Anwendungen

Michael Quednau

• Verlag: De Gruyter
• Jahr: 2017
• eBook-ISBN: 9783110422917
• Auflage: 1
• Thema: Naturwissenschaften
• Thema: Biochemie

Von chemischen und mikrobiologischen Grundlagen bis zu Anwendungen im Bergbau und der industriellen Synthese von Nanopartikeln fasst dieses zweibändige Lehrbuch zum ersten Mal die Gesamtheit der Geomikrobiologie für den Studenten zusammen.

Dieser zweite Teil befasst sich mit Methoden für industrielle Anwendungen, Urban Mining, der Skalierung, sowie speziellen Anwendungen.

1Qualitätskontrolle und Modellierung

Um die Güte und somit Exploitation von u.a. biogen/mikrobiell synthetisierten metallischen Nanopartikeln/-clustern als verkaufsfähige Wirtschaftsgüter zu bewerten, ist neben einer kundengerechten Marktverfügbarkeit nach dem eigentlichen Produktionsprozess als zentrale Forderung eine Qualitätskontrolle, d.h. Werkstoffprüfung, unabdingbar. Im Sinne einer technischen Anwendung muss daher ihre Position innerhalb bzw. entlang der Produktionskette berücksichtigt werden. Die Qualitätskontrolle, als Teil des Qualitätsmanagements im industriellen Umfeld, bedient sich jener Techniken, die üblicherweise im wissenschaftlich-analytischen Routineprozess zum Einsatz kommen, z.B. Partikelmesstechniken, energiedisperser Röntgenspektroskopie, Röntgendiffraktometrie, Transmissionselektronen- und Rasterkraftmikroskopie. Hilfreiche Techniken für die Auswertung von Analysedaten, aber auch zu dem Entwurf sowie der Durchführung experimenteller Studien sind u.a. statistische Versuchsplanung, Boole’sche Algebra, Bayes-Theorem sowie Gauß-Prozess. Neben der Überprüfung von Güte und Menge der gewünschten Wirtschaftsgüter über eine geeignete Geräteausstattung sind zum anderen die Modellierung und Simulation einer biogenen Synthese im Sinne einer Bottom-up-Strategie über rechnergestützte Verfahren möglich. Durch Modellierung sind u.a. Biomineralisation, Funktionalität regulierbarer Biomoleküle sowie extra-/intrazelluläre Signalverarbeitung erfassbar.

1.1Datenakquise, -kompilierung und -evaluation

Eine validier- und aussagefähige Datenbasis, sowohl für wissenschaftliche Zielsetzungen als auch auf technische Funktionalität fokussiert, beginnt mit einer geeigneten Datenakquise, erstreckt sich über deren Kompilierung bis hin zu ihrer Evaluation, wobei sich die Gewinnung von Informationen zur Synthese und Charakterisierung von anorganischen Nanokristalliten/-clustern einer Reihe praktischer und theoretischer Vorgehensweisen bedient. Zur Datenakquise steht eine Vielzahl sehr unterschiedlicher und leistungsfähiger Techniken, z.B. TEM, AFM, RDA etc., zur Verfügung. Der theoretische Ansatz bedient sich rechnergestützter Strategien. Für eine sukzessive Datenkompilierung sowie deren Evaluation bieten sich zahlreiche, häufig interdisziplinär vernetzte, Datenbanken sowie eine Fülle von Softwareapplikationen an, Abschn. 1.5.1 (r). Im Zusammenhang mit der biogenen Erzeugung metallischer Phasen erfolgt die Generierung von Daten auf zwei Gebieten. Ob im Labor experimentell ermittelt oder als Qualitätskontrolle beim Produktionsausstoß angedacht, z.B. Größenverteilung, Reinheit, Morphologie etc., unterliegt das durch die Analysen bereitgestellte Datenmaterial einer sukzessiven mathematischen Behandlung.

Mit einer gezielten Datenakquise stehen diskrete Stufen der Prozessoptimierung speziell bezogen auf Enzymdesign sowie Produktionsmenge zur Verfügung. Zu Beginn experimenteller Arbeiten sowie hinsichtlich der Überlegungen einer technischen Machbarkeit sind vorausgehende rechnergestützte Modellierungen ein unerlässlicher Prozess. Weiterhin sollte zunächst für alle Formen von Versuchsreihen eine statistische Versuchsplanung (engl. design of experiments = DOE) angelegt werden, da sie u.a. wichtige Kenngrößen liefert: Analyse der „Ist-Zustands“ – Planung – Auswertung – Darstellung und Prognose – Optimierung – Laufender Prozess. Auf dem Gebiet der Biostatistik liegt eine Fülle von Publikationen mit unterschiedlicher Zielvorgabe und inhaltlichem Angebot vor, z.B. Köhler et al. (2007), Rudolf & Kuhlisch (2008) u.a. Insbesondere auf die Bioinformatik bezogen, erscheinen in kurzen Abständen, Handbücher, z.B. Bioinformatik in theoretischer Biologie (Hogeweg 2011), u.a. Wichtige Zielsetzungen einer Evaluation sind die Auswahl des geeigneten Probenmaterials, die Probenaufbereitung sowie Maßnahmen gegen eine unbeabsichtigte Probenkontamination, die bei Nichtbeachtung zu Beeinträchtigungen im Qualitätsausstoß der gewünschten Produkte, z.B. in Form metallischer NP, führen können.

1.2Probenaufbereitung und Maßnahmen gegen Probenkontamination

Eine Probenaufbereitung sowie geeignete Maßnahmen gegen mögliche Probenkontamination sind für die verschiedenen Messtechniken, die wiederum als Instrumentarium für die Qualitätskontrolle dienen, unverzichtbar. Auf dem Gebiet der μm- und nm-Skala ist eine speziell konzipierte, insbesondere für die auf den μm- und nm-Bereich zugeschnittene Probenentnahme, d.h. repräsentative Volumeneinheit, erforderlich. Kommt es in dieser Phase zu Fehlern, sind diese durch statistische Maßnahmen nicht nachträglich korrigierbar. Im Zusammenhang mit NP ist betreffs Probeaufbereitung, wie z.B. Filtriereigenschaften, eine Durchmischung etc. von außerordentlicher Wichtigkeit. Erschwerend kommt hinzu, dass bislang wenige Erfahrungen auf dem Gebiet der kombinierten Anwendung von Bio- und Nanotechnologie gesammelt werden konnten. Die Größe und Empfindlichkeit biogen erzeugter Nanomaterialien erfordern besondere Techniken und Strategien. So bestimmt die Partikelgröße die physikalischen Eigenschaften. Für NP ergeben sich gegenüber den Bulk-Materialien signifikante Unterschiede. Große Unsicherheiten gehen von der extrem hohen Reaktivität von NP aus. Hier sind unbedingt mögliche toxikologische Aspekte zu beachten, z.B. As, Cd- und Hg-haltige NP, Abschn. 5.6/Bd. 1. Allgemein stellt das räumliche Nebeneinander von Biomolekülen und anorganischmetallischen Feststoffphasen eine erhebliche Problematik in der Nanoanalytik dar.

(a)Präparationstechniken

Biologisches Probenmaterial muss i. d. R. mittels einer Reihe von Techniken vorbehandelt werden. Zu den Präparationstechniken zählen u.a. Ultradünnschichtverfahren, Einbettung, Dehydratisierung und Färbung (negative stain). Hierbei ist zu beachten, dass biologisches Material rasch Veränderungen unterliegen kann. Die Präparate sollten bei Nichtgebrauch gekühlt gelagert werden, d.h. < 0°C.

Zur Charakterisierung von NP eignet sich der Einsatz der TEM als bildgebendes Verfahren. Speziell für den Einsatz für TEM und AFM darf das zu analysierende Probematerial eine bestimmte Dicke der Präparate nicht überschreiten und biologische Materialien bedingen dedizierte Techniken. Hierfür erfordern die Proben besondere Präparationstechniken, z.B. ultradünne Schliffe von mit entsprechendem Probenmaterial ausgestatteten Kunstharzen, mit oder ohne Färbung, das Auftragen von Fluidphasen auf ein z.B. mit C beschichtetes Cu-Netz u.a. (1Gericke & Pinches 2006). Die Gewinnung von metallischen NP geschieht durch Dichtetrennung.

Zwecks mineralogischer Untersuchungen wird zunächst das zuvor im entsprechenden Behälter abgesetzte mineralführende Material durch Zentrifugieren für 10 min bei einer Betriebsgeschwindigkeit von 2300g behandelt. Im Anschluss ist es dreimal unter anaeroben Bedingungen mit deionisiertem Wasser zu reinigen (Lee et al. 2008). Danach erfolgt eine Trocknung der Minerale unter anaeroben Bedingungen in einer anaeroben Kammer (engl. glove box) mit der Zusammensetzung N2 : H2 : CO2 = 90 : 5 : 5. Für den messtechnischen Einsatz mit der SEM wird das gereinigte Probenmaterial auf einen Filter aus Zelluloseester, Si-Wafer oder für die Analytik via TEM auf ein Cu-Netz aufgetragen (Lee et al. 2008), Abschn. 1.3.4. Im Anschluss sind über die Kombination von Ultrazentrifugation und magnetischer Separation die Magnetosome abtrennbar (Abschn. 2.3.9). Sowohl die kristalline Phase als auch auf die Oberfläche bezogene, funktionelle Gruppen der Magnetosome lassen sich messtechnisch über RDA (Abschn. 1.3.3) sowie Infrarotspektroskopie (engl. Fourier transform infrared spectroscopy = FTIR) erfassen (Yan et al. 2012).

Die Probenaufbereitung für extrahierte Magnetosome gestaltet sich gemäß Alphandery et al. (2009) wie folgt. Zunächst wird eine Suspension von magnetotakten Bakterien benötigt, die ca. 2 ⋅ 10−5 Gew.% an Maghemit (γ-Fe2O3) enthält.

Ungefähr 10 μL der Suspension werden auf die Spitze eines TEM-Netzes aufgetragen, das wiederum mit amorphem C in Anwesenheit eines magnetischen Feldes (= 1 T) während der Evaporation des Lösungsmittels beschichtet wird. Zum Zweck einer Messung der magnetischen Eigenschaften einer Anordnung von magnetotakten Bakterien ist das TEM-Netz durch einen Si-Wafer zu ersetzen. Anschließend sind 50 ml der o.a. Lösung auf das Si-Substrat, bei gleichzeitiger Anlegung eines magnetischen Feldes mit der Stärke von 1 T, aufzutragen. Das auf diese Weise erzeugte Präparat steht im Anschluss für Analysen via TEM zur aufzeichnungsfähigen Bildgebung bereit (Alphandery et al. 2009). Häufig folgt die kristallographische Orientierung während der Ablagerung entlang dem magnetischen Feld (Alphandery et al. 2009), Abb. 5.18 (b)/Bd. 1. Zur Isolierung von S-Layer-Proteinen ist es zunächst wichtig, diese von der Zelloberfläche zu lösen. Insgesamt steht eine Reihe von Vorgehensweisen zur Verfügung (Mulani & Majumder 2013). Aus diesem Anlass sind die Zellen zur Auflösung der H2-Bindungen mit chaotropischen Reagenzien, z.B. Guanidiniumhydrochlorid (CH5N3 ⋅ HCl) oder Harnstoff (CH4N2O), zu behandeln. Oder es sind chelatierende Reagenzien, wie z.B. EDTA, einzusetzen. Mittels Veränderung des pH-Werts sowie durch eine Behan...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titelseite
• Impressum
• Vorwort
• Inhalt
• 1 Qualitätskontrolle und Modellierung
• 2 Biogene Bottom-up-Strategien: Technische und wissenschaftliche Lösungsansätze
• Literatur
• Subkapitel
• Mikroorganismen