Eigen schaften der Porphycene, wie ihre Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln. Jedoch besitzt die Natur der Substituenten nur einen geringen Einfluß auf die Absorptions- und Fluoreszenz emissionsspektren wie auf die photochemischen Eigenschaften. Somit ist ihr Einfluß auf die Erzeugung von Singulett-Sauer stoff und ihre antibakterielle Wirkung nur von untergeordneter Bedeutung.

Das Grundgerüst für Porphycene lautet wie folgt:

Das Einführen einer positiven Ladung durch eine Seitenkette in das obige Grundgerüst ist dem Fachmann geläufig.

Neben den Porphycenen kommen weiterhin Mitglieder der Bacterio chlorine, Chlorine, Porphyrine, Phthalocyanine und Naphtha locyanine als geeignete Verbindungen in Betracht. Die Gruppe der Bacteriochlorine, Chlorine, Porphyrine, Phthalocyanine und Naphthalocyanine ist seit langem bekannt und ausführlich in der Literatur beschrieben. Eine Vielzahl der Verbindungen ist ge werblich erhältlich. Auch das Einführen des bzw. der die posi tive Ladung tragenden Substituenten in das Molekül ist dem Fachmann geläufig.

Das Grundgerüst für Porphyrine, Bacteriochlorine, Chlorine, Phthalocyanine und Naphthalocyanine lautet wie folgt:

Besonders gute antibakterielle Wirkungen entfalten die Photo sensibilisatoren, wenn sie mindestens zwei positive Ladungen in dem Molekül enthalten, wobei es besonders vorteilhaft ist, wenn die zwei positiven Ladungen in den Mesopositionen vorliegen, so daß es zu einer asymmetrischen Verteilung der positiven Ladun gen in dem Molekül kommt. Jedoch zeigt ein Molekül mit einer einzigen positiven Ladung bereits antibakterielle Aktivität.

Bacteriochlorine, Chlorine, Porphyrine, Phthalocyanine und Naphthalocyanine können eine große Anzahl verschiedener Metall ionen in dem Zentrum des Makrozyklus binden, wobei jeweils nur ein Ion gleichzeitig gebunden werden kann; das Metallion wird an die vier Stickstoffatome der Pyrrolringe über koordinative Bindungen gebunden, wobei Hybridelektronenorbitale an der Bin dung beteiligt sind. Somit können stabile Komplexe hergestellt werden, wenn Metallionen verwendet werden, die tetrakoordinier te Derivate ergeben können, wobei eine Hexakoordination oder Pentakoordination ebenfalls zulässig ist, in manchen Fällen so gar bevorzugt sein kann.

Andererseits sind Porphycene schwieriger in Metallkomplexe zu überführen, da die Geometrie des Makrozyklus etwas gestört ist im Vergleich zu Porphyrinen.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden mehrere verschiedene Photosensibilisatoren gleichzeitig bei der Wasser behandlung eingesetzt. Dabei ist es insbesondere von Vorteil, wenn die verschiedenen Photosensibilisatoren so ausgewählt wer den, daß das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts von 350 nm bis 900 nm zur Photosensibilisierung ausgenutzt wird. Es werden somit Verbindungen ausgewählt, die verschiedene Absorptionsma xima besitzen, beispielsweise eine Verbindung mit einem Absorp tionsmaximum bei ca. 400 nm, eine Verbindung mit einem Absorp tionsmaximum bei ca. 500 nm und eine weitere Verbindung mit ei nem Absorptionsmaximum bei ca. 600 nm. Eine solche Kombination an Photosensibilisatoren mit unterschiedlichen Absorptionsmaxi ma hat den Vorteil, daß Tageslicht besonders effizient ausge nutzt werden kann, insbesondere wenn man berücksichtigt, daß sich das Spektrum des Tageslichts in den frühen Morgenstunden und späten Abendstunden von dem Licht zur Mittagszeit unter scheidet. Bei Anwendungen, in denen Tageslicht nicht zur Verfü gung steht, kann das Licht auch mittels herkömmlicher Licht quellen bereitgestellt werden.

Weiterhin ist es bevorzugt, daß die zum Einsatz gelangenden Photosensibilisatoren an einen festen Träger gebunden vorlie gen, und so als Teil einer festen Matrix in das zu behandelnde Wasser eingebracht werden. Besonders bevorzugt ist als Träger ein Polymer, welches den Photosensibilisator daran in kovalent gebundener Weise trägt. Diese Zusammensetzung, umfassend den Träger und den Photosensibilisator, entwickelt die antibakteri elle Aktivität sobald sie Licht ausgesetzt wird. Dabei ist sichtbares Licht in dem Bereich von ca. 350 bis 900 nm beson ders bevorzugt.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in zahlreichen Gebie ten der Technik als einfaches und äußerst effizientes Wasser aufbereitungsverfahren einsetzen. Zu den Anwendungsbereichen zählen beispielsweise die Abwasserbehandlung, die Aufbereitung von Wasser für die Getränke- und Lebensmittelindustrie, die Pharma-, Chemie- und Kosmetikindustrie, die Elektroindustrie, ferner die Trinkwasser- und Regenwasseraufbereitung und schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch für die Aufbereitung von Wasser für den Einsatz in der Klimatechnik eingesetzt werden.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiele für Verbindungen, die nach Einbringen von mindestens einer positiven Ladung in das Ringsystem für die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeignet sind, werden im folgenden ange führt.

M = Metallion
R = periphärer Substituent zum Einführen der positiven Ladung
L = axialer Ligand

9-Hexyloxy-2,7,12,17-tetrakis(methoxyethyl)porphycen

9-Methoxy-2,7,12,17-tetrakis(methoxyethyl)porphycen

9-(Stearoylamid)-2,7,12,17-tetrakis(methoxyethyl)porphycen

9-(Nikotinsäureamid)-2,7,12,17-tetrakis(methoxyethyl)porphycen

9-Acetoxy-2,7,12,17-tetrakis(ethoxyethyl)porphycen

5,10,15,10-Tetrakis(m-hydroxyphenyl)porphyrin

5,10,15,20-Tetrakis(m-hydroxyphenyl)chlorin

5,10,15,20-Tetrakis(m-hydroxyphenyl)bacteriochlorin

Verfahren zur Behandlung von Wasser in einer Anlage zur Fisch zucht, wobei das Verfahren auch in mehreren Bereichen der Tech nik in vorteilhafter Weise angewendet werden kann, gegebenen falls unter Anpassung an die jeweiligen technischen Erforder nisse.

Bei dieser Anwendung erfolgt die Behandlung des Wassers da durch, daß das Wasser aus dem Fischteich in einen Container überführt wird, dessen transparente Wände mit dem polymergebun denen Photosensibilisator beschichtet sind. Der Container wir mit einer Reihe an Lichtquellen bestrahlt, wobei die Lichtquel len die Kontrolle der Lichtintensität erlauben. Nachdem das Wasser nach einer vorab bestimmten Kontaktzeit mit dem Photo sensibilisator in Kontakt war, wird es erneut dem Fischteich zugeführt.

Bei einer anderen Ausführungsform wird in einen Behälter, der für die Aufbewahrung von keimfreiem Wasser dienen soll, der Photosensibilisator auf einem Träger eingebracht, wobei der Träger weiterhin lichterzeugende Materialien enthält, wie bei spielsweise LED′s. Eine solche Vorrichtung erlaubt die Aufbe wahrung großer Wassermengen über einen langen Zeitraum ohne die Gefahr der bakteriellen Kontamination des Wassers.

Kopplung des Photosensibilisators an einen festen Träger:
Die unten aufgezeigte Reaktionsfolge zeigt die einzelnen Schritte, mit denen TCPCM an eine Sephadex- bzw. Zellulosema trix gekoppelt werden kann.

Im obigen Reaktionsschema haben die verwendeten Abkürzungen folgende Bedeutung:

Antibakterielle Aktivität von Tetra (N-methyl-pyridyl)-porphin (T₄MPyP) und cis-Di-(N-methyl-pyridyl)-diphenyl-porphin (Di(4- N-MPy)Ph₂P):
In Di(4-N-MPy)Ph₂P waren die zwei N-methyl-pyridylgruppen an zwei benachbarten Ringen angebracht, nämlich auf der gleichen Seite des Makrozyklus.

Das Besondere an dem Dipyridylderivat ist, daß dieses Molekül eine ausreichende Polarität besitzt, um wasserlöslich zu sein, wobei gleichzeitig eine hydrophobe Matrix auf der anderen Seite des Makrozyklus vorliegt, die dessen Wechselwirkung mit apola ren Domänen einer Zelle (z. B. Lipidregionen von zellulären Mem branen) erleichtert und somit die Bindung verstärkt und eine effizientere Akkumulation an der Zelle ermöglicht. Tabelle 1 unten zeigt, daß Di(4-N-MPy)Ph₂P selbst nach mehrmaligem Wa schen wider von E. seriolicida (gram-positiver Stamm) noch von V. anguillarum oder E. coli (gram-negative Stämme) abgewaschen wird. Eine stärkere Verringerung der Menge an zellgebundener Substanz wird für T4MPyP beobachtet. Daraus wird geschlossen, daß Verbindungen des ersten Typs (di(4-N-MPy)Ph₂P) eine bessere antibakterielle Wirkung in wäßrigen Systemen entfalten könnten als die Verbindung des Typs T₄MPyP, obwohl auch letztere anti bakterielle Aktivität zeigen. Ein längerer inniger Kontakt zwi schen dem Photosensibilisator und der Bakterienzelle erhöht die Wirkung von Singulett-Sauerstoff, der durch die Bestrahlung er zeugt wird, auf die Bakterienzelle.

Tabelle 2 zeigt, daß Di(4-N-MPy)Ph₂P eher an den Spheroplasten oder Protoplasten angelagert wird als an die äußere Zellwand. Dies bedeutet, daß das dikationische Porphyrin sich in den Zellinneren Kompartments anzuordnen scheint, die besonders kri tisch sind für das Überleben der Zelle. Wiederum wird die Por phyrinkonzentration in diesen endozellulären Stellen durch Waschvorgänge nicht merklich erniedrigt; nur der äußerlich ge bundene Photosensibilisator wird entfernt.

Andererseits wird T₄MPyP weniger effizient an den Spheroplasten oder Protoplasten gebunden und wird rascher von den äußeren und inneren Bindungsstellen entfernt.

Daraus kann geschlossen werden, daß di(4-N-MPy)Ph₂P ein besse rer Photosensibilisator für die Inaktivierung von Bakterien im Vergleich zu T₄MPyP zu sein scheint.

Wie weiterhin aus Fig. 1 ersichtlich, die die Kinetiken des Abtötens von gram-negativen Bakterien durch Photosensibilisato ren zeigt, nimmt die Effizienz von T₄MPyP stärker durch die Waschvorgänge ab. Das dikationische Porphyrin ist weniger sen sitiv gegenüber Waschen und behält eine hohe Photoaktivität bei. Weiterhin induziert Di(4-N-MPy)Ph₂P sowohl bei Vibrio an guillarum als auch Escherichia coli eine raschere und intensi vere Photoinaktivierung als T₄MPyP.

TABELLE 1

Wiedergewinnung von mesosubstituierten Porphyrinen von ausge wählten Gram(+) und Gram(-) Bakterienstämmen nach 5 Minuten der Inkubation mit 8,4 µM Photosensibilisator und nach verschiede nen Waschschritten

TABELLE 2

Wiedergewinnung von mesosubstituierten Porphyrinen von Zellwand und Protoplasten oder Spheroplasten von ausgewählten Gram(+) und Gram(-) Bakterienstämmen nach 5 Minuten Inkubation mit 8,4 µM Photosensibilisator und nach verschiedenen Waschschritten

Photophysikalische und photochemische Charakterisierung von fi xierten Photosensibilisatoren

Die Photosensibilisatoraktivität der an ein Polymer gebundenen Derivate kann durch Bestimmung der Quantenausbeute und der Le benszeit des niedrigsten angeregten Triplettzustands und der Quantenausbeute der ¹O₂-Erzeugung bestimmt werden.

Der erste Parameter kann beispielsweise durch Laser-Flash-Pho tolyse und diffuse Reflektanz ermittelt werden. Diese Mes sungen erlauben die Auswahl eines Photosensibilisators, der für den gewünschten Zweck eine ausreichend große Halbwertszeit zum Ermöglichen der Reaktion mit Sauerstoff im Grundzustand be sitzt. Die Effizienz der Sauerstoffumwandung zu ¹O₂ wird durch Bestimmung der Lumineszenzemission im nahen Infrarotbereich von ¹O₂ ermittelt, wobei ein stickstoffgekühlter Ge-Detektor ver wendet wird. Obwohl diese Information für die meisten Photosen sibilisatoren dem Fachmann geläufig ist, kann es dennoch wün schenswert sein, diese Daten für einen Photosensibilisator zu bestimmen, wenn er an einen bestimmten inerten Träger gebunden ist, um so beispielsweise sterische Hinderungen oder andere Mo difikationen der photophysikalischen Parameter zu untersuchen. Weiterhin kann die Reaktionskonstante der Reaktion des Photo sensibilisators mit Sauerstoff gegenüber der Reaktionskonstante mit anderen Substraten (z. B. ungesättigen Lipiden, Steroiden, aromatischen oder schwefelhaltigen Aminosäuren) ermittelt wer den, um die Selektivität der ¹O₂-Erzeugung zu ermitteln. Beson ders bevorzugt für den Einsatz in dem erfindungsgemäßen Verfah ren sind solche Photosensibilisatoren, die ausschließlich ¹O₂ erzeugen.

Anlage zur Behandlung von keimhaltigem Wasser:

Ein Durchflußreaktor für die Wassersterilisation besteht im we sentlichen aus den folgenden Elementen:

i) einer Verbindung vom Porphyrintyp, die ein Mehrbandenab sorptionsspektrum im sichtbaren Bereich besitzt, so daß die Verbindung im wesentlichen durch sämtliche Wellenlän gen im Bereich von 350 bis 900 nm photoaktiviert werden kann.
ii) einem inerten Träger, wie ein polymeres Material vom Se phatextyp oder anorganische Kügelchen (z. B. Ton), die was serunlöslich sind, und an die der Photosensibilisator ko valent angebracht wird; als Folge der kovalenten Anbindung wird das Porphyrin nicht in Lösung gehen, nicht in dem wäßrigen Milieu verteilt, und es kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt entfernt werden.
iii) eine Einrichtung zur Anregung der Porphyrinverbindung durch billige sichere und leicht zu handhabende sichtbare Lichtquellen, die Licht erzeugen, welches tief in das Was ser eindrigen kann; dies erlaubt die gleichmäßige Bestrah lung großer Volumina.
iv) ein flüchtiges cytotoxisches Mittel, nämlich Singulett-Sauer stoff (¹O₂), das von dem Photosensibilisator unter Bestrahlung erzeugt wird; ¹O₂ besitzt eine Lebensdauer von wenigen Mikrosekunden in mit Luft equilibriertem Wasser und kann ca. 15 mm weit diffundieren, bevor es desakti viert wird. Der erzeugte Singulett-Sauerstoff entfaltet dann seine inaktivierende Wirkung auf die Mikroorganismen.

Die Anlage zur Behandlung des Wassers ist schematisch in Fig. 2 gezeigt. Der aus mehreren Schichten bestehende Zylinder ab sorbiert die Bakterien aus dem Wasser, das durch ihn hindurch geführt wird, während die Rotation des Zylinders die Wirksam keit der Bakterienabsorption erhöht. Die Desinfektion wird mit Hilfe der Photosensiblilisatoren in dem Wasser durchgeführt, das aus dem Fischbecken entnommen wird, ohne daß es vorher ei ner mechanischen Filtration unterzogen werden muß. Dieses Was ser wird einer Photodekontaminationseinheit zugeführt, die den Photosensibilisator in polymerfixierter Form enthält. Das Poly mer ist mit Wasser equilibriert, wodurch es extensiv anschwillt und einen innigen Kontakt zwischen dem Photosensibilisator und den Pathogenen erlaubt. Danach wird der Tank mit Lampen be strahlt, die ein geeignetes Spektrum und Intensität (ca. 500 W) abgeben. Das der Dekontaminationseinheit entnommene, sterili sierte Wasser wird dann dem weiteren Kreislauf zugeführt. Die ser Vorgang kann, falls erforderlich, mehrmals wiederholt wer den, bis eine angemessene Entkeimung des Wassers erzielt ist.

Die Dekontaminationseffizienz kann verfolgt werden, beispiels weise durch das Bestimmen der restlichen Bakterienpopulationen und der Anzahl der Keime als eine Funktion der verschiedenen Behandlungsvorgänge. Auch können die rotierenden Filter, an de nen die Mikroorganismen absorbiert wurden, mit Elektronenmikro skopie oder Röntgenstrahlenmikroanalyse untersucht werden, um die daran absorbierten Mikroorganismen zu identifizieren und deren Lebensfähigkeit zu untersuchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit das Bereitstellen von Wasser mit verbesserter Qualität eine Verringerung der Krankheitsanfälligkeit von darin kultivierten Fischen, weiter hin erübrigt es den Einsatz von chemischen oder biologischen Abfallprodukten bei gleichzeitiger Sterilisation des Wassers.

Ferner hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß es eine geringe Menge an Abfall produziert, der Energieeinsatz ist gering, da billige sichtbare Lichtquellen bzw. Sonnenlicht ein gesetzt werden, und das Verfahren beeinhaltet ein geringes Ri siko für die Verbraucher von Fisch wegen möglicher Rückstände.

Claims

1. Verfahren zum Bekämpfen von gram-positiven und/oder gram- negativen bakteriellen Keimen in Wasser, dadurch gekennzeich net, daß das keimhaltige Wasser mit mindestens einem Photosen sibilisator der Tetrapyrrol- und/oder Tetraazapyrrolreihe, der mindestens eine positive Ladung trägt, in Kontakt gebracht und elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den bakteriellen Keimen um gram-negative Bakterien handelt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Photosensibilisator ausgewählt wird aus Bacteriochlorinen, Chlorinen, Porphycenen, Porphyrinen, Phtha locyaninen und Naphthalocyaninen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der Photosensibilisator 2 bis 4 positive Ladungen enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Photosensibilisator zwei positive Ladungen enthält, die sich in zwei benachbarten Pyrrolringen befinden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß verschiedene Photosensibilisatoren gleichzeitig eingesetzt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzten Photosensibilisatoren so ausgewählt werden, daß das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts zur Photosensibili sierung ausgenutzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der Photosensibilisator an einen festen Träger gebunden ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß als elektromagnetische Strahlung sichtbares Licht von 350 nm bis 900 nm verwendet wird.

10. Verwendung von einem Photosensibilisator der Tetrapyrrol- und/oder Tetraazapyrrolreihe, der mindestens eine positive La dung trägt, zur Behandlung von Wasser, das bakterielle Keime enthält.

11. Zusammensetzung umfassend einen Photosensibilisator der Tetrapyrrol- und/oder Tetraazapyrrolreihe, der mindestens eine positive Ladung trägt, und einen festen Träger.

12. Zusammensetzung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Träger ein Polymer ist.

13. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, da durch gekennzeichnet, daß sie eine antibakterielle Aktivität aufweist, wenn sie elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt wird.