DE102023001827A1

DE102023001827A1 - Verfahren und dazugehörige Vorrichtung zum Züchten von in Gewässern Mikroplastik zersetzenden und abbauenden Mikroorganismenstämme durch einen künstlich herbeigeführten und beschleunigten Evolutions- und Selektionsprozess

Info

Publication number: DE102023001827A1
Application number: DE102023001827.9A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2023-04-19
Filing date: 2023-05-08
Publication date: 2024-10-24

Abstract

Im Rahmen dieser Erfindung wird ein Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung offenbart, mit welchem eine effektive Züchtung von Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze, Algen und anderen Mikroben oder eventuell auch Viren, die allesamt Mikroplastik zersetzen und abbauen können, durch einen gezielten Mutations- und Selektionsprozess realisiert werden kann. Dabei wird ein künstlicher Evolutionsprozess dieser Mikroorganismen (einschließlich deren Mutation durch Mutagenese und Selektion) unter einstellbaren und kontrollierten Umgebungsbedingungen simuliert bzw. herbeigeführt und quasi beschleunigt „im Zeitraffer“ durchlaufen, indem man durch geeignete mutagene Maßnahmen die Mutationsrate sowie die Selektionsrate der Mikroorganismen unter den entsprechend geeigneten Umgebungsbedingungen zur Selektion (Anwesenheit von Mikroplastik) extrem stark erhöht.

Description

Stand der Technik:
Durch den weit verbreiteten Gebrauch von Kunststoffartikeln in der modernen Zivilisation und damit verbunden mit deren nicht fachgerechten Entsorgung landen jedes Jahr Millionen Tonnen von Kunststoffabfällen in natürliche Gewässer wie beispielsweise Flüssen (Süßwasser) und Ozeanen (Salzwasser) sowie in deren Böden und Sedimenten [bund1] [bund2][quarks1][BUA1][nabu1][BaWü1], so dass bereits an Stellen im Ozean wie dem Marianengraben, welche weit weg von jeglicher moderner Zivilisation liegen, eine hohe Konzentration von Mikroplastik nachgewiesen werden konnte [scinexx1].
Dazu trägt auch bei, dass der natürliche Abbau von Mikroplastiken in der Umwelt durch UV-Sonneneinstrahlung, Einwirkung durch im Meereswasser gelöste Salze sowie von Bakterien u.a. Jahrzehnte andauern kann [wiki1].
Wissenschaftler befürchten, dass durch die Nahrungsaufnahme von Meereskleinstlebewesen und durch die daran sich anschließenden Nahrungsketten das Mikroplastik in hoher Konzentration in Speisefischen oder anderen Lebenwesen, die sich am Ende der Nahrungsketten befinden, sich ansammelt, was nicht nur eine gesundheitliche Gefahr für das Leben im Meer, sondern auch für den menschlichen Endverbraucher darstellen kann [wwf1]. Mikroplastik findet sich aber nicht nur in Gewässern, sondern auch in Böden wieder, da bspw. durch den Wasserkreislauf sowie der Verwendung von Klärschlamm als Düngemittel das Mikroplastik praktisch überall hin verteilt wird [quarks1][fhg1]. Sogar in der Antarktis ist Mikroplastik nachgewiesen worden [tier1].
Die Verschmutzung der Meere mit Plastikmüll zieht noch viele weitere Probleme nach sich; so stellt u.a. die mit dem Plastikmüll verbundene Verbreitung von Lebewesen in fremde Ökosyteme eine ernstzunehmende Bedrohung für die heimische Flora und Fauna dar [focus1].
Auch wenn in neuesten Studien wie die des Thünen-Instituts für Fischereiökologie in Bremerhaven (2022) die Schädigung von Fischen durch Mikroplastik als viel weniger dramatisch beschrieben werden [Thünen1], bleibt der Abbau von Mikroplastik ein dominierendes Thema im Bereich Umwelt, Ökologie und Nachhaltigkeit.
Zwischenzeitlich sind eine ganze Reihe von Maßnahmen zur Vermeidung und Abbau von Mikroplastik entwickelt worden, wobei hier die wichtigsten ohne Anspruch auf Vollständigkeit kurz angeführt werden [wiki1]:

1.) Die Entwicklung und Verwendung von biologisch abbaubaren Kunststoffen:
- Zunächst muss zwischen biologisch abbaubaren und biobasierten Kunststoffen unterschieden werden [BUA2][quarks2]: bei biologisch abbaubaren Kunststoffen handelt es sich um Kunststoffe, die sich unter bestimmten Umwelteinflüssen selber in ihre natürlichen Bestandteile zerlegen können. Einen Spezialfall stellen dabei die kompostierbaren Kunststoffe dar, die wie organische Garten- oder Küchenabfälle sehr schnell durch Mikroorganismen zerlegt werden können, eben halt kompostierbar sind. Dagegen handelt es sich bei biobasierten Kunststoffen um Kunststoffe, die auf Basis von pflanzlichen Rohstoffen wie Mais, Zuckerrohr, Stärke oder Soja hergestellt werden. Diese können, müssen aber nicht biologisch abbaubar oder sogar kompostierbar sein.
- Zu den gängigen und bekannten biologisch abbaubaren Kunststoffen zählen u.a. die Polylactide / Polymilchsäuren (PLA), Polyhydroxyalkanoate (PHA) / Polyhydroxyfettsäuren (PHF), Polycaprolacton, genauer Poly-ε-Caprolacton (PCL), Polybutylenadipat-terephthalat (PBAT) und Polybutylensuccinat (PBS) [wiki2][bio1].
2.) Chemische, biochemische und/oder biologische Verfahren wie beispielsweise der Einsatz von Bakterien zum Abbau von Mikroplastiken [wiki2]:
- Bislang schien der Abbau von Mikroplatik durch Bakterien ein sehr vielversprechender Weg zu sein. Auf diesen Punkt wird weiter unten noch ausführlich eingegangen.
- Alternativ zu Bakterien wurden auch Pflanzen zum Abbau von Mikroplastik vorgeschlagen [ing1]
3.) Das vom Hollander B. Slat ins Leben gerufene Projekt Ocean Cleanup beschäftigt sich mit dem Abfischen von auf der Wasseroberfläche schwimmenden Plastikmüll mittels Netze [stift1]; nach Ansicht von [wissen1] rettet dies aber die Weltmeere vor der drohenden Plastikvermutzung nicht, da auch bei einem großangelegten Abfischen von Makroplastikmüll nur ein Bruchteil des gesamten Plastikmülls in den Weltmeeren abgefischt und entfernt werden kann. Das liegt u.a. auch daran, dass ein Großteil des Plastikmülls in den Weltmeeren nicht als Makro-, sondern als Mikro- oder sogar als Nanoplastik vorliegt, welches mit Netzen einfach nicht abgefischt werden kann. Außerdem besteht die Gefahr, dass durch das Abfischen das Neustron zerstört wird [focus2].
4.) Mechanische Entfernung in Kläranlagen [wiki1] Derzeit können die Klärwerke die kleinen Partikel nicht ausreichend aus dem Abwasser herausfiltern. Das Mikroplastik aus den Haushalten gelangt ungehindert in Umwelt und Gewässer. Sekundäres Mikroplastik entsteht wiederum beim Zerfall größerer Kunststoffteile durch die Einwirkung von Sonne, Wind und Wellen. Die größeren Plastikteile können in ihre Ursprungsform, in Plastikpellets, zurückzerfallen.
5.) Filtern von Wasser durch geeignete Wasserfilter lassen sich im großen Stil im Ozean nicht realisieren, sondern sind eher für den Endverbraucher in einem Haushalt gedacht, wobei das Wasser vor Entnahme aus dem Wasserhahn einen entsprechenden Wasserfilter durchlaufen muss [wiki1].
6.) Auch exotische Ideen wie beispielsweise das Anlegen von elektrischer Spannung an ein Gewässer wie von der Abteilung für Energiewissenschaft und -technik des Instituts für industrielle Technologie in Korea vorgeschlagen werden diskutiert; doch scheint diese Maßnahme ebenfalls höchstens für kleinere Süßwasser-Gewässer wie Teiche oder Weiher geeinget zu sein [basic1].
7.) Als weitere Verfahren kann man anführen:
- Einerseits das klassische thermische Verfahren (Verbrennen), welches jedoch sehr energieaufwendig, ineffizient und kaum durchführbar ist, da das gesamte mit Mikroplastik kontaminierte Erdreich verbrannt werden muss, und auf diese Weise unkontrolliert die bei der Verbrennung entstehenden Giftsstoffe freigesetzt werden. Andererseits existieren noch diverse photo-induzierte Verfahren wie photothermische (pyrolytische) oder photochemische (phototlytische) Verfahren, bei denen durch Beaufschlagung des zu behandelnden Wassers mit energiereicher Wellen- oder Teilchenstrahlung (UV-, Röntgen-, Gamma-, Elektronen- oder Ionenstrahlung u.a.) eine Defragmentierung oder zumindest eine Degradation der Moleküle des Mikro- oder Nanoplastikmülls initiiert werden kann; allerdings ist dieses Verfahren nur für kleine oder kleinste Wassermengen geeignet, beispielsweise für Laboruntersuchungen

Anmerkung zum Punkt 2.):
Eine mit der Alterung und Verwitterung einhergehende Defragmentation oder zumindest Degradierung der Polymermoleküle durch UV-Sonneneinstrahlung, von chemisch aggressiven Chemikalien wie bspw. durch UV-Licht angeregter Singulett-Sauerstoff, im Meereswasser gelöste Salze oder Mineralstoffe oder ganz allgemein andere Umweltgifte, natürliche Radioaktivität, Feuchtigkeit (Luftfeuchtigkeit, Gewässer), Wärme oder gar Feuer (z.B. Waldbrände) oder Blitzeinschlag spielen nur eine (sehr) untergeordnete Rolle bei der natürlichen Zerlegung und letztendlichen Zersetzung des Mikro- oder Nanoplastiks. Ohne die Anwesenheit von Mikroorganismen wie bspw. Baterien sind Kunststoffe kaum biologisch abbaubar und äußerst resistent gegenüber Umwelteinflüssen. Jedoch die Hoffnung, dass Bakterien möglicherweise dabei helfen könnten, Plastik zu zersetzen, hat sich nach Veröffentlichung einer Studie des Leibniz-Instituts für Ostseeforschung Warnemünde (IOW) wieder zerstreut [bund1]. Angeblich sei dieser Weg aussichtslos, da die Wissenschaftler in der Studie konstatieren, dass die Bakterien nicht in der Lage seien, Mikroplastik in ausreichendem Maße abzubauen, und diese Fähigkeit auch vermutlich nicht evolutionär erlangen werden [bund 1].
Ungeachtet dessen sind hinsichtlich der Untersuchung und Zucht von Bakterien oder anderen Mikroorganismen, die Kunststoffabfälle verdauern können, in der letzten Zeit umfangreiche Forschungsarbeiten auch in Europa unternommen worden. Exemplarisch für die Arbeiten in der letzten Zeit werden hier aufgeführt:

Am ZHAW-Institut für Chemie und Biotechnologie in Wädenswil haben schweizer Wissenschaflter und Forscher das Enzym PETase isoliert / entwickelt, welches in der Lage ist, den Kunststoff PET zu zersetzen, wenn auch mit einer relativ geringen Effizienz [zhaw1]. Dazu werden vor allem Stämme von Escherichia-coli-Bakterien (Kolibakterien) verwendet [zhaw2]. Die Arbeiten beruhen auf einer Entdeckung aus dem Jahre 2016, als japanische Forschende in der Bodenprobe einer PET-Recyclinganlage in Osaka ein Protein ausmachten, das PET abbauen kann. Es stammt aus dem Bakterium Ideonella sakaiensis und ist mutmasslich als Reaktion der Natur auf die vielen Plastikabfälle entstanden [zhaw1].

Die Forschungsgruppe um M. Goudriaan vom Royal Netherlands Institute of Sea Research untersucht und züchtet gezielt Mikroorganismen u.a. basierend auf dem Bakterienstamm Rhodococcus ruber, welche Kunststoff, bspw. Polyethylen, zersetzen können [Goud1] bis [GoudS].
C. Sonnendecker und Kollegen haben ebenfalls das Enzym PHL7 entdeckt, welches PET sehr schneller abbaut und rascher zersetzt als das Enzym LCC, welches 2012 in Japan entdeckt worden ist [Sonne1].
Auch der umgekehrte Weg scheint möglich zu sein, d.h., dass Bakterien aus (einfachen) molekularen organischen Ausgangssubstanzen bestimmte Polymermoleküle synthetisieren können. So berichtet bswp. die Arbeitsgruppe um J. W. Lee und H. Lee vom Korea Advanced Institute of Science and Technology (Daejeon, Südkorea) über den neu gezüchteten Bakterienstamm Cupriavidus necator, der das biologisch verträgliche und natürlich abbaubare Polyester Polyhydroxybuttersäure (PHB) aus dem Treibhausgas Kohlendioxid erzeugen kann, wenn auch in sehr geringen Mengen [Lim1].
Die Arbeitsgruppe um Th. Scheibel von der Universität Bayreuth züchtet nach einem neuartigen Verfahren Bakterienstämme, die Proteine für künstlich hergestellte Spinnenseide erzeugen können. Damit können dünne Fäden mit enormer Tragkraft und Reißfestigkeit synthetisiert werden [Scheib1].
Evolution:
Die von Charles Darwin vertretene Evolutionslehre beschreibt die Entwicklung von pflanzlichen und tierischen Lebewesen durch eine stetige Anpassung an die (sich verändernden) Umbgebungsbedingungen, indem durch natürliche Mutation (bspw. induziert durch natürliche Radioaktivität) innerhalb einer ausreichend großen Zeitspanne ein ganzes Spektrum von zufälligen Veränderungen des Lebenwesens hervorgebracht wird. Dabei werden sich nur diejenigen Veränderungen gegenüber dem ursprünglichen Zustand oder gegenüber den anderen Veränderungen durchsetzen, welche am besten an die Umgebungsbedingungen angepasst sind, während der ursprüngliche Zustand oder die anderen Veränderungen aufgrund der geringeren Überlebens- und/oder Reproduktionsrate mit der Zeit aussortiert werden („survival of the fittest“). Dieser Selektionsprozess verleiht der Evolution eine Richtung, indem er dafür sorgt, dass nur die am besten angepassten Veränderungen überleben und somit bestehen bleiben, während die weniger gut angepassten Veränderungen oder der ursprüngliche Zustand allmählich ausstirbt oder sonstwie aus der Natur verschwindet.
Gerichtete Evolution:
Als gerichtete Evolution (englisch directed evolution) bezeichnet man in der Biochemie die Optimierung und Veränderung von Proteinen (darunter Enzyme) und Nukleinsäuren durch Nachahmung der natürlichen Selektion in einem beschleunigten Verfahren. Durch gerichtete Evolution können mittels einer Mutagenese und nachfolgender Selektion Mutanten mit verbesserten Eigenschaften identifiziert werden. Prinzipiell gibt es zwei Methoden zur Mutagenese: die zufällige Mutagenese und die von Arnold und Miyazaki verwendete Sättigungsmutagenese [wiki3][Lutz1][Vos1].
Das in dieser Anmeldung beanspruchte Verfahren basiert auf der zufälligen Mutagenese.
Als ein Beispiel für mittels direkter Evolution hergestellte Bakterien ist in [Shi1] aufgeführt: dort ist durch den direkten Evolutionsprozess das Enzym PETase entwickelt worden, das Polyethylentherephthalat (PET), ein Kunststoff, welcher oft zur Herstellung von Plastikflaschen verwendet wird, vollständig depolymerisieren kann. Der Erzeugungsprozess von PETase kann mittels fluoreszenz-basierter Messtechnik nachverfolgt und anhand der Änderung ihres Fluoreszenzverhaltens kann der eintretende Erfolg registriert und dokumentiert werden.
Die kalifornische Firma Genencor Intern., Palo Alto, hat bereits 1998 eine Methode zur Erhöhung der Effizienz gerichteter Evolution eines Gens mittels Phagemiden angemeldet (dt. Übersetzung: DE 698 16 647 T2 ).
Die Patentschrift DE 601 24 272 T2 (bzw. die dt. Übersetzung einer europäischen Patentschrift) berichtet über ein Verfahren zum Selektieren eines Enzyms, welches in der Lage ist, Nukleinsäure von einer Matrize zu vervielfältigen, und somit eine gerichtete Evolution zu ermöglichen.
Die Druckschriften WO 92/18645 A1 , DE 197 25 371 A1 und DE 43 01005 A1 beschäftigen sich mit Verfahren zur Beschleunigung der evolutiven Optimierung von Biopolymeren und zur Verbesserung der damit hergestellten Biopolymeren. Diese Verfahren basieren auf der Polymerase-Kettenreaktion (PCR), und es werden diejenigen Nukleinsäureketten selektiert, die den gesuchten Kriterien am nächsten kommen. Durch Replizierung mittels Polymerase werden durch Replikationsfehler oder andere chemische / physikalische Einwirkungen eine kontrollierte Mutagenese durchgeführt. Der Erfolg wird u.a. mit der konfokalen Fluoreszenzspektroskopie verfolgt.
Die Druckschrift DE 690 28 769 T2 erwähnt u.a. eine künstliche Mutagenese induziert durch Behandlung eines DNA-Fragments mit ultravioletter Bestrahlung, ionisierenden Strahlen oder einem chemischen Mutagen wie z.B. Mitomycin C, 5-Bromuracil, Methylmethansulfonat, Hydroxylamin, Stickstoffsenfgas oder Nitrofuran.
Die Druckschrift EP 1 431 763 A1 erwähnt ebenfalls eine künstliche Mutagenese initiiert durch Behandlung der Probe mit ultravioletter Bestrahlung, ionisierenden Strahlen oder einem chemischen Mutagen wie beispielsweise 5-Bromuracil, 2-Aminopurin, Dimethylsulfat, Diazomethan, N,N-Dimethylnitrosamin, Methylmethansulfonat oder Salpetrige Säure.
Die Druckschrift 11 2015 005 752 T9 erwähnt ebenfalls Beispiele einer künstlichen Mutagenesebehandlung umfassend die Bestrahlung mit Röntgenstrahlen, die Bestrahlung mit ultravioletten Strahlen und die Behandlung mit einem Mutageneseagens, wie N-Methyl-N'-nitro-N-nitrosoguanidin (MNNG), Ethylmethansulfonat (EMS) und Methylmethansulfonat (MMS).
Weitere Druckschriften zu diesem Thema sind US 2016/0326503 A1 , DE 10 2006 000 942 A1 , EP 2 450 439 B1 , US 6 361 974 B1 , US 5 830 696 A und DE 699 27 214 T2 .
Die Evolution mitsamt der ihr eigenen Selektion mittels der Umgebungsbedingungen treiben auch in der heutigen Zeit teilweise sehr seltsame Blüten. So wurden in der sowjetischen / russischen Raumstation MIR im erdnahen Weltraum Bakterien und Pilze gefunden, welche sich vom Metall der Raumstation ernährten [heise1]. Offensichtlich sind diese erst durch die harten Umgebungsbedingungen des erdnahen Weltraums aus unabsichtlich von der Erde mitgebrachten irdischen Bakterien- und Pilsstämmen durch einen Selektionsprozess entstanden.
Auch gibt es verschiedene Berichte, dass in den radioaktiv verseuchten Umgebungen von Tschernobyl und Fukuschima das Leben (Flora und Fauna) sich an die gegebenen und vorherrschenden Umgebungsbedinungen angepasst haben, indem die erhöhte Radioaktivität in der Umgebung zu einer erhöhten Mutationsrate (Mutagenese) der anwesenden Lebewesen geführt hat, die den anschließenden (natürlichen) Selektionsprozess überstanden haben [dw1][geo1][go1][taz1].
Durch den übertriebenen Einsatz von Antibiotika, beispielsweise in der Nutztierhaltung, haben sich Stämme von multiresistenten Bakterien entwickelt und durchgesetzt. Diese unerwünschte und unerfreuliche Entwicklung kann man auch als Ergebnis einer gerichteten Evolution auffassen, wenn auch weder gewünscht noch bewußt herbeigeführt. Allerdings zeigt dieses Phänomen der multiresistenten Erreger das Potential von Bakterien für eine auf zufällige Mutagenese basierende gerichtete Evolution [wiki4].
Der sardische Mediziner Giuseppe Brotzu entnahm kurz nach Ende des 2. Weltkrieges auf der Suche nach Wirkstoffen gegen die im Mittelmeer durch die Abwasserentsorgung entstandenen Krankheitserreger Wasserproben in der Nähe einer Kanalisationsanlage in der berechtigten Hoffnung, dass in durch unterschiedliche Keime verschmutztem Abwasser auch deren natürliche Feinde sowie nutzbare Antibiotika auffindbar sein müssen [wiki5].
Eine andere Anwendung von (mutierten) Bakterien ist die Umwandlung von Kohlenhydraten (Zucker) in Kohlenwasserstoffe zur Weiterverarbeitung zu Kraftstoff (Benzin, Diesel, Kerosin, Heizöl), Schmierstoffe oder Plastikmaterialien [focus3]. Dies zeigt, dass man mutierte Mikroorganismen wie Baktierien auch für andere Anwendungen züchten kann als zur Zersetzung von Mikro- oder Nanoplastik.
Aufgabenstellung:
Im Rahmen dieser Erfindung wird ein Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung offenbart, mit welchem eine effektive Züchtung von Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze, Algen und anderen Mikroben oder eventuell auch Viren, die allesamt Mikroplastik abbauen können, durch einen gezielten, künstlich eingeleiteten, durchgeführten und gesteuerten Evolutions- und Selektionsprozess realisiert werden kann.
Allgemeiner Lösungsweg
Einleitend wird festgestellt, dass im Folgenden nur von Mikroplastikabfall bzw. -partikel oder kurz Mikroplastik geredet wird; damit ist aber stets ohne Einschränkung der Allgemeinheit sowohl (primäres und sekundäres) Mikroplastik / Mikroplastikabfall / Mikroplastikpartikel als auch Nanoplastik / Nanoplastikabfall / Nanoplastikpartikel sowie u.U. auch Makroplastik / Makroplastikabfall / Makroplastikpartikel gemeint, soweit nicht auf etwas anderes hingewiesen wird.
Um das in der Aufgabenstellung beschriebene Ziel zu erreichen, wird ein künstlich eingeleiteter und durch Menschenhand gestarteter und gesteuerter Evolutionsprozess vorgeschlagen, der sowohl einen künstlich induzierten und beschleunigten Mutationsvorgang mittels Mutagenese und andererseits einen künstlich initiierten und beschleunigten Selektionsvorgang beinhaltet.
Dieses Vorhaben wird dadurch technisch realisiert und handwerklich umgesetzt, indem in einen Rezipienten eine Probenlösung eingeleitet wird, in der einerseits das zu zerlegende oder zersetzende und abzubauende Mikroplastik und andererseits der als zur Mutation mittels Mutagenese und dadurch zur Zersetzung und Abbau des Mikroplastik geeignet angesehene oder eingeschätzte Stamm an Mikroorganismen gelöst ist. Unter geeignete Mikroorganismenstämme versteht man Mikroorganismenstämme, welche aus Sicht des aktuellen Stands der Technik am ehesten geeignet sind, Mikroplastik abzubauen, so dass diese Mikroorganismenstämme als Ausgangspunkt am erfolgsversprechendsten erscheinen. Bei den Mikroorganismen kann es sich insbesondere um Bakterien handeln, aber auch andere Mikroorganismen wie Hefe, allgemein Pilze, Algen oder andere Mikroben, sogar Viren oder Phagen mit zugehörigen Bakterien, erscheinen denkbar oder können zumindest in Betracht gezogen werden. Optional kann man in einem weiteren Arbeitsschritt noch ein auf diese Anwendung, insbesondere auf den verwendeten Mikroorganismusstamm, optimiert abgestimmtes Wachstumsmittel, z.B. in Form von Nährlösung oder Nährflüssigkeiten, einleiten oder sonstwie der Probenlösung beigeben oder beimengen, um deren Wachstum zu beschleunigen, damit die Reproduktions- oder Vermehrungsrate dieser ausgewählten Mikroorganismen ausreichend hoch ist. Wahlweise lassen sich auch mehrere Proben von unterschiedlichen Sorten von Mikroplastik und/oder Mikroorganismenstämmen in den Rezipienten einführen. Die Nährflüssigkeit kann bereits vor dem Hinzufügen von Mikroorganismen im Rezipienten vorliegen, oder sie kann vor der Zugabe mit dem Mikroplastik gut vermischt werden, so dass daraus eine heterogene Dispersion entsteht, die dann in den Rezipienten gegeben wird, oder sie kann mit den Bakterien getrennt, aber gleichzeitig oder nach deren Hinzufügen dem Rezipienten zugegeben werden. Optional kann eine solche Nährlösung auch während des gesamten Vorganges diskontinuierlich oder kontinuierlich zugegeben werden z.B. in Form von Tropfen oder mittels eines konstanten oder variierbaren Flüssigkeitsstroms. Der Zustrom von Nährflüssigkeit kann zeitlich und / oder räumlich variiert werden: beispielsweise kann am Anfang in Anwesenheit von viel Mikroplastik sehr viel Nährflüssigkeit bereitgestellt werden, und wenn bei einer auftretenden Mutation die Zesetzung und der Abbau des Mikroplastiks erfolgreich verläuft, kann die Zufuhr an Nährflüssigkeit reduziert werden. Auch kann die Nährflüssigkeitszufuhr räumlich variieren, damit der Zeitersparnis und erhöhter Verfahrenseffizienz wegen in Form von Reihenuntersuchungen parallel verschiedene Versuchsreihen im selben Rezipienten innerhalb voneinander abgetrennten Sektionen durchgeführt werden können. Denkbar ist auch, dass unterschiedliche Nährflüssigkeiten und / oder Sorten von Mikroplastiken in verschiedenen Sektionen des Rezipienten den Mikroorganismen beigefügt werden. Auch ist es möglich, dass in derselben Sektion innerhalb des Rezipienten die Nährflüssigkeit nicht nur hinsichtlich ihrer Konzentration und / oder Flussmenge räumlich und/oder zeitlich verändert wird, sondern dass nach einem gewissen Zeitpunkt die erste Sorte von Nährflüssigkeit durch eine andere Sorte von Nährflüssigkeit ersetzt werden kann. Dieser Überngang kann entweder abrupt oder kontiniuerlich erfolgen, indem man die Durchflussmenge der ersten Nährflüssigkeit verringert und im selben Maße die Durchflussmenge einer zweiten Nährflüssigkeit erhöht. Dazu wird natürlich eine entsprechende Steuerungsvorrichtung benötigt.
Weiterhin werden mutagene Maßnahmen in der Vorrichtung implementiert, die mutagene Mittel ausgeben und/oder aussenden können, von denen bekannt sind, dass diese in Mikroorganismen Mutationen auslösen bzw. bewirken können. Als geeignete mutagene Maßnahmen / mutagene Mittel zählen bspw. ionisierende Strahlungsquellen wie hochenergetische UV-Strahlung mit einer Photonenenergie > 6eV, Röntgen- und Gammastrahlungsquellen oder auch Ionenstrahlquellen (H⁺, He⁺ u.a.) sowie weitere radioaktive Strahlungsquellen wie Alpha- oder Beta-Strahler oder Teilchen- oder Partikelstahlung wie bspw. Elektronen-, Positronen-, Neutronen- ode Protonenstrahlung, mit denen die Bakterienstämme im Rezipienten beaufschlagt werden. In einem speziellen Ausführungsbeispiel kann man auch die kosmische Strahlung als mutagenes Mittel verwenden, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung an der Außenseite eines Forschungssatelliten oder einer Raumstation im (erdnahen) Weltraum angebracht worden ist. Wichtig ist, dass man bei diesen Strahlungsquellen die Intensität oder Fluenz genau einstellen kann, so dass diese ausreichend hoch ist, um eine hohe Mutationsrate der Mikroorganismen zu erzielen. Allerdings darf diese nicht zu hoch sein, damit die Mikroorganismen keine lethale Dosis erhalten, wodurch diese absterben können. Denkbar und möglich ist auch, dass man die ionisierenden Strahlungsquellen so kontrolliert steuern oder programmieren kann, dass diese eine Strahlung emittieren, deren Intensität oder Fluenz raum- und/oder zeitabhängig ist. Dadurch lässt sich eine gewünschte Dosis einstellen, mit denen die zu mutierenden Mikroorganismenstämme beaufschlagt werden können. Beispielsweise kann mit einer geringen Bestrahlungsintensität gestartet werden, und wenn sich die Mikroorganismen erfolgreich exponentiell vermehren, kann die Bestrahlungsdosis entsprechend exponentiell gesteigert werden, so dass zu jedem Zeitpunkt jedes Bakterium dieselbe Bestrahlungsdosis abbekommt. Alternativ kann man auch die Intensität stärker als nur exponentiell erhöhen, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass mit andauernder Bestrahlungsdosis in den Bakterienstämmen eine gewisse Strahlungsresistenz ausbildet werden kann. Um dieses Problem der Strahlungsresistenz zu umgehen, kann man verschiedene ionnisierende Strahlungsquellen einsetzen; beispielsweise kann man erst mit hochenergetischer UV-Strahlung beginnen und dann die Photonenenergie schrittweise oder kontinuierlich erhöhen, indem die Wellenlänge der die Mikroorganismen beaufschlagenden Strahlung entsprechend verkleinert wird, so dass man mit der Zeit in den Bereich der weichen und anschließend der harten Röntgenstrahlung oder sogar in den Bereich der Gammastrahlung gelangt.
Andererseits kann die Intensität / Fluenz der ionisierenden Strahlung zeitlich und/oder räumlich variiert werden, weil beispielsweise am Anfang des erfindungsgemäßen Verfahrens in Anwesenheit von viel Mikroplastik sehr hohe Mutationsraten erzielt werden müssen. Dies wird erreicht, indem die Intensität / Fluenz der ionisierenden Strahlung entsprechend erhöht wird. Nach Auftreten einer erfolgreichen Mutation, wenn also die Zesetzung und der Abbau des Mikroplastiks ohne unerwünschte Neben- oder Abbauprodukte sehr schnell veräuft, kann die Intensität / Fluenz der ionisierenden Strahlung reduziert oder sogar gestoppt werden, um die bestehende erfolgreiche Mutation nicht zu zerstören. Das ensprechende Signal dazu kann durch ein weiter unten beschriebenes Nachweis- oder Detektionssystems ausgegeben werden.
All diese Bestrahlungsalgorithmen müssen von einer entsprechenden programmierbaren Steuerungsvorrichtung umgesetzt und ausgeführt werden.
Anstelle von ionisierender Strahlung lassen sich auch chemische Mittel zur Erbgutveränderung einsetzen wie beispielsweise Dioxin, aber auch andere mutagene Fluide wie die Salpetrige Säure sind denkbar und sollten zumindest in Betracht gezogen werden. Auch in diesem Fall kann die Konzentration und die Flussmenge eines erbgutverändernden Fluids oder pulverförmigen Feststoffs (z.B. radioaktive Staubpartikel) räumlich und zeitlich von einer programmierbaren Steuerungsvorrichtung eingestellt werden. Denkbar ist auch, dass bei den chemischen Mitteln erst durch eine zusätzlich stattfindende Beaufschlagung von Anregungsstrahlung sich eine erbgutverändernde Wirkung auf die DNA der Mikroorganismen einstellt (sog. Photoaktivierung oder -anregung).
Es wird erwartet, dass in den Mikroorganismen, welche mit dem Mikroplastik in Kontakt kommen und durch ein erbgutveränderndes mutagenes Mittel beaufschlagt werden, ein weites Spektrum von verschiedenartigen Mutationen (Mutagenese) ausgelöst werden und somit diese durch eine damit verbundene erhöhte Mutationsrate sich beschleunigt an die vorgegebenen Umgebungsbedingungen in Form von anwesendem Mikroplastik einstellen können; zumindest ist davon auszugehen, dass diese Art von künstlich hervorgerufener Evolution (Mutation mittels Mutagenese und Selektion) sehr viel schneller verläuft als vergleichbare natürliche Evolutionsprozesse (natürliche Mutation und natürliche Selektion), wie sie in der Natur wie z.B. im Ozean vorkommen. Dadurch wird ein Evolutionsprozess (Mutation mittels Mutagenese und Selektion) quasi beschleunigt „im Zeitraffer“ durchlaufen, wodurch in einem überschaubaren Zeitraum praktisch ein gewünschter das betreffende Mikroplastik abbauender Stamm von Mikroorganismen bspw. in Form von Bakterien herangezüchtet wird, welche dann ab Erreichen einer bestimmten Menge oder Konzentration extrahiert werden kann. Anschließend können diese neugezüchteten Stämme von Mikroorganismen oder Bakterien in die natürlichen oder künstlichen Gewässer wie Ozean, Meer, See, Stausee oder Kläranlage entlassen werden, um dort das Mikroplastik biologisch abbauen zu können. Allerdings sollte vorher mit den entsprechenden Maßnahmen wie Modellierungen oder Kleinversuchen innerhalb eines abgeschlossenen Systems abgeklärt werden, ob von diesen mutierten Stämmen eine Gefahr für das gesamte Ökosystem in Form von Kollateralschäden auftreten können, indem bspw. andere Lebewesen oder natürliche Organismen angegriffen, verdrängt oder sonstwie in Mitleidenschaft gezogen werden.
Um die zeitliche Entwicklung und räumliche Ausbreitung der einzelnen mutierten Mikroorganismen- oder Bakterienstämme qualitativ und quantitiv genau (in-vitro) vefolgen zu können, muss ein entsprechendes Nachweis- oder Detektionssystem installiert werden. Natürlich lassen sich auch naßchemische Stichproben ziehen und diese dann im Labor untersuchen (z.B. Gensequenzierung, PCR); dies ist aber relativ arbeitsaufwendig und mit einer unerwünschten Zeitverzögerung verbunden. Besonders von Interesse ist, um welche Mutation es sich im erfolgreichen Falle handelt und in welcher räumlichen Konzentrationsverteilung die erfolgreiche Mutationsvariante vorliegt. Außerdem sollte deren zeitliche (und ggf. räumliche) Entwicklung zeitaufgelöst (und ggf. räumlich aufgelöst) registriert und dokumentiert werden sowie auch, mit welcher Effektivität (z.B. Zersetzungsgeschwindigkeit in Konzentrationsänderung pro Zeiteinheit wie auch Bestimmung der so entstehenden Neben- und Abfallprodukte) der Abbau des Mikroplastiks vonstattengeht.
Bildunterschriften

1: Vorrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiels (fluid-stationäre Ausführungsform)
2: Vorrichtung 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiels (fluid-dynamische Ausführungsform mit einem linearen (geradlinigen) Mikrofluidik-Aufbau bzw. Durchlauf)
3: Vorrichtung 20 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel (fluid-dynamische Ausführungsform mit einem zyklischen (kreisförmigen) Mikrofluidik-Aufbau bzw. Durchlauf)
4: Vorrichtung 30 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel (räumlich getrennte Orte der Mutagenese und der Selektion)

Konkrete Ausführungsbeispiele
Vorrichtung (erstes Ausführungsbeispiel)
In einem ersten, fluid-stationären Ausführungsbeispiel umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 einen Rezipienten 2, in welchem sich die gesamte Probe / Probenlösung 3 befindet (1). Die Probenlösung 3 besteht aus einer (wäßrigen oder alkoholischen) Dispersion / Suspension zusammengesetzt aus einem (polaren oder unpolaren, anorganischen oder organischen, sauren, alkalischen oder pH-neutralen) Lösungsmittel 3a (bspw. destilliertes Wasser als Beispiel eines polaren, anorganischen, pH-neutralen Lösungsmittels oder Alkohol (Methanol, Ethanol, n- oder iso-Propanol, n- oder iso-Butanol u.a.) als Beispiel eines teilweise polaren, organischen Lösungsmittels oder Hexan als Beispiel eines unpolaren, organischen Lösungsmittels oder Acteon als Beispiel eines polaren, organischen Lösungsmittels oder (wäßrige oder alkoholische) Säure- oder Laugenlösungen wie Salz- oder Schwefelsäure oder chlorige oder Schweflige oder Salpetrige oder organische Säuren (Essig- oder Zitronensäure, Aminosäuren usw.) oder Natronlauge oder (wäßige oder alkoholische) Salzlösungen (Hydrolyse) als Beispiel eines nicht pH-neutralen Lösungsmittels oder pH-Pufferlösungen oder (wäßrige und / oder alkoholische) Lösungen von Emulgatoren / Mizellen o.ä. oder Kombinationen hiervon) und aus dem in ihm gelösten und zu zersetzenden und abzubauenden Mikroplastik 3b sowie aus einem als geeignet erscheinenden zu mutierenden Stamm 3c von Mikroorganismen, insbesondere Bakterien, als auch optional aus einer dazu passenden oder geeigneten Nährlösung 3d, die optimal auf den zu mutierenden Stamm 3c von Mikroorganismen abgestimmt ist, um daraus die gewünschten das Mikroplastik 3b zersetzenden und abbauenden Stämme 3c'an Mikroorganismen zu züchten. Eventuell kann die Nährlösung 3d auch gleichzeitig das Lösungsmittel 3a darstellen, oder das Lösungsmittel 3a (z.B. Salpetrige Säure) kann auch gleichzeitig das mutagene chemische Mittel 5b darstellen, so dass eine Komponente der Probenlösung 3 eine mehrfache / doppelte Funktion besitzt.
Bei der Probenlösung 3 handelt es sich also im Allgemeinen um ein heterogenes Gemisch in Form einer inhomogenen Lösung, insbesondere um eine Dispersion / Kolloid / Suspension / Emulsion auf wäßriger oder alkoholischer oder sonst einer Basis bzw. Kombinationen hiervon.
Oberhalb des Rezipienten 2 befinden sich eine oder mehrere (einzelne oder miteinander zu einem Kanülenbündel verbundene) Kanülen 4a,b,c..., durch die die Probe 3 oder einzelne Komponenten der Probe wie das Lösungsmittel 3a, bestimmte Mengen des Mikroplastiks 3b, die zu mutierenden Bakterien- oder Mikroorganismenstämme 3c und/oder die Nährlösung 3d entweder zusammen oder (teilweise oder komplett) unabhängig über eine Dosiereinrichtung (nicht gezeigt) genau dosiert gleichzeitig oder nacheinander kontrolliert und gesteuert in den Rezipienten 2 eingeleitet werden können.
Als mutagene Maßnahme ist eine Vorrichtung 5 (mutagene Vorrichtung) implementiert worden, die mittels einer Quellvorrichtung 5a ein mutagenes Mittel 5b entweder ab- oder ausgibt, ab- oder ausscheidet, ab- oder aussondert, austreten lässt oder aussendet bzw. emittiert, mit der die Probe 3 im Rezipienten 2 beaufschlagt wird.
Bei der Quellvorrichtung 5a kann es sich bspw. um eine ionisierende Strahlungsquelle 5a1 handeln, um die Probe 3 mit hochenergetischer Strahlung 5b1 (Wellen- oder Teilchenstrahlung wie UV-, Röntgen- oder radioaktive Strahlung (α- oder β- oder γ-Strahlung) oder Elektronen-, Protonen-, Neutronen-, Positronen- oder Ionenstrahlung (z.B. H⁺- oder He⁺-Strahlung)) zu beaufschlagen. Anstelle einer ionisierenden Strahlungsquelle 5a1 kann auch ein weiteres Dosiersystem 5a2 bestehend aus einem Reservoir 5a2a (nicht gezeigt) eingebaut werden, welches mit einer mutagenen (chemischen, biochemischen, biologischen, pharmazeutischen und/oder medizinischen) Substanz 5b2 als mutagenes Mittel 5b gefüllt ist. Beispielsweise kann es sich bei einer biologischen, mutagenen Substanz 5b2 um Viren (Phagen) handeln, die die Erbinformation von Bakterien 3c ändern können, so dass dadurch mittels Mutation diese sich in Mikroplastik zersetzende und abbauende Baterien 3c' umwandeln, indem die Phagen in die Bakteriumzelle eindringen, an deren Zellwand sich heften und durch Injektion der Phagen-eigenen DNA die Erbinformation des Bakteriums umändern und somit entsprechend modifizieren. Auch Mischungen aus chemischen, biologischen, biochemischen, pharmazeutischen und/oder medizinischen, mutagenen Substanzen 5b2 können zur Anwendung kommen, bspw. eine Mischung aus Phagen, den entsprechendem Bakterium und eine zu ihm passenden Nährlösung. Dabei kann es sich um Nitrosamine, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe wie z.B. Benzopyren, heterozyklische aromatische organische Verbindungen wie z.B. Dibenzodioxin, Proflavin, Acridingelb, Dioxin, Mitomycin C, 5-Bromuracil, Methylmethansulfonat, Hydroxylamin, Stickstoffsenfgas, Nitrofuran, 2-Aminopurin, Dimethylsulfat, Diazomethan, N,N-Dimethylnitrosamin, Salpetrige Säure, N-Methyl-N'-nitro-N-nitrosoguanidin (MNNG), Ethylmethansulfonat (EMS), Methylmethansulfonat (MMS) oder andere chemische Mutagene in Form von Flüssigkeiten / Gase / Dämpfe handeln, welche eine mutagene Wirkung auf das Erbgut (DNA) der Mikroorganismen / Bakterien 3c besitzen, so dass sich durch den künstlichen Evolutionsprozess ein geeigneter Stamm 3c' von Mikroorganismen / Bakterien entwickelt. Das Reservoir 5a2a ist mit einer Ableitung 5a2b (nicht gezeigt) ausgestattet, um wohldosiert die mutagene Substanz 5b2 der Probe 3 zukommen zu lassen. Zusätzlich ist der Rezipient 2 noch mit einer Rühr- oder Vermischungsvorrichtung (nicht gezeigt) versehen, damit die Probe homogen vermischt werden kann (oder falls notwendig, dass diese Rühr- oder Vermischungsvorrichtung innerhalb der Probe einen Gradienten bezüglich der Homogenität / Konzentration der einzelnen Komponenten erzeugen kann). Dabei wird zur Realisierung der Rühr- oder Vermischungsvorrichtung auf die im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Techniken zurückgegriffen wie beispielsweise Propeller oder Magnetrührer in einem sich rotierenden magnetischen Feld. Das Reservoir 5a2a mit de mutagenen Substanz 5b2 kann entweder zusätzlich zur ionisierenden Strahlungsquelle 5a1 oder anstelle dieser eingebaut werden, so dass entweder nur die ionisierende Strahlung 5b1 oder nur die mutagene Substanz 5b2 oder beides gleichzeitig oder abwechselnd zum Einsatz kommen kann. Im vorletzten Fall (ionisisierende Strahlung 5b1 und mutagene Substanz 5b2 kommen gleichzeitig zum Einsatz) kann die ionisierende Strahlung 5b1 die Atome / Moleküle der mutagenen Substanz 5b2 oder eine andere strahlungsempfindliche Substanz in einer Komponente 3a, 3b, 3c und/oder 3d der Probenlösung strahlungsinduziert aktivieren oder anregen, damit die Mutagenese in Gang kommt.
Die Vorrichtung 5 als mutagene Maßnahme ist mit einer Steuereinrichtung 6 verbunden, die die Zusammensetzung und Abgabe / Dosierung / Dosis des mutagenen Mittels 5b kontrolliert steuern kann. Außerdem ist die Steuereinrichtung 6 mit Aktuatoren 7a und Sensoren 7b und Detektor(en) 8d verbunden, um ein erstes Feedbacksignal F1 von den Sensoren 7b und ein weiteres, zweites Feedbacksignal F2 von den Detektoren 8d (mittelbar über die Verarbeitungs- und Auswerteeinrichtung 9) zu erhalten, damit Maßnahmen ergriffen werden können, um den künstlich gesteuerten Evolutionsprozess (künstlich induzierte Mutation (Mutagenese) und Selektion) durch Anpassung der Prozessparameter fortlaufend weiter zu optimieren, worauf weiter unten noch detailliert eingegangen wird. Dabei kann das Feedback F2 bspw. entweder die abnehmende Menge an Mikroplastik 3b und/oder die abnehmende Größe des ursprünglichen, nicht mutierten Stamms 3c und/oder die zunehmende Größe des mutierten Stammes 3c'an Mikroorgnismen widerspiegeln.
Sowohl die ionisierende Strahlung 5b1 als auch die mutagene Substanz 5b2 stellen u.a. auch für das Bedienungspersonal ein gesundheitliches Risiko dar, so dass die geltenden Sicherheitsvorschriften eingehalten werden müssen und somit die entsprechenden Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden. Dazu gehört bspw. bei einem Alpha-Strahler eine Abdeckung aus Blei, bei UV-Strahlung ein Sichtschutz für die Augen und bei mutagenen Substanzen 5b2 geeignete Spül- und Reinigungsvorrichtungen und gasdichte Leitungssysteme, damit keine mutagene Substanz 5b2 austreten und somit ein Kontakt mit dem Bedienungspersonal verhindert werden kann.
Die gesamte Vorrichtung 1 ist in einem Gehäuse (nicht gezeigt) untergebracht, in dem geeignete Umgebungsbedingungen eingestellt und kontrolliert und steuerbar verändert werden können. Dazu zählen u.a. auch die Einstellung der Temperatur, des Drucks, der (Luftfeuchig-)keit, des pH-Wertes und der Konzentrationen mittels der Steuereinrichtung 6, damit der künstlich induzierte Evolutionsprozess sowie die dazugehörigen Mutations- und Selektionsvorgänge unter optimalen Umständen ablaufen können. Auch ist es denkbar, dass diese Prozessparameter sowohl räumlich als auch zeitlich durch ein vorgegebenes Computerprogramm in der Steuereinrichtung 6 variiert werden können, wodurch die Erfahrungen der davor durchgeführten Experimente mit einfließen können. Dazu sind auch verschiedene Aktuatoren 7a und Sensoren 7b eingebaut, welche u.a. die Temperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit messen und die entsprechenden Messsignale zur Steuereinrichtung 6 weiterleiten.
Um den Fortschritt des künstlichen Evolutionsprozesses (künstlich induzierte Mutation (Mutagenese) sowie Selektion) in situ oder in vitro beobachten und verfolgen zu können, wird eine geeignete Messvorrichtung 8 installiert. Die Messvorrichtung 8 besteht u.a. aus einer Quellvorrichtung 8a. Diese sendet ein Signal 8b aus, welches mit der Probe 3 wechselwirkt. Das somit entstandene Signal 8c wird durch einen Detektor 8d detektiert und in ein elektrisches, optisches und/oder elektro-optisches Messsignal (Rohsignal) MS umgewandelt, welches zu einer Verarbeitungs- und Auswerteeinrichtung 9 weitergeleitet wird. Dort wird das Messsignal MS verarbeitet, aufbereitet, ausgewertet und in einen Messdatensatz umgewandelt.
Bei der Quellvorrichtung kann es sich bspw. um eine Strahlungs- oder Lichtquelle 8a1 handeln, die Strahlung oder Licht 8b1 emittiert, welches an der Probe 3 reflektiert / gestreut wird, damit das reflektierte / gestreute Licht 8c1 mittels eines optischen Detektors 8d1 empfangen wird. Bei dem optischen Detektor 8d1 kann es sich um eine einfache Photodiode, die nur das einfallende Lichtsignal 8c1 unaufgelöst (allerhöchstens zeitlich aufgelöst) detektieren kann, eine empfindliche Lawinen-Photodiode (Avalanche-Photodiode), mit der man auch einzelne Photonen detektieren kann, um einen optischen Spektrographen, der das empfangene Lichtsignal 8c1 spektral aufgelöst detektieren kann, oder Arrays davon oder um eine (Schwarz-Weiß- oder Farb-)Kamera (CCD, CMOS, iCCD, EMCCD, Zeilen- oder Spalten- oder Flächendetektoren), die das empfangene Lichtsignal 8c1 räumlich, zeitlich und/oder farblich aufgelöst detektieren kann, handeln.
Bei der Lichtstreuung kann es sich um jedwede optische Streuung handeln wie elastische oder inelastische Streuung wie z.B. Reflexion, Rayleigh-Streuung, Raman-Streuung (auch nichtlineare Raman-Streuung wie SRS, CARS, SARS), Mie-Streuung (Tyndall-Effekt) usw..
In einem gesonderten Ausführungsbeispiel kann es sich bei der elastischen Streuung um Reflexion handeln. In diesem Falle kann man anhand der Reflexion die Farbe der Probenlösung 3 bestimmen und zeitlich / räumlich nachverfolgen. Optional kann man einen Indikator zugeben, um anhand der Farbveränderung den künstlichen Evolutionsprozess zu verfolgen. Bei dem Indikator kann es sich bspw. um einen Farbindikator handeln, der den pH-Wert der Probenlösung 3 durch Farbwechsel anzeigt oder sonstwie durch Farbänderung den Fortschritt einer oder mehrerer (bio-)chemischer oder physiko-chemischer Reaktionen verfolgen kann. Es kann sich aber auch um einen Fluoreszenzindikator handeln, wobei in diesem Fall auf die folgenden Ausführungsbeispiele verwiesen wird.
In einer weiteren Variante des ersten Ausführungsbeispiels 1 kann man mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Änderung des optischen Polarisationsverhaltens der Probe 3 den künstlichen Evolutionsprozess innerhalb der Probenlösung 3 nachverfolgen: dazu wird eine Lichtquelle 8a1 verwendet, die entweder bereits polarisiertes Licht emittiert und/oder durch Verwendung von Verzögerungsplatten (λ/2- oder λ/4-Plättchen) kann das Licht mit der gewünschten Polarisation erzeugt werden. Dabei kann es sich entweder um linear, zyklisch oder elliptisch polarisiertes Licht handeln. Die Probe 3 wird mit diesem po Lichtsignal 8b1 beaufschlagt, damit sie mit diesem wechselwirkt, und remittiert dann das Licht in Form eines Lichtsignals 8c1 mit gleicher oder geänderter Polarisation. Dieses re Lichtsignal 8c1 fällt dann auf die sensitive Oberfläche des optischen Detektors 8d1, um u.a. den (geänderten oder nicht geänderten) Polarisationszustand des remittierten Lichtsignals 8c1 zu bestimmen (dazu kann der optische Detektor 8d1 eventuell ebenfalls mit Polarisatoren / Polarisationsfilter ausgestattet sein), um daraus mit Hilfe der Verarbeitungs- und Auswerteeinrichtung 9 Rückschlüsse auf den Fortschritt des künstlichen Evolutionsprozesses innerhalb der Probenlösung 3 ziehen zu können und ggf. falls notwendig ein entsprechendes zweites Feedbacksignal F2 an die Steuereinrichtung 6 weitergeben. Dabei kann dieses zweite Feedbacksignal F2 Informationen über die abnehmende Menge an Mikroplastik 3b und/oder qualitative /quantitative Informationen über die ursprünglichen / mutierten Mikroorganismenstämme 3c / 3c' enthalten.
Es können anstelle der oben genannten Messverfahren oder zusätzlich noch weitere optische Messverfahren implementiert werden, die neben dem (zeitlich-, örtlich- und wellenlängenaufgelösten) Transmissions- und Absorptionsvermögen sowie den Reflexionseigenschaften auch den Brechungsindex, die optische Dispersion, die Doppelbrechung und auch nichtlinear optische Eigenschaften wie z.B. Absorption von Mehrphotonenübergängen etc. (zeit-, ort- und wellenlängenaufgelöst) messen und bestimmen können. Die dazu notwendigen optischen Strahlungs- und Lichtquellen 8a1 und optischen Detektoren 8d1 müssen dann installiert werden, bspw. im Falle der Messung von nichtlinear optischen Eigenschaften wie Mehrphotonenübergänge müssen (Ultra-)kurzpulslaser mit sehr hoher Emissionsleistung eingesetzt werden.
In einer gesonderten Variante des Ausführungsbeispiels kann es sich bei der inelastischen Streuung um Photolumineszenz, vorzugsweise Fluoreszenz, aber auch um Phosphoreszenz, Röntgenlumineszenz, Bio- oder Chemolumineszenz, Thermolumineszenz, Elektrolumineszenz oder akusto-/mechanische Lumineszenz handeln. Mittels der Fluoreszenz kann man qualitative / quantitative Informationen über die abgenomme Menge an Mikroplastik und/oder über die (noch nicht) mutierten Mikroorganismenstämme erhalten.
Im Falle der Fluoreszenz kann es sich bei der Quellvorrichtung um eine Anregungslichtquelle 8a2 zur Emission von Anregungslicht 8b2 mit geeigneter Wellenlänge handeln. Bei der Anregungslichtquelle 8a2 kann es sich bevorzugt um eine breitbandige, energiereiche UV-Lampe oder um einen schmalbandigen UV-Laser, insbesondere Quarz-, Quecksilberdampf-, Krypton-, Halogen-, Exciplex-, Excimer- oder Stickstoff-Lampe oder -laser, oder um einen schmalbandigen, energiereichen UV-Laser, insbesondere Laserdiode / Halbleiterlaser, handeln. Bei Bedarf kann es sich auch um Anregungslichtquellen 8a2 handeln, die im sichtbaren oder infraroten Bereich emittieren. Dem Fachmann sind solche Anregungslichtquellen mit geeigneter Anregungswellenlänge und -leistung aus dem Stand der Technik bekannt (z.B. Dye-Laser). Im Falle eines up-conversion-Prozesses anstelle eines down-conversion-Prozesses als Fluoreszenzlicht emittierender Prozess muss eine Anregungslichtquelle 8a2 mit einer geeigneten Anregungsleistung verwendet werden. Im Falle eines Multiphoton-Prozesses als Anregungsprozess können geeignete (Ultra-)Kurzpulslaser im pico- oder femto-Sekundenbereich wie bspw. Titan:Saphir-Laser verwendet werden.
Die Anregungslichtquelle 8a2 kann optional mit einem geeigneten Anregungsfiltersatz (nicht gezeigt) sowie einer geeigneten Adaptionsoptik umfassend Blenden, Linsen, Spiegel und dichroitische Strahlteiler u.a. zum Führen, Lenken, Formen und/oder Modulieren der Anregungsstrahlung (nicht gezeigt) ausgestattet sein. Außerdem ist zur Detektion des emittierten Fluoreszenzlichts 8c2 ein Fluoreszenzlichtdetektor 8d2 implementiert, welcher von der Probe 3, insbesondere vom Bakterienstamm 3c/3c' oder von einem anderen Stamm 3c/3c' von Mikroorganismen, emittiertes Fluoreszenzlicht 8c2 detektiert und daraus ein (elektronisches oder optisches) Messsignal (Rohsignal) MS generiert. Analog zur Anregungslichtquelle 8a2 kann der Fluoreszenzlichtdetektor 8d2 mit einem Emissionsfiltersatz (nicht gezeigt) sowie der Emissionsweg des emittierten Fluoreszenzlichts 8c2 mit einer Adaptionsoptik (nicht gezeigt) zum Führen, Formen, Lenken und/oder Modulieren des emittierten Fluoreszenzlichts 8c2 ausgestattet sein. Der Detektor 8d2 ist mit der Verarbeitungs- und Auswerteeinheit 9 verbunden, die wiederum mit der Steuereinrichtung 6 verbunden ist, so dass das Messsignal MS des Detektors 8d2 zu der Verarbeitungs- und Auswerteeinrichtung 9 hingeleitet werden kann, und die dort aufbereiteten Messwerte können dann wiederum zu der Steuereinrichtung 6 weitergeleitet werden.
Als Fluoreszenzmesstechnik können die bewährten Fluoreszenzmesstechniken (die üblichen Fluoreszenzmikroskopie- / Fluoreszenzspektroskopiemethoden in zeitabhängiger und nichtzeitabhängiger Form) wie z.B. die spektral- oder wellenlängenaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie (bei der die Probe mit einer Anregungsstrahlung einer bestimmten Wellenlänge λ_a beaufschlagt wird, und die daraufhin eine Fluoreszenzstrahlung mit einer bestimmten Wellenlänge λ_e oder mit einem spezifischen Wellenlängenspektrum emittiert und daraufhin das Fluoreszenzspektrum aufgenommen wird, bei dem die Intensität der Fluoreszenzstrahlung in Abhängigkeit der Wellenlänge aufgetragen wird) oder die frequenzmodulierte Fluoreszenzspektroskopie (frequency-domain measurements, bei der die Intensität der Anregungsstrahlung mit einer bestimmten Frequenz f moduliert wird und somit die emittierte Fluoreszenzstrahlung mit derselben Frequenz f moduliert ist, allerdings mit der Phasenverzögerung Δφ) oder die zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie (time-domain measurements: FLIM / FLIN (Fluorescence Lifetime Imaging Micro- oder Nanoscopy), bei der die Lebensdauer τ = (2πf)^-1 tanΔφ bestimmt wird) oder die polarisationsabhängige Fluoreszenzspektroskopie (bei der die einfallende Anregungsstrahlung und somit auch die emittierte Fluoreszenzstrahlung polarisiert ist, wobei aber eine Änderung der Polarisation zwischen einfallender Anregungsstrahlung und emittierter Fluoreszenzstrahlung als Maß für bestimmte Eigenschaften der Probe interpretiert werden kann) angewandt werden [Lako1]. Optional können auch geeignete Anregungs- oder Beleuchtungsfilter zwischen Anregungslichtquelle 8a2 und Probe 3 implementiert werden, damit die Probe nur mit dem geeigneten, spektral engen Anregungslicht beaufschlagt wird (Kerb- oder Notchfilter oder Bandpassfilter oder Kurzpassfilter), und es können auch geeignete Emissions- oder Beobachtungsfilter zwischen Probe 3 und Detektor 8d2 implementiert werden, damit der Detektor 8d2 nur das inelastisch gestreute, emittierte Fluoreszenzlicht detektiert und nicht das elastisch gestreute, reflektierte Anregungslicht oder störendes Umgebungslicht (Kerb- oder Notchfilter oder Bandpassfilter oder Langpassfilter).
Es können auch weitere, teilweise auch hybride Fluoreszenzspektroskopie- oder mikroskopieverfahren zur Anwendung kommen, wie bspw. die Epifluoreszenzmikroskopie, die dual-colour- oder dual-lifetime-Spektroskopie, die Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS), die Fluoreszenzkreuzkorrelationsspektroskopie (FCCS), die Interne Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie (TIR-FCS) oder auch die Lichtscheibenmikroskopie (SPIM-FCS), die superauflösenden (fluoreszenz-)mikroskopischen Verfahren wie RESOLFT/STED (z.B. zur dynamischen Teilchenverfolgung), STORM/PALM oder SIM. Auch ist es denkbar, dass fluoreszenzspektroskopische Verfahren zum Einsatz kommen, bei denen die Wellenlänge des Anregungsspektrums, die Modulationsfrequenz, mit der die Intensität der Anregungsstrahlung sich periodisch ändert, die Polarisationsrichtung oder -eigenschaften und/oder die Intensität der Anregungsstrahlung, und im Falle einer gepulsten Anregungsstrahlung die Repetitionsrate, der zeitliche Verlauf der Pulsform (Rechteck-, Dreieck-, Sägezahn oder Spitzen- oder Nadelpuls usw.) und/oder die gesamte Pulsanzahl (Gesamtdosis) zeitlich kontinuierlich oder diskret (sprunghaft) sich ändert und somit nacheinander sukzessiv oder, falls möglich und/oder notwendig, gleichzeitig (simultan) eingestrahlt und damit die Proben beaufschlagt wird.
Dazu werden natürlich geeignete (hochenergetisches Licht aussendende) Lichtquellen 8b2 wie UV-Lampen oder UV-Laser bereitgestellt, die je nach Bedarf zeitlich diskret oder kontinuierlich eine konstante oder eine spektral diskret oder kontinuierlich durchstimmbare Anregungswellenlänge optional mit zeitlich sich ändernden Frequenzmodulationen, Anregungsintensitäten und/oder Polarisationeigenschaften (teilweise oder vollständig linear, zyklisch, elliptisch oder total unpolarisiert) und mit bestimmter oder zeitlich variabler Phase (realisiert mittels eines Phasenschiebers entweder ausgestaltet als Reflexions- oder Transmissionstyp und in Form z.B. eines optisch ansteuerbaren Lichtmodulators, eines SLM (Spatial Light Modulator), eines LCOS (Liquid Crystal on Silicon), eines Mikrospiegelarrays, eines MEMS (Micro Electro Mechanical System), eines DLP (Digital Licht Processing, von Texas Instruments) oder eines LCD (Liquid Crystal Displays) emittieren können.
Im Falle der Röntgenfluoreszenz kann es sich bei der Anregungsquelle um eine Röntgenquelle handeln. Als Adaptionsoptiken müssen geeignete Röntgenspiegel verwendet werden, wie bspw. beschreiben in [wiki6], DE 10 2007 049 930 B4 , DE 10 2007 049 929 B4 , DE 10 2007 020 800 B4 .
Im Falle der Bio- oder Chemolumineszenz kann als Quellvorrichtung 8a eine bevorratetes Reservoir 8a3 an (bio-)chemischen (und/oder pharmazeutischen und/oder medizinischen) Substanzen 8b3 eingesetzt werden, das genau dosiert diese (bio-)chemischen Substanzen abgeben kann, damit die Probenlösung 3 damit beaufschlagt werden kann. Dort können diese (bio-)chemischen Substanzen 8b3 mit den Edukten und/oder (Zwischen- oder End-)produkten der mutagenen Reaktion reagieren und dadurch eine Bio- oder Chemolumineszenz auslösen, welche Bio- oder Chemolumineszlicht 8c3 emittiert, welches dann durch den optischen Detektor 8d3 detektiert werden kann.
Im Falle der Thermolumineszenz kann es sich bei der Quellvorrichtung 8 um eine Infrarotlichtquelle 8a4 oder eine andere Energiequelle 8a4 handeln, die Wärme abgibt, so dass die Probenlösung 3 mit Infrarot- oder Wärmestrahlung 8b4 oder Wärmeenenergie 8b4 in anderer Form (Wärmeleitung oder -konvektion) beaufschlagt werden kann. Dazu kann beispielsweise eine einzelne Elektrode in die Probenlösung 3 eingeführt werden, die eine Mindesttemperatur aufweist, oder zwei Elektroden können in die Probenlösung 3 eingeführt werden, zwischen denen eine elektrische Entladung stattfindet bspw. in Form eines Strom- und/oder lonenflusses oder einer Funkenentladung, so dass im Bereich des Ladungstransportes lokal eine Erwärmung 8b4 stattfindet, die dann zur Thermolumineszenz und somit zur Emission von Thermolumineszenzlicht 8c4 führt, welches wiederum durch den optischen Detektor 8d4 empfangen werden kann.
Im Falle der Elektrolumineszenz kann die bereits oben beschriebene Anordnung der beiden Elektroden ebenfalls benutzt werden; wie bereits im obigen Absatz beschrieben kann eine elektrische Entladung 8b4 zwischen den beiden Elektroden (Strom- und/oder Ionenfluss oder Funkenausbildung) mittels einer elektrischen Energiequelle 8a4 (Strom- oder Spannungsquelle) stattfinden, jedoch nur mit dem Unterschied, dass die Fluoreszenz nicht thermisch, sondern elektrisch angeregt wird, also nicht durch die lokal sich aufbauende Wärme, sondern durch den elektrischen Ladungstransport 8b4. Die auf diese Weise emittierte Elektrofluoreszenzstrahlung 8c4 trifft dann wieder auf den optischen Detektor 8d4.
Im Falle der akusto-/ mechanischen Lumineszenz kann als Quellvorrichtung auch eine akustische oder mechanische Energiequelle 8a4 eingesetzt werden, die z.B. Ultraschallwellen 8b4 abgibt, welche die Probenlösung 3 beaufschlagen. Im Falle der mechanischen Energiequelle 8a4 kann diese Energiequelle 8a4 Wellen 8b4 innnerhalb der Probenlösung 3 erzeugen, deren Wellenlängen jenseits des akustischen Spektrums liegen, aber zur mechanischen Lumineszenzanregung (vergleichbar mit Tribolumineszenz) geeignet sind. Durch den damit verbundenen (schlagartigen) räumlichen und zeitlichen Wechsel der Dichte der Probenlösung 3 (Kompression und Expansion) und/oder durch die mittels der Wellenströmung innerhalb der Probenlösung 3 induzierte innere Reibung (Viskostiät) im Volumen der fluiden Probenlösung 3 kann es zur akustischen / mechanischen Lumineszenzanregung kommen, und das so emittierte Akusto-/ Tribolumineszenzlicht 8c4 kann durch den optischen Detektor 8d4 empfangen werden.
Anstelle der optischen Messverfahren, insbesondere der lumineszenz-basierten Messverfahren wie Fluroeszenz, Thermolumineszenz, Elektrolumineszenz und akusto-/ mechanischen Lumineszenz können auch nicht-optische Messverfahren wie rein elektrische Messverfahren wie Leitfähigkeits-, Widerstands- oder Impedanzmessung oder - Impedanzspektroskopie der fluiden Probenlösung 3 oder rein akustische Messverfahren zur Anwendung kommen.
Verfahren (erstes Ausführungsbeispiel)
In einem ersten, fluid-statischen Ausführungsbeispiel des Verfahrens, bei dem die erste Ausführungsform 1 der entsprechenden Vorrichtung zum Einsatz kommt, wird in einem ersten Verfahrensschritt ein Rezipient 2 bereitgestellt, der zuvor mit einer Reinigungs- oder Desinfektionsflüssigkeit gespült, gereinigt und/oder desinfiziert worden ist, welche durch die Kanüle(n) 4a,b,c... in den Rezipienten 2 ein- und ausgeführt werden kann (nicht gezeigt). Dabei ist darauf zu achten, dass das Reinigungs- oder Desinfektionsmittel keine toxische Wirkung auf die nachfolgend einzuführenden Mikroorganismen 3c besitzen. Danach wird die Probe 3 präpariert, indem durch eine oder mehrere Kanülen / Kanülenbündel 4a,b,c... erst einmal eine Probenlösung 3 in Form einer Dispersion / Kolloids / Suspension / Emulsion, welche zumindest zusammengesetzt ist aus einem Lösungsmittel 3a, dem abzubauenden Mikroplastik 3b sowie einem Stamm 3c von Mikroorganismen, dem Rezipienten 2 zugeführt wird. Bei dem Stamm 3c von Mikroorganismen handelt es sich um einen Ausgangsstamm, der zur Zucht des gewünschten das Mikroplastik 3b zersetzenden und abbauenden Stamm 3c' von Mikroorganismen zunächst als geeignet erscheint. Optional kann auch eine Nährlösung 3d hinzugefügt werden. Die Reihenfolge der Zugabe der einzelnen Komponenten, aus denen sich letztendlich die Probenlösung 3 zusammensetzt, wie u.a. das Lösungsmittel 3a, das Mikroplastik 3b, die für diese Aufgabe als am geeignetsten eingeschätzten und zu mutierenden Stämme 3c an Mikroorganismen / Bakterien und eventuell die Nährlösung 3d, kann beliebig verändert und angepasst werden, um möglichst optimal der gestellten Aufgabenstellung zu genügen. So kann bspw. der Stamm 3c von Bakterien oder anderen Mikroorgnismen (oder eine Kombination hiervon) mit den übrigen Komponenten 3a und 3b gleichzeitig oder vor oder nach deren Zugabe dem Rezipienten 2 dosiert zugegeben werden. Optional kann davor, gleichzeitig oder danach auch die Nährlösung 3d hinzugefügt werden. Es steht also dem Fachmann frei, die einzelnen Komponenten 3a, 3b, 3c und 3d der Probenlösung 3 vorher miteinander zu vermischen und dann die bereits fertiggestellte Probenlösung 3 durch eine einzige gemeinsame Kanüle 4a dem Rezipienten 2 zuzuführen oder die einzelnen Komponenten 3a, 3b, 3c und 3d unabhängig voneinander gleichzeitig oder zeitversetzt durch verschiedene Kanülen 4a,b,c... oder nacheinander durch dieselbe Kanüle 4a dem Rezipienten 2 zuzugeben. Nachdem, falls notwendig, mittels der Rühr - oder Mischungsvorrichtung (nicht gezeigt) die Probe 3 entsprechend (möglichst homogen oder absichtlich heterogen mit einem Konzentrationsgradienten bezüglich einzelner oder aller Komponenten der Probenlösung 3 aufweisend) vermischt worden ist, kann der eigentliche, künstliche Evolutionsprozess (Mutation mittels Mutagenese und Selektion) beginnen: Als erstes werden mit Hilfe der Steuereinheit 6 die erforderlichen Startwerte der notwendigen und relevanten Prozessparameter mittels Aktuatoren 7a eingestellt und aufrechterhalten und mittels Sensoren 7b überwacht. Zu den notwendigen und relevanten Prozessparametern gehört im Allgemeinen u.a. optimal eingestellte Prozessparameter wie Temperatur, insbesondere eine erhöhte Temperatur (da die Wachstumsrate im Allgemeinen exponentiell von der Temperatur abhängt), die jedoch einen bestimmten Schwellwert nicht überschreitet darf (da dies sonst zur Degeneration, z.B. Denaturierung des Eiweißes, und damit zum sofortigen oder späteren Zelltod und somit zur Zerstörung der Mikroorganismen bzw. deren Stämme führen würde), die Luftfeuchtigkeit, Umgebungsgase und deren Zusammensetzung wie z.B. die Konzentration von anwesendem biradikalem Sauerstoff, optional ebenfalls anwesende Nährflüssigkeit u.a. hinsichtlich deren Konzentration, passender pH-Wert, qualitativ und quantitativ kontrolliertes und gesteuertes Umgebungs- oder Streulicht. Es ist anzunehmen, dass der Druck wahrscheinlich eine nicht allzu große Rolle spielt, wenn dieser bestimmte Grenzen nicht unter- oder überschreitet: es sei denn, er unterschreitet bswp. eine untere Grenze, so dass die Probenlösung anfängt, bereits bei Raumtemperatur zu sieden, oder er überschreitet eine obere Grenze, so dass aufgrund des Henry-Gesetzes / Raoultsche Gesetzes die Konzentration der in der Probenlösung 3 gelösten Umgebungsgase zu hoch wird.
Dann wird der eigentliche, künstliche Evolutionsprozess, genauer gesagt zunächst der Mutagenesevorgang, gestartet, indem als mutagene Maßnahme eine Vorrichtung 5 zum Einsatz kommt, die eine Quellvorrichtung 5a und ein mutagenes Mittel 5b umfasst. Dabei kann es sich bspw. um eine ionisierende Strahlungsquelle 5a1 oder um ein Dosiersystem 5a2 handeln. Die Vorrichtung 5 als mutagene Maßnahme gibt ein mutagenes Mittel 5b ab, bswp. eine ionisierende hochenergetische Strahlung 5b1 oder eine mutagene Substanz 5b2, mit welchem die Probenlösung 3 beaufschlagt wird. Optional können auch beide mutagene Mittel 5b1 und 5b2 zum Einsatz kommen, und zwar entweder gleichzeitig oder zeitlich abwechselnd. Dabei müssen nicht die verschiedenen Sektionen, aus denen sich der Rezipient 2 zusammensetzt, durch dasselbe mutagene Mittel 5b mit der gleichen Prozedur oder demselben Algorithmus behandelt werden, sondern verschiedene Sektionen des Rezipienten 2 können auch unterschiedlichen mutagenen Mitteln 5b und entsprechenden Prozeduren bzw. Behandlungsalgorithmen unterzogen werden.
Es werden nun laufend die optimalen Prozessbedingungen anhand des ersten von den Sensoren 7b kommenden Feedbacksignals F1 und anhand des zweiten von den Detektoren 8d kommenden Feedbacksignals F2 überprüft und bei Bedarf nachgestellt, wenn bspw. während des Verlaufs eine Änderung der einzelnen Prozessparameter bereits vor Prozessbeginn vorgesehen ist oder erst im Verlauf des Prozesses notwendig erscheint, weil z.B. eine Korrektur erforderlich ist, da unerwartet Abweichungen vom idealen Soll-Zustand auftreten. So kann es sein, dass Prozessbedingungen, die zunächst einmal anfangs als optimal einschätzt worden sind, abgeändert und modifiziert werden müssen, weil das dann während des künstlichen Evolutionsprozesses aufgenommene Messsignal MS etwas anderes anzeigt und man darauf reagiert muss, wie weiter unten explizit angegeben.
Es wird nun erwartet, dass unter geeigneten Prozessbedingungen die Anwendung der mutagenen Mittel 5b wie ionisierende Strahlung 5b1 oder mutagene Substanz 5b2 im Erbgut (DNA) der Bakterien- und/oder Mikroorganismenstämme 3c eine Vielzahl von zufälligen Mutationen auslöst (Mutagenese: künstlich herbeigeführte Mutation). Analog zur natürlich ablaufenden Evolution nach Darwin gehen die meisten zufällig mutierten Mikroorgnismen / Bakterien 3c/3c' zugrunde, da sie nicht mehr überlebensfähig sind; aber gemäß den Gesetzen der Stochastik werden zufälligerweise auch Mutationen erzeugt, die in der künstlich geschaffenen Umgebung im Rezipienten 2 mit Mikroplastik 3b und optional mit der Nährlösung 3d besonders gut zurecht kommen und sich daher auch entsprechend schnell vermehren (künstliche Auslese oder Selektion). Erfahrungsgemäß kann man dann davon ausgehen, dass diese Mutationen die Bakterien / Mikroorganismen 3c so verändern oder auf irgendeine Art und Weise modifizieren und sie damit in die Lage versetzen, dass sie mit dem sie umgebenden Mikroplastik 3b irgendwie wechselwirken, indem sie z.B. das Mikroplastik 3b als Nahrungsquelle an- und somit auch in sich aufnehmen oder sonstwie verarbeiten, zersetzen, ausscheiden und somit dieses auf diesem Wege biologisch abbauen. So bildet sich aus dem ursprünglichen Stamm 3c an Mikroorganismen / Bakterien im Verlauf des künstlichen Evolutionsprozesses durch Mutagenese ein neuer Stamm 3c' an Mikroorganismen / Bakterien, welche das Mikroplastik 3b zersetzen und abbauen können. Gerade auf diese erfolgreich mutierten Bakterien- / Mikroorganismenstämme 3c' hat es das erfindungsgemäße Verfahren eines künstlich herbeigeführten und beschleunigten Evolutionsprozesses abgesehen. Dieser Prozess entspricht im großen und ganzen der im Stand der Technik beschriebenen natürlichen oder gerichteten Evolution. Um den Verlauf dieses künstlichen Evolutionsprozesses in situ oder in vitro zeitlich und/oder räumlich aufgelöst verfolgen zu können, muss eine geeignete Messvorrichtung 8 implementiert und betrieben werden. Im Falle einer optischen Messvorrichtung 8 wird als Quellvorrichtung 8a der Messvorrichtung eine Strahlungs- oder Lichtquelle 8a1 eingerichtet. Diese Strahlungs- oder Lichtquelle 8a1 sendet ein Stahlungs- oder Lichtsignal 8b1 aus, mit dem die Probe 3 beaufschlagt wird. Da innerhalb der Probe sich (bio-)chemische Reaktionen betreffend den künstlichen Evolutionsprozess abspielen, ist zu vermuten, dass sich auch die optischen Eigenschaften der Probenlösung 3 im Verlauf des künstlichen Evolutionsprozess ändern, bspw. sowohl bezüglich der elastischen Streuung der Photonen an Materie wie z.B. Farbe, spektrales Transmissions- , spektrale Absorptions- und spektrales Reflexionsvermögen (Reflektivität), Polarisation, als auch bezüglich einer inelastischen Streuung der Photonen an Materie wie diverse Lumineszenzvorgänge (Fluoreszenz- oder Phosphoreszenzvorgänge), Ramaneffekt und Mie-Streuung und eventuell sogar auch nichtlinear optische Vorgänge (dies erscheint aber wegen der notwendigen sehr hohen Intensitäten des einfallenden Messsignals aus derzeitiger Sicht eher als weniger sinnvoll).
Eine gesonderte Ausführung einer solchen Vorrichtung stellt die Fluoreszenz dar wie im Folgenden detailliert erörtert wird: Dabei wird die natürliche Autofluoreszenz der Mikroorganismen- / Bakterienstämme 3c ausgenutzt. Es ist auch denkbar, die Bakterien / Mikroorganismen 3c vorher mit Fluorophoren / Luminophoren zu versehen. Jedoch ist zu vermuten, dass diese sich bei der Vermehrung (Zellteilung) der erfolgreich mutierten Stämme 3c' nicht mitvererbt werden, es sei den, die fluoreszierenden oder lumineszierenden Farbstoffe können in das Erbgut der Bakterien / Mikroorganismen 3c eingebaut werden. Zur Erzeugung der Fluoreszenz werden nun die Stämme 3c mit (hochenergetischer ultravioletter) Strahlung mit entsprechender Wellenlänge beaufschlagt. Eventuell können (als nicht unerwünschter Nebeneffekt) auch dadurch zusätzlich weitere künstliche Mutationen ausgelöst werden. Durch die Anregung der Moleküle der Mikroorganismen / Bakterien durch die einfallenden (hochenergetischen) Photonen der Anregungsstrahlung 8b2 wird ein inelastischer Streuprozess (Lumineszenz oder Fluoreszenz) ausgelöst, wodurch das Fluoreszenzlicht 8c2 von den Molekülen der Mikroorganismen / Bakterien 3c remittiert wird. Dieses emittierte Fluoreszenzlicht 8c2 fällt nun auf die strahlungssensitive Oberfläche eines ortsauflösenden Detektors 8d2 wie CCD oder CMOS (oder wird auf diese abgebildet) und generieren ein entsprechendes Signal, welches in ein elektrisches oder optisches Messsignal MS umgewandelt wird und durch die Verarbeitungs- und Auswertevorrichtung 9 verarbeitet, aufbereitet und ausgewertet werden kann. Werden nun die Mikroorganismen / Bakterien 3c durch Einwirkung der mutagenen Mittel wie ionisiernde Strahlung 5b1 oder mutagene Substanz 5b2 künstlich erfolgreich mutiert, so vermehren sie sich und das Fluoreszenzsignal 8c2 ändert sich, z.B. die Intensität nimmt ab oder zu. Eventuell können verschiedene erfolgreiche (oder auch nicht erfolgreiche) Mutationen mittels der Fluoreszenz voneinander unterschieden werden, da diese zueinander eine (geringfügig) andere Anregungswellenlänge und ein anderes Emissionsspektrum besitzen. Dazu müsste aber die Emissionsoptik mit dispersiven Komponenten wie Gittern oder optischen Prismen oder geeigneten Filtersätzen ausgerüstet sein, die eventuell über eine sehr hohe spektrale Auflösung verfügen müssen.
Dieser erwünschte, erfolgreiche Vermehrungsvorgang spiegelt sich auch in einer Veränderung des Messsignals MS wider. Wenn das Messsignal MS einen bestimmten vorgegebenen Schwellwert überschritten hat, kann dies zu einem Abbruch des künstlichen Evolutionsprozesses führen, um die erfolgreich mutierten Mikroorganismen / Bakterien 3c' zu extrahieren. Dieser Abbruch darf nicht zu spät erfolgen, da sonst bei einem vollständigen Abbau des Mikroplastiks 3b dieses komplett verbraucht wird und somit den erfolgreich mutierten Mikroorganismen-/Bakterienstämme 3c' die Nahrungsgrundlage entzogen wird; dies würde unweigerlich zu deren Hungertod führen, was nicht Sinn oder Ziel dieses künstlich eingeleiteten Evolutionsprozesses ist. Um den Gehalt des Mikroplastiks 3b bestimmen und zeitlich und räumlich verfolgen zu können, kann man auch die Autofluoreszenz des Mikroplastiks 3b ausnutzen oder das Mikroplastik 3b mit entsprechenden fluoreszenten oder lumineszenten Farbstoffen versehen, solange sie den künstlichen Evolutionsprozess nicht beeinflussen oder diesen mehr oder weniger unbeschadet und funktionsfähig überstehen. Wahrscheinlich besitzt die durch das Mikroplastik 3b verursachte Fluoreszenz auch Anregungs- und Emissionsspektren, welche sich von denen der von den Stämmen 3c/3c' generierten Fluoreszenz ausreichend stark unterscheiden, so dass sich klar zwischen der Fluoreszenz, welches von den Stämmen 3c/3c' stammt, und der Fluoreszenz, welches von dem Mikroplastik 3b stammt, differenziert werden kann. Somit kann als ein weiteres Abbruchkriterium wie folgt definiert werden: wenn die Fluoreszenz des Mikroplastiks 3b einen bestimmten vorgegebenen Schwellwert über- oder unterschreitet, wird der künstliche Evolutionsprozess abgebrochen, weil das erstens ein Zeichen ist, dass das Mikroplastik 3b verbraucht und folglich erfolgreich zerlegt / zerstetzt und abgebaut worden ist, und zweitens dann zu wenig Mikroplastik 3b als Nahrung für die erfolgreich mutierten Stämme 3c' vorliegt. Danach kann man mit der Extraktion / Herausfilterung der erfolgreich mutierten Stämme 3c' aus der Probenlösung beginnen.
Optional kann das Über- oder Unterschreiten eines Schwellwertes auch zum Auslösen eines (akustischen und/oder optischen) Alarms dienen oder eine Nachsteuerung zur Optimierung der Prozessparameter (Konzentrationsänderung, Temperatur etc.) einleiten.
Als spezielle Fluoreszenzmesstechniken können die bereits weiter oben ausgeführten Fluoreszenzuntersuchungsmethoden wie bspw. die spektral aufgelöste Intensität (Wellenlängenabhängigkeit), gekennzeichnet durch unterschiedliche Anregungs- und Emissionswellenlängen- und Intensitäten, Lebensdauermessungen (FLIN), Phasen-Modulationtechniken, Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie, die insbesondere beim zweiten, noch folgenden fluid-dynamischen Ausführungsbeispiel mit einem Probendurchfluss sinnvoll erscheint, polarisationsabhängige Fluoreszenzuntersuchungsmethoden u.a. in Betracht gezogen werden. Anstelle oder zusätzlich als Ergänzung zur optisch angeregten Fluoreszenz können zur Nachverfolgung des künstlichen Evolutionsprozessfortschritts auch bio- oder chemifluoreszente Messmethoden angewandt werden. Dazu müssten aber der Probe 3 noch die geeigneten Reagenzien 8b3 aus einem entsprechenden Reservoir 8a3 zugefügt werden, die auf den künstlichen Evolutionsprozess keinen störenden Einfluss nehmen dürfen. Analog zur optischen Fluoreszenz lässt sich dann das emittierte Bio- oder Chemolumineszenzlicht 8c3 von einem entsprechenden Detektor 8d3 detektieren und entsprechend weiterverarbeiten. Wenn die Fluoreszenz mittels eines thermischen, elektrischen, akustischen oder mechanischen Energiesignaleintrags 8b4, welches aus einer entsprechenden thermischen, elektrischen, akustischen oder mechanischen Energiequelle 8a4 stammt, angeregt wird, erhält man ein entsprechendes Thermo-, Elektro-, Akusto- oder Mechano-/ Tribolumineszenzlichtsignal 8c4, welches von einem entsprechenden Detektor 8d4 detektiert und analog zu den vorangegangenen Unterausführungsbeispielen weiterverarbeitet werden kann.
Auch sollten die Ausscheidungen der erfolgreich mutierten Stämme 3c' beim erfindungsgemäßen künstlichen Evolutionsprozesses untersucht werden, damit man ausschließen kann, dass sich beim Abbau des Mikroplastiks 3b toxische Stoffe gebildet haben. So sollte eine entsprechende Sensorik zum Einsatz kommen, um in Falle einer Generation von toxischen Stoffen ein Alarmsignal ausgelöst werden kann.
Vorrichtung (zweites Ausführungsbeispiel)
In einem zweiten, fluid-dynamischen Ausführungsbeispiel mit einer linearen (geradlinigen) Mikrofluidik umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 anstelle eines Rezipienten 2 (einschließlich der oder den Kanülen 4a,b,c...) eine Mikrofluidik 11, in welchem sich die gesamte Probenlösung 3 befindet und die linear (geradlinig) ausgebildet ist, so dass die fluide Probenlösung 3 diese einmalig und geradlinig durchströmen kann (2).
Dabei umfasst die Mikrofluidik 11 eine mikrofluidische Zuleitung 11a bestehend aus einzelnen Zuleitungen 11a', 11a''... und einer mikrofluidischen Ableitung 11b sowie einer zwischen beiden mikrofluidischen Zu- und Ableitungen 11a und 11b befindlichen Proben- oder Reaktionskammer 11c. Bei der Zuleitung 11a kann es sich um eine Misch- oder Kombinationsfluidik handeln, bei der die einzelnen Zuleitungen 11a', 11a'', ... in einem Misch- oder Kombinationspunkt 11a2 münden, so dass die einzelnen Teilströmungen dort vereint und miteinander vermischt werden können. Eventuell steht eine Mischkammer (nicht gezeigt) dazu zur Verfügung. Die mikrofluidischen Zu- und Ableitungen 11a,b können beispielsweise in Form eines Tesla-Ventils (ohne bewegliche Teile) ausgestaltet werden, um der Strömungsrichtung der fluiden Probe 3 eine gewünschte Vorzugsrichtung zu geben. Ansonsten entsprechen die Komponenten des zweiten Ausführungsbeispiels 10 denen des ersten Ausführungsbeispiels 1: Auch im zweiten Ausführungsbeispiel 10 wird eine Vorrichtung als mutagene Maßnahme 5 zur Verfügung gestellt, um die Probe 3 entsprechend mutagen zu behandeln. So ist analog zum ersten Ausführungsbeispiel 1 ebenfalls im zweiten Ausführungsbeispiel 10 eine Quellvorrichtung 5a implementiert: dabei kann es sich genauso wie im ersten Ausführungsbeispiel 10 um eine ionisierende Strahlungsquelle 5a1, die eine hochenergetische, ionisierende Strahlung 5b1 aussendet, oder um ein Dosiersystem 5a2, welche eine mutagene Substanz 5b2 ausgibt, handeln. In der Tat lässt sich hinsichtlich der mutagenen Vorrichtung 5 (wie auch hinsichtlich der Messvorrichtung 8, worauf noch später eingegangen wird) das zweite Ausführungsbeispiel 10 mit dem ersten Ausführungsbeispiel 1 miteinander kombinieren. Daher wird auf die weiteren Vorrichtungsmerkmale der mutagenen Vorrichtung 5 für den künstlich gestarteten Evolutionsprozess (einschließlich Mutation mittels Mutagenese und Selektion) nicht weiter eingegangen, sondern auf die entsprechenden Ausführungen des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen.
Ebenfalls analog zum ersten Ausführungsbeispiel 1 ist in der Vorrichtung 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dieselbe Messvorrichtung 8 zum Nachverfolgen des Reaktionsfortschritts des künstlichen Evolutionsprozesses installiert worden. Wie bereits weiter oben angedeutet lassen sich das erste Ausführungsbeispiel 1 und das zweite Ausführungsbeispiel 10 hinsichtlich der Messvorrichtung 8 miteinander kombinieren. Daher wird abgesehen von der weiter unten aufgeführten Variante der Messvorrichtung 8 auf die weiteren Vorrichtungsmerkmale der Messvorrichtung 8 zur Nachverfolgung des künstlich gestarteten Evolutionsprozesses (einschließlich Mutation mittels Mutagenese und Selektion) nicht weiter eingegangen, sondern auf die entsprechenden Ausführungen des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen.
Da es sich beim zweiten Ausführungsbeispiel 10 um ein fluid-dynamisches Ausführungsbeispiel handelt, bei der die fluide Probe 3 nicht stationär steht, sondern dynamisch fließt, ist in diesem Fall die Anwendung der Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS), der Fluoreszenzkreuzkorrelationsspektroskopie (FCCS) oder kombinierte Verfahren wie die Interne Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie (TIR-FCS) oder auch Lichtscheibenmikroskopie (SPIM-FCS) als Messvorrichtung 8 zur Verfolgung des Reaktionsfortschritts des künstlichen Evolutionsvorgangs besonders sinnvoll, da durch diese Messmethode bestimmte Fluidparameter wie Diffusionskonstante, Beweglichkeit, Konzentrationen und Interaktionen zwischen verschiedenen diffundierenden Partikeln u.a. bestimmt werden können. Dazu wird als Quellvorrichtung 8a der Messvorrichtung 8 eine UV-Lichtquelle als Anregungsquelle 8a2 eingebaut, die hochenergetisches ultraviolettes Licht als Anregungslicht 8b2 aussenden kann und mit dem die fließende dynamisch-fluide Probe 3 beaufschlagt wird. Durch die Anregung wird dann von den Partikeln der Probe 3 Fluoreszenzlicht 8c2 remittiert, welches auf einen (wellenlängen-, zeit- und/oder ortsauflösenden) Detektor 8d2 (z.B. Photodetektoren, Avalanche-Photodioden / SPAD oder ein Array davon oder EMCCD) zur Detektion des von der fluiden Probe 3 emittierten Fluoreszenzlichts 8c2 auftrifft und dort das Messsignal MS erzeugt. Dazu sollte der Detektor 8d2 eine geeignete spektrale Empfindlichkeit aufweisen, die dem emittierten Fluoreszenzlichtspektrum entspricht. Das Messsignal MS wird zu der Verarbeitungs- und Auswerteeinrichtung 9 zu deren Aufnahme, Be- und (Weiter-)verarbeitung, Aufbereitung und Auswertung weitergeleitet, um daraus die entsprechenden Messdaten zu generieren. Das daraus entstehende Feedbacksignal F2 kann wie das erste von den Sensoren 7b kommende Feedbacksignal F1 zur Steuerung der Aktuatoren 7a wie z.B. Peltierelement zur Temperaturregulierung sowie Ventile / Flow-Controller zur Druck-, Durchfluss- und Konzentrationsregulierung verwendet werden, um die Prozessbedingungen noch weiter optimal auszugestalten.
Verfahren (zweites Ausführungsbeispiel)
Bei dem zweiten, fluid-dynamischen Ausführungsbeispiel 10 des Verfahrens, bei dem die zweite Ausführungsform 10 der entsprechenden Vorrichtung zum Einsatz kommt, wird anstelle eines Rezipienten 2 (einschließlich der oder den Kanülen 4a,b,c...) eine Mikrofluidik 11 bestehend aus einer mikrofluidischen Zuleitung 11a, die wiederum die einzelnen Zuleitungen 11a', 11a''... umfasst, und einer mikrofluidischen Ableitung 11b sowie einer zwischen beiden mikrofluidischen Leitungen 11a und 11b befindlichen Probenkammer 11c bereitgestellt und durch Spülug mittels eines Reinungs- oder Desinfektionsmittels gereinigt und desinfiziert.
Die prinzipielle Durchführung des Verfahrens des zweiten Ausführungsbeispiels 10 ähnelt dem des ersten Ausführungsbeispiels 1; allerdings unterscheidet sich diese bezüglich der Zu- und Abfuhr der fluiden Proben 3: Während in der ersten Ausführungsform 1 die flüssige Probe 3 nach Zuleitung durch eine oder mehrere Kanülen 4a,b,c,... in den Rezipienten 2 zum Stillstand kommt und in einem fluid-statischen Zustand dem erfindungsgemäßen Untersuchungsverfahren unterzogen wird, wird in der zweiten Ausführungsform 10 das Probenfluid 3 durch eine mikrofluidische Zuleitung 11a der Probenkammer 11c zugeleitet und von dort ebenfalls mittels einer mikrofluidischen Ableitung 11b nach Durchführung des Untersuchungsverfahrens wieder abgeleitet, so dass die fluide Probe 3 während des Messvorgangs sich stets in einem fließenden Zustand befinden kann (alternativ kann auch während des Messvorganges der Durchfluss der fluiden Probe 3 gestoppt werden, oder sie kann nicht nur kontinuierlich, sondern auch stoßweise gepumpt werden und somit entsprechend fließen). Dabei steht es frei, dass dieser fließende Zustand quasi-stationär oder nicht quasi-stationär ausgestaltet werden kann, indem beispielsweise ein (positiver oder negativer) Geschwindigkeitsgradient verbunden mit den entsprechenden Druckänderungen (statischer und dynamischer Druck) gemäß dem Bernoulli Strömungsgesetz entlang der Strömungsachse existiert. Allerdings wird wohl bei den meisten Anwendungen eine laminare Strömung, bevorzugt ein Newton'sches Fluid, anstelle einer turbulenten Strömung bevorzugt werden (charakterisiert durch die Reynold'sche Zahl). Allerdings hat eine turbulente Strömung den Vorteil einer besseren, gleichmäßigeren Durchmischung, auch wenn die (strömungs-)zeitliche und die (strömungs-)örtliche Auflösung darunter leidet. Notfalls muss man zeitliche und/oder örtliche Mittelwerte bilden, damit die Messdaten aussagekräftig und interpretationsfähig werden.
Bei der Zuleitung der fluiden Probe 3 durch die Probenzuleitung 11a in die Probenkammer 11c können die einzelnen Komponenten 3a,b,c,d der fluiden Probe 3 ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel 1 in jeweils einzelnen Zuleitung 11a', 11a'' ... tranportiert und im Mischpunkt 11a2 miteinander gemischt werden. Dabei kann jede einzelne Komponente des Probenfluids 3 durch eine Dosiereinrichtung (nicht gezeigt) in jeder einzelnen Zuleitung 11a', 11a'', ... unabhängig voneinander dosiert werden. Im Mischpunkt 11a2 bspw. in Form einer Mischkammer (nicht gezeigt) werden dann die einzelnen Komponenten des Probenfluids 3 möglichst gleichmäßig miteinander vermischt. Dies kann entweder durch eine Rühreinrichtung oder ein Gebläse oder sonstwie realisiert werden. Trotz möglichst gleichmäßiger Vermischung liegt dann das Probenfluid 3 nun in Form einer heterogenen Mischung vor, wobei diese heterogene Mischung eine Dispersion (Kolloid, Suspension und/oder Emulsion) darstellt. Das Probenfluid 3 wird dann in dieser Form in die Probenkammer 11c geleitet, wo nun der eigentliche Prozess der künstlichen Evolution (Mutation mittels Mutagenese und Selektion) stattfindet. Dieser Prozess entspricht im Prinzip dem des ersten Ausführungsbeispiels 1: auch im zweiten Ausführungsbeispiel 10 wird das Probenfluid 3 durch eines mutagenes Mittel 5b behandelt, indem das Probenfluid 3 durch eine ionisierende Strahlung 5b1 oder eine mutagene Flüssigkeit 5b2 beaufschlagt wird, um eine künstliche Mutation (Mutagenese) mit möglichst hoher Mutationsrate zu induzieren. Des Weiteren wird auf die entsprechenden Ausführungen des künstlich gestarteten und gesteuerten Evolutionsprozesses (einschließlich Mutation mittels Mutagenese und Selektion) im ersten Ausführungsbeispiel verwiesen. Nur beispielhaft wird zur in-vitro-Detektion und in-vitro-Nachverfolgung des künstlich gestarteten und beschleunigten Evolutionsprozesses angegeben, dass analog zum ersten Ausführungsbeispiel 1 eine UV-Lichtquelle 8a2 implementiert werden kann, die hochenergetisches ionisierendes ultraviolettes Anregungslicht 8b2 aussendet, welches die fluide Probe 3 beaufschlagt und somit diese anregt, eine Fluoreszenzstrahlung 8c2 zu remittieren, welche wiederum auf die strahlungssensitive Oberfläche eines (ortsauflösenden) Detektors 8d2 auftrifft, um dort ein (elektrisches oder optisches) Messsignal MS zu generieren, welches zu einer Steuer- und Auswerteeinheit 9 zu deren weiteren Bearbeitung, Aufbereitung und Auswertung geleitet wird, um eventuell durch ein Steuerungssignal an die Akuatorik 7a die Prozessparameter zu optimieren. Dazu werden die entsprechenden Aktuatoren 7a wie z.B. Peltierelemente zur Temperaturregulierung sowie Ventile zur Druckregulierung angesteuert.
Falls man auf (bio-)chemische Substanzen 5b2 als mutagenes Mittel 5b zurückgreift, müsste man eventuell beim zweiten (wie auch beim dritten) Ausführungsbeispiel eine weitere Zuleitung verlegen (nicht gezeigt in 2 und 3).
Der Unterschied oder sogar Vorteil des zweiten, fluid-dynamischen Ausführungsbeispiels 10 gegenüber dem ersten, fluid-statischen Ausführungsbeispiels 1 liegt in der sich bewegenden, fließenden Probe 3, welche eine andere Art der Dosierung benötigt: während beim ersten Ausführungsbeispiel 1 die Dosis des mutagenen Mittels 5b zur Gesamtdosis aufaddiert werden muss, da ja keine Probenflüssigkeit 3 abfließen kann, kann beim zweiten Ausführungsbeispiel 10 durch Warten die Bestrahlungsdosis wieder „rückgängig“ gemacht werden, da durch Zu- und Abfluss der Probenflüssigkeit 3 die bereits mit dem mutagenen Mittel 5b beaufschlagte Probenlösung abfließt und neue, noch nicht behandelte, frische Probenlösung 3 wieder nachfließt. So kann bspw. bei einer Überdosierung die Situation durch einfaches Warten „ausgesessen“ werden, was beim ersten Ausführungsbeispiel 1 nicht möglich ist. Ein weiterer Vorteil des zweiten Ausführungsbeispiels gegenüber dem ersten ist die teilweise bessere Einstellung der Prozessparameter bezüglich des Probenfluids 3, da es sich in diesem Falle um ein fluid-dynamisches System handelt, so dass man durch Änderung der Fließparameter wie Fließgeschwindigkeit und Dosierung die Konzentration innerhalb des Probenfluids 3 zu jeder Zeit ändern und den gegebenen Anforderungen anpassen kann (auch eine nachträgliche Verringerung der Konzentration der einzelnen Komponenten auf fast Null während des Verlaufs des Verfahrens erscheint beim zweiten Ausführungsbeispiel möglich zu sein). Dadurch ist dieses Ausführungsbeispiel gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel hinsichtlich Flexibilität und Dynamik(-bereich) überlegen, allerdings auf Kosten der Handhabung, da das zweite Ausführungsbeispiel doch komplexer ausgestaltet ist als das erste. Dagegen kann man beim ersten Ausführungsbeispiel bestimmte Umgebungsprozessparameter wie Temperatur und Druck besser einstellen, da das Probenfluid 3 ruht und somit statisch oder stationär zur Verfügung steht, so dass es schneller erwärmt werden kann. Dagegen funktioniert die Abkühlung des Probenfluids 3 beim zweiten Ausführungsbeispiel besser, wenn die nachfließende, frische Probenlösung 3 eine niedrigere Ausgangstemperatur als die Betriebstemperatur besitzt.
Vorrichtung und Verfahren (drittes Ausführungsbeispiel)
In einem dritten, fluid-dynamischen Ausführungsbeispiel 20 mit einer zyklischen (kreisförmigen) Mikrofluidik 21 umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 20 anstelle einer linearen (geradlinigen) Mikrofluidik 11 eine zyklische (kreisförmige) Mikrofluidik 21, die eben entsprechend zyklisch (kreisförmig) ausgebildet ist, so dass die Probenlösung 3 diese mehrmals in Form eines Kreislaufes durchlaufen oder durchströmen kann (3). Während im zweiten Ausführungsbeispiel 10 (2) es sich um einen offenen Kreislauf handelt, bei der die fluide Probenlösung 3 die Mikrofluidik 11 nur einmal durchströmen kann, bevor sie entsorgt wird, handelt es sich im Falle des dritten Ausführungsbeispiels 20 um einen geschlossenen Kreislauf, bei der die fluide Probenlösung 3 die Mikrofluidik 21 beliebig mehrmals durchströmen kann. Da im dritten Ausführungsbeispiel 20 der geschlossene Kreislauf von der fluiden Probenlösung 3 eben mehrfach durchlaufen werden kann, so dass ein mehrfacher Umlauf der fluiden Probenlösung 3 durchführbar ist, ermöglicht dies eine mehrfache Probenbehandlung: dabei können mittels mehrerer implementierter mutagener Vorrichtungen 5 verschiedene mutagene Mittel 5b angewandt werden, um die fluide Probenlösung 3 mehrmals unterschiedlich zu behandeln. Dabei kann bspw. die fluide Probenlösung 3 zuerst durch eine UV-Strahlung 5b1 behandelt werden, anschließend kann eine mutagene chemische Substanz 5b2 wie Salpetrige Säure, ein Dioxinderivat o.ä. zur Anwendung kommen, um dann beim dritten Umlauf letztendlich die fluide Probenlösung 3 mittels einer harten Röntgenstrahlung 5b1 zu beaufschlagen.
Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Risiko besteht, dass die Stämme 3c/3c' auf Dauer gegen einzelne mutagene Maßnahmen 5/5b eine Resistenz ausbilden, wenn diese ausschließlich und zu lange angewendet werden, bietet es sich an, dass dagegen als Massnahme ergriffen wird, abwechselnd unterschiedliche mutagene Mittel 5/5b zu verwenden, und mit den unterschiedlichen Mitteln 5b diese Stämme 3c/3c' zeitlich (und örtlich) variabel zu beaufschlagen. Für diese Vorgehensweise ist das dritte Ausführungsbeispiel 20 besser geeingnet als die beiden ersten Ausführungsbeispiele 1 und 10.
Im Gegensatz dazu ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel 10 nur eine einmalige mutagene Behandlung möglich, zumindest wenn nur eine mutagene Vorrichtung 5 als mutagene Maßnahme mit einem mutagenen Mittel 5b installiert wird. Ansonsten müsste man mehrere mutagene Vorrichtungen 5 als mutagene Maßnahme mit mehreren mutagenen Mitteln 5b implementieren, dies ist aber nicht so einfach zu bewerkstelligen wie im dritten Ausführungsbeispiel 20.
Besonders vorteilhaft ist das dritte Ausführungsbeispiel 20 gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel 10, wenn man das Probenfluidum 3 mehrfach genau derselben Behandlung mittels einer mutagenen Maßnahme 5b oder mehrfach genau derselben Messmethode 8 unterziehen will: wenn man beispielsweise das Probenfluidum 3 fünffach mit harter, ionisierender Röntgenstrahlung 5b1 behandeln will (entweder mit gleicher oder mit zeitlich variabler Bestrahlungsdosis), um nach jeder einzelnen Röntgenbestrahlungsrunde eine Fluoreszenzuntersuchung 8a2 / 8b2 / 8c2 / 8d2 (entweder mit gleichen oder mit unterschiedlichen Messparameter) durchzuführen, dann muss man im dritten Ausführungsbeispiel 20 das Probenfluid 3 einfach fünf Mal durch die zyklische Mikrofluidik 21 laufen lassen, während beim zweiten Ausführungsbeispiel 10 dies nicht so einfach zu realisieren ist.
Analog lassen sich im dritten Ausführungsbeispiel 20 auch mehrere veschiedene Arten von Messvorrichtungen 8 installieren, um die behandelte fluide Probenlösung auf unterschiedliche Arten zu charakterisieren (nicht gezeigt).
Vorrichtung und Verfahren (viertes Ausführungsbeispiel)
Ein Problem bei den vorangegangenen drei Ausführungsbeispielen besteht in der Tatsache, dass die Mutagenese lediglich an der Oberfläche der Probenlösung 3 stattfindet, da bspw. die hochenergetische Strahlung in den oberen Flüssigkeitsschichten absorbiert wird und im Allgemeinen die mutagenen Mittel 5b wie beispielsweise eine mutagene chemische Substanz 5b2 die Probenlösung 3 nur an deren Oberfläche beaufschlagt und nicht im Volumen. Dagegen werden an der Oberfläche der Probenlösung 3 nicht nur die Stämme 3c der Mikroorganismen durch das mutagene Mittel 5b beaufschlagt, sondern auch die anderen Lösungskomponenten wie bspw. das Mikroplastik 3b, welches zwar dadurch auch degradiert werden kann, was aber nicht Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, da nicht die mutagenen Mittel 5b, sondern die dadurch mutierten Stämme 3c' das Mikroplastik 3b abbauen soll. Außerdem lässt sich auch nicht so einfach abschätzen, wie das durch die mutagenen Mittel 5b degradierte Mikroplastik 3b sich auf den weiteren Prozess der des künstlichen Evolutionsprozesses (Mutagenese und Selektion) auswirken kann.
Eine Lösung wäre eine permanente gute Durchmischung der einzelnen Lösungskomponenten 3a,b,c,d, so dass alle Teile der Lösungskomponenten während der Beaufschlagung der Probenlösung 3 mit dem mutagenen Mittel 5b an die Oberfläche gelangen. Dies wird zwar bereits im dritten Ausführungsbeispiel (3) durch den wiederholt stattfindenden zyklischen Durchlauf des Probenfluids 3 durch die zyklische (kreisförmige) Mikrofluidik 21 gelöst, aber dadurch wird das Problem nicht behoben, dass auch andere Lösungskomponenten 3a,c,d als das Mikroplastik 3b durch das mutagene Mittel 5b degradiert oder modifiziert werden. Als Lösung wird hier deshalb eine räumliche Trennung zwischen der Stelle, an der das mutagene Mittel 5b die Oberfläche der Probenlösung 3 beaufschlagt, und der Stelle, an der die Stämme 3c auf das Mikroplastik 3b einwirken, vorgeschlagen, wie dies im vierten Ausführungsbeispiel realisiert worden ist (4):

In dieser Vorrichtung 30 des vierten Ausführungsbeispiels wird von der rechten Seite die durch die Mutagenese zu mutierenden Stämme 3c (gelöst in einem geeigneten Lösungsmittel 3a) an Mikroorganismen in den Rezipienten 2 geleitet, allerdings wird vorher auf dem Wege in den Rezipienten die Stämme 3c einer mutagenen Behandlung / mutagenen Maßnahme 5 unterzogen, indem ein mutagenes Mittel 5b (z.B. ionisierende Strahlung 5b1 oder mutagene chemische Substanzen 5b2) die im Lösungsmittel 3a gelösten Mikroorganismenstämme 3c beaufschlagen, so dass in ihnen eine Mutagenese ausgelöst wird und sich die ursprünglichen Mikroorganismenstämme 3c in die durch Mutagenese mutierten Mikroorganismenstämme 3c' umgewandelt werden. Die so mutierten Mikroorganismenstämme 3c'werden dann in den Rezipienten 2 geleitet, wo entweder schon vorher von unten das in einem Lösungsmittel 3a (entweder von derselben Art oder von einer anderen Art als das, in dem die Stämme 3c/ 3c' gelöst worden sind) gelöste und abzubauende Mikroplastik 3b und optional die Nährlösung 3d eingeleitet worden ist und dort bereits auf die mutierten Stämme 3c' warten oder in umgekehrter Reihenfolge nach Einleiten der mutierten Stämme 3c' das abzubauende Mikroplastik 3b und optional die Nährlösung 3d hinzugegeben wird. Anschließend findet eine gründliche Vermischung aller Probenlösungskomponenten 3a,b,c,d statt. Natürlich können beide Beigaben 3a,c/c'und 3a,b,d auch gleichzeitig stattfinden, was den Vorteil der besseren Vermischung hat. Wie auch immer fängt dann nach Kontaktfindung des Mikroplastiks 3b mit den mutierten Mikroorganismenstämme 3c' der Abbau und die Zerlegung des Mikroplastiks 3b durch diese mutierten Stämme 3c' statt unter Aufsicht der Messvorrichtung 8 (in 4 nicht gezeigt) und der gesamten Steuerungselektronik der Verarbeitungs- und Auswerteeinrichtung 9 (in 4 nicht gezeigt). Nach Beendigung des künstlichen Evolutionsprozesses kann die Probenlösung 3 nach links abgeleitet und, falls die Messvorrichtung 8 und die Auswerteeinrichtung 9 einen erfolgreichen Verlauf des Evolutionsprozesses anzeigen, was auf die Existenz einer erfolgreich mutierten Stammesspezies 3c' hinweist, nach Herausfilterung dieser begehrten mutierten Mikroorgismenstämme 3c' entweder entsorgt oder zumindest Teile der Probenlösung 3 in einem unabhängigen Kreislaufsystem (nicht gezeigt) wieder aufbereitet (recycelt) und der Vorrichtung 30 erneut zugeführt werden.

Die Vorrichtungen / Verfahren 1, 10, 20 und 30 aller vier Ausführungsbeispielen können nicht nur dem Auffinden einer erfolgreich mutierten Stammesspezies 3c' dienen, sondern nach deren Auffinden können diese Vorrichtungen / Verfahren mit den erfolgreich mutierten Stammesspezies 3c' auch kleinere Mengen an Mikroplastik 3b gezielt abbauen mit dem Ziel, dieses Mikroplastik 3b zu entsorgen und somit die Umwelt zu entlasten.
Aussicht
Das erfindungsgemäße Verfahren und die dazugehörige erfindungsgemäße Vorrichtung betrifft nicht nur primäres oder sekundäres Mikroplastik, sondern lässt sich natürlich auch auf primäres und sekundäres Makro- und/oder Nanoplastik übertragen.
Besonders in biologisch aktiven Zonen wie bspw. das Wurzelwerk von Bäumen, bei denen sich mit einer Mykorrhiza vergesellschaftete Feinwurzeln ausbilden, in denen Wurzeln und Pilzmycelen miteinander in einer symbiotischen Lebensgemeinschaft leben, oder in natürlichen oder künstlichen Nährlösungen, wie sie in Bioanlagen oder -reaktoren, Mooren, Tümpeln oder anderen (warmen) stehenden Gewässern oder Feuchtgebieten vorzufinden sind, aber auch in Kompostanlagen, in denen ein schnelles Wachstum von Mikroorganismen stattfindet und bei denen durch äußere Einwirkungen wie hohe natürliche oder künstliche Radioaktivität oder UV-Sonneneinstrahlung eine hohe Rate von natürlich oder künstlich induzierten Mutationen das schnelle Wachstum beeinflussen und sich sonstwie auswirken oder widerspiegeln (eventuell lassen sich durch die bereits oben diskutierten Maßnahmen die künstlich induzierten Mutationen noch beschleunigen), lassen sich dort durch Anwesenheit von Mikro- und/oder Nanoplastik gezielt Mikroorganismen züchten, die Mikro- und/oder Nanoplastik zerlegen, zersetzen und abbauen können.
Der erfindungsgemäße Gegenstand ist nicht nur auf den biologischen Abbau von Mikro- und/oder Nanoplastiken beschränkt: In einem zukünftigen, weiterführenden Ausführungsbeispiel ist es auch denkbar, dass als Umgebungsmedium andere abzubauende Stoffe bereitgestellt werden, die von den durch das erfindungsgemäße Verfahren mutierten Mikroorganismen innnerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zersetzt werden können. Dazu gehören u.a. verschiedene Krankheitserreger wie bspw. Ebola-Viren, toxische organische oder anorganische Stoffe wie schwer zu entsorgende pharmazeutische Restabfälle oder bei der Produktion von Chemikalien anfallender Sondermüll oder andere pathogene Viren oder Bakterien oder Krankheitserreger, die beispielsweise von mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens mutierten Viren oder mutierten Archaeen zersetzt werden können (so künstlich erzeugte Phagen). Auf ähnliche Weise ist auch zufällig das Penicillin entdeckt worden.
Man kann auch das erfindungsgemäße Verfahren umkehren und mittels dieses Verfahrens mutierte Mikroorganismen züchten, die gewünschte Stoffe synthetisieren, d.h. aufbauen können, indem man geeignete Selektionsbedingungen so einstellt, dass sich die gewünschten, mutierten Mikroorganismen verstärkt vermehren und andere unerwünschte, mutierte Mikroorganismen verstärkt in ihrer Vermehrung und Wachstum gehemmt werden. Sollen bspw. bestimmte Mikroorgnismen gezüchtet werden, die bestimmte Polymere synthetisieren, so kann man durch Variation der Wachstumsprozessparameter wie Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, UV-Einstrahlung bei verschiedenen Wellenlängen, pH-Wert, Anwesenheit von wachstumsfördernden oder -hemmenden Medien, Stoffe oder Substanzen sowie durch Entzug des bereits synthetisierten Polymers die Zucht der gewünschten Mikroorganismen fördern und die der ungewünschten Mikroorganismen unterbinden.
Es ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht ausgeschlossen, dass durch das mutagene Mittel nicht nur die Stämme der Mikroorganismen / Bakterien, sondern auch andere Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Mitleidenschaft gezogen werden, wie beispielsweise das Mikroplastik selber oder die Wände des Rezipienten oder der Mikrofluidik. Dies kann natürlich auch einen Einfluss auf den künstlichen Evolutionsporzess haben; wie weit dieser Aspekt den künstlichen Evolutionsprozess beeinflusst, müsste bei Bedarf entsprechend untersucht werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung / Verfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
2: Rezipient
3: (fluide) Probe / Probenlösung /Probenfluidum
3a: Lösungsmittel
3b: Mikro- und/oder Nanoplastik
3c: Ausgangsstämme der Mikroorganismen / Bakterien
3c': die aus den Ausgangsstämmen 3c gezüchteten und das Mikro- und Nanoplastik zersetzenden und abbauenden Mikroorganismen- / Bakterienstämme
3d: Nährlösung
4: Kanüle
4a,b,c: mehrere Kanülen
5: Vorrichtung als mutagene Maßnahme (mutagene Vorrichtung)
5a: Quellvorrichtung der mutagenen Maßnahme 5
5a1: ionisierende Strahlungsquelle als Quellvorrichtung 5a der mutagenen Maßnahme 5
5a2: Dosiersystem als Quellvorrichtung 5a der mutagenen Maßnahme 5
5a2a: Reservoir des Dosiersystems 5a2 der mutagenen Maßnahme 5
5a2b: Ableitung des Dosiersystems 5a2 der mutagenen Maßnahme 5
5b: mutagenes Mittel
5b1: hochenergetische, ionisierende Strahlung als mutagenes Mittel 5b
5b2: chem. Substanz als mutagenes Mittel 5b (mutagene Substanz)
6: Steuereinrichtung
7a: Aktuatoren
7b: Sensoren
8: Messvorrichtung
8a: Quellvorrichtung der Messvorrichtung 8
8a1: Strahlungs- oder Lichtquelle als Quellvorrichtung d. Messvorrichtung 8
8a2: Anregungslichtquelle als Quellvorrichtung 8a der Messvorrichtung 8
8a3: Reservoir als Quellvorrichtung 8a der Messvorrichtung 8
8a4: therm., elektr., akustische, tribo- oder mechan. Energiequelle
8b: Signal der Quellvorrichtung 8a
8b1: Strahlungs- oder Licht(signal) der Lichtquelle 8a1 als Signal der Quellvorrichtung 8a der Messvorrichtung 8
8b2: Anregungslichtsignal der Anregungsquelle 8a2 als Signal der Quellvorrichtung 8a der Messvorrichtung 8
8b3: (bio-)chemische Substanz im Reservoir 8a3
8b4: Anregungssignal d. therm., elektr., akust., mechan. Energiequelle 8a4
8c: Signal der Probe 3 (Probensignal)
8c1: Lichtsignal als Probensignal 8c der Probe 3 (Probenlichtsignal)
8c2: emittiertes Fluoreszenzlicht als Probensignal 8c der Probe 3 (Probenfluoreszenzlichtsignal)
8c3: Bio- oder Chemolumineszenzlichtsignal
8c4: Thermo-, Elektro-, Akusto-, Mechanik- oder Tribolumineszenzsignal
8d: Detektor der Messvorrichtung 8
8d1: optischer Detektor als Detektor 8d der Messvorrichtung 8
8d2: Fluoreszenzlichtdetektor als Detektor 8d der Messvorrichtung 8
8d3: optischer Detektor für die Bio- oder Chemolumineszenzstrahlung 8c3
8d4: optischer Detektor für die Thermo-, Elektro-, Akusto-, Mechanik- oder Tribolumineszenzstrahlung 8c4
9: Verarbeitungs- und Auswerteeinrichtung
10: Vorrichtung / Verfahren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
11: lineare (geradlinige) Mikrofluidik des zweiten Ausführungsbsp.
11a: mikrofluidische Zuleitung
11a', a'': einzelne Zuleitungen
11a2: Misch- oder Kombinationspunkt
11b: Ableitung
11c: Proben- oder Reaktionskammer
20: Vorrichtung / Verfahren gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel
21: zyklische (kreisförmige) Mikrofluidik des dritten Ausführungsbsp.
30: Vorrichtung / Verfahren gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel
F1: erstes Feedbacksignal
F2: zweites Feedbacksignal
MS: Messsignal (Rohsignal)

Literatur:

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https://de.m.wikipedia.org/wiki/Gerichtete Evolution>, recherchiert am 19.09.2022 [0095]
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https://www.wissenschaft.de/erde-umwelt/plastikschluckerretten-die-meere-nicht/>, recherchiert am 26.08.2022 [0095]
https://www.wwf.de/themen-projekte/plastik/mikroplastik>, recherchiert am 26. August 2022 [0095]
https://www.zhaw.ch/de/ueber-uns/aktuell/news/detailansichtnews/event-news/zhaw-forschende-trainieren-enzym-das-plastik-zersetzt/>, recherchiert am 19.09.2022 [0095]
https://impact.zhaw.ch/de/artikel/die-enzymtrainerin>, recherchiert am 19.09.2022 [0095]

Claims

Vorrichtung zur Durchführung eines künstlich initiierten Evolutionsprozesses mit - einem Rezipienten 2 zur Aufnahme einer Probenlösung 3, die aus einem Lösungsmittel 3a, die zu zersetzenden und abzubauenden Musterproben von Mikro- und/oder Nanoplastik 3b, den Ausgangsstämmen von Mikroorganismen 3c, insbesondere von Bakterienstämmen, aus denen die das Mikro- und/oder Nanoplastik 3b zersetzenden und abbauenden Mikroorganismenstämme 3c' gezüchtet werden sollen, und optional eine für die Mikroorganismenstämme 3c optimierte Nährlösung zur Förderung deren Wachstums besteht, und mit - eine oder mehrere Kanülen 4a,b,c ..., durch die die Probenlösung 3 bzw. deren Komponenten 3a, 3b, 3c und ggf. 3d gleichzeitig und/oder nacheinander in den Rezipienten 2 geleitet werden können, und mit - einer Vorrichtung 5 als mutagene Maßnahme, die in der Probenlösung 3, insbesondere in den Ausgangsstämmen der Mikroorganismen 3c, eine Mutagenese auslösen können, und die besteht aus einer Quellvorrichtung 5a der mutagenen Maßnahme und einem mutagenen Mittel 5b der mutagenen Maßnahme, und mit - einer Steuer- und Aktuatoreinrichtung 6 zum Einstellen und Steuern der Prozessparameter diverser Sensoren und Aktuatoren 7b,a zur Messung der Prozessparameter, und mit - einer Messvorrichtung 8 zur in-vitro-Verfolgung des zeitlichen Fortschritts des künstlich initiierten Evolutionsprozesses und zur Registrierung und Dokumentation von deren Erfolg, bestehend aus einer Quellvorrichtung 8a der Messvorrichtung 8 und einem Detektor 8d der Messvorrichtung 8, und mit - einer Verarbeitungs- und Auswerteeinrichtung 9, die mit der Steuereinrichtung 6 verbunden ist zum Zwecke eines zweiten Feedbacks F2 stammend von der Verarbeitungs- und Auswerteeinrichtung 9, damit die dafür ausgelegte Steuereinrichtung 6 entsprechende Maßnahmen ergreifen kann
Verfahren zur Durchführung eines künstlich initiierten Evolutionsprozesses, insbesondere zur Züchtung von Stämmen 3c'von Mikroorganismen, bspw. Bakterienstämme, die zur Zersetzung und zum Abbau von Mikro- und/oder Nanoplastik geeignet sind, durch die folgenden Schritte gekennzeichnet: - Bereitstellen eines Rezipienten 2 - Spülung und Reinigung des Rezipienten 2 mit einem Spül-/ Reinigungs-/ Desinfektionsmittel - Einführung einer Probenlösung 3 in den Rezipienten 2, indem gleichzeitig oder nacheinander deren Komponenten wie ein Lösungsmittel 3a, die Muster von zu zersetzenden und abzubauenden Mikro- und/oder Nanoplastik 3b, die Ausgangsstämme an Mikroorganismen 3c, aus denen die das Mikro- und/oder Nanoplastik 3b zersetzenden und abbauenden Mikroorganismenstämme 3c' gezüchtet werden sollen und optional eine für die Mikroorganismenausgangsstämme 3c optimierte Nährlösung 3d in den Rezipienten 2 eingeleitet werden - gute Vermischung der einzelnen Komponenten 3a, 3b, 3c und eventuell 3d der Probenlösung 3 - Einstellung und Aufrechterhaltung der Prozessparameter wie Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit usw. durch die Steuereinheit 6 auch mit Hilfe der Aktuatoren 7a und Sensoren 7b - Beaufschlagung der Probenlösung 3 im Rezipienten 2 durch das mutagene Mittel 5b, welches von der Quellvorrichtung 5a der Vorrichtung 5 als mutagene Maßnahme abgegeben, ausgegeben oder emittiert wird - Nachverfolgung des zeitlichen Fortschreitens des künstlich initiierten Evolutionsprozesses sowie Registrierung und Dokumentation von deren Erfolg mittels der Messvorrichtung 8, indem die Oberfläche der fluiden Probenlösung 3 mit einem Signal 8b der Quellvorrichtung 8a der Messvorrichtung 8 beaufschlagt wird, so dass ein Probensignal 8c von der Oberfläche der Probenlösung 3 remittiert wird, der durch den Detektor 8d der Messvorrichtung 8 detektiert wird und daraus ein Messsignal MS (Rohsignal) generiert - Überwachung der Prozessparameter - Übertragung des Messsignals MS (Rohsignal) vom Detektor 8d der Messorrichtung 8 an die Verarbeitungs- und Auswertungseinrichtung 9, um dort das Messsignal MS aufzubereiten und zu verarbeiten und daraus einen Messdatensatz zu erzeugen - falls notwendig, Übertragung eines Feedbacksignals F2 von der Verarbeitungs- und Auswerteeinrichtung 9 an die Steuereinrichtung 6, damit diese die Prozessparameter nachsteuern, neu einstellen und somit für den künstlichen Evolutionsprozess optimieren kann