Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Die mikrobielle Gesamtbelastung spielt nicht zuletzt in der Abfallbeseitigungs- und Recyclingindustrie durch st\u00e4ndig steigende Abfallmengen eine zunehmende Rolle. Besonders im Bereich der stofflichen Wiederverwertung und Wertstoffsortierung werden hohe Keimzahlen in der Luft gemessen. Die Gesundheitsbeeintr\u00e4chtigungen durch Inhalation der Bioaerosole reichen von Allergien bis hin zu schweren Erkrankungen. Eine verl\u00e4ssliche Beurteilung des m\u00f6glichen Gefahrenpotentials durch luftgetragene Organismen erfordert allerdings die m\u00f6glichst umfassende Kenntnis der Keimmengen und Keimarten, die in den verschiedenen Bereichen vorkommen.
\nDie Messung der Luftkeimkonzentration ist das heute \u00fcbliche Verfahren zur Ermittlung der mikrobiellen Umweltbelastung. Hierbei wird ausschlie\u00dflich der Zeitpunkt erfasst, in welchem Messungen stattgefunden haben und Luftproben genommen wurden, sodass das Verfahren lediglich ein punktuelles Bild der Situation wiedergibt. Aus methodischen Gr\u00fcnden ist es notwendig, die kurzfristige punktuelle Messung durch eine kontinuierliche integrative Erfassung der mikrobiellen Belastung zu erg\u00e4nzen, da letztere eine Objektivierung der Messdaten und eine abgesicherte Dosis-Wirkung-Beziehung gew\u00e4hrleistet, aus der sich die geeigneten Pr\u00e4ventivma\u00dfnahmen ableiten lassen.
\nDie integrative Erfassung mikrobieller Umweltbelastungen mit einer unmittelbaren Signalisierung gesundheitsgef\u00e4hrdender Konzentrationen ist jedoch zur Zeit weder aus technischen noch \u00f6konomischen Gr\u00fcnden m\u00f6glich.
\nZielsetzung dieses Forschungsprojektes war die Erarbeitung eines neuartigen Systems zur Erfassung mikrobieller Luftbelastung unter Verwendung des Materials Glas, das abh\u00e4ngig von Zusammensetzung und Oberfl\u00e4chenmodifikation sehr unterschiedliche Eigenschaften annimmt und damit ein Material ist, das die komplexe Aufgabe der Luftkeimsammlung als Passivsammler \u00fcbernehmen kann.
\nSpezialgl\u00e4ser, die in keimbelasteter Umgebung langfristig exponiert werden, sollen eine integrative Sammelphase bilden, durch die eine Aussage \u00fcber die durchschnittliche mikrobielle Belastung gegeben werden kann. Im Weiteren ist die Entwicklung des Grundk\u00f6rpers Glas in seiner Funktion als integrative Sammeleinheit zu einem bioindikativen High-Tech-Glas geplant. Dies erfordert eine spezielle Ausstattung der Glasoberfl\u00e4che mit signalgebenden Komponenten. Ein vielschichtiges System aus unterschiedlich modifizierten und ausgestatteten Gl\u00e4sern sollte in seiner Sensitivit\u00e4t so eingestellt werden, dass es in so unterschiedlich belasteten Bereichen wie der Abfallwirtschaft, geschlossenen Depotr\u00e4umen und Kliniken einzusetzen ist.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Zusammensetzung der Gl\u00e4ser wurde entsprechend bereits bestehender Erfahrungen auf dem Arbeitsgebiet Biofilme und Mikroorganismen auf Glas ausgerichtet. Im Mittelpunkt stand hierbei der systematische Einbau von Alkali-, Erdalkalimetallen sowie von \u00dcbergangsmetallen in einer silicatischen Glasmatrix. Weil die Wertigkeit von Eisen und Mangan hierbei eine zentrale Rolle spielt, wurden die silicatischen Gl\u00e4ser sowohl oxidierend als auch reduzierend geschmolzen. Neben den Silicatgl\u00e4sern kamen Phosphatgl\u00e4ser zum Einsatz, mit denen es bislang noch keine Erfahrung hinsichtlich der Wechselwirkung mit Mikroorganismen gab. Den Phosphatgl\u00e4sern wurden ebenfalls Alkali- und Erdalkalimetalle in unterschiedlichen Konzentrationen beigemischt. In neuartigen Phosphatgl\u00e4sern konnte das stabilisierende Zink durch Calcium ersetzt werden.
\nDie Oberfl\u00e4chen der Gl\u00e4ser waren in ersten Feldversuchen s\u00e4gerau belassen worden, in den nachfolgenden Versuchen erhielten sie zur Verbesserung der Auswertung eine Feuerpolitur.
\nDie Charakterisierung der Gl\u00e4ser wurde mit FT-IR (Fourier-Transformations-Infrarot)-Spektroskopie, Raman-Spektroskopie, Licht- und Rasterelektronenmikroskopie vorgenommen.
\nDie mikrobielle Besiedelung der Gl\u00e4ser geschah zun\u00e4chst in Feldversuchen. Als bevorzugte Orte f\u00fcr die Feldversuche kamen Innenr\u00e4ume mit mikrobieller Belastung und unterschiedlichen Umgebungsbedingungen in Betracht. Standorte waren ein Felsenkeller in der Fr\u00e4nkischen Schweiz, ein Depot im Germanischen Nationalmuseum und eine Abfallrecyclinganlage in W\u00fcrzburg. Die Keimsammlung auf den Gl\u00e4sern wurde in den Feldversuchen von aktiver Luftkeimsammlung (Andersen-Methode) begleitet, um das Ergebnis der aktiven Keimsammlung mit der passiven Keimsammlung auf dem Tr\u00e4germaterial Glas vergleichen zu k\u00f6nnen.
\nF\u00fcr die Auswertung der mikrobiellen Besiedelung auf den Gl\u00e4sern kamen kultivierungstechnische Verfahren und optische Methoden wie Licht-, Fluoreszenz- und Rasterelektronenmikroskopie mit gekoppelter energiedispersiver Spektralanalyse (EDS) sowie Ramanspektroskopie zum Einsatz: Durch die kultivierungstechnischen Verfahren wurde die Lebendkeimzahl erfasst, w\u00e4hrend die Belegung der Glasoberfl\u00e4chen vor allem \u00fcber optische Methoden beurteilt wurde.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Forschungsarbeiten in diesem Projekt haben ergeben, dass silicatische und phosphatische Gl\u00e4ser zur integrativen Passivsammlung von Mikroorganismen geeignet sind, da Mikrobenpopulationen auch bei langfristiger Exposition auf diesen Gl\u00e4sern zu \u00fcberleben verm\u00f6gen. Die mikrobielle Besiedelungsform stabilisiert sich als Biofilm auf der Glasoberfl\u00e4che und gibt als Integral \u00fcber die Zeit Auskunft \u00fcber die durchschnittliche mikrobielle Belastung in einem bestimmten Zeitabschnitt.
\nAuf den jeweiligen silicatischen und phosphatischen Glassorten entwickelten die Mikroorganismen unterschiedliche Aktivit\u00e4t, deren Ursachen und Folgen res\u00fcmiert werden sollen:
\nBakterien und Schimmelpilze entwickeln unterschiedliche Affinit\u00e4ten zu Silicat- bzw. Phosphatgl\u00e4sern, wodurch die Selektion von Mikroorganismengruppen auf dem Material Glas erm\u00f6glicht wird.
\nDie selektive Wirkung des anorganischen Substrats beruht auf dem Oberfl\u00e4chen-pH der Gl\u00e4ser, der vor allem durch die Mobilisierbarkeit von Kalium in der Glasmatrix gesteuert wird. Die mit pH 8 bis 8,5 im ba-sischen Bereich liegenden pH-Werte der modifizierten Silicatgl\u00e4ser sind Ursache f\u00fcr die Dominanz von Bakterien auf den silicatischen Glasoberfl\u00e4chen. Dagegen werden die neutralen Phosphatgl\u00e4ser (pH 7-7,5) bevorzugt von Schimmelpilzen besiedelt. Dieser selektive Effekt wird durch die Wertigkeit der Eisen- und Mangan-Ionen und durch das Verh\u00e4ltnis der Oxidationsstufen in Silicatgl\u00e4sern gesteuert und verst\u00e4rkt. Schimmelpilze wachsen im Gegensatz zu Bakterien bevorzugt auf Substraten mit reduzierten Eisen- und Mangan-Komplexionen.
\nAuch bei Phosphatgl\u00e4sern ist der Einbau von Alkali- und Erdalkalimetallen bzw. deren Mobilisierbarkeit wesentlich f\u00fcr mikrobielles Wachstum und beeinflusst sowohl die morphologische Auspr\u00e4gung der Schimmelpilzmycelien wie auch deren Ausbreitung. Im Gegensatz zu Natrium, das sich hemmend auf Schimmelpilzwachstum auswirkt, sind Calcium, Kalium, Mangan und Eisen wachstumsf\u00f6rdernde Elemente.
\nDass Zink keine toxische Wirkung auf der Glasoberfl\u00e4che entwickelt, ist auf die schwere Mobilisierbarkeit des als Netzwerkbildner eingebauten Ions in der Phosphatglasmatrix zur\u00fcckzuf\u00fchren.
\nDurch die Glaszusammensetzung wird nicht nur die gezielte Mobilisierung von Alkali-, Erdalkali- und \u00dcbergangsmetallen gesteuert, die als Makro- und Spurenelemente f\u00fcr lebende Zellen essentiell sind: auch das Wasserangebot auf der Glasoberfl\u00e4che wird durch die Glaskomponenten reguliert.
\nEine hohe spezifische Wasseraktivit\u00e4t, die die Wasserr\u00fcckhaltef\u00e4higkeit in der Glasmatrix zahlenm\u00e4\u00dfig umschreibt, beg\u00fcnstigt das \u00dcberleben von Mikroorganismen auf der Glasoberfl\u00e4che. Vor allem Phosphatgl\u00e4ser verf\u00fcgen \u00fcber eine hohe spezifische Wasseraktivit\u00e4t.
\nDie gew\u00fcnschten Eigenschaften der Gl\u00e4ser, die durch eine entsprechende Zusammensetzung zu erzielen sind, k\u00f6nnen durch Beschichtungen modifiziert werden und bewirken u.a. die Ver\u00e4nderung von Ionenaustauschprozessen. Im Falle eines \u00dcberzugs mit Schwarzlot kam es zur Diffusion von Kalium aus dem Grundglas eines Kalium-Calcium-Silicatglases in das Schwarzlot, und umgekehrt von Natrium aus der Schwarzlotschicht in das Grundglas. Die Folge war ein ver\u00e4nderter pH-Wert auf der Oberfl\u00e4che, der sich aus dem basischen in den neutralen Bereich verschob.
\nBeschichtungen wie Schwarzlot sperren die Glasoberfl\u00e4che also nicht ab, was sich im Wasserangebot auf der Oberfl\u00e4che der beschichteten Gl\u00e4ser best\u00e4tigt: Abh\u00e4ngig von der spezifischen Wasseraktivit\u00e4t des Glases wird das Wasserangebot auf der Schwarzlotoberfl\u00e4che aufrecht erhalten.
\nNeben Glaszusammensetzung und Beschichtungen beeinflusst auch die Oberfl\u00e4chenrauigkeit der Gl\u00e4ser, insbesondere wegen der Adh\u00e4sionsm\u00f6glichkeiten, die mikrobielle Besiedelung. Mikroraue Oberfl\u00e4chen wie sie s\u00e4gerau entstehen, bieten Mikroben aufgrund besserer Verankerungsm\u00f6glichkeiten, Ausbildung von Mikroklimata in Nischenbereichen und einer gro\u00dfen Oberfl\u00e4che g\u00fcnstige Bedingungen f\u00fcr ihr \u00dcberleben. Die hohe Oberfl\u00e4chenrauigkeit erschwert jedoch die lichtmikroskopische ( erh\u00f6hte Lichtstreuung) und kultivierungstechnische (Biofilmadh\u00e4sion) Auswertung sehr stark, weshalb in der Folge feuerpolierte Oberfl\u00e4chen eingesetzt wurden.
\nDie eingesetzten Gl\u00e4ser fungierten als integrative Sammeleinheit, da zum einen die Luftkeimrate mit der Besiedelungsdichte auf den Gl\u00e4sern korrelierte und zum anderen weitere Einflussgr\u00f6\u00dfen wie Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit, die das Vermehrungspotenzial von Mikroorganismen in R\u00e4umen wesentlich bestimmen, in die Keimrate mit eingingen.
\nAbh\u00e4ngig von der Expositionsdauer, Luftkeimrate und Mikrobenpopulation bildeten sich auf den Gl\u00e4sern Biofilme aus, die ein Absterben der mikrobiellen Zellen aufgrund ung\u00fcnstiger klimatischer Bedingungen (z.B. niedrige relative Luftfeuchte) verhinderten und damit die Mikroflora stabilisierten.
\nDie am Ende der Exposition auf den Gl\u00e4sern vorgefundene mikrobielle Aktivit\u00e4t gab als integratives Messsystem eine Aussage dar\u00fcber,
\na)\tinwieweit wachstumsf\u00f6rdernde Bedingungen f\u00fcr Mikroben im gemessenen Zeitraum vorlagen, durch die sich die Mikroflora mehr oder weniger gut auf der Glasoberfl\u00e4che ausbreiten konnte (Kontaminationspotenzial),
\nb)\twelche Mikroorganismengruppen dominierten (Phosphat- oder Silikatgl\u00e4ser) und
\nc)\tkorrelierend zu a), wie hoch die Belastung durch luftgetragene Mikroorganismen einzusch\u00e4tzen ist, die sich integrativ \u00fcber einen Zeitraum auf der Glasoberfl\u00e4che angesammelt hat.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Ergebnisse konnten erst nach erfolgter Patentanmeldung ver\u00f6ffentlicht werden. Das Patent wurde im Oktober 2000 beim deutschen Patentamt eingereicht. Das laufende Projektvorhaben wurde auf der GLASTEC 2000 in D\u00fcsseldorf und im Jahresbericht 2000 des Fraunhofer-Institutes f\u00fcr Silicatforschung der \u00d6ffentlichkeit vorgestellt. Weitere Pr\u00e4sentationen im Rahmen wissenschaftlicher Veranstaltungen und Messen sind vorgesehen.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
In diesem Forschungsprojekt konnten die Voraussetzungen f\u00fcr die Entwicklung einer bioindikativen Glassonde geschaffen werden, indem der grundlegenden Frage nachgegangen wurde, welche Wechselwirkungen zwischen Glas und luftgetragenen Mikroorganismen bestehen. Die prinzipielle Eignung des Materials Glas wurde aufgezeigt: Das anorganische Material Glas kann in seiner Stabilit\u00e4t so eingestellt werden, dass es einerseits best\u00e4ndig genug ist, als Langzeit-Sammelphase aggressiven Luftschadstof-fen und austrocknenden Faktoren in der Luft entgegenzustehen und organische Bestandteile der Luft wie Mikroorganismen zu sammeln, andererseits ist es in der Lage, Ionenaustauschprozesse zuzulassen und damit mikrobielles Wachstum und selektive Prozesse zu steuern. Damit kann als erwiesen gelten, dass Glas das Basismaterial f\u00fcr eine integrative Sammelphase ist.
\nDie biogene Besiedelung der Glasoberfl\u00e4chen entspricht einem integrativen Wert \u00fcber die Zeit und \u00fcber die Umgebungsbedingungen und gibt damit eine Aussage \u00fcber das in diesem Zeitraum vorhandene mikrobielle Verbreitungspotenzial unter Einbeziehung der klimatischen Bedingungen. Anders als bei der aktiven Sammlung, die zu einem bestimmten Zeitpunkt durchgef\u00fchrt wird und in einer Momentaufnahme einen konkreten Messwert in KBE\/m\u00b3 (Koloniebildende Einheiten pro Kubikmeter Luft) liefert, gehen bei dieser passiven integrativen Sammlung umgebungsbedingte Parameter ein, die in ihrer Auswirkung auf mikrobielles Wachstum ausschlie\u00dflich \u00fcber die Zeit erfasst werden k\u00f6nnen. Folglich ist der Messwert relativ und zeigt quantitativ und qualitativ das angesammelte Mikroben- und somit das mikrobielle Gefahrenpotenzial an, das in Innenr\u00e4umen kontinuierlich besteht.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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