DE2558750B2

DE2558750B2 - Herstellung einer Masse von in einer physiologischen Lösung suspendierten, eine Zellwand aufweisenden lebenden Zellen von Lebewesen

Info

Publication number: DE2558750B2
Application number: DE2558750A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr. Pilwat; Ulrich Prof. Dr. Zimmermann
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1975-12-24
Filing date: 1975-12-24
Publication date: 1979-08-02
Also published as: CH630117A5; US4292408A; JPS5282778A; DE2558750A1; FR2336480B1; DE2558750C3; FR2336480A1; JPS6119232B2; GB1560300A

Description

Die Erfindung ist in den Patentansprüchen 1 und angegeben. Die Ansprüche 2 und 3 nennen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Zellen von Lebewesen haben die Fähigkeit, Metallionen, die sich in einer physiologischen Flüssigkeit befinden, zu absorbieren. Werden Zellen von Lebewesen in eine Metall- ionen enthaltende physiologische Flüssigkeit gegeben, so wrden 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 physiologischen 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 einer in der Art eines Adsorptionsmittels zur Aufnahme von Metallionen aus einer physiologischen Flüssigkeit einsetzbaren Masse aus in einer physiologischen Flüssigkeit suspendierten, Zellwände aufweisenden lebenden Zellen von Lebewesen zu schaffen, das auf einfache und wirtschaftliche Weise durchführbar ist und das zu einem eine hohe Adsorberwirkung aufweisenden Produkt führt.

Diese Aufgabe wird mit der Erfindung gelöst.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Aufnahmefähigkeit von Zellen von Lebewesen für Metallionen drastisch erhöht wird, wenn die im Zellinneren vorhandenen Adsorberstellen für die in der physiologischen 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 physiologische Lösung, als auch Stoffe aus der physiologischen Lösung in das Zellinnere, so daß dann, wenn die Zellen in eine Metallionen enthaltende Flüssigkeil 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.

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 physiologische 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 Durchbruchspannung bezeichnet. Die Membran einer lebenden Zelle, die in ihrem Normalzustand elektrisch nicht leitend ist, wird dabei elektrisch leitend. Die Höhe der elektrischen Durchbruchspannung, bei der die Permeabilitätserhöhung eintritt, hängt im wesentlichen von den elektrischen Eigenschaften der Membran der 2LeIIe, von deren elastischen Eigenschaften, von der Dicke der Membran der Zelle sowie der Größe der Zellen ab.

Als zweckmäßig hat sich dabei erwiesen, daß die Feldstärke des elektrischen Feldes 1 bis 20 kV beträgt. Dabei kann so verfahren wrden, daß die die Zellen enthaltende physiologische Lösung durch den Einwirkungsbereich des elektrischen Feldes strömen gelassen wird. Zweckmäßig ist es ferner, daß die Zellen einem gepulsten elektrischen Feld mit einer Pulsdauer von einer usec 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 2 bis 10.

Um zu erreichen, daß die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte Masse trotz Regeneration der Zellen ihre volle Adsorptionsfähigkeit während ihrer Verwendung behält, wird die Masse entweder direkt im Anschluß an ihre Herstellung in die physiologische Flüssigkeit gegeben, die die aufzunehmenden Metalle enthält oder direkt in der die Metalle enthaltenden physiologischen Flüssigkeit hergestellt. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, die Masse 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 Adsorptionsfähigkeit der nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Masse über meh-

rere Tage aufrechtzuerhalten.

Eine besonders vorteilhafte Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß in die physiologische Lösung Proteinsyntheseinhibitoren, wie Cycloheximid od. dgl., in einer Konzentration von 10~⁶ Mol/l eingegeben werden. Dadurch wird erreicht, daß die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung in den Zellen bewirkten Veränderungen und somit auch die öffnungen in der Membran der Zellen durch Ausbleiben des Regenerationsprozesses weitgehend erhalten bleiben und die erfindungsgemäß erhaltene Masse somit auch bei Normaltemperatur ihre hohe Adsorptionsfähigkeit über längere Zeit beibehält.

Die durch das Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte Masse besitzt eine Adsorptionsfähigkeit, die um mindestens den Faktor 2 gegenüber der Adsorptionsfähigkeit von in einer physiologischen Lösung suspendierten, im ursprünglichen Zustand befindlichen Zellen der gleichen Art erhöht ist. Für die Adsorption von Kupfer aus einer physiologischen Lösung ist die Adsorptionsfähigkeit der beispielsweise aus Meerwasserbakterien MB 22 hergestellten Masse bei Verwendung in einer Suspensionsdichte von 0,1 Gewichtsprozent an Zellen in der Lösung und einer Konzentration an Kupfer in der Lösung von 1 μΜοΙ/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.

In besonders vorteilhafter Weise wird die erfindungsgemäß erhaltene Masse zur Anreicherung von Metallen aus einer mindestens 0,5 mM/1 Magnesium- und/oder Calcium- sowie Kaliumionen enthaltenden wäßrigen Lösung, wie Meerwasser, Süßwasser, Abwasser od. dgl. verwendet. Dabei wird die Masse in die wäßrige Lösung eingegeben und in dieser so lange belassen, bis die Metalle in vorgesehener Konzentration von der Masse aufgenommen worden sind, worauf die Masse von der wäßrigen Lösung abgetrennt wird.

Es ist somit in vorteilhafter Weise möglich, die erfindungsgemäß erhaltene Masse 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 Masse gemäß der Erfindung macht infolge ihrer sehr hohen Adsorptionsfähigkeit für die Metalle Uran und Lithium die wirtschaftliche Gewinnung dieser Metalle möglich, wobei die Wirtschaftlichkeit noch dadurch erhöht ist, daß bei der Herstellung der Masse von Chlorella- oder Dunalliela-Algen oder Meerwasserbakterien MB 22 ausgegangen wird, die in Nitrat- oder Phosphatabwässern, die beispielsweise bei der Waschmittelherstellung anfallen, gezüchtet worden sind. Dies ermöglicht außerdem eine sehr wirtschaftliche Rückgewinnung von Metallen aus industriellen Abwässern.

Ausführungsbeispiel 1

Chlorella-Algen wurden in einer Dichte von etwa 10 Gewichtsprozent in eine Flüssigkeit gegeben, die 0,5 Gewichtsprozent NaCl enthält und daher eine gut leitende Elektrolytlösung bildet. Mittels einer Einrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Hochspan-

¹" nung wurde darauf viermal hintereinander in Abständen von einigen Sekunden ein elektrischer Spannungsimpuls einer elektrischen Spannung von etwa 10 kV und einer Pulsdauer von 10 μ5 auf zwei in die Lösung hineinragende, flache quadratische Platin-

¹"' elektroden 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 MgCl₂, 9,5 mM/1 KCl, 10 mM/1 CaCI, 2 μΜ/Ι Lithium sowie 0,03 μΜ/l 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 Mein dium mit folgender Zusammensetzung eingegeben: 400 mM/1 NaCl, 10 mM/1 KCl, 20 mM/1 MgSO₄, 15 mM/1 MgSO₄,15 mM/1 MgCl₂, 3 mM/1 Na₂HPO₄, 0,7% Caseinhydrolysat und 0,01% Hefeextrakt.

Das Wachstum der Bakterien erfolgte über Nacht i"' bei 30 ° C unter Begasung mit einem Gemisch aus 5 % COP₂ und 95% O₂. Im Anschluß daran wurden die Zellen durch zehnminütiges Zentrifugieren bei 10000 g dem Nährmedium entnommen und zweimal mit einem Medium der vorgenannten Zusammenset- ·»" zung, jedoch ohne die Substrate Caseinhydrolysat und Hefeextrakt, gewaschen und darauf auf eine Suspensionsdichte von etwa 20 Gewichtsprozenten gebracht. Mittels einer Einrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Hochspannung wurden in der Suspension 4~> 10 kV über einen Kondensator von 4 μΡ entladen, was einer Pulsdauer von etwa 40 \»&ec 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 μΜ/l gegeben und zwei Stunden bei Raumtemperatur gerührt.

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

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer Masse von in einer physiologischen Lösung suspendierten, "> eine Zellwand aufweisenden lebenden Zellen von Lebewesen zur Aufnahme von Metallionen aus einer physiologischen Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß Chlorella-, Dunalliela-Algen oder Meerwasserbakterien MB 22, die in der ^1(l physiologischen Lösung in einer Dichte bis zu 20 Gewichtsprozent, auf das Gewicht frischer Zellen bezogen, suspendiert sind, einem elektrischen Feld mit einer Kraft und mit einer Dauer der Einwirkung der Kraft ausgesetzt werden, daß die ^r> Membran der Zellen so verändert wird, daß im Zellinnern vorhandene Stoffe, deren Durchmesser im Bereich zwischen 2 und 50 Ä liegt, aus dem Zellinnern in die physiologische Lösung gelangen, wobei die elektrische Feldstärke und die Dauer -" der Einwirkung der elektrischen Feldstärke so begrenzt sind, daß die Veränderungen der Membran der Zellen durch Regeneration der Zellen ausheilbar sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- -"> kennzeichnet, daß die Zellen einem elektrischen Feld einer Feldstärke von 1 bis 20 kV ausgesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die physiologische Lösung »' Proteinsyntheseinhibitoren in einer Konzentration von 10"⁶ Mol/l eingegeben werden.

4. Verwendung der Masse nach Anspruch 3 zur Anreicherung von Metallen aus einer mindestens 0,5 mM Magnesium- und/oder Calcium- sowie i"> Kaliumionen pro Liter enthaltenden wäßrigen Lösung.