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13.2: Einsatz physikalischer Methoden zur Bekämpfung von Mikroorganismen - Biologie

13.2: Einsatz physikalischer Methoden zur Bekämpfung von Mikroorganismen - Biologie


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Lernziele

  • Verstehen und vergleichen Sie verschiedene physikalische Methoden zur Kontrolle des mikrobiellen Wachstums, einschließlich Erhitzen, Kühlen, Einfrieren, Hochdruckbehandlung, Trocknung, Lyophilisierung, Bestrahlung und Filtration

Seit Tausenden von Jahren verwendet der Mensch verschiedene physikalische Methoden der mikrobiellen Kontrolle zur Konservierung von Lebensmitteln. Zu den üblichen Kontrollmethoden gehören unter anderem die Anwendung hoher Temperaturen, Bestrahlung, Filtration und Austrocknung (Trocknung). Viele dieser Verfahren töten Zellen unspezifisch, indem sie Membranen zerstören, die Membranpermeabilität ändern oder Proteine ​​und Nukleinsäuren durch Denaturierung, Abbau oder chemische Modifikation beschädigen. In diesem Abschnitt werden verschiedene physikalische Methoden zur mikrobiellen Kontrolle beschrieben.

Hitze

Das Erhitzen ist eine der häufigsten – und ältesten – Formen der mikrobiellen Kontrolle. Es wird in einfachen Techniken wie Kochen und Konserven verwendet. Hitze kann Mikroben töten, indem sie ihre Membranen verändert und Proteine ​​denaturiert. Die thermischer Todespunkt (TDP) eines Mikroorganismus ist die niedrigste Temperatur, bei der alle Mikroben in einer 10-minütigen Exposition abgetötet werden. Verschiedene Mikroorganismen reagieren unterschiedlich auf hohe Temperaturen, wobei einige (z. B. Endosporenbildner wie C. botulinum) ist hitzetoleranter. Ein ähnlicher Parameter, der thermische Todeszeit (TDT), ist die Zeitdauer, die benötigt wird, um alle Mikroorganismen in einer Probe bei einer bestimmten Temperatur abzutöten. Diese Parameter werden oft verwendet, um Sterilisationsverfahren zu beschreiben, die hohe Hitze verwenden, wie z. B. Autoklavieren. Kochen ist eine der ältesten Methoden zur Bekämpfung von Mikroben durch feuchte Hitze, und es ist in der Regel sehr effektiv beim Abtöten von vegetativen Zellen und einigen Viren. Kochen ist jedoch weniger wirksam beim Abtöten von Endosporen; einige Endosporen können bis zu 20 Stunden Kochen überleben. Außerdem kann das Kochen in höheren Lagen weniger effektiv sein, wo der Siedepunkt von Wasser niedriger ist und die Kochzeit, die zum Abtöten von Mikroben benötigt wird, daher länger ist. Aus diesen Gründen wird Kochen im Labor oder in der Klinik nicht als nützliche Sterilisationstechnik angesehen.

Für die Sterilisation im Labor oder in der Klinik können viele verschiedene Heizprotokolle verwendet werden, die in zwei Hauptkategorien unterteilt werden können: Trockenhitzesterilisation und Sterilisation mit feuchter Hitze. Die aseptische Technik im Labor umfasst typischerweise einige Sterilisationsprotokolle mit trockener Hitze unter Verwendung direkter Anwendung hoher Hitze, wie z. B. das Sterilisieren von Impfösen (Abbildung (PageIndex{1})). Verbrennung bei sehr hohen Temperaturen zerstört alle Mikroorganismen. Trockene Hitze kann auch für relativ lange Zeiträume (mindestens 2 Stunden) bei Temperaturen bis zu 170 °C unter Verwendung eines Sterilisators mit trockener Hitze, wie beispielsweise einem Ofen, angewendet werden. Die Sterilisation mit feuchter Hitze ist jedoch in der Regel das effektivere Protokoll, da sie die Zellen besser durchdringt als trockene Hitze.

Autoklaven

Autoklaven basieren auf der Sterilisation mit feuchter Hitze. Sie werden verwendet, um Temperaturen über den Siedepunkt von Wasser zu erhöhen, um Gegenstände wie chirurgische Ausrüstung von vegetativen Zellen, Viren und insbesondere Endosporen zu sterilisieren, die bekanntermaßen Siedetemperaturen überstehen, ohne die Gegenstände zu beschädigen. Charles Chamberland (1851–1908) entwarf 1879 den modernen Autoklaven, während er im Labor von Louis Pasteur arbeitete. Der Autoklav gilt nach wie vor als die effektivste Sterilisationsmethode (Abbildung (PageIndex{2})). Außerhalb von Labor- und Klinikumgebungen große Industrieautoklaven, sogenannte RetortenS ermöglichen eine großflächige Sterilisation mit feuchter Hitze.

Im Allgemeinen wird die Luft in der Kammer eines Autoklaven entfernt und durch in der geschlossenen Kammer eingeschlossene Dampfmengen ersetzt, was zu einem erhöhten Innendruck und Temperaturen über dem Siedepunkt von Wasser führt. Die beiden Haupttypen von Autoklaven unterscheiden sich in der Art und Weise, wie die Luft aus der Kammer entfernt wird. Bei Autoklaven mit Schwerkraftverdrängung wird Dampf von oben oder von den Seiten in die Kammer eingeleitet. Luft, die schwerer als Dampf ist, sinkt auf den Boden der Kammer, wo sie durch eine Entlüftungsöffnung herausgedrückt wird. Eine vollständige Luftverdrängung ist insbesondere bei größeren Lasten schwierig, so dass für solche Lasten möglicherweise längere Zyklen erforderlich sind. Bei Vorvakuum-Sterilisatoren wird die Luft mit einem Hochgeschwindigkeitsvakuum vollständig entfernt, bevor Dampf in die Kammer eingeleitet wird. Da die Luft vollständiger eliminiert wird, kann der Dampf verpackte Gegenstände leichter durchdringen. Viele Autoklaven sind in der Lage, sowohl Schwerkraft- als auch Vorvakuumzyklen durchzuführen, wobei erstere für die Dekontamination von Abfall und die Sterilisation von Medien und unverpackten Glaswaren und letztere für die Sterilisation von verpackten Instrumenten verwendet wird.

Die Standardbetriebstemperaturen für Autoklaven betragen 121 °C oder in einigen Fällen 132 °C, typischerweise bei einem Druck von 15 bis 20 Pfund pro Quadratzoll (psi). Die Expositionsdauer hängt vom Volumen und der Art des zu sterilisierenden Materials ab, beträgt jedoch typischerweise 20 Minuten oder mehr, wobei größere Volumina längere Expositionszeiten erfordern, um eine ausreichende Wärmeübertragung auf die zu sterilisierenden Materialien zu gewährleisten. Der Dampf muss direkt mit den zu sterilisierenden Flüssigkeiten oder trockenen Materialien in Kontakt kommen, daher bleiben die Behälter locker verschlossen und die Instrumente werden lose in Papier oder Folie eingewickelt. Der Schlüssel zum Autoklavieren besteht darin, dass die Temperatur hoch genug sein muss, um Endosporen abzutöten, um eine vollständige Sterilisation zu erreichen.

Da die Sterilisation für sichere medizinische und Laborprotokolle so wichtig ist, ist die Qualitätskontrolle unerlässlich. Autoklaven können mit Aufzeichnungsgeräten ausgestattet werden, um die bei jedem Lauf erreichten Drücke und Temperaturen zu dokumentieren. Zusätzlich sollten interne Indikatoren verschiedener Typen zusammen mit den zu sterilisierenden Materialien autoklaviert werden, um sicherzustellen, dass die richtige Sterilisationstemperatur erreicht wurde (Abbildung (PageIndex{3})). Eine übliche Art von Indikator ist die Verwendung von wärmeempfindlichem Autoklavenband, das weiße Streifen aufweist, die schwarz werden, wenn die entsprechende Temperatur während eines erfolgreichen Autoklavenlaufs erreicht wird. Diese Art von Indikator ist relativ kostengünstig und kann bei jedem Lauf verwendet werden. Autoklavband liefert jedoch keinen Hinweis auf die Expositionsdauer und kann daher nicht als Indikator für Sterilität verwendet werden. Eine andere Art von Indikator, ein biologischer Indikator-Sporentest, verwendet entweder einen Papierstreifen oder eine flüssige Suspension der Endosporen von Geobacillus stearothermophilus um zu bestimmen, ob die Endosporen durch das Verfahren abgetötet werden. Die Endosporen des obligaten thermophilen Bakteriums G. stearothermophilus sind hier aufgrund ihrer extremen Hitzebeständigkeit der Goldstandard. Biologische Sporenindikatoren können auch verwendet werden, um die Wirksamkeit anderer Sterilisationsprotokolle zu testen, einschließlich Ethylenoxid-, Trockenhitze-, Formaldehyd-, Gammastrahlung und Wasserstoffperoxid-Plasmasterilisation entweder mit g. stearothermophilus, Bacillus atrophaeus, B. subtilis, oder B. pumilus Sporen. Bei der Validierung der Autoklavenfunktion werden die Endosporen nach dem Autoklavieren inkubiert, um sicherzustellen, dass keine lebensfähigen Endosporen zurückbleiben. Das Bakterienwachstum nach der Endosporenkeimung kann durch biologische Indikator-Sporentests überwacht werden, die Säuremetaboliten oder Fluoreszenz nachweisen, die von Enzymen produziert werden, die von lebensfähigen G. stearothermophilus. Eine dritte Art von Autoklavenindikator ist das Diack-Röhrchen, eine Glasampulle, die ein temperaturempfindliches Pellet enthält, das bei der richtigen Sterilisationstemperatur schmilzt. Um sicherzustellen, dass der Autoklav ordnungsgemäß funktioniert, werden regelmäßig Sporenstreifen oder Diack-Röhrchen verwendet.

Pasteurisierung

Obwohl eine vollständige Sterilisation für viele medizinische Anwendungen ideal ist, ist sie für andere Anwendungen nicht immer praktikabel und kann auch die Qualität des Produkts beeinträchtigen. Kochen und Autoklavieren sind keine idealen Methoden, um das mikrobielle Wachstum in vielen Lebensmitteln zu kontrollieren, da diese Methoden die Konsistenz und andere organoleptische (sensorische) Eigenschaften des Lebensmittels beeinträchtigen können. Pasteurisierung ist eine Form der mikrobiellen Kontrolle von Lebensmitteln, die Hitze verwendet, aber die Lebensmittel nicht steril macht. Die traditionelle Pasteurisierung tötet Krankheitserreger ab und reduziert die Anzahl der verderblichen Mikroben, während die Lebensmittelqualität erhalten bleibt. Das Pasteurisierungsverfahren wurde erstmals in den 1860er Jahren von Louis Pasteur entwickelt, um den Verderb von Bier und Wein zu verhindern. Heute wird die Pasteurisierung am häufigsten verwendet, um hitzeempfindliche Krankheitserreger in Milch und anderen Lebensmitteln (z. B. Apfelsaft und Honig) abzutöten (Abbildung (PageIndex{4})). Da pasteurisierte Lebensmittel jedoch nicht steril sind, verderben sie schließlich.

Die zur Milchpasteurisierung verwendeten Methoden gleichen die Temperatur und die Behandlungsdauer aus. Bei einer Methode, der Hochtemperatur-Kurzzeit-Pasteurisierung (HTST), wird die Milch 15 Sekunden lang einer Temperatur von 72 °C ausgesetzt, wodurch die Bakterienzahl gesenkt und gleichzeitig die Qualität der Milch erhalten bleibt. Eine Alternative ist die Ultra-High-Temperature (UHT) Pasteurisierung, bei der die Milch für 2 oder mehr Sekunden einer Temperatur von 138 °C ausgesetzt wird. UHT pasteurisierte Milch kann in verschlossenen Behältern ohne Kühlung lange gelagert werden; Die sehr hohen Temperaturen verändern jedoch die Proteine ​​in der Milch, was zu leichten Geschmacks- und Geruchsveränderungen führt. Dennoch ist dieses Pasteurisierungsverfahren in Regionen vorteilhaft, in denen der Zugang zur Kühlung begrenzt ist.

Übung (PageIndex{1})

  1. Wie werden in einem Autoklaven Temperaturen über dem Siedepunkt erreicht?
  2. Wie wäre der Beginn des Verderbens zwischen HTST-pasteurisierter und UHT-pasteurisierter Milch zu vergleichen?
  3. Warum wird Kochen in einer klinischen Umgebung nicht als Sterilisationsmethode verwendet?

Kühlen und Gefrieren

Genauso wie hohe Temperaturen zur Kontrolle des mikrobiellen Wachstums wirksam sind, kann es auch eine einfache und effektive Methode zur Kontrolle von Mikroben sein, Mikroben niedrigen Temperaturen auszusetzen, mit Ausnahme von Psychrophilen, die kalte Temperaturen bevorzugen (siehe Temperatur und mikrobielles Wachstum). Kühlschränke, die in Heimküchen oder im Labor verwendet werden, halten Temperaturen zwischen 0 °C und 7 °C. Dieser Temperaturbereich hemmt den mikrobiellen Stoffwechsel, verlangsamt das Wachstum von Mikroorganismen erheblich und trägt zur Konservierung von gekühlten Produkten wie Lebensmitteln oder medizinischen Bedarfsartikeln bei. Bestimmte Arten von Laborkulturen können zur späteren Verwendung durch Kühlung konserviert werden.

Ein Einfrieren unter -2 °C kann das mikrobielle Wachstum stoppen und sogar anfällige Organismen abtöten. Nach Angaben des US-Landwirtschaftsministeriums (USDA) können gefrorene Lebensmittel nur im Kühlschrank, in kaltem Wasser, das alle 30 Minuten gewechselt wird, oder in der Mikrowelle aufgetaut werden, um die Lebensmittel bei Temperaturen aufzubewahren, die dem Bakterienwachstum nicht förderlich sind .1Darüber hinaus kann ein gestopptes Bakterienwachstum in aufgetauten Lebensmitteln wieder aufgenommen werden, sodass aufgetaute Lebensmittel wie frisch verderbliche Lebensmittel behandelt werden sollten.

Bakterienkulturen und medizinische Proben, die langfristig gelagert oder transportiert werden müssen, werden oft bei extrem niedrigen Temperaturen von –70 °C oder darunter eingefroren. Diese extrem niedrigen Temperaturen können erreicht werden, indem Proben auf Trockeneis in einem Ultratiefkühlschrank oder in speziellen Flüssigstickstofftanks gelagert werden, die Temperaturen unter −196 °C halten (Abbildung (PageIndex{5})).

Übung (PageIndex{2})

Tötet das Einlegen von Lebensmitteln in einen Kühlschrank Bakterien auf den Lebensmitteln ab?

Druck

Die Exposition gegenüber hohem Druck tötet viele Mikroben ab. In der Lebensmittelindustrie wird die Hochdruckverarbeitung (auch Paskalisation genannt) verwendet, um Bakterien, Hefen, Schimmelpilze, Parasiten und Viren in Lebensmitteln abzutöten, während die Lebensmittelqualität erhalten und die Haltbarkeit verlängert wird. Die Anwendung von hohem Druck zwischen 100 und 800 MPa (der atmosphärische Druck auf Meereshöhe beträgt etwa 0,1 MPa) reicht aus, um vegetative Zellen durch Proteindenaturierung abzutöten, aber Endosporen können diesen Druck überleben.23

In klinischen Situationen wird manchmal eine hyperbare Sauerstofftherapie zur Behandlung von Infektionen eingesetzt. Bei dieser Therapieform atmet ein Patient reinen Sauerstoff bei einem Druck höher als der normale Atmosphärendruck, typischerweise zwischen 1 und 3 Atmosphären (atm). Dies wird erreicht, indem der Patient in eine Überdruckkammer gelegt wird oder indem der unter Druck stehende Sauerstoff über einen Beatmungsschlauch zugeführt wird. Die hyperbare Sauerstofftherapie hilft, die Sauerstoffsättigung in Geweben zu erhöhen, die aufgrund von Infektionen und Entzündungen hypoxisch werden. Diese erhöhte Sauerstoffkonzentration verbessert die Immunantwort des Körpers, indem sie die Aktivität von Neutrophilen und Makrophagen, weißen Blutkörperchen, die Infektionen bekämpfen, erhöht. Erhöhte Sauerstoffwerte tragen auch zur Bildung giftiger freier Radikale bei, die das Wachstum sauerstoffempfindlicher oder anaerober Bakterien wie z Clostridium perfringens, eine häufige Ursache für Gasbrand. In C. perfringens Infektionen kann eine hyperbare Sauerstofftherapie auch die Sekretion eines bakteriellen Toxins reduzieren, das Gewebezerstörung verursacht. Die hyperbare Sauerstofftherapie scheint auch die Wirksamkeit antibiotischer Behandlungen zu erhöhen. Zu den seltenen Risiken gehören leider Sauerstofftoxizität und Auswirkungen auf empfindliche Gewebe wie Augen, Mittelohr und Lunge, die durch den erhöhten Luftdruck geschädigt werden können.

Hochdruckbehandlung wird üblicherweise nicht zur Desinfektion oder Sterilisation von Fomiten verwendet. Obwohl die Anwendung von Druck und Dampf in einem Autoklaven zum Abtöten von Endosporen wirksam ist, ist es die erreichte hohe Temperatur und nicht der Druck direkt, die zum Absterben der Endosporen führt.

EIN STREICH VON SCHLECHTEM POTLUCK

An einem Montag im Frühjahr 2015 bekam eine Frau aus Ohio verschwommene Doppelbilder. Schluckbeschwerden; und hängende Augenlider. Sie wurde in die Notaufnahme ihres örtlichen Krankenhauses gebracht. Während der Untersuchung bekam sie Bauchkrämpfe, Übelkeit, Lähmung, Mundtrockenheit, Schwäche der Gesichtsmuskeln und Schwierigkeiten beim Sprechen und Atmen. Aufgrund dieser Symptome wurde die Einsatzleitstelle des Krankenhauses aktiviert und die Gesundheitsbehörden von Ohio wurden über einen möglichen Fall von Botulismus informiert. Inzwischen tauchten andere Patienten mit ähnlichen Symptomen in anderen örtlichen Krankenhäusern auf. Wegen des Verdachts auf Botulismus wurde Antitoxin über Nacht vom CDC zu diesen medizinischen Einrichtungen geschickt, um es den betroffenen Patienten zu verabreichen. Der erste Patient starb an Atemversagen infolge einer Lähmung, und etwa die Hälfte der verbleibenden Opfer musste nach der Verabreichung von Antitoxinen ins Krankenhaus eingeliefert werden, wobei mindestens zwei Beatmungsgeräte zum Atmen benötigten.

Beamte des öffentlichen Gesundheitswesens untersuchten jeden der Fälle und stellten fest, dass alle Patienten am Vortag an demselben kirchlichen Potluck teilgenommen hatten. Darüber hinaus führten sie die Quelle des Ausbruchs auf einen Kartoffelsalat zurück, der aus hausgemachten Kartoffeln in Dosen hergestellt wurde. Höchstwahrscheinlich wurden die Kartoffeln mit kochendem Wasser in Dosen konserviert, eine Methode, mit der Endosporen von Clostridium botulinum Überleben. C. botulinum produziert Botulinumtoxin, ein Neurotoxin, das nach der Einnahme oft tödlich ist. Nach Angaben der CDC war der Fall Ohio der größte Botulismus-Ausbruch in den Vereinigten Staaten seit fast 40 Jahren.4

Tötung C. botulinum Endosporen erfordern eine Mindesttemperatur von 116 ° C (240 ° F), deutlich über dem Siedepunkt von Wasser. Diese Temperatur kann nur in einem Druckdosierer erreicht werden, der für das Einmachen von säurearmen Lebensmitteln wie Fleisch, Fisch, Geflügel und Gemüse zu Hause empfohlen wird (Abbildung (PageIndex{6})). Darüber hinaus empfiehlt die CDC, Konserven vor dem Verzehr etwa 10 Minuten lang zu kochen. Da das Botulinumtoxin hitzelabil ist (was bedeutet, dass es durch Hitze denaturiert wird), werden alle Botulinumtoxine, die in der Nahrung enthalten sein können, nach 10 Minuten Kochen funktionsunfähig.

Um mehr über die richtigen Techniken zum Einkochen zu Hause zu erfahren, besuchen Sie die Website der CDC.

Trocknung

Das Trocknen, auch bekannt als Austrocknung oder Dehydration, ist eine seit Jahrtausenden angewandte Methode, um Lebensmittel wie Rosinen, Pflaumen und Trockenfrüchte haltbar zu machen. Es funktioniert, weil alle Zellen, einschließlich Mikroben, Wasser für ihren Stoffwechsel und ihr Überleben benötigen. Obwohl das Trocknen das mikrobielle Wachstum kontrolliert, tötet es möglicherweise nicht alle Mikroben oder ihre Endosporen ab, die möglicherweise nachwachsen, wenn die Bedingungen günstiger sind und der Wassergehalt wiederhergestellt ist.

In einigen Fällen werden Lebensmittel in der Sonne getrocknet, wobei die Verdunstung erforderlich ist, um eine Austrocknung zu erreichen. Die Gefriertrocknung oder Lyophilisation ist eine weitere Trocknungsmethode, bei der ein Gegenstand schnell eingefroren („snap-frozen“) und unter Vakuum gesetzt wird, so dass Wasser durch Sublimation verloren geht. Die Gefriertrocknung kombiniert sowohl die Einwirkung von kalten Temperaturen als auch die Austrocknung, was sie zur Kontrolle des mikrobiellen Wachstums sehr effektiv macht. Darüber hinaus verursacht die Gefriertrocknung weniger Schäden an einem Artikel als die herkömmliche Trocknung und bewahrt die ursprünglichen Eigenschaften des Artikels besser. Lyophilisierte Artikel können bei Raumtemperatur gelagert werden, wenn sie entsprechend verpackt sind, um eine Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern. Die Gefriertrocknung wird zur Konservierung in der Lebensmittelindustrie verwendet und wird auch im Labor zur Langzeitlagerung und zum Transport von mikrobiellen Kulturen verwendet.

Der Wassergehalt von Lebensmitteln und Materialien, die sogenannte Wasseraktivität, kann ohne physikalische Trocknung durch Zugabe von gelösten Stoffen wie Salzen oder Zuckern gesenkt werden. Bei sehr hohen Salz- oder Zuckerkonzentrationen wird die Menge an verfügbarem Wasser in mikrobiellen Zellen drastisch reduziert, da Wasser aus einem Bereich mit niedriger Konzentration gelöster Stoffe (innerhalb der Zelle) in einen Bereich mit hoher Konzentration gelöster Stoffe (außerhalb der Zelle) gezogen wird ( Abbildung (PageIndex{7})). Viele Mikroorganismen überleben diese Bedingungen des hohen osmotischen Drucks nicht. Honig zum Beispiel besteht zu 80 % aus Saccharose, einer Umgebung, in der nur sehr wenige Mikroorganismen wachsen können, wodurch keine Kühlung erforderlich ist. Gesalzenes Fleisch und Fisch, wie Schinken und Kabeljau, waren vor dem Zeitalter der Kühlung von entscheidender Bedeutung. Früchte wurden durch Zugabe von Zucker konserviert, wodurch Marmeladen und Gelees hergestellt wurden. Bestimmte Mikroben, wie Schimmelpilze und Hefen, neigen jedoch dazu, Austrocknung und hohen osmotischen Druck toleranter zu sein und können daher diese Arten von Lebensmitteln immer noch kontaminieren.

Übung (PageIndex{3})

Wie beeinflusst die Zugabe von Salz oder Zucker zu Lebensmitteln die Wasseraktivität?

Strahlung

Strahlung in verschiedenen Formen, von energiereicher Strahlung bis hin zu Sonnenlicht, kann verwendet werden, um Mikroben abzutöten oder ihr Wachstum zu hemmen. Ionisierende Strahlung umfasst Röntgenstrahlen, Gammastrahlen und hochenergetische Elektronenstrahlen. Ionisierende Strahlung ist stark genug, um in die Zelle zu gelangen, wo sie molekulare Strukturen verändert und Zellbestandteile schädigt. Beispielsweise führt ionisierende Strahlung zu Doppelstrangbrüchen in DNA-Molekülen. Dies kann direkt zum Auftreten von DNA-Mutationen führen oder Mutationen können eingeführt werden, wenn die Zelle versucht, den DNA-Schaden zu reparieren. Wenn sich diese Mutationen anhäufen, führen sie schließlich zum Zelltod.

Sowohl Röntgen- als auch Gammastrahlen durchdringen problemlos Papier und Kunststoff und können daher zur Sterilisation vieler verpackter Materialien verwendet werden. Im Labor wird häufig ionisierende Strahlung verwendet, um Materialien zu sterilisieren, die nicht autoklaviert werden können, wie z. B. Petrischalen aus Kunststoff und Einweg-Impfösen aus Kunststoff. Für den klinischen Gebrauch wird ionisierende Strahlung verwendet, um Handschuhe, intravenöse Schläuche und andere Latex- und Kunststoffartikel zu sterilisieren, die für die Patientenversorgung verwendet werden. Ionisierende Strahlung wird auch zur Sterilisation anderer Arten von empfindlichen, wärmeempfindlichen Materialien verwendet, die klinisch verwendet werden, einschließlich Gewebe für Transplantationen, Arzneimittel und medizinische Geräte.

In Europa ist die Gammabestrahlung zur Konservierung von Lebensmitteln weit verbreitet, obwohl sie sich in den Vereinigten Staaten nur langsam durchgesetzt hat (siehe den Kasten Micro Connections zu diesem Thema). Auch verpackte getrocknete Gewürze werden häufig mit Gammastrahlen bestrahlt. Aufgrund der Durchdringungsfähigkeit von Papier, Kunststoff, dünnen Holz- und Metallplatten sowie Geweben ist bei der Anwendung von Röntgen- und Gammastrahlen besondere Vorsicht geboten. Diese Arten von ionisierender Strahlung können keine dicken Eisen- oder Bleischichten durchdringen, daher werden diese Metalle häufig verwendet, um Menschen zu schützen, die möglicherweise exponiert sind.

Eine andere Art von Strahlung, nichtionisierende Strahlung, wird üblicherweise zur Sterilisation verwendet und verbraucht weniger Energie als ionisierende Strahlung. Es dringt nicht in Zellen oder Verpackungen ein. Ultraviolettes (UV) Licht ist ein Beispiel; es bewirkt die Bildung von Thymindimeren zwischen benachbarten Thyminen innerhalb eines DNA-Einzelstrangs (Abbildung (PageIndex{8})). Wenn die DNA-Polymerase auf das Thymin-Dimer trifft, baut sie nicht immer die entsprechenden komplementären Nukleotide (zwei Adenine) ein, und dies führt zur Bildung von Mutationen, die letztendlich Mikroorganismen abtöten können.

UV-Licht kann sowohl von Verbrauchern als auch von Laborpersonal effektiv verwendet werden, um das mikrobielle Wachstum zu kontrollieren. UV-Lampen werden heute allgemein in Wasserreinigungssysteme zur Verwendung in Haushalten eingebaut. Darüber hinaus werden von Campern häufig kleine tragbare UV-Lampen verwendet, um Wasser aus der natürlichen Umgebung vor dem Trinken zu reinigen. Keimtötende Lampen werden auch in Operationssälen, biologischen Sicherheitswerkbänken und Transferhauben verwendet, die typischerweise UV-Licht mit einer Wellenlänge von 260 nm emittieren. Da UV-Licht weder Oberflächen durchdringt noch Kunststoffe oder Glas durchdringt, müssen die Zellen direkt der Lichtquelle ausgesetzt werden.

Sonnenlicht hat ein sehr breites Spektrum, das UV- und sichtbares Licht umfasst. In einigen Fällen kann Sonnenlicht gegen bestimmte Bakterien wirksam sein, sowohl aufgrund der Bildung von Thymindimeren durch UV-Licht als auch aufgrund der Produktion von reaktiven Sauerstoffprodukten, die in geringen Mengen durch Einwirkung von sichtbarem Licht induziert werden.

Übung (PageIndex{4})

  1. Was sind zwei Vorteile der ionisierenden Strahlung als Sterilisationsmethode?
  2. Wie ist die Wirksamkeit ionisierender Strahlung im Vergleich zu nichtionisierender Strahlung?

BESTRAHLTES LEBENSMITTEL: WÜRDEN SIE DAS ESSEN?

Von allen Möglichkeiten, Lebensmittelverderb und lebensmittelbedingte Krankheiten zu verhindern, ist die Gammabestrahlung möglicherweise die unappetitlichste. Obwohl die Gammabestrahlung eine bewährte Methode zur Eliminierung potenziell schädlicher Mikroben aus Lebensmitteln ist, muss sich die Öffentlichkeit erst noch darauf einlassen. Die meisten ihrer Bedenken beruhen jedoch auf Fehlinformationen und einem schlechten Verständnis der Grundprinzipien der Strahlung.

Die gebräuchlichste Bestrahlungsmethode besteht darin, Lebensmittel Kobalt-60 oder Cäsium-137 auszusetzen, indem sie auf einem Förderband durch eine Bestrahlungskammer geleitet werden. Das Lebensmittel kommt nicht direkt mit dem radioaktiven Material in Kontakt und wird selbst nicht radioaktiv. Somit besteht kein Risiko einer Exposition gegenüber radioaktivem Material durch den Verzehr von gammabestrahlten Lebensmitteln. Darüber hinaus werden bestrahlte Lebensmittel in Bezug auf die Nährwertqualität nicht wesentlich verändert, abgesehen vom Verlust bestimmter Vitamine, der auch durch längere Lagerung verstärkt wird. Bei bestrahlten Lebensmitteln mit hohem Fettgehalt, wie fettem Fleisch und Milchprodukten, können Geschmacks- oder Geruchsveränderungen auftreten, die jedoch durch niedrigere Strahlendosen bei kälteren Temperaturen minimiert werden können.

In den Vereinigten Staaten haben die CDC, die Environmental Protection Agency (EPA) und die Food and Drug Administration (FDA) die Bestrahlung für verschiedene Arten von Fleisch, Geflügel, Schalentieren, frischem Obst und Gemüse, Eiern mit Schalen und . als sicher und wirksam eingestuft Gewürze und Gewürze. Die Gammabestrahlung von Lebensmitteln ist auch in vielen anderen Ländern zugelassen, darunter in Frankreich, den Niederlanden, Portugal, Israel, Russland, China, Thailand, Belgien, Australien und Südafrika. Um die Bedenken der Verbraucher zu lindern und die Aufklärungsbemühungen zu unterstützen, werden bestrahlte Lebensmittel jetzt deutlich gekennzeichnet und mit dem internationalen Strahlungssymbol „Radura“ gekennzeichnet (Abbildung (PageIndex{9})). Die Verbraucherakzeptanz scheint zu steigen, wie mehrere aktuelle Studien zeigen.

Beschallung

Die Verwendung hochfrequenter Ultraschallwellen zum Aufbrechen von Zellstrukturen wird als Beschallung bezeichnet. Die Anwendung von Ultraschallwellen verursacht schnelle Druckänderungen in der intrazellulären Flüssigkeit; dies führt zu Kavitation, der Bildung von Blasen im Inneren der Zelle, die Zellstrukturen zerstören und schließlich dazu führen können, dass die Zelle lysiert oder kollabiert. Die Beschallung ist im Labor nützlich, um Zellen effizient zu lysieren, um ihren Inhalt für die weitere Forschung freizugeben; Außerhalb des Labors wird Ultraschall zum Reinigen von chirurgischen Instrumenten, Linsen und einer Vielzahl anderer Gegenstände wie Münzen, Werkzeuge und Musikinstrumente verwendet.

Filtration

Filtration ist eine Methode zur physikalischen Trennung von Mikroben aus Proben. Luft wird üblicherweise durch hocheffiziente Partikelluftfilter (HEPA) gefiltert (Abbildung (PageIndex{10})). HEPA-Filter haben effektive Porengrößen von 0,3 µm, klein genug, um Bakterienzellen, Endosporen und viele Viren einzufangen, wenn Luft durch diese Filter strömt, wodurch die Luft auf der anderen Seite des Filters fast sterilisiert wird. HEPA-Filter haben eine Vielzahl von Anwendungen und werden häufig in klinischen Umgebungen, in Autos und Flugzeugen und sogar zu Hause verwendet. Sie finden sich beispielsweise in Staubsaugern, Heizungs- und Klimaanlagen sowie Luftreinigern.

Biologische Sicherheitswerkbänke

Biologische Sicherheitswerkbänke sind ein gutes Beispiel für den Einsatz von HEPA-Filtern. HEPA-Filter in biologischen Sicherheitswerkbänken (BSCs) werden verwendet, um Partikel aus der Luft zu entfernen, die entweder in den Schrank eindringt (Lufteinlass), den Schrank verlässt (Luftauslass) oder sowohl den Einlass als auch den Auslass behandelt. Die Verwendung eines Lufteinlass-HEPA-Filters verhindert das Eindringen von Umweltschadstoffen in das BSC und schafft einen sauberen Bereich für den Umgang mit biologischen Materialien. Die Verwendung eines Abluft-HEPA-Filters verhindert, dass Laborpathogene das Labor kontaminieren, und sorgt so für einen sicheren Arbeitsbereich für das Laborpersonal.

Es gibt drei Klassen von BSCs: I, II und III. Jede Klasse bietet ein unterschiedliches Schutzniveau für das Laborpersonal und die Umwelt; BSC II und III dienen auch dem Schutz der Materialien oder Geräte im Schrank. Tabelle (PageIndex{1}) fasst das Sicherheitsniveau der einzelnen BSC-Klassen für jedes BSL zusammen.

Tabelle (PageIndex{1}): Biologische Risiken und BSCs
Biologisches Risiko bewertetBSC-KlasseSchutz des PersonalsUmweltschutzProduktschutz
BSL-1, BSL-2, BSL-3ichJawohlJawohlNein
BSL-1, BSL-2, BSL-3IIJawohlJawohlJawohl
BSL-4III; II bei Verwendung im Anzugraum mit AnzugJawohlJawohlJawohl

BSCs der Klasse I schützen Labormitarbeiter und die Umwelt vor einem geringen bis mittleren Risiko einer Exposition gegenüber biologischen Arbeitsstoffen, die im Labor verwendet werden. Die Luft wird in den Schrank gesaugt und dann gefiltert, bevor sie durch das Abluftsystem des Gebäudes austritt. BSCs der Klasse II verwenden einen gerichteten Luftstrom und partielle Barrieresysteme, um Infektionserreger einzudämmen. BSCs der Klasse III sind für die Arbeit mit hochinfektiösen Erregern konzipiert, wie sie in BSL-4-Labors verwendet werden. Sie sind gasdicht, und Materialien, die den Schrank betreten oder verlassen, müssen durch ein Doppeltürsystem geführt werden, damit der dazwischenliegende Raum zwischen den Anwendungen dekontaminiert werden kann. Die gesamte Luft wird durch einen oder zwei HEPA-Filter und eine Luftverbrennungsanlage geleitet, bevor sie direkt ins Freie (nicht durch das Abluftsystem des Gebäudes) abgeführt wird. Das Personal kann Materialien im Schrank der Klasse III manipulieren, indem es lange Gummihandschuhe trägt, die am Schrank befestigt sind.

Dieses Video zeigt, wie BSCs konstruiert sind und erklärt, wie sie Personal, Umwelt und Produkt schützen.

Filtration in Krankenhäusern

HEPA-Filter werden auch häufig in Krankenhäusern und Operationssälen verwendet, um eine Kontamination und die Ausbreitung von Mikroben in der Luft durch Belüftungssysteme zu verhindern. HEPA-Filtersysteme können für ganze Gebäude oder für einzelne Räume ausgelegt werden. Zum Beispiel können Verbrennungseinheiten, Operationssäle oder Isoliereinheiten spezielle HEPA-Filtersysteme erfordern, um opportunistische Krankheitserreger aus der Umgebung zu entfernen, da Patienten in diesen Räumen besonders anfällig für Infektionen sind.

Membranfilter

Die Filtration kann auch verwendet werden, um Mikroben mittels Membranfiltration aus flüssigen Proben zu entfernen. Membranfilter für Flüssigkeiten funktionieren ähnlich wie HEPA-Filter für Luft. Typischerweise haben Membranfilter, die zur Entfernung von Bakterien verwendet werden, eine effektive Porengröße von 0,2 µm, die kleiner ist als die durchschnittliche Größe eines Bakteriums (1 µm), aber für speziellere Anforderungen sind Filter mit kleineren Porengrößen erhältlich. Die Membranfiltration ist nützlich, um Bakterien aus verschiedenen Arten von wärmeempfindlichen Lösungen zu entfernen, die im Labor verwendet werden, wie z. B. Antibiotikalösungen und Vitaminlösungen. Große Mengen an Kulturmedien können auch filtersterilisiert statt autoklaviert werden, um wärmeempfindliche Komponenten zu schützen. Beim Filtrieren kleiner Volumina werden oft Spritzenfilter verwendet, aber zum Filtrieren größerer Volumina werden typischerweise Vakuumfilter verwendet (Abbildung (PageIndex{11})).

Übung (PageIndex{5})

  1. Würde eine Membranfiltration mit einem 0,2-µm-Filter wahrscheinlich Viren aus einer Lösung entfernen? Erklären.
  2. Nennen Sie mindestens zwei häufige Anwendungen der HEPA-Filtration in klinischen oder Laborumgebungen.

Abbildung (PageIndex{12}) und Abbildung (PageIndex{13}) fassen die in diesem Abschnitt besprochenen physikalischen Kontrollmethoden zusammen.

Schlüsselkonzepte und Zusammenfassung

  • Hitze ist eine weit verbreitete und hochwirksame Methode zur Kontrolle des mikrobiellen Wachstums.
  • Trockenhitzesterilisation Protokolle werden häufig bei aseptischen Techniken im Labor verwendet. Jedoch, Sterilisation mit feuchter Hitze ist typischerweise das effektivere Protokoll, da es Zellen besser durchdringt als trockene Hitze.
  • Pasteurisierung wird verwendet, um Krankheitserreger abzutöten und die Anzahl der Mikroben zu reduzieren, die Lebensmittelverderb verursachen. Hochtemperatur-Kurzzeit-Pasteurisierung wird häufig verwendet, um gekühlte Milch zu pasteurisieren; Ultrahochtemperaturpasteurisierung kann verwendet werden, um Milch für die langfristige Lagerung ohne Kühlung zu pasteurisieren.
  • Kühlung verlangsamt das mikrobielle Wachstum; Einfrieren stoppt das Wachstum und tötet einige Organismen. Labor- und medizinische Proben können zur Lagerung und zum Transport auf Trockeneis oder bei extrem niedrigen Temperaturen eingefroren werden.
  • Die Hochdruckverarbeitung kann verwendet werden, um Mikroben in Lebensmitteln abzutöten. Die hyperbare Sauerstofftherapie zur Erhöhung der Sauerstoffsättigung wurde auch zur Behandlung bestimmter Infektionen eingesetzt.
  • Trocknung wird seit langem zur Konservierung von Lebensmitteln verwendet und wird durch die Zugabe von Salz oder Zucker beschleunigt, wodurch die Wasseraktivität in Lebensmitteln verringert wird.
  • Gefriertrocknung kombiniert Kälteeinwirkung und Austrocknung für die Langzeitlagerung von Lebensmitteln und Labormaterialien, aber Mikroben bleiben zurück und können rehydriert werden.
  • Ionisierende Strahlung, einschließlich Gammabestrahlung, ist eine wirksame Methode zur Sterilisation von wärmeempfindlichen und verpackten Materialien. Nichtionisierende Strahlung, wie ultraviolettes Licht, nicht in der Lage ist, Oberflächen zu durchdringen, ist jedoch für die Oberflächensterilisation nützlich.
  • HEPA Filtration wird häufig in Lüftungssystemen von Krankenhäusern und biologischen Sicherheitswerkbänken in Labors verwendet, um die Übertragung von Mikroben in der Luft zu verhindern. Membranfiltration wird häufig verwendet, um Bakterien aus wärmeempfindlichen Lösungen zu entfernen.

Mehrfachauswahl

Welche der folgenden Methoden bewirkt eine Zelllyse aufgrund von Kavitation, die durch schnelle lokale Druckänderungen induziert wird?

A. Mikrowellen
B. Gammabestrahlung
C. ultraviolette Strahlung
D. Beschallung

D

Welcher der folgenden Begriffe wird verwendet, um die Zeit zu beschreiben, die erforderlich ist, um alle Mikroben in einer Probe bei einer bestimmten Temperatur abzutöten?

A. D-Wert
B. thermischer Todespunkt
C. thermische Todeszeit
D. dezimale Reduktionszeit

C

Welche der folgenden mikrobiellen Kontrollmethoden tötet Mikroben nicht wirklich ab oder hemmt ihr Wachstum, sondern entfernt sie physisch aus den Proben?

A. Filtration
B. Austrocknung
C. Gefriertrocknung
D. nichtionisierende Strahlung

EIN

Fülle die Lücke aus

In einem Autoklaven wird der Druck auf ________ erhöht, damit der Dampf Temperaturen über dem Siedepunkt von Wasser erreichen kann.

Dampf

Wahr falsch

Ionisierende Strahlung kann Oberflächen durchdringen, nichtionisierende Strahlung jedoch nicht.

Wahr

Moist-heat sterilization protocols require the use of higher temperatures for longer periods of time than do dry-heat sterilization protocols do.

Falsch

Kurze Antwort

What is the advantage of HTST pasteurization compared with sterilization? What is an advantage of UHT treatment?

How does the addition of salt or sugar help preserve food?

Which is more effective at killing microbes: autoclaving or freezing? Erklären.

Kritisches Denken

In 2001, endospores of Bacillus anthracis, the causative agent of anthrax, were sent to government officials and news agencies via the mail. In response, the US Postal Service began to irradiate mail with UV light. Was this an effective strategy? Warum oder warum nicht?

Fußnoten

  1. 1 US Department of Agriculture. “Freezing and Food Safety.” 2013. http://www.fsis.usda.gov/wps/portal/...afety/CT_Index. Accessed June 8, 2016.
  2. 2 C. Ferstl. “High Pressure Processing: Insights on Technology and Regulatory Requirements.” Food for Thought/White Paper. Series Volume 10. Livermore, CA: The National Food Lab; July 2013.
  3. 3 US Food and Drug Administration. “Kinetics of Microbial Inactivation for Alternative Food Processing Technologies: High Pressure Processing.” 2000. www.fda.gov/Food/FoodScienceR.../ucm101456.htm. Accessed July 19, 2106.
  4. 4 CL McCarty et al. “Large Outbreak of Botulism Associated with a Church Potluck Meal-Ohio, 2015.” Wöchentlicher Bericht über Morbidität und Mortalität 64, nein. 29 (2015):802–803.
  5. 5 AM Johnson et al. “Consumer Acceptance of Electron-Beam Irradiated Ready-to-Eat Poultry Meats.” Food Processing Preservation, 28 no. 4 (2004):302–319.


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