PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19606081A1 21.08.1997
Titel Verfahren zum Entkeimen von Wasser
Anmelder Schaffer, Moshe, Dr.med., 81377 München, DE;
Holtz, Alexander, 80538 München, DE;
Jori, Giulio, Prof., Padua/Padova, IT
Erfinder Jori, Guilio, Prof., Padua/Padova, IT
Vertreter Vossius & Partner, 81675 München
DE-Anmeldedatum 19.02.1996
DE-Aktenzeichen 19606081
Offenlegungstag 21.08.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.08.1997
IPC-Hauptklasse C09B 47/32
IPC-Nebenklasse C02F 1/72   
IPC additional class // C09B 47/04  
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von Wasser, mit dem Ziel, diese von bakteriellen Keimen zu befreien. Bei dem Verfahren wird das keimhaltige Wasser mit mindestens einem Photosensibilisator der Tetrapyrrol- und/oder Tetraazapyrrolreihe in Kontakt gebracht, wobei der Photosensibilisator mindestens eine positive Ladung in dem Molekül enthält. Unter der Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung entfaltet der Photosensibilisator dann seine antibakterielle Wirkung über die Aktivierung von Sauerstoff und/oder die Förderung von Prozessen, an denen Radikale beteiligt sind.

Beschreibung[de]

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

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 Verfahren, 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 erscheinen 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, insbesondere bei größeren Mengen zu behandelnden Wassers. Die Sterilfiltration vermag zwar bakterielle Keime bis zu einem gewissen Grade zu beseitigen, sie ist jedoch nicht geeignet, das erneute bakterielle Wachstum zu verhindern.

Ein Anwendungsbereich, der die Entkeimung großer Mengen an Wasser 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 gezüchteten Fische eingeschränkt oder verhindert werden kann. Die Verunreinigung des Wassers mit Keimen ist besonders stark zu Jahreszeiten, 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 zunimmt.

In Monokulturen, wie Fischfarmen, erhöht die große Anzahl an Tieren pro Volumeneinheit Wasser die Vermehrung und Ausbreitung von patentiell pathogenen Mikroorganismen, die die Fische infizieren können. Somit kann der Keimgehalt des Wassers die Produktivität 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 Population befallen;
  • ii) epizootische Erkrankungen, die Krankheitsausbrüche in großem Ausmaß darstellen und vorübergehend innerhalb einer bestimmten Region auftreten;
  • iii) panzootische Erkrankungen, die über einen großen geographischen Bereich hinweg auftreten; und
  • iv) enzootische Erkrankungen, die persistieren oder wiederholt in einem niedrigen Ausmaß in bestimmten Bereichen auftreten.


Es sind zahlreiche bakterielle Pathogene in Wasser identifiziert worden, einschließlich gram-positive Stäbchen- und Kokkenbakterien, 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 worden, um die Ausbreitung von Krankheiten zu unterdrücken. Jedoch sind diese Maßnahmen von beschränkter Wirksamkeit und verursachen enorme Kosten und stellen ferner ein Risiko für die Umgebung 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 Gasteropoda", J. Wiley & Sons, Chichester (1990); Cipriano R. C., Transactions 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 Microbiology", 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 bedeutendste Verfahren zur Entkeimung von Wasser dar. Dieses Verfahren erfordert jedoch nach Abschluß der Ozonbehandlung das Entfernen von Ozon aus dem behandelten Wasser, wobei die Ozonentfernung 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 Meerwasser oder Frischwassersystemen mit dem Ergebnis, daß das ökologische Gleichgewichtssystem gestört wird. Ähnlich besitzen auch antimikrobielle Substanzen, von Antibiotika bis hin zu verschiedenen anderen Chemikalien, mehrere Nachteile, wie beispielsweise die Entwicklung einer resistenten Mikroflora und die Resistenzübertragung auf andere Erreger mittels Plasmidtransfer; die Freisetzung von Wirkstoffen in das Wasser der Umgebung mit möglicherweise nachteiligen Wirkungen für den Menschen; die Ablagerung von Abbauprodukten der eingebrachten Chemikalien in der Umgebung mit möglicherweise akkumulierenden toxischen Wirkungen auf die Lebewesen in der Umgebung der Anlage. 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 Problem zugrunde, ein Verfahren zur Bekämpfung von bakteriellen Keimen in Wasser bereitzustellen, das eine hohe antibakterielle Effizienz besitzt, das umweltschonend und auch im großindustriellen 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 elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise Licht, ausgesetzt wird.

Fig. 1 zeigt die Wirkung von Photosensibilisatoren auf verschiedene Bakterien.

Fig. 2 zeigt den beispielhaften Aufbau einer Anlage zur Behandlung von Wasser unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die je nach verfügbarem Stand der Technik und Einsatzziel beliebig durch unterschiedlichen Einsatz technischer Komponenten modifiziert werden kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können gram-positive wie auch gram-negative Bakterien wirksam bekämpft werden. Insbesondere 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 verstanden, die elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise sichtbares Licht, absorbieren und die Bildung von Radikalen und/oder Singulett-Sauerstoff aus Triplett-Sauerstoff unter Einfluß der Strahlung katalysieren können. Für den Einsatz in der vorliegenden Erfindung kommen Tetrapyrrol- und/oder Tetraazapyrrolverbindungen 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 Makrozyklus ist für die photochemischen Eigenschaften der Photosensibilisatoren von untergeordneter Bedeutung; sie beeinflussen im wesentlichen die Löslichkeitseigenschaften. Demzufolge kann der Fachmann durch gezieltes Einführen von Substituenten dem Photosensibilisator die gewünschten Löslichkeitseigenschaften verleihen unter Beibehaltung der photochemischen Eigenschaften der Ausgangsverbindung. Dein Fachmann steht eine Vielzahl an gewerblich erhältlichen Verbindungen, die für den vorliegenden Zweck geeignet sind, zur Verfügung.

Wenn ein Photosensibilisator der oben genannten Art, vorzugsweise mit Licht, bestrahlt wird, entfaltet er seine antibakterielle Wirkung über die Aktivierung von Sauerstoff und/oder die Förderung von Vorgängen, an denen Radikale beteiligt sind. Vorzugsweise 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 gramnegativen Bakterien erlaubt. Typische Beispiele für gramnegative Bakterien, die rasch und effizient durch die Bestrahlung mit sichtbarem Licht in Anwesenheit von kationischen Photosensibilisatoren inaktiviert werden, umfassen Escherichia coli, Pseudomonas aerogiinosa und Vibrio anguillarum. Das erfindungsgemäße 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 Molekül eingeführt werden, wobei mindestens eine Seitenkette in besonders bevorzugter Weise mindestens eine Aminogruppe oder dessen Mono-, Di- und/oder Trialkylderivat enthält. Die positive Ladung kann beispielsweise auch durch eine N-Alkylpyridyl-Funktion 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 Anionen, wie beispielsweise Halogenidionen oder durch Tosylat, neutralisiert werden.

Als Photosensibilisator sind besonders bevorzugt Verbindungen aus der Gruppe der Bacteriochlorine, Chlorine, Porphycene, Porphyrine, Phthalocyanine und Naphthalocyanine. Porphycene sind Tetrapyrrolderivate, wie beispielsweise beschrieben in E. Vogel, M. Köcher, H. Schmickler, J. Lex, (1986), Angewandte Chemie 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 verantwortlich sind. Porphyrine stellen ebenfalls ein 18π-Elektronensystem dar, jedoch unterscheiden sie sich von den Porphycenen in ihrer chemischen Struktur (insbesondere der Anzahl der Kohlenstoffatome oder der Methinbrücken, die die einzelnen Pyrrolringe verbinden: 1,1,1,1 bei Porphyrinen; 2,0,2,0 bei Porphycenen). Weiterhin sind die Eigenschaften der Absorptionsspektren unterschiedlich, nämlich die Intensität und Position 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 Sauerstoffphotoaktivierenden Eigenschaften von Porphycenen sind aus führlich untersucht worden (P.E. Anamenidia, R.W. Redmond, S. Nonell, 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 effiziente Erzeuger von Singulett-Sauerstoff; sie sind somit geeignet 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. Tetrapropylderivate) oder vier Alkoxyketten (z. B. Tetra-methoxy- oder Tetra-ethoxy-Derivate);
  • b) Eine Seitenkette liegt in der 9-Position vor, d. h. an einem zwischen den Ringen gelegenen Kohlenstoffatom. Dieser Substituent kann beispielsweise ein Hydroxyderivat, ein Ester, ein Amid oder ein Ether mit einer Alkylgruppe unterschiedlicher Komplexität darstellen; beispielsweise umfaßt die Kohlenwasserstoffkette 1 bis 18 C-Atome.


Die Substituenten beeinflussen die physikochemischen Eigenschaften der Porphycene, wie ihre Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln. Jedoch besitzt die Natur der Substituenten nur einen geringen Einfluß auf die Absorptions- und Fluoreszenzemissionsspektren wie auf die photochemischen Eigenschaften. Somit ist ihr Einfluß auf die Erzeugung von Singulett-Sauerstoff 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 Bacteriochlorine, Chlorine, Porphyrine, Phthalocyanine und Naphthalocyanine 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 gewerblich erhältlich. Auch das Einführen des bzw. der die positive 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 Photosensibilisatoren, 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 Ladungen 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 Metallionen 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 Bindung beteiligt sind. Somit können stabile Komplexe hergestellt werden, wenn Metallionen verwendet werden, die tetrakoordinierte Derivate ergeben können, wobei eine Hexakoordination oder Pentakoordination ebenfalls zulässig ist, in manchen Fällen sogar 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 Wasserbehandlung eingesetzt. Dabei ist es insbesondere von Vorteil, wenn die verschiedenen Photosensibilisatoren so ausgewählt werden, daß das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts von 350 nm bis 900 nm zur Photosensibilisierung ausgenutzt wird. Es werden somit Verbindungen ausgewählt, die verschiedene Absorptionsmaxima besitzen, beispielsweise eine Verbindung mit einem Absorptionsmaximum bei ca. 400 nm, eine Verbindung mit einem Absorptionsmaximum bei ca. 500 nm und eine weitere Verbindung mit einem Absorptionsmaximum bei ca. 600 nm. Eine solche Kombination an Photosensibilisatoren mit unterschiedlichen Absorptionsmaxima hat den Vorteil, daß Tageslicht besonders effizient ausgenutzt werden kann, insbesondere wenn man berücksichtigt, daß sich das Spektrum des Tageslichts in den frühen Morgenstunden und späten Abendstunden von dem Licht zur Mittagszeit unterscheidet. Bei Anwendungen, in denen Tageslicht nicht zur Verfügung steht, kann das Licht auch mittels herkömmlicher Lichtquellen bereitgestellt werden.

Weiterhin ist es bevorzugt, daß die zum Einsatz gelangenden Photosensibilisatoren an einen festen Träger gebunden vorliegen, 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 antibakterielle Aktivität sobald sie Licht ausgesetzt wird. Dabei ist sichtbares Licht in dem Bereich von ca. 350 bis 900 nm besonders bevorzugt.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in zahlreichen Gebieten der Technik als einfaches und äußerst effizientes Wasseraufbereitungsverfahren 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 angeführt.



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 Fischzucht, wobei das Verfahren auch in mehreren Bereichen der Technik in vorteilhafter Weise angewendet werden kann, gegebenenfalls unter Anpassung an die jeweiligen technischen Erfordernisse.

Bei dieser Anwendung erfolgt die Behandlung des Wassers dadurch, daß das Wasser aus dem Fischteich in einen Container überführt wird, dessen transparente Wände mit dem polymergebundenen Photosensibilisator beschichtet sind. Der Container wir mit einer Reihe an Lichtquellen bestrahlt, wobei die Lichtquellen die Kontrolle der Lichtintensität erlauben. Nachdem das Wasser nach einer vorab bestimmten Kontaktzeit mit dem Photosensibilisator 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 beispielsweise LED&min;s. Eine solche Vorrichtung erlaubt die Aufbewahrung 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. Zellulosematrix gekoppelt werden kann.



Im obigen Reaktionsschema haben die verwendeten Abkürzungen folgende Bedeutung:



Antibakterielle Aktivität von Tetra (N-methyl-pyridyl)-porphin (T&sub4;MPyP) und cis-Di-(N-methyl-pyridyl)-diphenyl-porphin (Di(4- N-MPy)Ph&sub2;P):

In Di(4-N-MPy)Ph&sub2;P 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 apolaren Domänen einer Zelle (z. B. Lipidregionen von zellulären Membranen) erleichtert und somit die Bindung verstärkt und eine effizientere Akkumulation an der Zelle ermöglicht. Tabelle 1 unten zeigt, daß Di(4-N-MPy)Ph&sub2;P selbst nach mehrmaligem Waschen 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)Ph&sub2;P) eine bessere antibakterielle Wirkung in wäßrigen Systemen entfalten könnten als die Verbindung des Typs T&sub4;MPyP, obwohl auch letztere antibakterielle Aktivität zeigen. Ein längerer inniger Kontakt zwischen dem Photosensibilisator und der Bakterienzelle erhöht die Wirkung von Singulett-Sauerstoff, der durch die Bestrahlung erzeugt wird, auf die Bakterienzelle.

Tabelle 2 zeigt, daß Di(4-N-MPy)Ph&sub2;P 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 kritisch sind für das Überleben der Zelle. Wiederum wird die Porphyrinkonzentration in diesen endozellulären Stellen durch Waschvorgänge nicht merklich erniedrigt; nur der äußerlich gebundene Photosensibilisator wird entfernt.

Andererseits wird T&sub4;MPyP 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)Ph&sub2;P ein besserer Photosensibilisator für die Inaktivierung von Bakterien im Vergleich zu T&sub4;MPyP zu sein scheint.

Wie weiterhin aus Fig. 1 ersichtlich, die die Kinetiken des Abtötens von gram-negativen Bakterien durch Photosensibilisatoren zeigt, nimmt die Effizienz von T&sub4;MPyP stärker durch die Waschvorgänge ab. Das dikationische Porphyrin ist weniger sensitiv gegenüber Waschen und behält eine hohe Photoaktivität bei. Weiterhin induziert Di(4-N-MPy)Ph&sub2;P sowohl bei Vibrio anguillarum als auch Escherichia coli eine raschere und intensivere Photoinaktivierung als T&sub4;MPyP. TABELLE 1 Wiedergewinnung von mesosubstituierten Porphyrinen von ausgewählten Gram(+) und Gram(-) Bakterienstämmen nach 5 Minuten der Inkubation mit 8,4 µM Photosensibilisator und nach verschiedenen 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 fixierten Photosensibilisatoren

Die Photosensibilisatoraktivität der an ein Polymer gebundenen Derivate kann durch Bestimmung der Quantenausbeute und der Lebenszeit des niedrigsten angeregten Triplettzustands und der Quantenausbeute der ¹O&sub2;-Erzeugung bestimmt werden.

Der erste Parameter kann beispielsweise durch Laser-Flash-Photolyse und diffuse Reflektanz ermittelt werden. Diese Messungen erlauben die Auswahl eines Photosensibilisators, der für den gewünschten Zweck eine ausreichend große Halbwertszeit zum Ermöglichen der Reaktion mit Sauerstoff im Grundzustand besitzt. Die Effizienz der Sauerstoffumwandung zu ¹O&sub2; wird durch Bestimmung der Lumineszenzemission im nahen Infrarotbereich von ¹O&sub2; ermittelt, wobei ein stickstoffgekühlter Ge-Detektor verwendet wird. Obwohl diese Information für die meisten Photosensibilisatoren dem Fachmann geläufig ist, kann es dennoch wünschenswert sein, diese Daten für einen Photosensibilisator zu bestimmen, wenn er an einen bestimmten inerten Träger gebunden ist, um so beispielsweise sterische Hinderungen oder andere Modifikationen der photophysikalischen Parameter zu untersuchen. Weiterhin kann die Reaktionskonstante der Reaktion des Photosensibilisators mit Sauerstoff gegenüber der Reaktionskonstante mit anderen Substraten (z. B. ungesättigen Lipiden, Steroiden, aromatischen oder schwefelhaltigen Aminosäuren) ermittelt werden, um die Selektivität der ¹O&sub2;-Erzeugung zu ermitteln. Besonders bevorzugt für den Einsatz in dem erfindungsgemäßen Verfahren sind solche Photosensibilisatoren, die ausschließlich ¹O&sub2; erzeugen.

Anlage zur Behandlung von keimhaltigem Wasser:

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

  • i) einer Verbindung vom Porphyrintyp, die ein Mehrbandenabsorptionsspektrum im sichtbaren Bereich besitzt, so daß die Verbindung im wesentlichen durch sämtliche Wellenlängen im Bereich von 350 bis 900 nm photoaktiviert werden kann.
  • ii) einem inerten Träger, wie ein polymeres Material vom Sephatextyp oder anorganische Kügelchen (z. B. Ton), die wasserunlöslich sind, und an die der Photosensibilisator kovalent 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 Wasser eindrigen kann; dies erlaubt die gleichmäßige Bestrahlung großer Volumina.
  • iv) ein flüchtiges cytotoxisches Mittel, nämlich Singulett-Sauerstoff (¹O&sub2;), das von dem Photosensibilisator unter Bestrahlung erzeugt wird; ¹O&sub2; besitzt eine Lebensdauer von wenigen Mikrosekunden in mit Luft equilibriertem Wasser und kann ca. 15 mm weit diffundieren, bevor es desaktiviert 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 absorbiert die Bakterien aus dem Wasser, das durch ihn hindurchgeführt wird, während die Rotation des Zylinders die Wirksamkeit der Bakterienabsorption erhöht. Die Desinfektion wird mit Hilfe der Photosensiblilisatoren in dem Wasser durchgeführt, das aus dem Fischbecken entnommen wird, ohne daß es vorher einer mechanischen Filtration unterzogen werden muß. Dieses Wasser wird einer Photodekontaminationseinheit zugeführt, die den Photosensibilisator in polymerfixierter Form enthält. Das Polymer 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 bestrahlt, die ein geeignetes Spektrum und Intensität (ca. 500 W) abgeben. Das der Dekontaminationseinheit entnommene, sterilisierte Wasser wird dann dem weiteren Kreislauf zugeführt. Dieser Vorgang kann, falls erforderlich, mehrmals wiederholt werden, bis eine angemessene Entkeimung des Wassers erzielt ist.

Die Dekontaminationseffizienz kann verfolgt werden, beispielsweise durch das Bestimmen der restlichen Bakterienpopulationen und der Anzahl der Keime als eine Funktion der verschiedenen Behandlungsvorgänge. Auch können die rotierenden Filter, an denen die Mikroorganismen absorbiert wurden, mit Elektronenmikroskopie 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, weiterhin 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 eingesetzt werden, und das Verfahren beeinhaltet ein geringes Risiko für die Verbraucher von Fisch wegen möglicher Rückstände.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Bekämpfen von gram-positiven und/oder gram- negativen bakteriellen Keimen in Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß das keimhaltige Wasser mit mindestens einem Photosensibilisator der Tetrapyrrol- und/oder Tetraazapyrrolreihe, der mindestens eine positive Ladung trägt, in Kontakt gebracht und elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den bakteriellen Keimen um gram-negative Bakterien handelt.
  3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Photosensibilisator ausgewählt wird aus Bacteriochlorinen, Chlorinen, Porphycenen, Porphyrinen, Phthalocyaninen und Naphthalocyaninen.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Photosensibilisator 2 bis 4 positive Ladungen enthält.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Photosensibilisator zwei positive Ladungen enthält, die sich in zwei benachbarten Pyrrolringen befinden.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Photosensibilisatoren gleichzeitig eingesetzt werden.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzten Photosensibilisatoren so ausgewählt werden, daß das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts zur Photosensibilisierung ausgenutzt wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Photosensibilisator an einen festen Träger gebunden ist.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als elektromagnetische Strahlung sichtbares Licht von 350 nm bis 900 nm verwendet wird.
  10. 10. Verwendung von einem Photosensibilisator der Tetrapyrrol- und/oder Tetraazapyrrolreihe, der mindestens eine positive Ladung trägt, zur Behandlung von Wasser, das bakterielle Keime enthält.
  11. 11. Zusammensetzung umfassend einen Photosensibilisator der Tetrapyrrol- und/oder Tetraazapyrrolreihe, der mindestens eine positive Ladung trägt, und einen festen Träger.
  12. 12. Zusammensetzung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Träger ein Polymer ist.
  13. 13. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine antibakterielle Aktivität aufweist, wenn sie elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt wird.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com