Piezoelektrischer Schwermetallbiosensor mit Glutathion und Phytochelatin als Biokomponente

Ebel, Marc Christofer Josef; Hartmeier, Winfried

doi:HT014406022

Piezoelektrischer Schwermetallbiosensor mit Glutathion und Phytochelatin als Biokomponente

Ebel, Marc Christofer Josef

2005

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marc Christofer Josef Ebel

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2005

UmfangIII, 111 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Hartmeier, Winfried (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2005-05-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-11004
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59929/files/Ebel_Marc.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Schwermetall (Genormte SW) ; Chemische Analyse (Genormte SW) ; Piezoelektrische Messtechnik (Genormte SW) ; Biosensor (Genormte SW) ; Phytochelatine (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Biosensor (frei) ; Schwermetalle (frei) ; Phytochelatin (frei) ; Quarzmikrowaage (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Biosensoren zur Schwermetalldetektion zeigen eine große Diversität bezüglich der biologischen und technischen Komponenten. Neben metall-induzierbaren Promotoren, Mikroorganismen oder Enzymen, können Peptide, die spezifisch Schwermetalle binden, als biologische Komponenten eingesetzt werden. In dieser Arbeit wurde auf das Prinzip der spezifischen Schwermetallbindung von Phytochelatin zurückgegriffen, um einen Biosensor auf piezoelektrischer Basis aufzubauen. Zur Gewinnung von Phytochelatin in einem kontinuierlich betriebenen Säulenreaktor wurde quer- und co-quervernetzte Phytochelatin-Synthase (E.C. 2.3.2.15) aus Schizosaccharomyces pombe eingehüllt in Alginat, PVA und Sol-Gel eingesetzt. Durch die Teilreinigung des Enzyms mit Hilfe einer fraktionierten Ammoniumsulfat-Fällung konnte eine 18fache Erhöhung der spezifischen Aktivität erreicht werden. Die Immobilisierung des teilgereinigten Enzyms ermöglichte durch die geringe Ausblutung eine sehr geringe Proteinverunreinigung der fluiden Phase, ersparte so eine spätere Extraktion des Phytochelatins und ermöglichte eine Aufrechterhaltung der Produktivität über vier Wochen. Das beste Ergebnis lieferte die Einhüllung der co-quervernetzten, teilgereinigten Phytochelatin-Synthase in PVA mit einer volumetrischen Produktivität von 4,5 mg Phytochelatin-2 pro Liter und Tag. Mit Hilfe des gewonnenen Phytochelatins konnte in Kombination mit einer Quarzkristall-Mikrowaage erfolgreich ein Biosensor für die Schwermetallanalytik konstruiert und eingesetzt werden. Alle eingesetzten Schwermetalle (Kadmium, Blei, Kupfer und das Metalloid Arsen) waren durch den Sensor nachweisbar. Zweiwertige Nicht-Metalle, wie Kalzium und Magnesium, beeinflussten die Messungen des Sensors nicht. Die im Verlauf dieser Arbeit entwickelte Konstruktion der Flusszelle erlaubte Schwermetallmessungen in einem statischen, apparativ einfach gestalteten und einem kontinuierlichen Verfahren. Beide Operationsmodi ließen ein Abfallen der Sensorantwort bei Applikation der Schwermetalle in der Reihenfolge Kadmium, Blei, Kupfer und Arsen erkennen. Die Grenzen der Detektion von Kadmium lagen bei Verwendung der statischen Methode bei 2 bzw. 30 µM, bei Verwendung der kontinuierlichen Messung bei 1 bzw. 20 µM. Durch den Einsatz einer „geprägten Matrix” war zusätzlich eine Unterscheidung unterschiedlicher Schwermetalle möglich: Die Selektivität einer Kadmium-geprägten Matrix wurde bei Schwermetallkonzentrationen von 2 bzw. 20 µM gezeigt.

Biosensors for the detection of heavy metal show a wide diversity concerning the biological and technical components. Amongst others, metal-inducible promoters, microorganisms, enzymes as well as peptides, which specifically bind heavy metals, can be used as biological components. This work focuses on the specific binding of heavy metals by phytochelatin, which is used to construct a biosensor based on piezoelectrically measured mass changes. To obtain phytochelatin, a packed bed reactor filled with cross- and co-crosslinked phytochelatin-synthase (E.C.: 2.3.2.15) derived from Schizosaccharomyces pombe immobilised in alginate, PVA or sol-gel respectively was set up. An 18fold increase of the specific activity could be achieved by a fractioned ammonium sulphate precipitation. The immobilisation of the enzyme resulted in a low contamination of the fluent phase with enzyme (i.e. low bleeding of the immobilisates), hence there was no need to further purify the produced phytochelatin. In addition, the immobilisation facilitated a lifetime of the packed bed of 4 weeks. Best results were achieved with co-crosslinked, partly purified phytochelatin-synthase immobilised in PVA with a yield of 4,5 mg phytochelatin per litre and day. The phytochelatin produced by these means was immobilised onto a QMB (quartz crystal micro balance) to create a biosensor for heavy metal detection. All applied heavy metals (cadmium, lead, copper and arsenic) could be detected. Other divalent non-metal ions like potassium and magnesium did not have an impact on the measurements. The assembled measuring device facilitated heavy metal detection in a relatively simple "static" as well as in a flow-cell mode. Both modi showed an increase in mass change during the detection of equimolar solutions of arsenic, copper, lead and cadmium respectively (i.e. according to their molar mass). Detection-limits for cadmium using the "static" mode were 2 and 30 µM respectively, using the flow-through technique, limits of 1 and 20 µM were achieved. Applying an imprinted matrix, it was possible to specifically detect cadmium in the presence of other heavy metals. The detection range achieved here was 2 to 20 µM.

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