Inaktivierung von Bakterien mittels einzelner

Die Ausbeute bei dem C02-Druck von 20 mm
Brodie ( = 0,2% einer Atmosphäre) ist aus historischen Gründen von Interesse, da 20 mm Brodie der
C0 2 -Druck des Carbonatgemischs gewesen ist, in
dem vor 20 Jahren E M E R S O N die maximale Ausbeute
der Photosynthese zu bestimmen versuchte 4 . Abb. 1
zeigt, daß man bei diesem C02-Druck nur einen kleinen Bruchteil der maximalen Ausbeute der Chlorella
erhält. Manometrisch wirkt sich dies so aus (Abb. 3
und 4 ) , daß man unter sonst völlig gleichen Bedingungen bei E M E R S O N S C02-Druck in 60 Min. und / 0 = 5
4
R. EMERSON U. C. M.
28, 789 [1941].
LEWIS,
Amer. Botany 26, 808 [1939];
9.4 mm3 0 2 -Druck erhält, während man beim optimalen C0 2 -Druck 45 mm3 0 2 -Druck erhält. J A M E S
FRANCK,
EUGENE RABINOWITSCH
u n d
HANS GAFFRON
5
haben ihre Thermodynamik der Photosynthese im
wesentlichen auf diese Experimente E M E R S O N S aufgebaut.
E i n V e r s u c h s b e i s p i e l ist in Abb. 2 (vorige
Seite) graphisch dargestellt. Mit Hilfe der Daten in der
Legende können die Ausbeuten daraus berechnet werden.
5
J . FRANCK
U.
H . GAFFRON,
Advances in Enzymol.
1,
200
[1941].
Inaktivierung von Bakterien mittels einzelner Elektronenimpulse
V o n
D .
L.
DEWEY
u n d
J. W .
BOAG
Aus dem Research Unit in Radiobiology, Mount Vernon Hospital, Northwood, Middlesex, England
( Z . Naturforschg. 15 b , 3 7 2 — 3 7 4 [ 1 9 6 0 ] ; e i n g e g a n g e n am 4. M ä r z 1960)
Experiments on the inactivation of the bacterium Serratia Marcescens by radiation have shown
that the normal "oxygen effect" is absent when a large dose is given in a single pulse of duration
2 fxsec. This appears to be due to the complete removal of the dissolved oxygen by the early part of
the pulse dose, as a result of radiation-induced chemical reactions.
Seit langem ist bekannt, daß ein gegebener Inaktivierungsgrad für Bakterien bei einer niedrigeren
Dosis in Anwesenheit von 0 2 eintritt, als in Abwesenheit von 0 2 während der Bestrahlung1. Zum
Beispiel, wenn das Bakterium Serratia Marcescens
bei einer Temperatur von 20 °C mit Röntgenstrahlen bestrahlt wird, gibt eine Dosis von D rad in Anwesenheit von 1 Atm. reinem 0 2 den gleichen Inaktivierungsgrad wie eine Dosis von 4,0 D rad die
unter anaeroben Bedingungen verabreicht wird. Man
kann kurz sagen, daß 0 2 hier einen Dosiserniedrigungs-Faktor von 4,0 bewirkt.
Für diese Bakterien tritt die erhöhte Empfindlichkeit schon bei äußerst niedrigen 02-Konzentrationen
ein. Wenn der 0 2 -Druck auf ein Tausendstel einer
Atmosphäre gesenkt wird, indem man durch die
Bakterien-Aufschwemmung ein Gasgemisch von
(0,1% 0 2 + 99,9% N 2 ) durchströmen läßt, so sinkt
der Dosis-Reduktionsfaktor auf 2,0, wenn bei gewöhnlicher Dosisleistung von etwa 1000 rad/Min.
bestrahlt wird. Wenn aber die Gesamtdosis in wenigen Mikrosekunden verabreicht wird, so bleibt bei
den gleichen Bakterien unter sonst gleichen Bedin1
L. H. G R A Y , Scientific Basis of Medicine, Vol. VII, 1959,
S. 314 — 347, Athlone Press, London.
gungen der gewöhnliche 0 2 -Effekt fast völlig aus,
wie wir vor kurzem berichtet haben 2 .
Bei dieser früheren Arbeit wurde die BakterienAufschwemmung in einem Nebenbehälter, mit dem
gewünschten Gasgemisch, mittels Durchblasens, ins
Gleichgewicht gebracht. Von dort aus wurde sie
durch ein enges Nylonröhrchen wenige Sek. vor dem
Elektronenimpuls in die winzige Bestrahlungskammer gedrückt. Wir haben inzwischen die Versuchsanordnung verbessert, indem wir eine kleine Doppelkammer konstruiert haben, die es erlaubt, die
Bakterien-Aufschwemmungen in den zwei Abteilungen der Kammer getrennt gleichzeitig mit verschiedenen Gasgemischen zu durchblasen. Der Elektronenimpuls durchdringt beide Abteilungen gleichzeitig.
Ein Querschnitt dieser Kammer ist in Abb. 1 dargestellt.
Die Bakterien-Aufschwemmung in einer Abteilung
wurde normalerweise mittels Durchblasens mit reinem Stickstoff frei von 0 2 gehalten, während eine
gleichartige Aufschwemmung in der anderen Abteilung mit einem Gasgemisch von 0,5% 0 2 in 99,5%
N 2 durchblasen wurde.
2
L. DEWEY u.
[1959],
D.
J. W . BOAG,
Nature [London]
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183,
1450
chende Uberlebensraten zu erhalten. Nach der Bestrahlung wurde ein genau gemessenes Volumen von
etwa 0,08 ml mittels sorgfältig sterilisierten Mikropipetten aus jeder Abteilung der Kammer entnommen.
Elektronen •
^2 mm
Gaszufuhr durch enge
Nylon-Röhrchen
Abb. 1. Doppelkammer für die Bestrahlung von
Bakterien-Aufschwemmungen.
Die Dosis eines jeden Elektronenimpulses wurde
aus dem Inaktivierungsgrade der Bakterien in der
sauerctoff-freien Albteilung der Kammer, unter Zugrundelegung der anaeroben Inaktivierungskurve
der Bakterien bei niedrigerer Dosisleistung, abgeschätzt. Um die Dosis in der anderen Abteilung der
Kammer zu errechnen, mußten wir das Verhältnis
der wirksamen Dosis in der vorderen zur wirksamen
Dosis in der hinteren Abteilung kennen.
Diese Mikropipetten sind in Abb. 2 dargestellt.
Sie wurden durch wiederholtes Wägen des mit ihnen
pipettierten Wassers geeicht, wobei der Eichfehler
nur etwa 2 • 10~ 7 / betrug.
Der Inhalt einer Mikropipette wurde dann, je
nach dem zu erwartenden Grad der Inaktivierung,
verdünnt, jeweils 3 Proben auf Nähragar aufgestrichen und 36 Stdn. lang inkubiert.
Normalerweise wuchsen auf jeder Platte mehrere
Hundert Kolonien.
Zwei verschiedene Versuchsreihen wurden ausgeführt. Bei der Hochleistungsbestrahlung war die
Kammer 11cm vom Fenster des ElektronenBeschleunigers entfernt, und die Dosis eines einzelnen Impulses betrug von 10 bis 30 kilorads bei
einer Bestrahlungsaeit von 2 Mikrosekunden.
-Baumwolle
Dieses Verhältnis wurde bei jeder Versuchsreihe
mitgemessen, indem jeder Versuch zweimal ausgeführt wurde; einmal mit der sauerstoff-freien Aufschwemmung in der vorderen Abteilung und ein
zweites Mal mit derselben in der hinteren Abteilung
der Doppelkammer.
Aus den so erhaltenen vier Inaktivierungsgraden
konnten wir, unter Zugrundelegung des exponentiellen Verlaufes der einzelnen Inaktivierungskurven
sofort das gewünschte Verhältnis der vorderen zur
hinteren Dosis errechnen.
Bei den Impulsdosen war dieses Verhältnis etwa
1 : 1,2, während es bei niedriger Dosisleistung, d. h.
bei größerer Entfernung vom Elektronen-Austrittsfenster, etwa 1 : 1,04 betrug.
Wir ließen die Bakterien in Nährmittel bei einer
Temperatur von 25 °C 24 Stdn. lang wachsen. Kurz
vor dem Versuch wurde die Bakterien-Aufschwemmung auf das 200-fache mit 15/iooo-m. Phosphatpuffer verdünnt. Die so erhaltene Aufschwemmung enthielt ungefähr 106 Bakterien je Milliliter. Bei den
höchsten Bestrahlungsdosen wurden 10-fach höhere
Bakterien-Konzentrationen verwandt um ausrei-
-feine Spitze
f
-geeichtes Volumen
-enges Nylon-Röhrchen
Abb. 2. Mikropipette.
Bei der zweiten Versuchsreihe war die Kammer
120 cm vom Fenster entfernt, die Dosis pro Impuls
etwa 0,3 rad und die Bestrahlungszeit ungefähr
10 Minuten.
Die Resultate der Versuche sind in Abb. 3 dargestellt.
Die mit Stickstoff bezeichnete Linie wurde für
diese Bakterien in früheren Versuchen mit 2 MeV
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374
I N A K T I V I E R U N G
B A K T E R I E N
Bakteriums befindet) schon durch die ersten 2 oder
3 kilorad wegen strahlungsinduzierter chemischer
Reaktionen gebunden, d. h. verbraucht wurde
(wahrscheinlich unter Bildung von Peroxyden).
Diese Bakterien wären dann bei der Verabreichung
des größeren Teils der Dosis anaerob geblieben,
denn trotz des Durchblasens des Gasgemisches
konnte der 0 2 nicht in einer Zeit von 2 Mikrosekunden ins Innere des Bakteriums diffundieren.
Wir haben diese Erklärung weiter geprüft, indem
wir den 02-Gehalt der Bakterien-Aufschwemmung
nach einer Impulsdosis von einigen Kilorad gemessen haben.
I
|
ja
^10*
10
1
0
V O N
5
10
15
20
25
30
35
Dosis Kilorad
Abb. 3. Vergleich zwischen Impulsdosis
und Dauerbestrahlung.
Röntgenstrahlen erhalten. Diejenigen Punkte, die
oben nahe an der Stickstofflinie liegen sind solche,
die bei der Bestrahlung mit Einzelimpulse erhalten
wurden, wobei die Bakterien-Aufschwemmung immer
mit 0,5% 0 2 im Gleichgewicht war, während diejenigen Punkte, welche aus den entsprechenden Versuchen mit niedriger Dosisleistung stammen, unten
in der Nähe der für diese Bakterien unter sonst gleichen Bedingungen mit Röntgenstrahlen erhaltenen
Linie liegen.
Der auffallende Unterschied zwischen Impulsbestrahlung und Dauerbestrahlung, den wir in Vorversuchen gefunden haben 2 (s. I . e . 2 ) , wurde in
diesen Versuchen bestätigt. Als Erklärung dafür
haben wir in der zitierten Arbeit vorgeschlagen, daß
der in der Bakterien-Aufschwemmung enthaltene 0 2
(oder wenigstens der 0 2 der sich im Inneren des
Bei diesem Versuch wurden die Bakterien zunächst in gewöhnlicher Weise mit 0,5% 0 2 ins Gleichgewicht gebracht aber das Durchblasen wurde wenige
Sek. vor der Bestrahlung eingestellt. Der 02-Gehalt
nach Bestrahlung wurde freundlicherweise von
Herrn Dr. G R A Y mittels der von ihm zu solchen
Zwecken viel benutzten H e r s c h - Zelle 3 gemessen.
Wir stellten fest, daß eine Dosis von nur 2 Kilorad genügte, um den in der Flüssigkeit gelösten 0 2
chemisch zu binden.
Die Versuche werden fortgesetzt um, wenn möglich, zu prüfen, ob die 02-Empfindlichkeit eben so
schnell wiederhergestellt wird, wie der 0 2 durch Diffusion in das Bakterium eindringen kann, d. h. in
Zeiten von weniger als 1 0 - 5 Sekunden. Um diesen
Versuch auszuführen muß erst eine Flüssigkeit gefunden werden, aus welcher sich der gelöste 0 2 nicht
so leicht entfernen läßt. Sollte dieses gelingen, so
würde der durch den Elektronenimpuls im Inneren
des Bakteriums diemisch gebundene 0 2 in kurzer
Zeit durch Diffusion aus der umgebenden Flüssigkeit
ersetzt werden.
3
Progress in Radiobiology, S. 267—274. Oliver
& Boyd, London 1956.
L.H.GRAY,
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