CZ16645U1 - Zařízení pro vzorkování přírodních toxinů produkovaných mikroorganismy - Google Patents

Description

Zařízení pro vzorkování přírodních toxinů produkovaných mikroorganismy

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro vzorkování přírodních toxinů produkovaných mikroorganismy v tekutinách jako je zejména voda, mléko, mošty, protlaky, dřeně, víno,pivo a podobně.

Dosavadní stav techniky

Toxiny sinic-cyanobakterií (cyanotoxiny), plísní a hub (mykotoxiny) a toxiny produkované bakteriemi negativně ovlivňují kvalitu vody a potravin. Tyto přírodní toxiny mají negativní vliv na zdraví člověka. Způsobují poruchy funkčnosti jater, nervové soustavy, jsou odpovědné za dlouhodobé poškození lidského organismu (Chorus, Bartram 1999). Moderně dělíme cyanotoxiny na ío neurotoxiny, hepatotoxiny, cytotoxiny, embryotoxiny, dermatotoxiny, genotoxiny a mutageny, imunotoxiny a imunomodulátory a tzv. Tumor Promoting Factors (stimulují 2. a 3. fázi kancerogeneze). Jednotlivé toxiny mají často smíšenou biologickou aktivitu. Například hepatotoxický microcystin L-R patří mezi aktivní „tumor promoting factors”, způsobuje chromozómové aberace a snižuje imunitní odezvy. Populace jednoho druhu může také produkovat souběžně několik druhů toxinů.

Potraviny a nápoje jsou velmi vhodným substrátem pro osídlení, růst a rozmnožování toxinogenních mikromycetů a následnou produkci mykotoxinů. V potravinách bylo doposud popsáno na základě současných poznatků 117 druhů mikromycetů a 12 druhů kvasinek. V oblasti lékařské a veterinární mykologie se uplatňuje asi 250 druhů patogenních a toxigenních mikroskopických hub. Mykotoxiny v mléce jsou přítomny v případě nekvalitních krmiv a nedodržení hygienických podmínek ustájení, dojicí techniky a přepravy mléka. Mykotoxiny v moštech, rmutech, vínu, pivu, ovocných dřeních atd. jsou přítomny v případě nekvalitních surovin, nedodržení technologických postupů při skladování, zpracování a přepravě surovin a výrobků. Vzorkování těchto tekutin je založeno na metodě náhodného výběru, nebo je vzorkování v pokročilých provozech realizováno formou kontinuálního vzorkování se sléváním vzorků (např. za pracovní směnu, cyklus nebo pracovní den. Takto odebrané vzorky vsak podléhají mikrobiálním a biochemickým transformacím, takže obsah toxinů v odebraném vzorku se může v průběhu dne / vzorkování měnit, což zkresluje výsledky analýz.

Kontrolní vzorkování na přítomnost cyanobakterií a jejich toxinů v rekreační, surové a pitné vodě probíhá v předem určených termínech, v pracovních dnech a v pracovní době. Takto odebrané vzorky nereprezentují kontinuální produkci pitné vody ve vodárenských úpravnách, ani průběžně se měnící koncentraci biomasy cyanobakterií a jejich toxinů v rekreačních nádržích. Krátkodobý průnik toxických látek např. do vodárenské úpravny nebo do linky produkující výše jmenované nápoje je individuálním vzorkováním analyticky obtížně prokazatelný.

Podstata technického řešení

Uvedené problémy značnou měrou řeší vzorkovací zařízení, integrující informace o přítomnosti přírodních toxinů produkovaných mikroorganismy podle tohoto technického řešení, jehož podstata spočívá zejména v tom, že zahrnuje receptor, který je uspořádán v prostoru filtru tvořeném tenkovrstevným, chemicky inertním materiálem (např. keramické membrány, polykarbonátové filtry apod.) s velikostí pórů dle plánované délky expozice a dle typu vzorkovaného materiálu.

S výhodou je receptor použit buď specifický dle sledovaného typu toxinů - syntetické receptory připravené metodou molekulárních otisků - „Molecularly Imprinting Polymers” nebo immunoafinitní receptory, nebo jsou použity univerzální receptory, zejména styrendivinylbenzenové kopolymery, nebo Cl8 resp. C8 modifikované silikagely pro sledování skupiny toxinů.

S výhodou je tenkovrstevný filtr, mezi jehož vrstvy je umístěno potřebné množství receptoru, uspořádán v dávkovacím zařízení, které přesně dávkuje množství tekutiny pro výpočet expo-1 CZ 16645 Ul zice/koncentrace sledovaných toxinů v monitorovaných tekutinách (mléce, moštu, pivu, vínu, vodě apod.). Při variantě použití semikvantitativní, jejímž cílem je pouhá detekce přítomnosti či nepřítomnosti sledovaného mikrobiálního toxinu, filtr je uspořádán v potrubí s tím, že vzorkovaný materiál jako jsou ovocné dřeně, protlaky a voda rekreačních nádrží a podobně obtékají filtr, takže toxiny do vzorkovače volně difundují. S výhodou lze proudění tekutiny podpořit čerpadlem.

Takto odebrané vzorky integrují koncentraci (v případě průtočného systému) dávkovačem nebo indikují přítomnost sledovaných toxinů (v případě obtočného systému). V případě podezření na trestnou činnost, nebo na prostou přítomnost toxinů sinic, bakterií, či mikromycet lze toxiny extrahovat z receptorů za účelem analýz, s tím, že takto odebrané vzorky z filtru vypovídají o celém expozičním období, což je podstatná výhoda oproti vzorkování jednorázovému. Skutečnost, že sorbované mikrobiální toxiny podléhají jen v omezené míře dalším transformacím nebo mikrobiálnímu rozkladu a získaný důkazní materiál je tedy exaktnější, představuje další nespornou výhodu vzorkování dle předkládaného řešení oproti tzv. kontinuálnímu odběru či slévaným vzorkům. Je-li toto zařízení použito jako bezpečnostní monitorační systém, a není-li podezření z přítomnosti toxinů, či není-li jiný důvod k analýze toxinů, může být vzorkovací kupon archivován jako důkazní materiál o čistotě produkce (nepřítomnosti toxinů) zmražený po dobu minimálně 2 let.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení bude blíže objasněno s použitím výkresů, na nichž je schematicky na obr. 1 zařízení uspořádáno v odbočné větvi potrubí a na obr. 2 zařízení s dávkovačem tekutiny.

Popis příkladného provedení

V provedení podle obr. 1 zařízení pro vzorkování přírodních toxinů produkovaných mikroorganismy je uspořádáno v odbočce 5 potrubí 6, kterým probíhá vzorkovaná tekutina, jako je voda, mléko a podobně, případně odbočka 5 je uspořádána u nádrže se vzorkovanou tekutinou. V odbočce 5 je vsazen filtr 3 o velikosti pórů 100 až 1000 nm z vhodného inertního materiálu např. keramický, polykarbonátový a podobně. Je výhodné, když filtr 3 je tenkovrstevný, u něhož mezi vrstvami 3a je umístěn receptor 3b. Alespoň před filtrem 3 je uspořádán ventil i a za filtrem 3 průtokoměr 4. Pokud by v odbočce 5 nebyl zajištěn potřebný průtok, je mezi ventilem i a filtrem 3 zařazeno čerpadlo 2.

Ve druhé variantě zařízení podle obr. 2 určené pro výpočet expozice/koncentrace sledovaných toxinů v monitorovaných tekutinách jako je mléko, mošt, víno, pivo a podobně je filtr 3 s receptorem 3b napojen potrubím 16 přes dávkovači zařízení 7 a ventil 9 na nádrž 10 a na odpad 1L Filtr 3 je opět tenkovrstevný mezi jehož vrstvami 3a je receptor 3b. Receptor 3b je použit buď specifický připravený metodou molekulárních otisků nebo immunoafinitivní a nebo je receptor 3b univerzální příkladně styrendivinylbenzenové kopolymery Cl8, C8 modifikované silikagely.

Činnost obou provedení je shodná. Z tekutiny protékající přes filtr 3 se na receptorů 3b zachycují toxiny, jejichž přítomnost respektive množství se po zachycení na receptorů 3b po určité době zjišťuje, jak je lépe patrno z následujících příkladných provedení.

Následující příklady ozřejmují složení a způsob přípravy a použití vzorkovacího zařízení pro detekci a integrální monitoring sledovaných mikrobiálních toxinů:

Příklad 1

Zařízení pro vzorkování podle obr. 1 je s filtrem 3 vyrobeným z chemicky inertního filtračního materiálu o velikosti pórů odpovídající použitému receptorů 3b (typický příklad je velikost pórů 100 až 1000 nm). Vhodný materiál je například keramický filtr 3 nebo polykarbonátové filtry 3. Filtr 3 je umístěný na přítoku sledované tekutiny a mezi jeho vrstvami 3a je umístěn receptor 3b. Receptor 3b je použit buď specifický, (dle sledovaného typu toxinu - např. syntetické receptory

-2CZ 16645 Ul „Molecularly Imprinting Polymers” nebo immunoafinitní receptory) nebo jsou použity univerzální receptory 3b (např. styrendivinylbenzenové kopolymery, nebo Cl8 resp. C8 modifikované silikagely). Množství použitého receptoru 3b je závislé na délce plánované expozice, dobré výsledky jsou s množstvím od 0,1 g do 10 g. Délka období, po které je monitorována přítomnost sledovaných mikrobiálních toxinů je od hodin do maximálně cca 6-ti týdnů. Nad tuto dobu použití v provozních podmínkách není vhodněji prodlužovat. Ačkoli kapacita receptoru 3b je většinou dostatečná, limitující faktor představují nárostová mikrobiální společenstva vytvářející se na povrchu vrstev 3a filtru 3 v případě surové a rekreační vody, nebo usazující se částice sledovaných surovin, jako jsou ovocné dřeně, mléko, mošty atd. Typická doba, po kterou je vhodné ío exponovat filtr 3 s receptorem 3b, je do 1 týdne v případě úpraven pitné vody, rekreačních nádrží a produkce piva a vína. Každý den je vhodné pořizovat informace v případě mostů, rmutů jednotlivých šarží, ovocných dření a mléka.

Příklad 2

Vzorkovací zařízení v provedení podle obr. 1 je určeno k exaktní kvantifikaci sledovaných toxi15 nů (především microcystinů, cylindrospermopsinu, ochratoxinu, fumonisinů, T2 toxinů, aflatoxinů a dalších mikrobiálních toxinů) v mléce, moštech, pitné a surové vodě atd. V tom případě je zapojeno tak, že průběžně odvádí poměrnou část vzorkované tekutiny přes filtr 3, před kterým je uspořádán ventil i. V případě, že tekutina nemá potřebný tlak je zařazeno čerpadlo 2, které dodává tekutinu na filtr 3 a za ním je vložen průtokoměr 4 pro exaktní kvantifikaci sledovaných toxinů a následnou kvantifikaci. Pro tento případ je vhodné i zařízení podle obr. 2.

Příklad 3

Vzorkovací zařízení v úpravě pro semikvantitativní kvantifikaci sledovaných toxinů, či pouze pro průkaz nepřítomnosti sledovaných mikrobiálních toxinů ve sledovaných technologických provozech, či rekreačních nádržích. V tomto případě je použit pouze filtr 3 s receptorem 3b, kolem kterého volně protéká tekutina. Díky velké ploše zachytí receptor 3b i koncentrace např. microcystinů, které jsou kolem 10ng/l, což při integraci několika dnů poskytne dostatečné informace o expozici lokality těmito toxiny. Filtr 3 může mít několik vrstev 3a mezi nimiž jsou uspořádány různé receptory 3b pro různé toxiny.

Příklad 4

Vzorkovací zařízení vyrobené dle obr. 1 lze použít jako ochranný systém proti úmyslné trestné činnosti s cílem toxicky znehodnotit zdroj pitné vody, potravinářský provoz, nebo rekreační nádrž mikrobiálními toxiny. V tomto případě je vhodné používat univerzální receptory 3b např. styrendivinylbenzenové kopolymery, nebo Cl8 resp C8 modifikované silikagely, které jsou dostatečně univerzální, aby umožnily detekci širokého spektra nejen mikrobiálních toxinů, ale také dalších toxických látek. Po expozici (v tomto případě většinou 7denní) je filtr 3 pouze archivován v zamrazeném stavu pro případ kontrolních analýz, ale v případě podezření je použit pro okamžitou analýzu a současně nasazen další filtr 3 pro průkaz přítomnosti a kumulace toxinů v průběhu incidentu.

Příklad 5

V případě přítomnosti cyanobakterií ve vodárenské nádrži je dle platné legislativy a doporučení Světové zdravotnické organizace potřeba sledovat koncentrace microcystinů, nodularinů a cylindrospermopsinu již v případě podezření. Pak jsou nutné pravidelné analýzy, které jsou zpracovávány pouze specializovanými laboratořemi. Tato stanovení jsou velmi nákladná a získané výsledky jsou dle našich vlastních zkušeností většinou negativní. Zařízení umožní integrovat informace z období až 7 dnů (v případě čistých zdrojů i 14 dní a více) a prokáže přítomnost, či nepřítomnost sledovaných toxinů s potřebnou citlivostí jedinou analýzou.

-3 CZ 16645 Ul

Příklad 6

V případě algicidních zásahů proti masovému rozvoji cyanobakterií vodního kvetu v rekreačních, rybochovných, vodárenských či technologických nádržích je nutno mimo jiné prokázat, že zásahem nebyly uvolněny toxiny sinic do vody tak, aby nemohly negativně ovlivnit vodní ekosystém.

Uvolnění toxinů z buněk cyanobakterií je ale několikafázový a nelehce predikovatelný proces, který je ovlivněn mnoha faktory. V těchto případech je složité naplánovat vzorkování po algicidním zásahu tak, aby exaktně prokázalo přítomnost/nepřítomnost sledovaných toxinů a proto zde lze s výhodou použít receptory 3b specifické pro cyanotoxiny (např. syntetické receptory „Molecularly Imprinting Polymers”, nebo immunoafinitní receptory 3b, které přítomnost/nepřítomnost ío prokáží, na filtru 3 výhodně uspořádaném podle obr. 2.

Příklad 7

Vzorkovací zařízení podle obr. 1 použité pro detekci cyanotoxinů v rybochovných nádržích se vyznačuje tím, že integruje informaci o přítomnosti extracelulámích cyanobakteriálních toxinů, které mohou být kumulovány v těle ryb. Stanovení cyanotoxinů v rybích tkáních je velmi komis plikovaný analytický proces zahrnující několik separačních a koncentračních kroků, což zvyšuje ztráty analytu. Pro tento případ je využito zařízení podle obr. 2, kterým se zjistí přítomnost sledovaných cyanotoxinů, především microcystinů, nodularinů, cylindrospermopsinu, anatoxinů, saxitoxinu a ze zjištěných hodnot odvozovat možnou expozici a koncentraci těchto toxinů v těle ryb.

Průmyslová využitelnost

Vzorkovací zařízení podle technického řešení je využitelné pro kontinuální vzorkování mikrobiálních toxinů v tekutinách. Zařízení je použitelné pro integrální vzorkování a monitorování kvality tekutin (mléko, voda v rekreačních nádržích, pitná voda, nápoje a tekutiny v potravinářství). S výhodou je zařízení použitelné pro kontrolu jakosti surovin, hygienickou a toxikologic25 kou nezávadností provozů a hlídání potravinářských provozů a úpraven pitné vody před trestnou činností a bioterorismem.

Claims (7)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení na vzorkování přírodních toxinů produkovaných mikroorganismy v tekutinách jako je zejména voda, mošty, protlaky, víno, vyznačující se tím, že zahrnuje recep30 tor (3b), který je uspořádán v prostoru filtru (3) tvořeném tenkovrstevným chemicky inertním materiálem s velikostí pórů úměrné délce expozice a typu vzorkované tekutiny.
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že se použije, dle sledovaného toxinů, specificky vytvořený receptor (
3. 3b) metodou molekulárních otisků nebo immunoafinitní receptor (3b).

   35 3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že receptor (3b) je univerzální na bázi styrendivinylbenzenových kopolymerů, modifikovaných silikagelů Cl8 případně C8.
4. 4. Zařízení podle kteréhokoliv z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že filtr (3) je tenkovrstevný s receptorem (3b) umístěným mezi vrstvami (3a).
5. 5. Zařízení podle nároku 1 nebo 4, vyznačující se tím, že filtru (3) je předsazeno

   40 dávkovači zařízení (7).
6. 6. Zařízení podle nároku 1 nebo 4, vyznačující se tím, že filtr (3) je uspořádán v odbočce (5) potrubí (6) za ventilem (1) a před průtokoměr (4).
7. 7. Zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že mezi ventilem (1) a filtrem (3) je zařazeno čerpadlo (2).