Wirkprinzip

1. Beeinflussung mikrobieller Mischbiozönosen durch Membraneffektoren

Patent-Nr. DE 38 25 312 C2

Mit wenigen Ausnahmen kommen Mikroorganismen natürlicherweise nicht als Monokultur, sondern als gemischte Lebensgemeinschaft (mikrobielle Mischbiozönose) vor. Als Beispiel seien die Lebensgemeinschaft des Pansens, der Böden oder des Aktivschlamms in Kläranlagen genannt. Die Zusammensetzung ist dabei keineswegs zufällig, sondern hängt von den Wechselbeziehungen zwischen den Organismen ab.

  • Konkurrenz: Mikroorganismen konkurrieren z T. um die gleichen Substrate. Dabei kann eine Art mit bestimmten Überlebensvorteilen eine andere verdrängen.
  • Antibiose: Im Überlebenskampf können auch direkt andere Arten chemisch angegriffen werden, z. B. mit Antibiotika, um sich gegen Konkurrenten zur Wehr zu setzen. In diesem Fall spricht man von Antibiose.
  • Substratketten: Wenn eine Spezies das Endprodukt einer anderen Art im Stoffwechsel weiterverwertet, so sind beide aufeinander angewiesen. Sehr häufig führt die Anhäufung eines Endprodukts zu einer Hemmung des vorhergehenden Schritts (Endprodukthemmung). Beide Arten arbeiten also wie am Fließband und sind so in der Lage, auch komplexe biochemische Umsetzungen zu vollziehen. Ein Beispiel im aeroben Bereich ist die Oxidationskette Ammonium / Nitrit / Nitrat durch Nitrosomonas und Nitrobacter oder die Kette Acetogene Bakterien / Methanogene Bakterien bei der Methangärung (Faulung). Auch mehrkettige Systeme sind bekannt. Hier handelt es sich um typische Symbiosen.
  • Suppline: Eine weitere Möglichkeit der Symbiose ist das Zusammenleben von Mikroorganismen, bei der eine Art einen für eine andere Art essenztiellen Stoff (ein Supplin) herstellt und nur leben kann, wenn auch die andere Art anwesend ist. Suppline spielen bei Mikroorganismen die gleiche Rolle wie essenzielle Vitamine oder Aminosäuren bei Mensch und Tier.

Durch das Zusammenwirken von Konkurrenz, Antibiose, Symbiose und Supplinabhängigkeit entsteht ein Geflecht von Beziehungen, das zu einer äußerst stabilen und gleichzeitig flexiblen Gesellschaft von Mikroorganismen führt. Diese bleibt so lange erhalten, wie sich die Umweltbedingungen (Temperatur, pH-Wert, Substratversorgung) nicht drastisch ändern. Die Zusammensetzung solcher Lebensgemeinschaften bleibt bemerkenswert stabil. Versucht man, neue Mikroorganismen künstlich einzuführen, so werden diese sehr schnell wieder verdrängt. Dieser Eliminationsmechanismus hat durchaus strukturelle Ähnlichkeit mit der Immunreaktion höherer Tiere.

Von Interesse ist es, in das intermikrobielle Kommunikationssystem einzudringen, um so steuernd auf Zusammensetzung und Aktivität einzuwirken. Eine Möglichkeit hierfür ist der Einsatz von Membraneffektoren. Hierbei handelt es sich um Stoffe, die auf die Membranen von Mikroorganismen einwirken, um eine neue beständige Mischbiozönose zu erreichen. Die einzelnen Mikroorganismen reagieren unterschiedlich stark auf diese Stoffe. Nur dadurch ist es möglich, eine veränderte Mischbiozönose zu erhalten.

Da Naturstoffe als Ausgangsmaterialien dienen, ist es notwendig, diese zu analysieren und zu standardisieren.

In den meisten Fällen führt der Einsatz von Membraneffektoren in den normalen, sehr kleinen Einsatzmengen zu keinen Änderungen, bei zu großen Mengen aber zu labilen neuen Lebensgemeinschaften. In einigen Fällen aber entstehen (bei ebenfalls sehr kleinen Einsatzmengen) erwünschte stabile neue Biozönosen. Es lässt sich dabei beobachten, dass die Anzahl solcher stabileren Zustände (in denen die Biozönose ein sich selbst organisierendes System darstellt) beschränkt ist.

2. Membraneffektoren

bioTEC SLURRY setzt sich aus einem Trägermaterial aus Schichtsilikaten und eingelagerten Membraneffektoren zusammen. Die aufwachsenden Bakterien sind so in engstem räumlichen Kontakt mit den Wirksubstanzen, so dass diese (sehr teuren) Stoffe in geringster Konzentration eingesetzt werden können.
Die Membraneffektoren(1) sind:

  • Nicotinat (Hemmung der Adenylcyclase und der Fettsäureveresterung mit Glycin-3-Phoshat)
  • Salicylat (Einbau in die Lipidschicht der Zellmembran, Hemmung der Bildung ungesättigter Fettsäuren, insbesondere der Arachidonsäure)
  • Anthrachinon (hemmt die membranständige K+/Na+-ATPase)
  • Alginsäuresilylester (beschleunigt durch Phasentransferkatalyse den Sauerstofftransport in die Zelle)
  • Lithiumkarbonat (vermindert den K+-Gehalt der Zelle)
  • Harnstoff/SDS-Addukt (Störstellenbildner in den Membranmicellen)
  • Guanidiniumnitrat (erhöht transmembrane Permeation, steigert Glukoseoxidation)
  • K-O-Ethyldithiocarbamat (hemmt Phosphodiesterase, der c-AMP-Gehalt steigt).

Aufgrund langer Versuchsreihen wurden 144 Mischungen zur Steuerung mikrobieller Mischbiozönosen entwickelt. Für die praktischen Bedürfnisse der Güllebehandlung ist bioTEC SLURRY entwickelt worden.