Verfahren zur Identifikation der Herkunft von organischen FlüssigkeitenProcess for the identification of the origin of organic liquids
Umweltverschmutzungen durch wasserunlösliche organische Flüssigkeiten, wie z.B. Erdöl, dessen Fraktionen und Steinkohlenteerfraktionen, sind ein alltägliches Problem. So werden zum Beispiel häufig unerlaubterweise die Tanks von Öltankern auf offener See gewaschen, was zu einer drastischen Verschmutzung von Wasser und Küstengebieten fuhrt. Es ist mit den derzeit zur Verfugung stehenden Mitteln meist unmöglich, die Eigner der Schiffe und/oder die Produzenten zu identifizieren. Das gleiche gilt für Verursacher von Boden- und Wasserverschmutzungen durch andere wasserunlösliche organische Flüssigkeiten. Die vorliegende Erfindung beschreibt ein neues, ökonomisches (d.h. billiges und leicht durchfuhrbares) sowie hochempfindliches Verfahren, mit dessen Hilfe man die Verursacher solcher Umweltverschmutzungen und/oder die Herkunft bzw. den Produzenten der verschmutzenden organischen Flüssigkeit eindeutig identifizieren kann. Die Erfindung betrifft demgemäß ein Verfahren zur Markierung von wasserunlöslichen organischen Flüssigkeiten natürlichen und synthetischen Ursprungs, wie zum Beispiel Erdöl, dessen Fraktionen und Steinkohleteerfraktionen, dadurch gekennzeichnet, daß man die genannten Produkte mit einem lipophilisierten, Eigner- und/oder Herkunfts-spezifischen, mittels bekannter, z. B. optischer, Methoden nachweisbaren Oligonukleotid versetzt. Die Erfindung betrifft gleichfalls ein Verfahren zur Identifizierung von wasserunlöslichen organischen Flüssigkeiten natürlichen und synthetischen Ursprungs, wie z.B Erdöl, dessen Fraktionen und Steinkohlenteerfraktionen, enthaltend ein lipophilisiertes, Eigner- und/oderHerkunfts-spezifisches Oligonukleotid, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man das genannte Oligonukleotid isoliert und mittels bekannter, z.B. optischer, Methoden identifiziert.Pollution from water-insoluble organic liquids, e.g. Petroleum, its fractions and coal tar fractions are an everyday problem. For example, the tanks of oil tankers are often illegally washed on the open sea, which leads to drastic pollution of water and coastal areas. With the means currently available, it is usually impossible to identify the owners of the ships and / or the producers. The same applies to those who cause soil and water pollution from other water-insoluble organic liquids. The present invention describes a new, economical (i.e. cheap and easy to carry out) and highly sensitive method by means of which one can clearly identify the causes of such environmental pollution and / or the origin or the producer of the polluting organic liquid. The invention accordingly relates to a method for marking water-insoluble organic liquids of natural and synthetic origin, such as petroleum, its fractions and coal tar fractions, characterized in that the products mentioned are lipophilized, owner-specific and / or origin-specific, by means of known , e.g. B. optical, methods detectable oligonucleotide. The invention also relates to a method for identifying water-insoluble organic liquids of natural and synthetic origin, such as petroleum, its fractions and coal tar fractions, containing a lipophilized, owner and / or origin-specific oligonucleotide, which is characterized in that the said oligonucleotide is isolated and by means of known, e.g. optical, methods identified.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter dem Begriff „wasserunlösliche organische Flüssigkeiten natürlichen und synthetischen Ursprungs" z.B. Erdöl, dessen Fraktionen und Veredelungsprodukte, Steinkohlenteerfraktionen und deren Veredelungsprodukte, ferner entsprechende flüssige Chemieabfälle, insbesondere Lösungsmittel, verstanden. Im Prinzip sind alle entsprechenden Flüssigkeiten umfaßt, die illegal in Boden und Wasser gelangen. Unter Steinkohlenteer ist ein bei der Verkokung von Steinkohle entstehendes Produkt zu verstehen; gemäß Literaturangaben besteht Steinkohlenteer aus über 500 verschiedenen Verbindungen. Aus Steinkohlenteer mittels bekannter Methoden gewonnene Destillatfraktionen werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Steinkohlenteerfraktionen bezeichnet.
Erdöl (Rohöl) wird über aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren, wie Fraktionierung, Crackverfahren, Platformingverfahren etc., für die Herstellung von Heizöl, Treibstoffen, Schmiermitteln, Paraffinen und petrochemischem Rohstoffmaterialien (zusammengefaßt Erdölfraktionen und -Veredelungsprodukte genannt) genutzt. Das Prinzip kann auch auf andere wasserunlösliche organische Flüssigkeiten übertragen werden (organische Chemieabfälle, Lösungsmittel, etc.), die illegal in Boden oder Wasser gelangen.In the context of the present invention, the term “water-insoluble organic liquids of natural and synthetic origin”, for example petroleum, its fractions and upgrading products, coal tar fractions and their upgrading products, and corresponding liquid chemical waste, in particular solvents, are understood. In principle, all corresponding liquids are included which Illegal coal tar is understood to mean a product that arises from the coking of coal, according to the literature, coal tar consists of over 500 different compounds. In the context of the present invention, distillate fractions obtained from coal tar using known methods are referred to as coal tar fractions. Petroleum (crude oil) is used via processes known from the prior art, such as fractionation, cracking processes, platforming processes, etc., for the production of heating oil, fuels, lubricants, paraffins and petrochemical raw material materials (collectively referred to as petroleum fractions and refined products). The principle can also be applied to other water-insoluble organic liquids (organic chemical waste, solvents, etc.) that illegally end up in soil or water.
Das Prinzip der Markierung gemäß vorliegender Erfindung besteht darin, daß beim Abfüllen von wasserunlöslichen organischen Flüssigkeiten in Behälter, inkl. Schifftanks, durch autorisierte Personen oder automatisiert Eigner- und/oder Herkunfts-spezifische lipophilisierteThe principle of the marking according to the present invention is that when filling water-insoluble organic liquids into containers, including shipping tanks, by authorized persons or automated lipophilized owner and / or origin-specific
Oligonukleotide, insbesondere DNA-Oligonukleotide, mittels einer Injektionsapparatur in dieOligonucleotides, in particular DNA oligonucleotides, into the by means of an injection apparatus
Behälter zugegeben werden. Die Oligonukleotide können aber auch in das Restflüssigkeiten gelöschter Schiffe zugegeben werden.Containers can be added. However, the oligonucleotides can also be added to the residual liquids of ships that have been deleted.
Im folgenden wird das Verfahren beispielhaft für Erdöl und Erdöltanker beschrieben. Der Fachmann ist sich der Tatsache bewußt, daß das exemplarisch an Erdöl beschriebene Verfahren auf andere wasserunlösliche organische Flüssigkeiten, wie die oben genannten, übertragbar ist.In the following, the process is described as an example for petroleum and petroleum tankers. The person skilled in the art is aware of the fact that the process described as an example of petroleum can be applied to other water-insoluble organic liquids, such as those mentioned above.
Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Bereitstellung (bzw. Synthese) lipophilisierter Oligonukleotide (siehe Abbildung) mit einzigartiger interner Sequenz für jeden Erdöltanker und/oder jede Erdölkompanie erforderlich. Die Identifikation dieserTo carry out the method according to the invention, the provision (or synthesis) of lipophilized oligonucleotides (see figure) with a unique internal sequence is required for each petroleum tanker and / or each petroleum company. The identification of this
Oligonukleotide erfolgt mittels bekannter Methoden, insbesondere auf miniaturisierten Festkörperoberflächen oder durch klassische Amplifikations- und Sequenzierverfahren. Bei Erdölkontaminationen genügen 100-1000 Mikroliter des mit Erdöl verseuchten Wassers, um die jeweiligen Erdölproduzenten und/oder -transporteure eindeutig zu identifizieren. Eine Oligonukleotid mit einer Sequenzlänge von nur 40 Nukleotiden erlaubt mehr als l24 einzigartige Codes.Oligonucleotides are carried out using known methods, in particular on miniaturized solid surfaces or using classic amplification and sequencing methods. In the case of petroleum contaminations, 100-1000 microliters of the water contaminated with petroleum is sufficient to clearly identify the respective petroleum producers and / or transporters. An oligonucleotide with a sequence length of only 40 nucleotides allows more than 1 24 unique codes.
Die Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens liegen einerseits in der großen Variabilität der synthetisierbaren einzigartigen Oligonukleotidsequenzen, so daß beispielsweise problemlos für jeden Tanker der Welt ein spezifisches Oligo herstellbar ist. Andererseits sind nur geringe Oligomermengen zur eindeutigen Markierung nötig (Konzentration in der Größenordnung 10" 13). Das später zu identifizierende Erdöl muß vor oder beim Beladen oder nach dem Entladen der Schiffe per Injektion mit einer Lösung des Oligonukleotids in einem unpolaren
Lösungsmittel, wie einer Kohlenwasserstoff-Fraktion aus Erdöl (z.B. Ligroin, Skellysolve), markiert werden. Zur Markierung mit dem Oligonukleotid sind herkömmliche Dosierungstechniken anwendbar. Die Homogeneität der bei der Dosierung erreichten Konzentrationsverteilung ist unkritisch, da die Oligonukleotide zuvor hoch lipophil gemacht worden sind und sich von selbst sehr gut verteilen. Zudem kann die Injektion der Oligonukleotide beim Beladen gepulst werden. Anstelle der manuellen Zugabe durch autorisierte Personen kann die Injektion auch automatisiert werden: die Freigabe des Öls wird über die Eingabe eines Codes bei der Beladungsanlage ausgelöst.The advantages of the proposed method lie on the one hand in the great variability of the synthesizable unique oligonucleotide sequences, so that, for example, a specific oligo can be produced without problems for every tanker in the world. On the other hand, only small amounts of oligomer are required for unambiguous labeling (concentration in the order of magnitude 10 " 13 ). The petroleum to be identified later must be injected with a solution of the oligonucleotide in a nonpolar solution before or during loading or after unloading of the ships Solvents, such as a hydrocarbon fraction from petroleum (e.g. Ligroin, Skellysolve), are marked. Conventional dosing techniques can be used for labeling with the oligonucleotide. The homogeneity of the concentration distribution achieved during dosing is not critical, since the oligonucleotides have previously been made highly lipophilic and distribute themselves very well. In addition, the injection of the oligonucleotides can be pulsed during loading. Instead of manual addition by authorized persons, the injection can also be automated: the release of the oil is triggered by entering a code in the loading system.
Reine DNA-Oligonukleotide sind nur in wässrigen Medien löslich. Zur Markierung von Erdöl (und anderen wasserunlöslichen organischen Flüssigkeiten) müssen sie deshalb vor der Injektion in die entsprechenden Erdölbehälter lipophil gemacht („lipophilisiert") werden. Dazu werden Fettsäuren (Kettenlänge vorzugsweise Cio bis C3o) direkt oder über Polyalkohole (vorzugsweise C3 bis CÖ), gegebenenfalls über einen Linker, z.B. einer Bernsteinsäureeinheit, an eines oder beide Enden der DNA-Oligomere kovalent gekoppelt (aus dem Stand der Technik bekannte Kondensationsreaktionen, über -O-, -S-, -N-Bindungen; siehe z.B. Abbildung). Die gewählte DNA-Oligonukleotidsequenz setzt sich aus einem variablen Teil und zwei flankierenden konstanten Teilen zusammen. Wenn der variable Teil (Y) Nukleotide lang ist (Y ist insbesondere 10-40 Nukleotide), ergeben sich (4)γ Variationsmöglicheiten. Die Zahl Y entspricht der Anzahl Produzenten/Eigner/Verteiler, die potentiell identifiziert werden müssen. Die flankierenden konstanten Sequenzteile haben eine Länge von je 10-15 Basen und werden für eine eventuell später zu erfolgende Amplifikation benötigt (hängt von der Konzentration der Moleküle im Erdöl ab; siehe auch infra und Abbildung). Wenn Erdöl in das Wasser austritt, wird ein kleines Aliquot (bis ein Milliliter) des Gemisches entnommen. Im Analyselabor wird das Gemisch gepuffert und mit einer Lipase versetzt, die in einer Emulsion aus Erdöl-Wasser (durch Schütteln) die Fettsäuren vom Oligonukleotid abtrennt. Im Fall von verschmutztem Sand wird Erdöl (besser eine Erdölfraktion)/Wasser dazugegeben. Die Abspaltung der Fettsäuren kann auch chemisch (Verseifung, insbesondere unter Phasentransfer-Bedingungen) erfolgen. Dadurch gelangen die freigesetzten DNA-Moleküle in die wässrige Lösung und können aus dieser direkt oder nach Amplifizierung und/oder Konzentrierung auf miniaturisierten Oligonukleotidarrays analysiert werden Zur Analyse können auch klassische Sequenzierverfahren angewendet werden. Der Array besteht aus allen komplementären DNA- Molekülen mit bekannten Positionen, die den verschiedenen Produzenten/Eignern/Verteilern
zugeteilt wurden Durch geeignete Markierung der aus dem Erdöl isolierten DNA- Oligonukleotide und einer ansch essenden Hybridisierung mit den komplementären Arraymolekulen können die Verursacher der Verschmutzung so direkt identifiziert werden Daruberhinaus kann man durch ein Ausschlussverfahren feststellen, welche Produzenten/Eigner/ Verteiler die Umweltverschmutzung nicht verursacht habenPure DNA oligonucleotides are only soluble in aqueous media. To mark petroleum (and other water-insoluble organic liquids), they must therefore be lipophilized ("lipophilized") before injection into the corresponding petroleum container. For this purpose, fatty acids (chain length preferably Cio to C 3 o) are added directly or via polyalcohols (preferably C 3 to C Ö ), optionally via a linker, for example a succinic acid unit, covalently coupled to one or both ends of the DNA oligomers (condensation reactions known from the prior art, via -O-, -S-, -N bonds; see, for example The selected DNA oligonucleotide sequence consists of a variable part and two flanking constant parts.If the variable part (Y) is nucleotides long (Y is in particular 10-40 nucleotides), there are (4) γ possible variations The number Y corresponds to the number of producers / owners / distributors that potentially need to be identified.The flanking constant sequence parts have a length of 10-15 bases each and are required for any amplification to be carried out later (depends on the concentration of the molecules in the petroleum; see also infra and figure). When petroleum leaks into the water, a small aliquot (up to one milliliter) of the mixture is removed. The mixture is buffered in the analysis laboratory and a lipase is added, which separates the fatty acids from the oligonucleotide in an emulsion of petroleum water (by shaking). In the case of polluted sand, petroleum (better an oil fraction) / water is added. The fatty acids can also be eliminated chemically (saponification, in particular under phase transfer conditions). As a result, the released DNA molecules get into the aqueous solution and can be analyzed directly or after amplification and / or concentration on miniaturized oligonucleotide arrays. Classic sequencing methods can also be used for the analysis. The array consists of all complementary DNA molecules with known positions that belong to the different producers / owners / distributors Appropriate labeling of the DNA oligonucleotides isolated from the petroleum and subsequent hybridization with the complementary array molecules enables the polluters to be identified directly. In addition, an exclusion process can be used to determine which producers / owners / distributors have not caused the pollution
Die Synthese der Oligonukleotidarrays erfolgt z B mit Hilfe eines speziellen Stempelverfahrens (Deutsche Offenlegungsschrift 195 43 232) Auf der Festkorperoberflache sind in Form kleiner Inseln (Anzahl in der Größenordnung 106, Großen > 4 μm) synthetisierte Oligonukleotide („Oligomere") in systematischer Anordnung aufgebrachtThe synthesis of the oligonucleotide arrays takes place, for example, with the aid of a special stamping process (German Offenlegungsschrift 195 43 232). Oligonucleotides ("oligomers") synthesized in the form of small islands (number in the order of 10 6 , large> 4 μm) are systematically arranged on the surface of the solid upset
Der eigentliche Nachweis, in welcher der verschiedenen Oligomeπnseln eine Hybridisierung stattgefunden hat, erfolgt auf an sich bekannte Weise, z B auf optischem Weg durch Fluoreszenzanregung und Detektion Zu diesem Zweck sind die zur Markierung des Erdöls verwendeten Oligonukleotide mit Fluoreszenzmarkern versehen bzw können auch die Proben, an denen eine Hybridisierung stattgefunden hat, fluoreszenzmarkiert werden Der Nachweischip enthält optische Wellenleiter und/oder Mikrolinsenarrays, über die das Anregungslicht aus einem Laser zu den Oligomerinseln geleitet wird Über weitere Mikrolinsenarrays wird das Fluoreszenzlicht aus den Oligomerinseln, bei denen eine Hybridisierung stattgefunden hat, auf einen Arrayempfanger abgebildet Es wird dabei technisch Vorsorge getroffen (z B durchThe actual detection in which of the various oligomer islands a hybridization has taken place is carried out in a manner known per se, for example optically by means of fluorescence excitation and detection. For this purpose, the oligonucleotides used for marking the petroleum are provided with fluorescent markers or the samples, where the hybridization has taken place, are fluorescence-labeled The detection chip contains optical waveguides and / or microlens arrays, via which the excitation light from a laser is guided to the oligomer islands Array receiver mapped Technical precautions are taken (e.g. by
Verwendung von Si-Chips), daß die Signalkanale voneinander entkoppelt sind Die Auswertung erfolgt per Computer Aus der Kenntnis der Anordnung der verschiedenen synthetischen Oligomeren auf dem Nachweischip ist die unmittelbare Aussage möglich, von welchem markierten Erdöl (d h. von welchem Tanker/Produzenten/Eigner) die Verunreinigung herrührtUse of Si chips) so that the signal channels are decoupled from each other. The evaluation is carried out by computer. Knowing the arrangement of the various synthetic oligomers on the detection chip makes it possible to immediately say from which marked petroleum (i.e. from which tanker / producer / Owner) the contamination originates
In der beiliegenden Abbildung wird anhand eines Beispiels die Herstellung eines hpophilisierten Oligonucleotids gezeigtThe attached figure shows an example of the preparation of an hpophilized oligonucleotide
Die folgenden Beispiele dienen zur Veranschaulichung der Erfindung, sollen diese aber auf keine Weise einschranken
Beispiel 1 : ApplikationThe following examples serve to illustrate the invention, but are not intended to restrict it in any way Example 1: Application
Ein mittelgrosser Tanker transportiert 100.000 Tonnen Erdöl. Dies entspricht einem Volumen von ungefähr 120.000.000 Liter Erdöl. Um eine fehlerfreie Identifikation eines Schiffsbesitzers zu garantieren, werden rund 1.000 Moleküle des lipophilisierten Sequenz- spezifischen Oligonukleotids (siehe Abbildung) benötigt oder ein Mindestvolumen von 100 Mikroliter markiertem Erdöl. Bei einer Länge von 50 Nukleotiden pro Molekül werden deshalb 3.3 Milligram des reinen Oligonukleotids für einen 100.000-Tonnen Tanker benötigt. Die Markierung erfolgt über eine gepulste Injektion des liphophilisierten Oligonukleotides während des Einfüllens des Erdöls in die Tanks. Das lipophilisierte Oligonukleotid wird dazu vorher in Ligroin gelöst.A medium-sized tanker transports 100,000 tons of oil. This corresponds to a volume of approximately 120,000,000 liters of petroleum. In order to guarantee a correct identification of a ship owner, around 1,000 molecules of the lipophilized sequence-specific oligonucleotide (see figure) or a minimum volume of 100 microliters of marked petroleum are required. With a length of 50 nucleotides per molecule, 3.3 milligrams of the pure oligonucleotide are therefore required for a 100,000-ton tanker. The marking takes place via a pulsed injection of the lipophilized oligonucleotide during the filling of the petroleum into the tanks. For this purpose, the lipophilized oligonucleotide is previously dissolved in ligroin.
Beispiel 2: IdentifikationExample 2: Identification
Ein Aliquot (ca. 100 μl) des mit Öl kontaminierten Wassers wird nach Filtration durch einen Mikroporenfilter (Millipore) und Verdünnung mit Wasser (2 Volumen des Öls) auf pH 7 gepuffert und mit Lipase Typ XIII von Pseitdomonas (L 9518, Sigma; 10-20 Einheiten) versetzt. Öl und wässriger Puffer werden durch Schütteln emulgiert und bei 37° C inkubiert (3 Stunden). Die Lipase setzt die hydrophilen Oligonukleotide frei. Diese wandern automatisch in die wässrige Phase und werden dort mit Taq-Polymerase (Cetus/Perkin Elmer) amplifiziert und hernach identifiziert (T. Maniatis et al, Molecular Cloning, 1982, CSH-Press). Die eigentliche Identifikation erfolgt durch Sequenzanalyse entweder nach klassischen Sequenztechnologien (T. Maniatis et al., Molecular Cloning, 1982, CSH-Press) oder über Hybridisierung mit einem Oligonukleotidarray (Affymetrix, California, USA).
An aliquot (approx. 100 μl) of the water contaminated with oil is, after filtration through a micropore filter (Millipore) and diluted with water (2 volumes of the oil), buffered to pH 7 and with lipase type XIII from Pseitdomonas (L 9518, Sigma; 10 -20 units). Oil and aqueous buffer are emulsified by shaking and incubated at 37 ° C (3 hours). The lipase releases the hydrophilic oligonucleotides. These migrate automatically into the aqueous phase and are amplified there with Taq polymerase (Cetus / Perkin Elmer) and subsequently identified (T. Maniatis et al, Molecular Cloning, 1982, CSH-Press). The actual identification takes place by sequence analysis either according to classic sequence technologies (T. Maniatis et al., Molecular Cloning, 1982, CSH-Press) or via hybridization with an oligonucleotide array (Affymetrix, California, USA).