3D-Bioprinting ist eine sich entwickelnde Technologie mit Anwendungen im gesamten Bereich der biomedizinischen Forschung.

Anwendungsbereiche des 3D-Bioprinting

3D-Bioprinting ist eine sich entwickelnde Technologie mit Anwendungen im gesamten Bereich der biomedizinischen Forschung. Die Methode, bei der ein biologisches Substrat oder eine „Biotinte“ verwendet wird, die aus Strukturkomponenten, Wachstumsmedien und Zellen besteht, kann auf 3D-Druckgeräten biologische Strukturen erzeugen, die die Struktur von Zellen in lebenden Organismen genau imitieren. Unter Verwendung des gleichen Herstellungsmodells wie beim traditionellen 3D-Druck wird eine Anzahl von 2D-Scheiben von einem 3D-Modell durch einen Computer geteilt, um eine korrekte biologische Zusammensetzung Schicht für Schicht mit einer präzisen Anordnung von Geweben und Zellen zu drucken. Der 3D-Bioprinting-Ansatz bietet die Möglichkeit, Probleme in der Medikamentenentwicklung, regenerativen Medizin, Organspende und Krebsbehandlung zu lösen. Diese aufstrebende Technologie bietet große Genauigkeit bei der räumlichen Platzierung von Zellen, Proteinen, DNA, Medikamentenpartikeln, Wachstumsfaktoren und biologisch aktiven Substanzen, um eine bessere Gewebebildung zu ermöglichen. Diese leistungsstarke Technologie scheint vielversprechend für die Verbesserung der Gewebeherstellung in Richtung physiologisch relevanter Gewebekonstrukte, Gewebemodelle, Gewebe und Organe sowie Organ-on-a-Chip-Modelle für Medizin und Pharmazie zu sein.

Die Bioprinting-Technologie hat eine breite Anwendung in verschiedenen Bereichen wie Tissue Engineering und regenerative Medizin, Transplantation und Kliniken, Wirkstoffscreening und Hochdurchsatz-Assays sowie Krebsforschung (Abb. 1). Das Bioprinting für das Tissue Engineering und die regenerative Medizin wird seit mehr als einem Jahrzehnt erforscht, und es wurden anatomisch korrekte zellbesetzte Konstrukte und Gerüste für verschiedene Gewebetypen hergestellt: von Binde- und Epithelgewebe bis hin zu Muskel- und Nervengewebe. Mit seinem großen Vorteil bei der Modellierung und präzisen Platzierung mehrerer Zelltypen hat das Bioprinting einen der größten Mängel traditioneller Gerüstherstellungstechniken überwunden und die Konstruktion von nativ-ähnlichen Geweben mit einer heterozellulären Mikroumgebung erleichtert. Obwohl die meisten Anstrengungen auf die Grundlagenforschung hinter den wichtigsten Bioprinting-Techniken wie Laser-, Droplet- und Extrusions-basiertes Bioprinting gerichtet waren, wurde in letzter Zeit dem Bioprinting zur Herstellung von funktionellem Gewebe erhebliche Aufmerksamkeit geschenkt. Insbesondere wurde dem Bioprinting für die Transplantation viel Aufmerksamkeit gewidmet. Da weitere Fortschritte in den Bereichen Biomaterialien, Zell- und Transplantationstechnologien erzielt wurden, wird das Bioprinting in naher Zukunft, wenn es für den Einsatz am Menschen zugelassen wird, vom Labor zum Krankenbett übergehen und eine Vielzahl von Vorteilen im Operationssaal bieten. Vor dem Übergang in die klinische Praxis hat das Bioprinting bereits einen großen Sprung in der pharmazeutischen Anwendung gemacht, da es keine behördlichen Zulassungen benötigt und es derzeit einen aufstrebenden Bioprinting-Markt für die Herstellung von Gewebe für Medikamententests und Hochdurchsatz-Assays gibt. Biologisch gedruckte Gewebemodelle (z. B. Leber), die aus mehreren Zelltypen hergestellt werden und eine komplexe heterozelluläre physiologische Umgebung ermöglichen, wurden bereits für das Wirkstoffscreening eingesetzt. Darüber hinaus wird Bioprinting seit kurzem in der Krebsforschung eingesetzt, um die Pathologie, das Wachstum und die Metastasierung von Krebs in einer physiologisch relevanten Mikroumgebung zu untersuchen. Hier wird ein umfassender Überblick über die Anwendungsbereiche der Bioprinting-Technologie gegeben und eine ausführliche Diskussion über die erfolgreich bioprintierten Gewebetypen für Tissue Engineering und regenerative Medizin, Transplantation und Kliniken, Wirkstoffscreening und Hochdurchsatz-Assays sowie Krebsforschung präsentiert. Für jeden Anwendungsbereich werden die Vorteile und Grenzen der bestehenden Technologien diskutiert.

Abbildung 1. Anwendungsbereiche der Bioprinting-Technologie.

Die regenerative Medizin ist wahrscheinlich eine der spannendsten zukünftigen Anwendungen des 3D-Bioprinting. Wissenschaftler hoffen, dass mit dem Bioprinting Gewebe wie Haut direkt gedruckt und Organe, Gewebe und Strukturen für die Transplantation hergestellt werden können. Es wird angenommen, dass das 3D-Bioprinting erfolgreich für die Transplantation und Herstellung von mehrschichtigen Gewebetypen wie Nerven, Herz, Blutgefäße, Knochen und Haut eingesetzt werden kann (Abb. 2). Forscher gehen davon aus, dass in Zukunft Gewebe und schließlich ganze Organe, die aus eigenen Zellen hergestellt wurden, an Patienten transplantiert werden könnten. Mit Hilfe des 3D-Bioprinting könnten Transplantatabstoßungen und lange Spenderlisten der Vergangenheit angehören. Darüber hinaus wurden zahlreiche Gewebekonstrukte bioprinted und subkutan implantiert, um die in vivo-Differenzierung von Zellen und die Funktionalität von Implantaten zu evaluieren. Trotz dieser Experimente wurde bisher keines der bioprinted Gewebe klinisch am Menschen eingesetzt, da noch keine Zulassung erteilt wurde. Es gibt keine Vorschriften für Bioprinter oder bioprinted Produkte. Angesichts des weltweit wachsenden Interesses und der aufstrebenden Unternehmen auf dem Bioprinting-Markt wird der Erfolg der ersten Technologie, die eine Regulierung durchläuft, jedoch beispielhaft für vorangehende Technologien und Produkte sein.

Obwohl die Bioprinting-Technologie in Kliniken noch in den Kinderschuhen steckt, wurden 3D-gedruckte Kunststoff-, Keramik- oder Metallimplantate für den Ersatz von Knochengewebe bereits erfolgreich in Menschen transplantiert. Zusätzlich zu den permanenten Implantaten wurde in einer kürzlich im New England Journal of Medicine veröffentlichten Arbeit ein einzigartiger Fall der Transplantation einer 3D-gedruckten bioresorbierbaren Atemwegsschiene in einen Säugling vorgestellt. Es wurden keine unerwarteten Probleme mit der Schiene beobachtet und es wird erwartet, dass die vollständige Resorption des Geräts etwa 3 Jahre dauert. Dies war ein beispielhafter Fall für den klinischen Einsatz von 3D-gedruckten Scaffolds und wird optimistischerweise zu ähnlichen Erfolgen mit bioprinted Geweben und Organen führen. Trotz der Erfolge in der Bioprinting-Forschung erfordert das Bioprinting für die Transplantation im Krankenhaus weitere Verbesserungen und translationale Anstrengungen. Es wird erwartet, dass Organe und Gewebe, die keine signifikante Vaskularisierung benötigen (z. B. Haut und Knorpel), sehr bald klinisch umgesetzt werden können. Gewebe und Organe, die metabolisch sehr aktiv sind (z. B. Herz, Bauchspeicheldrüse und Leber), stellen jedoch eine große Herausforderung dar.

Abbildung 2. 3D-Druck-Strategie

Eines der Argumente für das klinische Translationspotenzial von bioprinted Geweben und Organen hat seinen Ursprung in der Bioprinting-Technologie selbst. Beim Bioprinting werden lebende Zellen in einer Biotinte eingesetzt, und die Verwendung von patientenspezifischen Zellen ist beim Bioprinting relativ neu. Stammzellen, wie z. B. embryonale Stammzellen und induzierte pluripotente Stammzellen, waren bisher eine perspektivisch unbegrenzte Quelle für patientenspezifische Zellen zur Herstellung von Geweben und Organen. Patientenspezifische Zellen können differenziert und dann bioprintet werden oder bioprintet und dann in mehrere Linien differenziert werden, um Gewebe und Organe zu konstruieren, die ein minimales Immunogenitätsrisiko verursachen.

Ein weiterer wichtiger Bereich, in dem das 3D-Bioprinting erfolgreich sein soll, ist die Medikamentenentwicklung. Die meisten Medikamententests werden derzeit mit Hilfe von 2D-Zellkulturen durchgeführt. Wie in der Krebsforschung simulieren diese Kulturen nicht das natürliche Zellverhalten. Xenografting (Transplantation von menschlichen Zellen) auf Tiere wird nun eingesetzt, um dieses Problem zu lösen. Dieser Ansatz ist jedoch aufgrund der biochemischen, metabolischen und genetischen Unterschiede zwischen den Spezies eine Herausforderung. Es wird vermutet, dass diese Probleme der Hauptgrund für die hohe Misserfolgsrate bei der Bewertung der neuen Medikamentenkandidaten sind. Trotz ständiger Bemühungen, den Prozess der Medikamentenentwicklung zu verbessern, erreicht nur einer von 10.000 neuen chemischen Substanzen und einer von zehn Medikamentenkandidaten die klinischen Studien, die endgültige Zulassungsphase und kommt auf den Markt. Andererseits ist für die Verwendung von 3D-Bioprinting für pharmazeutische Tests anstelle von In-vivo-Studien keine behördliche Genehmigung erforderlich. Dadurch wird der Durchsatz der Medikamentenentwicklung möglicherweise um ein Vielfaches gesteigert. Unter den verschiedenen Methoden für das Engineering von 3D-In-vitro-Systemen hat das Bioprinting gravierende Vorteile, wie z.B. die Kontrollierbarkeit von Größe und Mikroarchitektur, die hohe Durchsatzkapazität, die Möglichkeit der Co-Kultur und das geringe Risiko einer Kreuzkontamination. Aus diesem Grund werden bioprinted Gewebe und Organe zunehmend als potenzielle Modelle für die Toxikologie und das Hochdurchsatz-Screening von Medikamenten in Betracht gezogen.

Leber- und Tumorgewebe sind ein Schwerpunkt bei der Konstruktion von Gewebemodellen für die Pharmazie gewesen. In diesem Zusammenhang wurde die Herstellung eines bioprinted Leber-Mikroorganmodells für den Arzneimittelstoffwechsel untersucht (Abb. 3). Das bioprinted 3D-Leber-Mikroorgan wurde für die Simulation der physiologischen Leberreaktion auf Medikamentenverabreichung und toxische Chemikalienexposition verwendet. Der Arzneimittelmetabolismus wurde durch die Umwandlung des nicht fluoreszierenden Pro-Drugs 7-Ethoxy-4-Trifluormethylcumarin (EFC) in den fluoreszierenden Metaboliten 7-Hydroxy-4-Trifluormethylcumarin (HFC) demonstriert. Epithelzellen und Hepatozyten, die in Matrigel™ eingekapselt sind, wurden verwendet, um den Weg des Wirkstoffs zu zeigen, der aus dem Blutkreislauf in das Gewebe diffundiert. Epithelzellen sind die Zellen, die das Lumen abdecken, durch das die Medikamente vom Blutstrom zum Ziel gelangen, wobei Hepatozyten als Zielzelltyp verwendet wurden. Basierend auf dem vorgestellten Gewebemodell wurde ein computergestütztes Makromodell unter Verwendung eines numerischen Rahmens für Konvektions-Diffusions-Zellkinetik entwickelt. Das neueste Modell erweist sich als sehr hilfreich für die zukünftige Forschung im Bereich der 3D-Mikroorganismen-Pharmakokinetik und Toxizität.

Abbildung 3. Bioprinted Gewebemodelle für Medikamententests und Hochdurchsatz-Screening. (a) Bioprinted Lebergewebe. (b) Bioprinted-Nierengewebe (c) Bioprinted-Hautgewebe (d) 3D-Bioprinted-Knochenreparaturmaterial (e) gedrucktes zellhaltiges Hydrogel (f) multizelluläre 3D-Bioprinted-Herzgewebekonstrukte.

Sich entwickelnde mikrotechnische Technologien ermöglichen eine anpassungsfähige Produktion von zellbasierten 3D-Mikroarrays, einschließlich weicher Lithographie, Oberflächenstrukturierung, mikrofluidischer Manipulation und Bioprinting. Unter ihnen hat die Bioprinting-Technologie den Vorteil, Co-Kulturen und Einzelzell-Arrays mit präziser Kontrolle der Zelldichte herzustellen. In einer kürzlich durchgeführten Studie wurde eine neuartige tintenstrahlbasierte Bioprinting-Methode für die Herstellung einer Miniaturplattform für das Screening von Medikamenten mit hohem Durchsatz verwendet. Die Autoren haben mit Escherichia coli beladenes Alginat bioprinted, um einen Chip auf Deckgläsern anzuordnen. Mittels Layer-by-Layer-Ansatz wurden Tröpfchen von drei Antibiotika auf die Zellflecken gedruckt. Die Ergebnisse zeigten eine ähnliche Zellviabilität, Funktionalität und antibakterielle Wirkung der Antibiotika in inkjet-bioprinted und mikropipettierten Proben.  Damit erweisen sich die Inkjet-bioprinted High-Throughput Arrays als effektive Methode, um die Dauer typischer Wirkstoff-Screening-Tests zu minimieren. Weiterhin wurden zellbasierte Biosensoren (CBBs) vorgestellt, bei denen mittels akustischem Bioprinting ein Microarray aus glatten Muskelzelltröpfchen in Kollagen erzeugt wurde. Das bioprinted Microarray wurde dann verschiedenen Umgebungsbedingungen (z.B. Temperatur) ausgesetzt und der Effekt der applizierten Stimuli sowie der Bioprinting-Prozessparameter auf die Zellviabilität wurde bewertet. Neben dem 3D-Bioprinting von Zell-Microarrays mit hohem Durchsatz ist auch die kontrollierte Abgabe von Wirkstoffkandidaten in Zell-Microarrays ein wichtiger Faktor für ein effektives Wirkstoffscreening. Es wurden verschiedene Methoden für die kontrollierte Wirkstoffabgabe auf Zell-Mikroarrays vorgeschlagen, einschließlich Wirkstoffmusterung, Wirkstoffstempeln, Aerosolsprays und mikrofluidische Wirkstoffbeladung.

Die immensen zukünftigen Möglichkeiten der 3D-Bioprinting-Technologie im biomedizinischen Bereich sind bereits gut dokumentiert. Einer der Bereiche, in dem sich Wissenschaftler vom 3D-Bioprinting einen Nutzen erhoffen, ist die Krebsforschung. Die Mikroumgebung des Tumors sowie die biologischen Strukturen und Substanzen, die den Tumor umgeben, sind ein wesentlicher Bestandteil des Krebsverhaltens und noch nicht vollständig verstanden. Bisher wurden für diese Untersuchungen Tiermodelle und 2D-Zellkulturen eingesetzt. Sie bilden jedoch das Verhalten menschlicher Krebszellen in vivo, das eine komplizierte Interaktion der Tumorzellen mit der zellulären Umgebung und anderen Zellen beinhaltet, nicht präzise ab. Neueste Forschungen legen nahe, dass 3D-Modelle das Verhalten von Tumorzellen genauer widerspiegeln, und das Bioprinting ist eine vielversprechende Technik, die bei solchen Studien zum Einsatz kommen könnte. Ein Vorteil, den das 3D-Bioprinting besitzt, ist, dass Zellen explizit in ein 3D-Modell mit seinen extrazellulären und strukturellen Elementen gestaltet werden können. Alternative Ansätze unterscheiden sich dadurch, dass sie eine Selbstmontage erfordern, die wesentlich zeitaufwändiger ist, oder ein Scaffolding, bei dem die Stützmatrix unabhängig von der Zellkultur entwickelt wird. Darüber hinaus bietet das 3D-Bioprinting sowohl die Möglichkeit, bestimmte Gewebe- und Zellstrukturen zu drucken als auch patientenspezifisch zu sein. Die Zellen eines Patienten können biopsiert, gezüchtet und bioprintet werden, entsprechende Strukturen hergestellt und das Ansprechen auf ein Medikament oder die effektive Dosis untersucht werden.

Der Einsatz des Bioprinting-Ansatzes in der Krebsforschung ist jedoch neu und es wurden nur wenige Studien in diesem aufstrebenden Anwendungsbereich durchgeführt. Zum ersten Mal wurde das Bioprinting von Tumorgewebe mit menschlichen Ovarialkarzinomzellen (OVCAR-5) und MRC-5-Fibroblasten demonstriert. In dieser Studie wurde eine Inkjet-basierte Bioprinting-Plattform mit Dual-Ejektoren verwendet. Der vorgeschlagene Ansatz stellte nicht nur ein Werkzeug für die Krebsforschung dar, sondern bot auch eine großartige Plattform für das Hochdurchsatz-Screening. Dieselben Forscher führten Bioprinting von HeLa-Zellen durch, um Gebärmutterhalstumormodelle zu bilden. Obwohl diese beiden Studien die Bioproduktion von Tumor-Sphäroiden mit Hilfe der Bioprinting-Technologie vorstellten, ist die Konstruktion größerer Gewebemodelle zur Untersuchung der Migration und Metastasierung von Krebszellen ebenfalls entscheidend. Ein anderer Ansatz konzentrierte sich auf die Verwendung eines laserbasierten 3D-Projektionsdrucksystems zum Bioprint von HeLa-Zellen und nicht krebsartigen 10 T1/2-Fibroblasten in PEGDA zusammen mit einem mikrovaskulären Netzwerk mit Kanalbreiten von 25, 45 und 120 μm, um Blutgefäßdurchmesser zu simulieren. Zusätzlich zu den gerüstbasierten Ansätzen wurde auch ein gerüstfreies Bioprinting eines Brustkrebsmodells mit der NovoGen Bioprinting™-Plattform durchgeführt. Bei diesem Versuch wurden Krebszellen von einem physiologisch relevanten Stromamedium umgeben, das aus MSC-differenzierten Fettzellen, Brustfibroblasten und Endothelzellen besteht.

Jüngste Untersuchungen haben gezeigt, dass das 3D-Bioprinting ein aufstrebender Ansatz ist, der eine breite Anwendung in verschiedenen Bereichen findet, einschließlich der Grundlagenforschung im Tissue Engineering, der regenerativen Medizin und der Krebspathogenese, dem Gewebe-Bioprinting für Transplantationen und Kliniken, und erfolgreich in der Pharmazie für Medikamententests und Hochdurchsatz-Screening eingesetzt werden könnte. Derzeit gibt es etwa 15 verschiedene Gewebetypen, die in unterschiedlichen experimentellen Studien verwendet werden. Es gibt jedoch noch einige andere menschliche Gewebe, die noch nicht angefasst wurden. In dieser Hinsicht müssen zukünftige Versuche im Bioprinting anderer Gewebe- und Organmodelle unternommen werden, die eine Herausforderung darstellen, aber die Medizin revolutionieren können. Dies hängt auch von den Innovationen auf dem Gebiet des Tissue Engineering ab, da die Bioprinting-Forschung entscheidend von unserem Verständnis unerforschter Gewebetypen abhängt. Darüber hinaus sollte sich eine der neuen Richtungen im Bioprinting auf die Biofabrikation neuer Arten von Organen konzentrieren, wie z. B. bionische Organe oder Organe, die in der Natur nicht existieren.

Der Großteil der 3D-Bioprinting-Forschung hat sich um homozelluläre Gewebemodelle mit einem einzigen Zelltyp entwickelt. Natives Gewebe hat jedoch eine heterozelluläre Natur mit mehreren Zelltypen, die in einer hochkomplexen Anatomie organisiert sind. Obwohl einfache Bioprinting-Gewebsmodelle in der Grundlagenforschung relativ akzeptabel sind, erfordert die Herstellung von funktionellem Gewebe für klinische oder pharmazeutische Studien die Einbeziehung mehrerer Zelltypen. So kann ein Teil der Funktionalität von Zellen durch Zell-Zell-Interaktionen ermöglicht oder weiter verstärkt werden. Daher erfordert das Bioprinting mehrerer Zelltypen weitere Untersuchungen zu den optimalen Kulturbedingungen einschließlich des richtigen Mediums und der Reagenzien, um ihr Wachstum und Verhalten zu unterstützen.

Heutige Versuche der Translation von Bioprinting in die Transplantation beschränken sich hauptsächlich auf Mausmodelle. Allerdings sind die Mausmodelle klein und die physiologischen Bedingungen unterscheiden sich deutlich von denen des Menschen. Zum Beispiel kann ein kleines Pankreasgewebe mit 3D-bioprinted Inseln in ein diabetisches Mausmodell implantiert werden und die Insulinsekretion regulieren. Andererseits ist das durchschnittliche Volumen der Inselchen in einer Mauspankreas etwa 100.000 Mal kleiner als in einer menschlichen Bauchspeicheldrüse. Daher ist das Bioprinting von Geweben und Organen im Maßstab 1:1 extrem wichtig, um sie in klinisch relevanten Dimensionen zu konstruieren. Größere Tiere wie ein Schweinemodell können ein Übergangsschritt zu Versuchen am Menschen sein, da diese Tiere der menschlichen Physiologie näher entsprechen als kleine Tiere. Um bioprinted Organe für den klinischen Einsatz zu skalieren, ist neben der mechanischen Festigkeit, Elastizität und strukturellen Langzeitstabilität auch die Herstellung von hierarchischen Gefäßnetzwerken entscheidend. Zusätzlich ist die Integration von Nervengewebe und die Bildung von Innervation ein kritischer Schritt zur Herstellung von funktionellem Gewebe und Organen, da Gewebe wie Herz, Muskel und Haut Innervation benötigen, was derzeit eine Herausforderung beim Bioprinting darstellt. Der Großteil der Bioprinting-Forschung verwendet Hydrogel-basierte Biotinten, da sie eine günstige Umgebung für das 3D-Wachstum von Zellen darstellen. Allerdings haben Hydrogele schwache mechanische Eigenschaften, wenn sie in niedrigen Konzentrationen verwendet werden, um die Zellproliferation zu unterstützen. Darüber hinaus können biologisch abbaubare Materialien wie Thermoplaste als Hintergrundgerüst für das Scale-up von Geweben und Organen verwendet werden. Verfügbare Biomaterialien, wie z. B. synthetische Polymere, sind zwar stabil, aber ihr Abbau ist schwierig, zeitaufwendig und passt nicht genau zum Prozess der Geweberegeneration. Daher ist die Entwicklung neuer Biomaterialien entscheidend für den Fortschritt beim Bioprinting von Geweben und Organen für den klinischen Einsatz. Neben den Biomaterialien ist auch die Auswahl der richtigen Zellquelle ein kritischer Faktor für den erfolgreichen klinischen und pharmazeutischen Einsatz. Für die personalisierte Medizin ist es eine Herausforderung, verschiedene primäre Zelltypen zu erhalten. Stammzellen stellen eine vielversprechende Zellquelle dar. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um Standardprotokolle für die Differenzierung von Stammzellen in verschiedene stabile und funktionale Zelllinien zu etablieren.

Eine weitere prominente Art der Gewebeherstellung für das Hochdurchsatz-Screening sind die Miniatur-3D-Array-Plattformen wie Tissue-on-a-Chip- oder Organ-on-a-Chip-Modelle. Die Kombination der Bioprinting-Technologie mit anderen Technologien, wie z. B. der Mikrofluidik, ist für die Herstellung von physiologisch simulierten, komplexen und langfristig lebensfähigen Ziel-Mikroorganismen-Arrays unerlässlich. Die Anwendung von Technologien, die Pikoliter-Tropfen mit geringem Grad an Zellschädigung erzeugen und über Einzelzellsortierfähigkeiten verfügen, sollte beim Bioprinting von Zell-Mikroarrays gefördert werden. Die kontrollierte Abgabe von Medikamenten auf Zell-Mikroarrays sollte ebenfalls in Betracht gezogen und umgesetzt werden.

Obwohl bereits mehrere Versuche unternommen wurden, die Mikroumgebung von Krebszellen mit Hilfe der Bioprinting-Technologie nachzubilden, sind weitere Fortschritte erforderlich, um eine physiologisch relevante, vollständige Mikroumgebung zu konstruieren, die den Tumorbereich, den gesunden Bereich und das dazwischen liegende mikrovaskuläre Netzwerk umfasst, um Krebsmetastasenforschung zu betreiben. Tumorgewebe-Modelle sollten präzise in bioprinted vaskularisierten parenchymalen Geweben platziert werden, um ihr Wachstum, die Intravasation und Extravasation von Tumorzellen zu untersuchen.

Das Gebiet der synthetischen Biologie ist in den letzten zehn Jahren explodiert und hat einen großen Einfluss auf Bereiche wie Metabolic Engineering, Protein Engineering, Digital Biology und Whole Genome Engineering.

Biosensoren & Biochips-Technologien: Beitrag zum nachhaltigen Leben der Zukunft

Das Gebiet der synthetischen Biologie ist in den letzten zehn Jahren explodiert und hat einen großen Einfluss auf Bereiche wie Metabolic Engineering, Protein Engineering, Digital Biology und Whole Genome Engineering. Im Rahmen von iterativen „Design-Build-Test“-Entwicklungszyklen hat ein bedeutender Teil der Innovationen der synthetischen Biologie stattgefunden. Im Bereich der Synthetischen Biologie kann Fortschritt mit Innovationen in jedem der Prozesse „Design“, „Build“ und „Test“ verbunden werden. So gab es beispielsweise einen großen Vorstoß zur Standardisierung von Elementen innerhalb der synthetischen Biologie, wobei der Modularität und „Plug-and-Play“-Komponenten große Aufmerksamkeit gewidmet wurde. Diese Modularisierung hat zusammen mit dem beschleunigten Fortschritt in der Systembiologie ermöglicht, dass die „Design“-Phase weniger zeitaufwändig und weniger abhängig von fortgeschrittenem Wissen ist. In den vergangenen Jahren sind die Kosten für die DNA-Sequenzierung und -Synthese ebenfalls dramatisch gesunken, was die kostengünstige Synthese großer Konstrukte ermöglicht. In der Bauphase hat dies eine schnelle Verbesserung ermöglicht und den Forschern geholfen, einen größeren Anteil des Raums der biologischen Lösung zu untersuchen. Schließlich ist innerhalb der „Test“-Phase der synthetischen Biologie auch das Hochdurchsatz-Screening in den Fokus gerückt. Das gestiegene „Design“- und „Build“-Potenzial hat zu einem erhöhten Erfolgsanspruch bei der Bewertung der Fülle neuer Designs beigetragen. Dies wiederum geschah durch die Einbindung von Robotern und Hochdurchsatzanalytik in das Laborumfeld, in dem neue Modelle auf einem Niveau evaluiert werden können, das für menschliche Forscher nicht erreichbar ist. Dadurch können große Konstrukte kostengünstig synthetisiert werden. In der Bauphase hat dies eine schnelle Verbesserung ermöglicht und den Forschern geholfen, einen größeren Anteil des Raums der biologischen Lösung zu untersuchen. Schließlich ist innerhalb der „Test“-Phase der synthetischen Biologie auch das Hochdurchsatz-Screening in den Fokus gerückt.

Biosensoren stellen eine bahnbrechende neue Technologie für das Hochdurchsatz-Screening dar, die implementiert werden kann. Genauer gesagt werden sie als analytisches Werkzeug klassifiziert, das aus biologischen Komponenten besteht, die zum Nachweis und zur Erzeugung eines Signals für die Anwesenheit eines Zielliganden verwendet werden. Die Synthetische Biologie steht an der Spitze der Biosensorik, sowohl als Werkzeug für das Hochdurchsatz-Screening, als auch als direktes Ergebnis von Entwicklungen auf dem Gebiet der Synthetischen Biologie selbst. Darüber hinaus haben Biosensoren aufgrund der beispiellosen Spezifität und Sensitivität, die biologische Teile im Vergleich zu herkömmlichen analytischen Methoden bieten, zunehmendes Interesse als Alternativen zur traditionellen Analytik gewonnen.

Das Design und der Bau von Biosensoren ist ein multidisziplinäres Unterfangen und kann Expertise in Bereichen wie Proteinengineering, Molekularbiologie, Affinitätschemie, Molekulardynamik von Nukleinsäuren, Materialwissenschaften und Nanotechnologie umfassen. Biosensoren verbinden sich in ihrem einfachsten Stadium mit einem Zielliganden, erfahren irgendeine Art von Modifikation und geben ein Signal aus. In allen Teilen dieses Prozesses gibt es eine große Vielfalt an möglichen Konfigurationen. Zielliganden reichen von einzelnen Atomen wie Calcium bis hin zu ganzen Proteinen wie Thrombin. So unterschiedliche Prozesse wie enzymatische Aktivität, Fluoreszenz, Erzeugung von elektrischem Strom und transkriptionelle Aktivität umfassen Ausgangssignale. Ebenso vielfältig sind die Mechanismen, die die Ligandenerkennung in funktionelle Signale umwandeln.

Im Bereich der Analytik stellen Biosensoren einen bedeutenden Fortschritt dar. Um die Analytik weg von rein physik- oder chemiebasierten Frameworks zu bewegen, hat die Integration biologischer Komponenten in die sensorische Diagnostik begonnen. Dies hat analytische Funktionen ermöglicht, die nicht gut an konventionelle Verfahren angepasst sind, um eine große Vielfalt und Spezifität biologischer Komponenten durchzuführen. Die theoretischen und demonstrierten Biosensoranwendungen decken einen bedeutenden Bereich der menschlichen Gesellschaft und Aktivität ab. Biosensoranwendungen werden je nach Messbereich in drei große Kategorien eingeteilt.

• Gruppendiagnostik: Umwelt-, Landwirtschafts- und Industrieanwendungen
• Point-of-Use-Diagnostik: Medizin- und Sicherheitsanwendungen
• Einzelzelldiagnostik: Metabolic Engineering und Anwendungen der synthetischen Biologie

Die heutige Nahrungsmittelproduktion steht vor immensen Herausforderungen durch die wachsende Bevölkerung, die Erhaltung sauberer Ressourcen und Nahrungsmittelqualität sowie den Schutz von Umwelt und Klima. Lebensmittelnachhaltigkeit ist hauptsächlich eine gemeinsame Anstrengung, die zur Entwicklung von Technologien führt, die sowohl von Regierungen als auch von Unternehmen finanziert werden. Mehrere Versuche wurden unterstützt, um Herausforderungen zu überwinden und die Triebkräfte in der Lebensmittelproduktion zu verbessern. Biosensoren und Biosensor-Technologien werden über ihre Anwendungen weit verbreitet eingesetzt, um die großen Herausforderungen der Lebensmittelproduktion und deren Nachhaltigkeit zu lösen. Dadurch steigt der Bedarf an Biosensorik im Bereich der Lebensmittelnachhaltigkeit. Die Mikrofluidik definiert ein technologisches System, das mehrere Technologien kombiniert. Nanomaterialien mit ihrer Biosensor-Technologie, ist bekannt als das innovativste Instrument, das mit der Weltbevölkerung im Umgang mit Gesundheits-, Energie- und Umweltfragen eng verbunden ist. Der Bedarf an Point-of-Care-Technologie (POC) in diesem Bereich konzentriert sich auf Analysewerkzeuge, die schnell, einfach, präzise, ​​kompakt und kostengünstig sind.

Für unsere Existenz und unser Leben ist Nahrung mit ihrer Produktionsindustrie unerlässlich; und ihre Nachhaltigkeit ist für das kontinuierliche menschliche Wachstum auf dem Planeten von wesentlicher Bedeutung. Die gegenwärtige Nahrungsmittelproduktion steht vor immensen Schwierigkeiten durch die Zunahme der menschlichen Bevölkerung, die Erhaltung sauberer Ressourcen und Nahrungsmittelqualität sowie den Schutz von Umwelt und Klima. Einige dieser Probleme stammen aus der Lebensmittelproduktion selbst; andere stammen aus anderen mit der Lebensmittelproduktion verbundenen Industrien. Lebensmittelrückrufe zum Beispiel verursachen mit schätzungsweise 15 Millionen US-Dollar pro Vorfall in den letzten Jahren großen Schäden für die Glaubwürdigkeit und das Prestige von Lebensmittelmarken. 48 Millionen Krankheitsfälle sind jährlich für 3000 Todesfälle durch lebensmittelbedingte Krankheiten verantwortlich.

Lebensmittelsicherheit ist weitgehend eine gemeinsame Anstrengung von Regierungen und Unternehmen in der Technologieentwicklung. Um neue Herausforderungen in Fragen der Lebensmittelsicherheit zu stellen, können Informationstechnologien wie die Blockchain-Technologie die Kommunikation zwischen Lebensmittelqualität, Medien und Verbrauchern beschleunigen. Fünf Herausforderungen können als die Hauptherausforderungen bei der Nachhaltigkeit der Lebensmittelproduktion zusammengefasst werden: die Herausforderung der Lebensmittelsicherheit bei der Produktion; die Qualitätsherausforderung der Lebensmittelvielfalt und -qualität; die wirtschaftliche Herausforderung im führenden Lebensmittelsystem, einschließlich seiner Verpackung und Lieferkette; die Umweltherausforderung, einschließlich der Verarbeitung von Lebensmittelabfällen; und die technische Herausforderung bei der Schaffung und Erzeugung neuartiger Lebensmittel.

Grundsätzlich ist ein Biosensor ein analytisches Instrument, das verwendet wird, um das interessierende Molekül (Ziel) einer Probe zu messen. Im Allgemeinen wird ein für das Ziel einzigartiger Bioerkennungsfaktor (Aptamer, Antikörper, Enzym usw.) verwendet. Durch molekulare Erkennungsereignisse zwischen dem Erkennungselement und der Zielverbindung wird ein physikalisch-chemisches oder biologisches Signal ausgelöst, das durch den Transducer in eine messbare Größe umgewandelt wird. Die Signale werden entweder optisch (kolorimetrisch, Fluoreszenz, Chemilumineszenz und Plasmonenoberflächenresonanz) oder elektrisch (Voltammetrie, Impedanz und Kapazität) oder in jedem anderen gewählten Format angezeigt (Abbildung 3).

Abbildung 3. Klassifizierung von Biosensoren basierend auf Transducer- und Bioerkennungselementen, die in der Lebensmittelanalyse verwendet werden

Als eines der Hauptziele der Lebensmittelanalyse ist die Lebensmittelsicherheit ein wichtiges Gesundheitsproblem sowohl für das Leben von Tieren als auch für den Menschen. Der Fortschritt der Analysetechnologie für die Lebensmittelsicherheit bedeutet, dass sie im Einklang mit dem steigenden Interesse an und dem Schwerpunkt auf Fragen der Lebensmittelversorgungssicherheit gedeiht. In der Lebensmittelsicherheitsanalyse sind traditionelle Ansätze arbeitsintensiv, zeitaufwändig und erfordern geschulte Techniker. Die Anwendung der Mikrofluidik in der Lebensmittelsicherheitsanalyse bietet neue Erkenntnisse darüber, wie durch Lebensmittel übertragene Toxine, Allergene, Krankheitserreger, Gefahrstoffe, Schwermetalle und andere Kontaminanten effektiv und schnell nachgewiesen werden können. Die Eigenschaften der Mikrofluidik, wie Miniaturisierungsfähigkeit, kompakte und reduzierbare Proben- und Reagenzienmengen, machen sie zu einer perfekten Technologie für die Entwicklung der Nachhaltigkeit von Lebensmitteln. Die komplexe Zubereitung der Lebensmittelmatrix und schwierige Herstellungsschritte sind die aktuellen Herausforderungen bei der Anwendung der Mikrofluidik auf die Nachhaltigkeit von Lebensmitteln. Diesen Herausforderungen kann begegnet werden, indem physikalische Eigenschaften in Abhängigkeit von spezifischen Testzielen genutzt, komplexe mikrofluidische Plattformen für die reale Lebensmittelanalyse entwickelt und Biomoleküle wie Lebensmittelproteine ​​und DNA in mikrofluidische Systeme integriert werden.

Nanomaterialien in der Biosensorik

Mit ihrer Biosensor-Technologie sind Nanomaterialien das meistversprechendste Werkzeug im Umgang mit Gesundheits-, Energie- und Umweltproblemen der Bevölkerung in der Welt. Als Nanomaterialien werden Partikel bezeichnet, die in mindestens einer Größendimension kleiner als 100 nm sind. Bei diesen Nanomaterialien handelt es sich um Biokompositpolymere auf Basis von Metall, Metalloxid und Kohlenstoff, und es wurden verschiedene Arten von Nanopartikeln etabliert, wie magnetische Eisen-, Aluminium-, Gold-, Silber-, Kupfer-, Siliziumdioxid-, Zink-, Zinkoxid-, Ceroxid- und Titandioxid-Nanopartikel. und ein-/mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (CNTs). Die Nanotechnologie und ihre landwirtschaftliche Entwicklung wurden in verschiedenen Bereichen stark ausgeweitet. Zu diesen Bereichen gehören die Lebensmittelproduktion, der Pflanzenschutz, der Nachweis von Krankheitserregern und Toxinen, die Wasserreinigung, die Lebensmittelverpackung, die Abwasserentsorgung, und Umweltsanierung. Die Verbesserung der Produktivität und Leistung der Anwendungen ist die Priorität dieser landwirtschaftlichen Bereiche.

Im Bereich Lebensmittelsicherheit und -schutz wurden Biosensor-Technologien für den Nährstoff- und Qualitätsnachweis, den Nachweis von Krankheitserregern und den Nachweis von Toxinen entwickelt, wie unten aufgeführt.

Nährstoff- und Qualitätsnachweis

Lebensmittelschutzmaßnahmen können in zwei Kategorien unterteilt werden: Verlust nach der Ernte und Biosicherheit der Lebensmittel. Biosicherheit von Nahrungsmitteln bedeutet Kontamination und Degradation von Nahrungsmitteln, die in den späteren Abschnitten angesprochen werden, durch ökologische, politische, unfaire wirtschaftliche Gewinne, Krieg oder Rache. Andererseits deutet der Verlust nach der Ernte auf die Nährstoffe und essbaren Bedingungen in Lebensmitteln hin, die zwischen der Erntezeit und dem Moment des Verzehrs durch Technologien aufrechterhalten werden müssen. Da die Zeit von Minuten bis Jahren unterschiedlich ist, sind bei der Aufrechterhaltung und Reduzierung von Verlusten Technologien wichtig, die sich auf die Reduzierung von Nachernteverlusten konzentrieren.

Um die Lebensmittelqualität zu erhalten und Nachernteverluste zu vermeiden, können neue Technologien wie Biosensorik eingesetzt werden. Biosensoren wurden beispielsweise entwickelt, um Süßstoffmengen in Lebensmitteln zu erkennen und zu analysieren, mit denen sowohl natürliche als auch künstliche Süßstoffe nachgewiesen werden können. Süßstoffe werden häufig in der Lebensmittelproduktion und -verarbeitung verwendet, aber vor kurzem wurde festgestellt, dass sie beim Menschen gesundheitliche Probleme verursachen. Ein Mehrkanal-Biosensor wurde entwickelt, um die elektrophysiologische Erfassung von Geschmacksepithelien zu nutzen, um sowohl natürliche als auch künstliche Süßstoffe zu erkennen und zu analysieren. Um Langzeitsignale von Saccharose, Glucose, Cyclamat bzw. Saccharin zu erkennen, werden die Signale durch raumzeitliche Techniken untersucht. Der Biosensor kann zwischen verschiedenen Konzentrationen mit dosisabhängig erhöhten Reaktionen des Geschmacksepithels von verschiedenen Süßungsmitteln unterscheiden. Es kann auch zwischen zwei natürlichen Süßstoffen unterscheiden: Saccharose und Glukose, mit zwei Signalmustern. Für Glukose beträgt der Nachweisbereich 50–150 mM und für Saccharin 5–15 mM.

Nachweis von Krankheitserregern

Aufgrund ihres reduzierten Formats können Biosensoren zum Nachweis von Krankheitserregern wie Bakterien (Tabelle 1) und Pilzen (Tabelle 2) eingesetzt werden. Das begann vor mehr als zwei Jahrzehnten: ein Gerät, um mehrere Probleme zu beheben, und eine Multi-Panel-Signalerkennung. Das Ligandenmotiv ist ein entscheidendes Element im Biosensordesign für den Pathogennachweis, da es die Empfindlichkeit und Effizienz des Geräts bestimmt. Ziel ist es, eine schnelle, spezifische und sensitive Plattform zu etablieren, um in Lebensmittelproben das Vorhandensein oder Fehlen von Krankheitserregern nachzuweisen. Es wurde entdeckt, dass es keinen idealen Liganden gibt und verschiedene Liganden unterschiedliche Vorteile haben. Die Kombination von Biorezeptoren zum Nachweis einer großen Vielfalt von Mikroben in verschiedenen Proben stellt aktuelle Herausforderungen beim Nachweis von Pathogen-Biosensoren dar; neue synthetische Ligandendesigns wie Aptamere, kleine Moleküle und Peptide; und der Einbau verschiedener Liganden in ein tragbares Gerät, um einen schnellen, effektiven und kostengünstigen Nachweis zu erreichen.

Nachweis von Toxinen

Der Hauptstrom der Entwicklung in der Lebensmittelsicherheit sind elektrochemische Biosensoren zum schnellen Nachweis und zur Bewertung von Lebensmittelgiften. Es wurden zahlreiche Plattformen entwickelt, um kundenspezifische und individualisierte Geräte zu ermöglichen, um besondere Umwelt- und Organisationsanforderungen zu erfüllen und die Nachweisgrenzen von nM bis fM zu erreichen. Um beispielsweise einzigartige Bindungsprofile zu fördern, adressieren Biorezeptor-Arrays einzelne Elektroden, die mit verschiedenen Biorezeptoren mit Bindungszielen funktionalisiert sind. Neben der elektrochemischen Biosensorik wurden Toxin- und chemische Detektion in der Lebensmittelproduktion auch auf andere Biosensoren wie optische und piezoelektrische Sensoren angewendet (Figur 4). Um Giftstoffe zu erkennen, wurden fluoreszierende Nanopartikel in Lebensmitteln und Körpern hergestellt, einschließlich oberflächlicher, inter- und intrazellulärer Lebensmittel.

Abbildung 4. Vorherrschende Lebensmittelkontaminanten und die Zielanalyten in der Lebensmittelindustrie

Die Toxinextraktion aus komplizierten Lebensmittelproben ist eines der Haupthindernisse bei der Entwicklung eines vollautomatischen Toxindetektors. Um ihre schädlichen Konzentrationen aus Lebensmittel- und Wasserproben automatisch zu bestimmen, wird erwartet, dass potenzielle Systeme Toxine extrahieren, verarbeiten und messen. Bei der Identifizierung, Unterscheidung und Quantifizierung chemischer Toxine in Lebensmittelmatrices wurden ausgeklügelte Trennstrategien mit SERS gekoppelt. Darüber hinaus können chemische Verunreinigungen aus der Lebensmittelverarbeitung eine Herausforderung darstellen, auch wenn sie normalerweise in geringeren Mengen vorliegen. Geringere Stabilität, Selektivität und Sensitivität sind eine weitere Herausforderung beim Nachweis von Lebensmitteltoxinen, bei denen MIPs eine Lösung sein können, um stabile und kostengünstige Alternativen bereitzustellen.

Schwermetalle wie Ag+, As3+, Cd2+, Hg2+, Pb2+ und Zn2+ sind als chemische Schadstoffe bekannt, die stabile Oxidationszustände bilden und Stoffwechselwege stören, was zu Gesundheitsproblemen führt. Aptamer- und DNA-basierte Biosensoren können Schwermetalle sowohl im Nanobereich als auch im sehr großen Maßstab nachweisen, was für das Screening und die Überwachung der Lebensmittelsicherheit geeignet ist. Um Arsenat in Lebensmitteln nachzuweisen, basiert ein schwermetalldetektierender Biosensor auf gentechnisch veränderten Bakterienzellen und einem grün fluoreszierenden Signalverstärker. Mit einem Detektionsbereich von 5-140 μg/L Arsen dauert die Arsen-Detektion nur eine Stunde und kann in die optische Ausgangsleistung für seine zukünftige Biosensor-Lichtleitfaser integriert werden. Andere Biosensortechnologien sind zum Beipiel Aptamere,

Die Nanotechnologie wurde auf zwei getrennte Bereiche von Pestiziden für die Landwirtschaft und Ernährung angepasst: als Träger von Pestiziden für das Pestizidmanagement und als Spurenmengendetektor für Pestizide. Im ersten Bereich sind Nanopartikel in der Lage, Pestizide langsam zu modifizieren, um Insektenschädlinge zu bekämpfen, was dazu beiträgt, die Verschmutzung des Grundwassers und des Oberbodens zu verhindern, den Pestizidgehalt zu senken und die Effizienz zu verbessern. Im zweiten Feld verbessert bio- oder biomimetisch basierte Nanotechnologie wie Antikörper, Enzyme, Aptamere und MIP-ähnliche Makromoleküle die Stabilität, Selektivität, Sensitivität und Nachweisgeschwindigkeit. Darüber hinaus sind Bakterien-, Pilz-, Algen- und Säugerzellen zellbasierte Biosensoren, die beim Nachweis von Pestiziden und Herbiziden verwendet werden und helfen, schnelle, zuverlässige, Echtzeit- und kostengünstige Werkzeuge für Dekontaminationsverfahren und präventive Unfallschäden zu entwickeln.

Karzinogene, Geruchsstoffe und Meeresschadstoffe sind weitere Giftstoffe, die bei der Lebensmittelproduktion von Bedeutung sind. Karzinogene sind eine komplexe Gruppe von Spuren von Toxinen, wie Pestizide, Schwermetalle, Mykotoxine und Acrylamid, bei denen die Schwierigkeit der Identifizierung von Spurenmengen eine Herausforderung darstellt; und geprägte Aptamere, Nanotechnologie und Biosensorik sind optimistisch für eine vielversprechende zukünftige Verwendung. Empfindliche und lösliche Moleküle, die bei der Geruchserkennung für olfaktorische Tiersysteme wirksam sind, sind geruchsbindende Proteine. Es wurde ein Nanosensor entwickelt, der lokalisierte SPR und kleine geruchsstoffbindende Proteine ​​von Honigbienen kombiniert, wobei der Nachweisbereich 10 nM – 1 mM unter Verwendung einer quantitativen Anordnung von Nanobechern beträgt. Um eine stabile Umgebung für marine Nahrungssysteme zu überwachen und zu erhalten, wird die Erkennung von Meereskontaminanten verwendet.

Ein weiteres Entwicklungskit für Biosensoren für die Lebensmittelsicherheit konzentriert sich auf den Nachweis von genetisch veränderten Organismen (GVO) in Lebensmitteln. Seit den 1990er Jahren gelten GVO in allen Bereichen landwirtschaftlicher Produkte als biotechnologische Revolution. Derzeit sind mehr als 45 Prozent der weltweit angebauten Sojabohnen, 40 Prozent des Maises und 50 Prozent der Baumwolle gentechnisch veränderte Produkte; und GM wird auch in der Viehzucht verwendet. Neuere Forschungen zeigen jedoch, dass GVO-Produkte den menschlichen und tierischen Körper durch Magen-Darm-Probleme, Antibiotikaresistenz, Allergenität, Diversität des Abbaus von landwirtschaftlichen Produkten und unerwünschten Genfluss auf andere Arten beeinträchtigen können. Biosensoren wurden entwickelt, um GVO in Lebens- und Futtermitteln mit isothermer DNA-Amplifikation und schneller Erkennung von Signalen zu messen, um gv-Gene zu identifizieren.

Biosensoren & Biochips für die Umweltüberwachung

Aufgrund des starken Zusammenhangs zwischen Umweltverschmutzung und menschlicher Gesundheit/sozioökonomischem Fortschritt ist die Umweltüberwachung zu einer Priorität auf europäischer und globaler Ebene geworden. Biosensoren werden auf diesem Gebiet häufig als kostengünstige, schnelle In-situ- und Echtzeit-Analysetechniken verwendet. Die jüngste Entwicklung von Biosensoren mit neuen Transduktionsmaterialien aus der Nanotechnologie und für den Multiplex-Schadstoffnachweis unter Einbeziehung multidisziplinärer Experten erklärt den Bedarf an kompakten, schnellen und intelligenten Biosensorgeräten. Bei der Überwachung von Luft-, Wasser- und Bodenverunreinigungen durch Biosensoren unter realen Bedingungen gibt es mehrere neuere Entwicklungen, wie Pestizide, hochgiftige Komponenten und kleine organische Moleküle, einschließlich Toxinen und endokrin wirksamen Chemikalien.

Biosensoren, die in der Umweltüberwachung verwendet werden, können aufgrund ihrer Transduktion in optische (einschließlich Glasfaser- und Oberflächenplasmonenresonanz-Biosensoren), elektrochemische (einschließlich amperometrische und Impedanz-Biosensoren) und piezoelektrische (einschließlich Quarzkristall-Mikrowaagen-Biosensoren) oder als Immunsensoren, Aptasensoren, Genosensoren kategorisiert werden. Hinzukommen enzymatische Biosensoren, die sich auf ihren Erkennungselementen bzw. bei Verwendung von Antikörpern, Aptameren, Nukleinsäuren und Enzymen basieren lassen. Die meisten Biosensoren in der Umweltüberwachung werden als Immunsensoren und enzymatische Biosensoren anerkannt, aber die Entwicklung von Aptasensoren hat in letzter Zeit aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften von Aptameren, wie einfache Modifizierung, thermische Stabilität, In-vitro-Synthese und die Fähigkeit, ihre Struktur zu entwerfen, zugenommen.

Die Studie zum Design von Biosensoren zur Überwachung von organischen Schadstoffen, potenziell toxischen Elementen und Krankheitserregern in der Umwelt hat aufgrund der Umweltverschmutzungsprobleme, mit denen die menschliche Gesundheit konfrontiert ist, zu einer nachhaltigen Entwicklung der Zivilisation geführt. Verschiedene chromatographische Techniken (wie Gaschromatographie und Hochleistungsflüssigkeitschromatographie in Kombination mit Kapillarelektrophorese oder Massenspektrometrie) sind konventionelle Analysemethoden zur Umweltüberwachung von Schadstoffen, die jedoch teure Reagenzien, zeitaufwändige Probenvorbehandlung und teure Geräte erfordern. Also, zur Überwachung von Schadstoffen, die für schädliche Auswirkungen auf Lebensräume und die menschliche Gesundheit verantwortlich sind, für sensible, kostengünstige, schnellere, einfacher und kompaktere Biosensor-Geräte werden dringend benötigt, um die Vergrößerung von Umweltproblemen zu überwinden. Im Falle einer versehentlichen Freisetzung von Pestiziden oder einer akuten Vergiftung sind beispielsweise übliche Methoden nicht für In-situ-Messungen geeignet, bei denen schnelle, miniaturisierte und tragbare Geräte wie Biosensoren zur Umweltüberwachung erforderlich sind. In dieser Hinsicht ist die Rolle der Nanotechnologie bei der Entwicklung schneller und intelligenter Biosensorik-Geräte entscheidend für den Erfolg des Nachweises von Umweltschadstoffen. Die neuesten Biosensoren umfassen Nanomaterialien und neuartige Nanokomposite in ihren Systemen, die für die Verbesserung der analytischen Leistung, wie Empfindlichkeit und Nachweisgrenzen, von Vorteil sind. Gängige Methoden sind nicht für In-situ-Messungen geeignet, bei denen schnelle, miniaturisierte und tragbare Geräte wie Biosensoren zur Umweltüberwachung erforderlich sind. In dieser Hinsicht ist die Rolle der Nanotechnologie bei der Entwicklung schneller und intelligenter Biosensorik-Geräte entscheidend für den Erfolg des Nachweises von Umweltschadstoffen.

Für den Nachweis und die Überwachung verschiedener Umweltschadstoffe wurden Biosensoren, einschließlich Immunsensoren, Aptasensoren, Genosensoren und enzymatische Biosensoren, unter Verwendung von Antikörpern, Aptameren, Nukleinsäuren und Enzymen als Erkennungselemente dokumentiert.

Pestizide

Pestizide gehören aufgrund ihrer großen Präsenz in der Umwelt zu den bedeutendsten Umweltschadstoffen. In der Landwirtschaft werden beispielsweise phosphororganische Insektizide häufig verwendet und stellen eine Gruppe von Pestiziden dar, die aufgrund ihrer hohen Toxizität von immenser Umweltbelastung sind. Daher haben sich einfache, reaktionsschnelle und miniaturisierte In-situ-Methoden wie Biosensoren als analytische Strategien für deren Nachweis und Überwachung etabliert, ohne dass eine umfassende Probenvorbehandlung erforderlich ist.

Amperometrische enzymatische Einweg-Biosensoren (Acetylcholinesterase) wurden für den Nachweis von Organophosphor-Insektiziden unter Verwendung von Paraoxon als Modellanalyt vorgeschlagen, der eine selbstorganisierte Cysteamin-Monoschicht auf Gold-Siebdruckelektroden aufbringt. Die Einweg-Biosensoren zeigten ein lineares Spektrum von bis zu 40 ppb mit einer Nachweisgrenze von 2 ppb und einer Empfindlichkeit von 113 µA mM cm-2. Bei Verwendung der selbstorganisierten Monoschicht könnte ein gutes analytisches Ergebnis auf die stark orientierte Enzymimmobilisierung zurückzuführen sein. Nach Tests in Flusswasserproben, die mit 10 ppb Paraoxon versetzt waren, wurden Wiederfindungen von 97 ± 5 Prozent (n = 3) berichtet, was auf die Wirksamkeit solcher enzymatischer Biosensoren hinweist. Darüber hinaus entfallen durch den Einsatz von Einweg-Siebdruckelektroden zeitaufwändige Verfahren wie die Reaktivierung immobilisierter Enzyme unter Verwendung von z.B.

Nanopartikel auf Basis von Iridiumoxid wurden in dem enzymatischen Einweg-Biosensor mit Tyrosinase basierend auf kostengünstigen siebgedruckten Kohlenstoffelektroden zum Nachweis von Chlorpyrifos in Flusswasserproben verwendet. Es wurde über eine lineare Biosensorantwort (0,01–0,1 μM) und eine niedrige Nachweisgrenze (3 nM) berichtet, was auf die hohe Leitfähigkeit der Nanopartikel von Iridiumoxid und die Tyrosinase-Effizienz zurückzuführen sein könnte. Wiederfindungstests wurden in Flusswasserproben unter Zugabe von 0,1 μM Chlorpyrifos durchgeführt und es wurden Wiederfindungen von 90 ± 9,6 Prozent mit einer Reststandardabweichung (RSD) von weniger als 10 Prozent (n = 3) erzielt, um die Anwendbarkeit des Biosensors zu demonstrieren .

Acetamiprid wurde durch kolorimetrische Aptasensoren und Wasserproben durch impedimetrische Aptasensoren in realen Umweltproben, wie frischen Oberflächenbodenproben, nachgewiesen. Beim kolorimetrischen Aptasensor wurde ein linearer Bereich von 75 nM bis 7,5 μM und eine Nachweisgrenze von 5 nM beobachtet, während beim impedimetrischen Aptasensor ein breiterer linearer Bereich (50 fM bis 10 μM) und eine untere Nachweisgrenze (17 fM) beobachtet wurden. Goldnanopartikel, mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT) und reduzierte Graphenoxid-Nanobänder wurden in diesem Biosensor als Verbundwerkstoff verwendet, um das Acetamiprid-Aptamer der Elektrodenoberfläche zu erhalten, das für einen höheren Elektronentransfer und eine verbesserte analytische Leistung des Biosensors verantwortlich sein könnte.

Krankheitserreger

Das Vorhandensein von Krankheitserregern in Umweltmatrizen und insbesondere in Wasserkompartimenten könnte ein ernsthaftes Risiko für die menschliche Gesundheit darstellen, und kürzlich wurden einige Biosensoren für die Überwachung der Umwelt vorgeschlagen. Beispielsweise wurden für den Nachweis von metabolisch aktiver Legionella pneumophila in komplexen Umweltwasserproben schnelle und präzise optische Biosensoren basierend auf Oberflächenplasmonenresonanz vorgeschlagen. In einer Studie beruhte das Nachweisprinzip auf der Identifizierung bakterieller RNA durch die immobilisierte RNA-Detektorsonde auf der Goldoberfläche des Biochips. Zur Signalverstärkung wurden Streptavidin-konjugierte Quantenpunkte verwendet, und die Nachweiszeit betrug ungefähr drei Stunden, was die Lebensfähigkeit der Biosensorvorrichtung für einen erfolgreichen Bakteriennachweis im Bereich von 104-108 KBE ml^-1 anzeigt.

Potenziell giftige Elemente

Die Belastung der natürlichen Gewässer mit Schwermetallen und entsprechenden Ionen kann erhebliche Risiken für die menschliche Gesundheit darstellen und kompakte, kostengünstige und schnelle Schwermetallanalysen haben weltweit Priorität. Als Modelltarget zum Testen eines optischen DNA-Biosensors zum Nachweis extrem giftiger und in der Umwelt häufig vorkommender Schwermetallionen wurden Quecksilberionen (Hg2+) verwendet. Der Biosensor war kompakt, kostengünstig und schnell mit einem In-situ-Screening von Hg2+ in natürlichen Gewässern in weniger als 10 Minuten. Das Detektionsprinzip konzentriert sich auf die Fähigkeit bestimmter Metallionen, selektiv an bestimmte Basen zu binden, um stabile metallvermittelte DNA-Duplexe zu bilden; im Fall von Hg2+ können Thyminbasen selektiv koordiniert werden, um stabile Thymin-Hg2+-Thymin-Komplexe zu bilden. Im Nachweisbereich zwischen 0 und 1000 nM gilt eine Nachweisgrenze von 1.

Für den Nachweis von Pb2+ in Wasserproben (Teich- und Seewasserproben) unter Verwendung von DNAzymen/carboxylierten magnetischen Beads und DNA-Aptameren wurden kürzlich zwei fluoreszenzbasierte optische Biosensoren vorgeschlagen. Die Nachweisgrenzen von 5 nM bzw. 61 nM wurden von Biosensoren auf Basis von DNAzymen und DNA-Aptameren mit einem jeweiligen linearen Nachweisbereich von 0 bis 50 nM bzw. 100 bis 1000 nM eingehalten. Die Verwendung eines markierungsfreien einzigartigen Farbstoffs (SYBER Green I), der mit doppelsträngiger DNA interkaliert wurde und starke Fluoreszenzintensitäten zeigt, wie in Abbildung 5. Darüber hinaus wird das Fehlen der Biosensor-Fluoreszenzintensität nur mit dem Farbstoff beobachtet (Kurve a). Beim DNAzym + Pb2+ (Kurve b) nimmt die Fluoreszenzintensität mit der Zugabe von Farbstoff + DNAzym + Pb2+ zu, was die Sensitivität des Biosensors gegenüber Pb2+ verdeutlicht.

Abbildung 5. Fluoreszenzemissionsspektren zum Nachweis von Pb²⁺

Giftstoffe

Schädliche Toxine wie Brevetoxine und Microcystine werden durch die Eutrophierung aquatischer Systeme durch die Algenblüte von Cyanobakterien erzeugt, und daher werden genaue und kostengünstige Systeme zur Früherkennung solcher Toxine benötigt. Für den empfindlichen Nachweis von Brevetoxin-2, einem marinen Neurotoxin, wurde ein elektrochemischer Aptasensor verwendet, der aus Goldelektroden besteht, die mit selbstorganisierten Cysteamin-Monoschichten funktionalisiert sind. Es wurde eine Nachweisgrenze von 106 pg mL-1 erreicht und für Brevetoxin-2 wurde eine starke Selektivität gegenüber anderen Toxinen verschiedener Gruppen, wie Okadainsäure und Microcystin, beobachtet. Die Machbarkeit des Aptasensors zum Nachweis von Brevetoxin-2 in echten Proben wurde durch die Analyse von Schalentieren erreicht, und es wurden starke Wiederfindungen (102-110 Prozent) berichtet, was darauf hindeutet, dass keine Interaktion mit der Aptasensor-Antwort von der Schalentiermatrix vorliegt.

Endokrin wirksame Chemikalien

In Wasserproben wurde Bisphenol A als endokrin wirksame Chemikalie durch Aptasensoren nachgewiesen, die auf dem Fluoreszenzprinzip mit funktionalisierten Aptameren (Fluoresceinamidit) und Goldnanopartikeln basieren und auf evaneszenten Lichtwellenleitern basieren. Der optische Faseraptasensor für evaneszente Wellen war kompakt und erwies sich als schnell, kostengünstig, empfindlich und selektiv für den Nachweis von Bisphenol A in Wasserproben, wobei keine Vorkonzentrations- oder Behandlungsschritte erforderlich waren. Darüber hinaus kann der Aptasensor durch Regenerieren mit einer 0,5%igen Natriumdodecylsulfat (SDS)-Lösung und weiteres Waschen mit einer phosphatgepufferten Kochsalzlösung (PBS) (pH 7,2) für über hundert Testzyklen ohne merklichen Verlust an 90 s wiederverwendet werden (Effizienz). Ähnliche Nachweisgrenzen (0,1 und 0. 45 ng mL-1) wurden in beiden optischen Biosensoren beobachtet, bei denen die DNA-Molekülsonde, die die komplementäre Sequenz einer kleinen Fraktion des Bisphenol-A-Aptamers ist, durch elektrostatische Wechselwirkung an der Oberfläche von Goldnanopartikeln adsorbiert und auf der Oberfläche kovalent immobilisiert wurde der Faser. Für den Nachweis von Bisphenol A in Flusswasserproben mit Molybdäncarbid-Nanoröhren wurde kürzlich ein weiterer fluoreszenzbasierter Aptasensor vorgeschlagen. Mit einem solchen markierungsfreien, kostengünstigen und einfach zu verwendenden Aptasensor wurde eine niedrige Nachweisgrenze von 0.23 ng mL−1 erreicht. Die Spezifität des Aptasensors wurde durch die Analyse anderer Moleküle mit ähnlichen Strukturen wie Bisphenol A (z. B. 4,4J-Biphenol, Bisphenol AF und 4,

Ein wegwerfbarer und markierungsfreier elektrochemischer Immunsensor auf der Basis eines Feldeffekttransistors mit SWCNT wurde kürzlich in Meerwasserproben verwendet, um eine andere endokrinschädigende Chemikalie zu untersuchen – 4-Nonylphenol. Der Immunsensor hat eine hohe Reproduzierbarkeit (0,56 ± 0,08%), eine durchschnittliche Wiederfindung von 97,8% bis 104,6% und eine niedrige Nachweisgrenze (5 µg L-1), die unter der empfohlenen maximalen Konzentration von 7 µg L-1 liegt durch die entsprechenden Vorschriften. In Meerwasserproben wie 4-Nonylphenol könnte der Biosensor verwendet werden, um gefährliche prioritäre Stoffe selbst in niedrigen Konzentrationen und mit einer einfachen und kostengünstigen Methodik zu erkennen.

Andere Umweltverbindungen

Für die Früherkennung und Überwachung verschiedener anderer gefährlicher Verbindungen, die während der Algenblüte freigesetzt werden, wurden neue, schnelle und genaue Analysemethoden benötigt. Aufgrund der hervorragenden Sensitivität und Spezifität von Nukleinsäuresonden gegenüber ihren komplementären Bindungspartnern wurden Biosensoren zum Nachweis von Algen-RNA entwickelt. Für den verbesserten selektiven und sensitiven Nachweis von RNA aus 13 schädlichen Algenorganismen wurde kürzlich ein elektrochemischer Genosensor auf der Grundlage einer siebgedruckten Goldelektrode beschrieben; der Genosensor konnte RNA-Ziele von Umweltproben (Meerwasserproben mit Spikes) unterscheiden, die 105 Zellen enthielten, was als Nachweisgrenze gilt.

Derzeit sind neue Vorschriften in Vorbereitung, die darauf abzielen, Kontaktcodeinformationen für bestimmte Bereiche und auch für Einzelpersonen vorzuschlagen, um alternative Energiequellen zu finden.

Die grüne Energie

Derzeit sind neue Vorschriften in Vorbereitung, die darauf abzielen, Kontaktcodeinformationen für bestimmte Bereiche und auch für Einzelpersonen vorzuschlagen, um alternative Energiequellen zu finden. Diese alternativen Quellen müssen private und öffentliche Gebäude mit Strom versorgen und gleichzeitig eine geringe Anzahl giftiger Verbindungen erzeugen. Das ist der sogenannte „going green“-Ansatz. Verschiedene alternative Energiearten wie Solar- und Kernenergie wurden mit dem Ziel entwickelt, den Planeten zu retten, da die giftigen Emissionen, die mit der Produktion der traditionellen einhergehen, ein großes Problem darstellen, da sie das Weltleben stark beeinträchtigen.

Zusammen mit den weithin untersuchten toxischen Wirkungen der globalen Erwärmung in den letzten Jahren sind sie parallel zu den Schäden durch andere Ressourcen, die bei der Produktion von Nahrungsmitteln und der Erhaltung von sauberem Wasser verwendet werden, vage. Die Gesellschaft hat sich auf Materialien wie Kohle, Öl und sogar Kerosin bezogen, um die benötigte Energie zu gewährleisten. Die fossilen Brennstoffe, Kohle, Öl und andere Ressourcen, die für die Stromerzeugung verwendet werden, emittieren schädliche Nebenwirkungen. Diese Brennstoffe sind nicht erneuerbar und kontaminieren die Umwelt und die Atmosphäre und beeinträchtigen die Quellen, die für das Überleben der Arten auf unserem Planeten erforderlich sind. Da diese Quellen von Natur aus begrenzt sind und die Probleme wegen ihrer Knappheit und ihres Zugangs zunehmen, sind ihre schädlichen Auswirkungen auf die Umwelt am schlimmsten. Die Nutzung dieser konventionellen Energiequellen trägt also zur globalen Erwärmung bei.

Grüne Energie wird dazu beitragen, zumindest einige dieser Probleme zu lindern und zu glätten, und je schneller wir auf erneuerbare Energiequellen umsteigen, desto besser.

Green energy will help to relieve and smoothen at least some of these problems, and the faster we move to renewable energy sources the better.

Derzeit wird geschätzt, dass IKT 1,15% der gesamten Stromversorgung verbraucht. Es wird mit einem jährlichen Gesamtstromverbrauch für IKT von 242 TWh im Jahr 2015 gerechnet. Diese Summe setzt sich aus vor Ort erzeugtem Strom (27 TWh) und Netzstrom (215 TWh) zusammen. Außerdem beträgt der weltweite CO2-Ausstoß des IKT-Sektors im Jahr 2015 etwa 169 Millionen Tonnen CO2. Dies entspricht 0,53 % der gesamten CO2-Emissionen des Energiesektors (32 G Tonnen) und 0,34 % der globalen CO2-Emissionen (50 G Tonnen) im Jahr 2015. Der Stromverbrauch im IKT-Netz ist von 2010 bis 2015 um 31 % gestiegen Dies summiert sich auf einen Anstieg von 185 TWh für 5 Jahre, was 1 % der gesamten Stromversorgung des Stromnetzes entspricht. Das operative Wachstum der CO2-Emissionen betrug in diesem Zeitraum 17 %.

Durch die breite Anwendung von 5G in naher Zukunft wird die Rate des Energieverbrauchs noch größer sein.

Grüne Energiebereitstellung für IKT

Heutzutage wird die Reduzierung von Treibhausgasemissionen (THG) zu einem der wichtigsten Forschungsthemen in der Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT), da die indirekten Treibhausgasemissionen durch den enormen Einsatz von IKT-Elektrogeräten beunruhigend ansteigen. Somit ist die Lösung des IKT-THG-Problems mit der Verbesserung der Energieeffizienz durch eine Reduzierung des Energieverbrauchs auf der Mikroebene verbunden.

Die Forschung in diesem Bereich konzentriert sich auf Mikroprozessordesign, Computerdesign, Power-on-Demand-Architekturen und Techniken zur Konsolidierung virtueller Maschinen. Die Energieeffizienzmethode auf Mikroebene wird aufgrund des Khazzoom-Brookes-Postulats (auch bekannt als Jevons-Paradoxon) einen allgemeinen Anstieg des Energieverbrauchs mit sich bringen, das besagt: „Energieeffizienzverbesserungen, die im weitesten Sinne wirtschaftlich gerechtfertigt sind auf der Mikroebene, können auf der Makroebene zu einem höheren Energieverbrauch führen“. Daher könnte es vernünftig sein, dass die Reduzierung der Treibhausgasemissionen auf Makroebene eine angemessenere Lösung ist. Große ICT-Unternehmen wie Microsoft, die zu jeder Zeit bis zu 27 MW Energie verbrauchen, haben ihre Rechenzentren in der Nähe von Ökostromquellen errichtet. Leider liegen viele Rechenzentren nicht in der Nähe von grünen Energiequellen. Aus diesem Grund ist das dezentrale Netz mit grüner Energie eine aufkommende Technologie, die es ermöglicht, dass die Verluste bei der Energieübertragung über die Infrastrukturen der Energieversorger viel höher sind als die durch die Datenübertragung verursachten. Dies macht die Verlagerung eines Rechenzentrums in die Nähe einer erneuerbaren Energiequelle zu einer effizienteren Entscheidung, es sei denn, die Energie wird an einen bestehenden Standort gebracht.

Management- und technische Richtlinien werden eine Entscheidung sein, die Virtualisierung zu arrangieren, die dazu beiträgt, virtuelle Infrastrukturressourcen basierend auf der Stromverfügbarkeit von einem Standort zu einem anderen zu verschieben. Dies wird die Nutzung erneuerbarer Energien innerhalb des IKT-Netzes erleichtern, indem es ein „Infrastructure as a Service (IaaS)“-Management-Tool bereitstellt.

Grüne IKT und Wege zur Ökologisierung von IKT

Green ICT ist ein weit gefasster Begriff, dem eine allgemeine Definition fehlt. Dieses Konzept umfasst die Energieeffizienz von Geräten wie Computern, Servern und Monitoren. Gelegentlich wurde die Herstellung von IKT-Geräten sowie das Recycling erwähnt. In anderen Fällen enthält es Möglichkeiten, wie IKT zur Minderung der Umweltauswirkungen anderer Sektoren eingesetzt werden können. 

• Definition von grüner IKT

Green ICT wird in der Literatur definiert als „die energieeffiziente und kostengünstige Nutzung von IT-Ressourcen“ oder „eine Initiative, um Einzelpersonen, Gruppen und Organisationen, die sich mit der Nutzung von IKT beschäftigen, dazu zu ermutigen, Umweltprobleme zu berücksichtigen und Lösungen für sie zu finden“. Green ICT beschäftigt sich mit den Umweltauswirkungen des ICT-Sektors selbst. ICT for Green zeigt, wie IKT eingesetzt werden kann, um andere Sektoren grüner zu machen. Der IKT-Sektor verursacht etwa 2% der weltweiten THG-Emissionen, hauptsächlich aufgrund der Emissionen aus dem Luftverkehr. Obwohl diese Zahl nicht so aussieht, sind einige Autoren der Meinung, dass die Emissionen des IKT-Sektors mit einer jährlichen Zunahme von 6% am ​​stärksten wachsen. Außerdem werden die Umweltauswirkungen von IKT weitgehend vernachlässigt, die Luftfahrt beginnt schon vor Jahrzehnten, auf die Umwelt zu achten, aber die IKT-Branche hat erst heute begonnen, sich um die Umwelt zu kümmern. In Bezug auf Green ICT sind die wichtigsten verwendeten ICT in Abb. 2 dargestellt. Für jede dieser Gerätekategorien gibt es verschiedene Optionen, um die Umweltbelastung zu reduzieren. Bei der Diskussion der Umweltauswirkungen von IKT ist Energieeffizienz das am meisten diskutierte Thema. Inzwischen stellt sich auch die Frage nach einer solchen Schätzung der für die Produktion verwendeten Materialien und der Vorgehensweise.

Die Messung der Energieeffizienz ist die einfachste Kennzahl, um die Wirkung von Green ICT abzuschätzen, da der Energieverbrauch einfach zu bestimmen ist. Während der Geräteproduktion kann im Vergleich zur gesamten Lebensdauer zeitweise mehr Energie verbraucht werden als dies bei PCs der Fall ist. Bei der Herstellung von Computern werden verschiedene Metalle wie Aluminium, Arsen, Kupfer und Blei verwendet. Einige von ihnen sind gefährlich und erfordern den Umgang mit den Geräten, insbesondere während des Recyclings. Es wird behauptet, dass 70 % aller gefährlichen Abfälle Elektroschrott sind. In vielen Ländern gibt es Vorschriften für das Recycling von Elektroschrott, aber informelles Recycling bietet eine kostengünstige Möglichkeit, mit diesem Abfall umzugehen und wird leider viel praktiziert.

Abbildung 2. Hauptkategorien der verwendeten IKT.

• Grün in der IKT

Der Begriff „grün“ wird in der Alltagssprache verwendet, um sich auf umweltverträgliche Aktivitäten zu beziehen. Auch der Begriff „grün“ wird immer wieder als nachhaltig verwendet. Beide Konzepte sind eng miteinander verbunden, aber nicht identisch und grün zu sein ist nur ein Teil von Nachhaltigkeit. Die Vereinten Nationen diskutieren im Allgemeinen drei Aspekte der nachhaltigen Entwicklung: die soziale, die wirtschaftliche und die ökologische Dimension. Der Begriff „grün“ passt zum Umweltaspekt, da beides oft miteinander verbunden ist. Aus Umweltgesichtspunkten ist es gut verstanden und sinnvoll, insbesondere im Fall der Verknüpfung von „grüner“ IKT mit Wirtschaftswachstum. Nicht umsonst wird Nachhaltigkeit zu einem Faktor für das schnelle Wachstum des IKT-Sektors; sie begünstigt das Wirtschaftswachstum, gewährleistet einen breiten Zugang zu neuen Technologien und erhöht die Effizienz anderer Sektoren.

Die im UN-Bericht „Unsere gemeinsame Zukunft“ enthaltene Definition von Nachhaltigkeit oder Umweltproblemen besagt, dass nachhaltig diejenigen Prozesse sind, die „die Bedürfnisse der Gegenwart befriedigen, ohne die Fähigkeit zukünftiger Generationen zu beeinträchtigen, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen“.

Im IKT-Sektor „grün“ zu sein, bedeutet zum Teil, fundierte Lösungen für den Umgang mit natürlichen Ressourcen zu finden.

Ein gutes Beispiel für den Begriff „Nachhaltigkeit“ ist die Art und Weise, wie das heutige Leben das Leben zukünftiger Generationen in Bezug auf den Mangel an natürlichen Ressourcen, gesundheitliche Probleme für diejenigen, die mit Produktion und Recycling arbeiten, sowie die Auswirkungen auf die Zukunft beeinflussen können. Im Umgang mit IKT gibt es also verschiedene Möglichkeiten, grün zu werden.

Es ist notwendig, „grüne“ Technologien und „grünes“ Verhalten zu definieren. Grüne Technologien umfassen Teile wie virtuelle Server, die eine höhere Nutzungsrate ermöglichen, um eine Energieeinsparung von bis zu 85 % im Vergleich zu Standard-PCs zu erzielen. Allerdings wird die Technologie, die ineffizient eingesetzt wird, nicht grün sein. Auf diese Weise können die Mitarbeiter eine große Bedeutung für die Umweltspur haben. Das Ausschalten der Geräte nach dem Verlassen des Büros und der Einsatz von Technologie, um andere Bereiche des Lebens umweltfreundlicher zu gestalten, wie das Abhalten von Videokonferenzen anstelle von Reisen oder die gemeinsame Nutzung verschiedener Geräte wie Drucker zwischen Abteilungen, sind Beispiele für umweltfreundliche Haltung am Arbeitsplatz.

„Grün“ im IKT-Sektor und im Informationsmanagement zu sein ist nicht genau dasselbe wie „Grün“ in anderen Sektoren. Jeder Sektor hat seine Umweltprobleme und Minderungsstrategien. Der IKT-Sektor ist eine Besonderheit, da er die Ökologisierung anderer Sektoren verursacht und es ist nicht sicher, wie der große Beitrag zur Verringerung der Emissionen und zur Erreichung einer besseren Umwelt erzielt werden kann. Dennoch sollten diese Umweltauswirkungen der IKT nicht überschätzt werden. Um im IKT-Sektor „grün“ zu sein, ist es notwendig, sich der Produktionsweise und der Verwendung und des Recyclings der IKT-Geräte bewusst zu werden, um verbindlich nachhaltig zu sein. Einer der wichtigsten Aspekte der „grünen“ IKT sind die Einsparungen von Energie und anderen Ressourcen wie Papier und seltenen Elementen. Bei der Herstellung von IKT-Geräten werden seltene und gefährliche Stoffe verwendet. Gefährliche Stoffe beleidigen nicht nur die Umwelt, sondern auch die Menschen, die mit der Herstellung von IKT-Geräten und deren Recycling arbeiten. All diese Dinge sind mit IKT und Informationsspeicherung verbunden, die die größten Auswirkungen auf die Umwelt haben. Wenn alle Geräte optimal genutzt werden, ist es sinnvoll, die Umweltbelastung zu verringern und möglicherweise auch Geld zu sparen. 

• Die Bedeutung von „Grün“

„Grün“ zu sein ist heutzutage als Geschäftsstrategie von Bedeutung, was zum Teil auf das Verständnis der Verbraucher für den Umweltschutz zurückzuführen ist. Umweltmanagement ist ein Teil des strategischen Ansatzes für mehrere erfolgreiche Unternehmen, ein neues Konzept des „grünen“ Managements zu integrieren, um dieser Strategie zu entsprechen. Außerdem lohnt sich die Investition in „grüne“ Innovationen und Umweltschutz für Unternehmen aus finanzieller Sicht. „Grün“ zu sein, könnte den Wettbewerbsvorteil eines Unternehmens erhöhen sowie neue Marktchancen eröffnen und so „grüne“ Unternehmen profitabler machen.

Zugleich sind die Gefahren des sogenannten ‚Greenwashings‘ groß: „Der Fokus muss weg von der Imagebetonung hin zur Substanzbetonung“. So wird eine ernste Warnung den Unternehmen zugewiesen, die versuchen, „grün“ zu sein, aber kosmetische Maßnahmen anwenden, anstatt tatsächliche Änderungen in der Art und Weise, wie Organisationen funktionieren. Wenn Unternehmen also eine echte „grüne“ Veränderung vornehmen möchten, kann dies positiv sein für Auswirkungen auf die Gesellschaft Die Ökologisierung von Organisationen kann neue Investitionen zur Verbesserung der Umweltsituation, zur Schaffung von Arbeitsplätzen und Wohlstand bringen. Es wird davon ausgegangen, dass Investitionen in „grüne“ IKT kurzfristige wirtschaftliche Unterstützung bieten können. 

• Vorteile von Grün

Eine große Chance, die Ökologisierung zu unterstützen, ist die Kostensenkung. Betrachtet man die „grüne“ Informationstechnologie, so wird deutlich, dass Rechenzentren und Server viel Energie für den Betrieb und die Kühlung zur Verfügung stellen. IKT-Ressourcen können nicht in vollem Umfang genutzt werden (die Auslastung liegt bei ca. 12,5 %). Diese Zahl weist auf mangelnde Effizienz im IKT-Sektor hin. Es wurde festgestellt, dass 86 % des Bedarfs durch 26 % des aktuellen Energieverbrauchs gedeckt werden können, was auf ein großes Raum für Kostenverbesserungen hindeutet. Auch ein anderer Teil der IKT kann erhebliche Einsparmöglichkeiten bei der umweltfreundlichen Nutzung bieten. Durch das Ausschalten von Druckern und anderen energieverbrauchenden Geräten, wenn sie nicht genutzt werden, können Ressourcen gespart und die Umweltbelastung reduziert werden.

Neben diesen Optionen wird anerkannt, dass der Übergang zu einer „grünen“ Wissensgesellschaft strukturelle Veränderungen erfordert, was darauf hindeutet, dass die Regierungen helfen sollten, diesen Prozess zu ermöglichen, und dass dadurch Vorteile für die Gesellschaft als Ganzes realisiert werden.

Es gibt keine konventionelle Definition von „grüner“ IKT. „Grüne“ Themen könnten aus der Perspektive eines „Problems“ (Schwerpunkt auf die Reduzierung der Emissionen) oder aus der Perspektive einer „Lösung“ (Schwerpunkt auf neue grüne Lösungen) angegangen werden. Dies spiegelt sich in der Herangehensweise an „grüne“ IKT wider. Dieser Ansatz ist in Abb. 3 dargestellt. Er umfasst zwei Segmente: Ökologisierung von IKT und Ökologisierung mit IKT.

Abbildung 3. Der Ansatz für „grüne“ IKT

Ökologisierung der IKT im engeren Sinne bezieht sich auf IKT mit geringer Umweltbelastung, aber der Einsatz von IKT als Wegbereiter reduziert die Umweltauswirkungen in der gesamten Wirtschaft außerhalb des IKT-Sektors. Green ICT, als Greening with ICT, ist ein neues Konzept und selbst die führenden Länder und Interessengruppen haben nur wenige Jahre Erfahrung. Es ist wichtig zu beachten, dass sowohl der traditionelle „Problem“-Ansatz als auch der neue „Lösungs“-Ansatz benötigt werden. Die Umweltverschmutzung muss reguliert werden und Unternehmen brauchen Anreize, um ihre Emissionen zu bekämpfen. Ebenso wichtig ist es jedoch sicherzustellen, dass die neue Generation von Lösungsanbietern die richtigen Anreize erhält.

IKT kann zur Reduzierung des Energieverbrauchs und der Gasemissionen beitragen durch:

• Erfinden innovativer Energiesparsysteme, Technologien und „intelligenter“ Geräte unter Verwendung eines „intelligenten Energiemanagements“;
• Anwendung von Energiesparpolitiken unter Verwendung erneuerbarer Quellen, Solarenergie und Photovoltaik, Windenergie, Biokraftstoffe, Bioklimatechnologie, Anti-Schadstoff-Technologie usw.
• Recycling und Reduzierung von Elektroschrott wie alte IT-Systeme, Chips, PCs, Hardware, Drucker, Mobiltelefone usw.

Etwa 40 % des gesamten Energieverbrauchs entfallen auf Haushalte. Aus diesem Grund werden innovative „intelligente Häuser“ aus grünen Materialien und eine grüne Architektur mit innovativen Energiesensoren benötigt. In diesem Zusammenhang können IKT-Systeme den Stromverbrauch und den Klimatisierungsbedarf messen, steuern und reduzieren. Im letzten Jahrzehnt waren die Hersteller technischer und industrieller Produkte aufgrund der Wirtschaftskrise und des gestiegenen Umweltbewusstseins der Bevölkerung im Wesentlichen gezwungen, die Richtung ihres Energieverbrauchs zu ändern. Die Sorge der Hersteller um Energieeinsparungen wird über jedes Computergerät, vom Laptop über das Handy bis hin zum Rechenzentrum, getragen und wird voraussichtlich erfolgreich sein. Verbraucher zeigen ihre Vorliebe für intelligente Geräte, neue, weniger energieverbrauchende Technologien, erneuerbare Energiequellen und aktualisierte, effizientere Kühlsysteme mit verbesserter Energiemanagement-Software. Diese Produkte sind mit einer offiziellen Zertifizierung ausgestattet, um die Effizienzrichtlinien zu erfüllen oder zu übertreffen.

• Wege zur Ökologisierung der IKT

Es ist möglich, IKT so einzusetzen, dass die Umweltbelastung im Vergleich zu herkömmlichen Methoden reduziert wird. Dies kann durch neue Technologien, Techniken und Strategien erreicht werden, die einen geringeren Verbrauch von Energie und Ressourcen ermöglichen. Ein wichtiger Teil der IKT-Arbeit besteht darin, Informationen zu speichern. Der Speicherbedarf nimmt aufgrund der zunehmenden Internetnutzung, neuer Gesetze und Vorschriften, der Anordnung der Regeln für die Aufbewahrung der Informationen und wissenschaftlicher Berechnungen schnell zu. Der letzte Teil der gespeicherten Informationen wird in Rechenzentren gesammelt. Diese Rechenzentren verbrauchen genug Energie, um die positiven Auswirkungen der IKT auf die Gesellschaft teilweise zu verschieben, für die behauptet wird, dass „ein Bruchteil der Energieeinsparungen bei IKT und Netzwerken zu erheblichen finanziellen und CO2-Einsparungen führen könnte“.

In den letzten Jahren ist das Bewusstsein für die Auswirkungen moderner Gesellschaften auf die Umwelt tendenziell gestiegen. Viele umweltrelevante Faktoren wie Energieverbrauch oder Elektroschrott werden durch den Einsatz von IKT verursacht, aber gleichzeitig könnte diese Technologie auch einige andere Umweltprobleme lösen. Der Doppelnatur des Themas wird mit der Erstellung des Green Computing-Konzepts aus einer integrativen Perspektive begegnet. Es wurde 1992 von der US-amerikanischen Umweltschutzbehörde eingeführt und startete das „Energy Star“-Programm. Am Anfang wurde es auf verschiedenen Produkten wie Computermonitoren, Fernsehgeräten und Klimaanlagen durchgesetzt. Das erste bekannte Ergebnis von Green Computing war die Schlafmodus-Option von Computermonitoren, die wenig Energie verbrauchen, falls die Benutzeraktivität nach einer bestimmten Zeit ausbleibt. Heute vereint Green Computing viele andere Konzepte wie die Bestätigung von Computerhardware, Virtualisierungssoftware, Cloud Computing oder die Steigerung der Energieeffizienz von Rechenzentren. Green Computing umfasst Technologien, die sowohl zur Verringerung der Umweltauswirkungen von IKT („Green IT“ – Ökologisierung der IKT) als auch zur Anwendung von Informationssystemen (IS) zur Verringerung der Umweltauswirkungen von IKT-Verbrauchsmaterialien („Green IS“ – Ökologisierung durch IKT) beitragen können. Diese integrative Vision kombiniert zwei sich ergänzende Ansätze, die in Abb. 4 dargestellt sind; sie steigern die Energieeffizienz von Rechenzentren. Green Computing umfasst Technologien, die sowohl zur Verringerung der Umweltauswirkungen von IKT („Green IT“ – Ökologisierung der IKT) als auch zur Anwendung von Informationssystemen (IS) zur Verringerung der Umweltauswirkungen von IKT-Verbrauchsmaterialien („Green IS“ – Ökologisierung durch IKT) beitragen können. Diese integrative Vision kombiniert zwei sich ergänzende Ansätze, die in Abb. 4 dargestellt sind. Sie steigern die Energieeffizienz von Rechenzentren. Green Computing umfasst Technologien, die sowohl zur Verringerung der Umweltauswirkungen von IKT („Green IT“ – Ökologisierung der IKT) als auch zur Anwendung von Informationssystemen (IS) zur Verringerung der Umweltauswirkungen von IKT-Verbrauchsmaterialien („Green IS“ – Ökologisierung durch IKT) beitragen können. Diese integrative Vision kombiniert zwei sich ergänzende Ansätze, die in Abb. 4 dargestellt sind.

Abbildung 4. Die integrative Vision für Green Computing

Die praktische Umsetzung von Green IT und Green IS lässt sich durch die folgenden konzeptionellen Wertemodelle verdeutlichen.

Green IT: Wertmodell

Das Green-IT-Wertemodell kann dabei helfen, das Ziel der ökologischen Nachhaltigkeit zu erreichen. Dieses konzeptionelle Modell basiert auf vier Elementen, wie in Abb. 5 gezeigt.

Abbildung 5. Das Green-IT-Wertemodell

Grünes IS-Wert-Modell

Das Green IS-Wertemodell ist wichtig für die Akzeptanz von Green IS und seine Auswirkungen auf die Umweltdurchsetzung des Unternehmens. Während Unternehmen unter ständiger Spannung von verschiedenen Aufsichtsbehörden, Kunden und Wettbewerbern stehen, sind einige von ihnen bereit, Effizienz und Effektivität aus Umweltgründen zu streichen. Green IS-Investitionen zur Erfüllung nachhaltiger Geschäftserfahrungen sollen Umsatz und/oder Einkommen steigern.

Die Einführung von Green IS durch Mitarbeiter (Führungskräfte) eines Unternehmens wird untersucht und durch ein Modell erklärt, das die Wahrnehmung anhand von drei grundlegenden Faktoren beschreibt. Bei der Einführung von IS müssen drei Arten von strategischen Initiativen berücksichtigt werden. Alle sind in Abb. 6 dargestellt.

Abbildung 6. Das grüne IS-Wert-Modell

Dieses Modell könnte durch eine Strategie zur Anwendung verschiedener Technologien und Techniken, wie Video- und Telekonferenzen, Emissionsmanagementsysteme usw., in die Tat umgesetzt werden.

Es kann ein Rahmen für das Management und die Anwendung von Green IT und Green IS geschaffen werden, der eine Vielzahl von Technologien umfasst, die Möglichkeiten zur Verringerung der negativen Umweltauswirkungen bei Aktivitäten von Herstellern und Verbrauchern bieten, die IKT verwenden. Zu diesen grünen Technologien gehören die folgenden.

Cloud Computing

Viele Unternehmen wenden ein neues Computing-Paradigma an – Cloud Computing, um die Nutzung zu optimieren und die Kosten ihrer Computerserver zu minimieren. Auf diese Weise entfallen bisherige Kosten für den Aufbau der IT-Infrastrukturen. Cloud Computing ermöglicht die Verknüpfung gemeinsamer Infrastrukturen und das Ausbalancieren von IT-Ressourcen für Rechenaufgaben in Echtzeit bei gleichzeitiger Reduzierung der Gasemissionen und Aufrechterhaltung des Serviceniveaus. Cloud Computing basiert auf der gemeinsamen Nutzung von Hardware- und Softwareressourcen, die von mehreren Benutzern gemeinsam genutzt und je nach Bedarf dynamisch neu zugewiesen werden. Diese „grüne“ Technologie macht es einem Unternehmen letztendlich überflüssig, ein Rechenzentrum vor Ort zu haben, was sich positiv auf die natürliche Umwelt und ihre Ressourcen auswirkt. Bis heute bieten viele Anbieter auf Green IS ausgerichtete Cloud-Dienste an und verzeichnen erhebliche finanzielle Wachstumsraten pro Jahr.

Computer-Energieverwaltung

Um beim Rechnen Energie zu sparen, ist es üblich, das Gerät auszuschalten, falls es nicht in Betrieb ist. Es gibt einen sogenannten offenen Industriestandard „Advanced Configuration and Power Interface“ (ACPI 2), der eine fortgeschrittene Green-IT-Praxis repräsentiert. Es ermöglicht eine direkte Leistungssteuerung des Computerbetriebssystems und der zugrunde liegenden Hardware. Dieser Standard schließt automatisch Komponenten wie Monitore und Festplatten aus, wenn die Geräte inaktiv sind. Das Computer-Energiespargerät umfasst verschiedene Energiesparmodi des Monitors, der Festplatte, des System-Standbys und des Ruhezustands sowie verschiedene CPU-Energiezustände.

Rechenzentrumsdesign

Rechenzentren verbrauchen einen großen Prozentsatz an Energie, mehr als 100-mal so viel wie herkömmliche Gewerbegebäude. Somit hat die effiziente Energierecycling-Gestaltung von Rechenzentren, wie die Wiederverwendung von Abwärme, einen erheblichen positiven Einfluss auf die Energiesicherheit und kann in folgenden Bereichen eingesetzt werden:

• IT-Systeme: Erhöhung der Hardwarenutzung (durch Virtualisierung, siehe unten); Computer-Energiesparmodi zulassen; energieeffiziente Werkzeuge kaufen (z. B. Computernetzteile, Computerprozessoren, Solid-State-Speichergeräte, Terminalserver);
• Hauptstromsysteme: Energiemanagementteile (Hardware- und Softwaregeräte zur Optimierung von Arbeit und Leistung); Steigerung der Nutzung erneuerbarer Energien; Nutzung von natürlichem Licht anstelle von Strom;
• Kühlsysteme;

IT-Virtualisierung

Das esVirtualisierung bezeichnet die Trennung von IT-Ressourcen durch Servervirtualisierung und Speichervirtualisierung. Die Servervirtualisierung bedeutet den Betrieb vieler logischer Computersysteme auf einer physischen Hardware, und die Speichervirtualisierung bedeutet die Summierung des physischen Speichers aus vielen Netzwerkspeicherwerkzeugen, auf denen ein einzelnes Speichergerät platziert werden soll, das von einer zentralen Konsole aus verwaltet wird. Die IT-Virtualisierung senkt die Kosten für Hardware, verringert den Energieverbrauch und den physischen Platzbedarf. Gleichzeitig verfeinert es das Testen und Verbreiten von Software und erhöht die Vielseitigkeit von Hardware-Investitionen. Außerdem kann es bei der Arbeitsteilung helfen: Die Server sind entweder beschäftigt oder in einen Energiesparmodus versetzt. Daher ist Virtualisierung einer der Hauptansätze für Unternehmen, um ökologische Nachhaltigkeit in IT-Praktiken und Unternehmen zu implementieren.

Materialrecycling und Elektroschrott

Durch die Erforschung des richtigen Recyclings von IT-Techniken wird Elektroschrott reduziert und schädliche Elemente wie Blei, Quecksilber und Cadmium aus der natürlichen Umwelt entfernt. Dann können sie wiederverwendet werden und die De-novo-Produktion kann entfallen. Der Prozess des Materialrecyclings ist für fast jedes Computergerät und Zubehör wie Festplatten, Druckerpatronen und Batterien durchführbar. Auf diese Weise können Personen und Unternehmen die Lebensdauer von IT-Geräten verlängern, indem sie die Tools aktualisieren, anstatt sie nur zu ändern.

Smart Grid und Smart Matters

Die Smart Grid-Technologie umfasst Hard- und Software, die eine effektivere Nutzung der tatsächlichen Infrastrukturen für die Stromerzeugung, -übertragung und -verteilung gewährleistet. Dies ist eine aktualisierte Version des Stromliefersystems, das automatisch auf Informationsflüsse reagiert. Die Aufgabe besteht darin, die Effizienz, Sicherheit und Nachhaltigkeit der Stromerzeugung und -verteilung durch Lastausgleich und Spitzenlastmanagement zu verbessern. Geräte im Netzwerk verfügen über Sensoren zum Sammeln von Daten (Leistungsmesser, Spannungssensoren, Fehlerdetektoren usw.). Ein solches Gerät ist der Smart Meter, der die digitale Kommunikation zwischen Geräten nutzt, die an das Stromnetz angeschlossen sind. Die gesammelten Daten beziehen sich auf die Energieerzeugung und das Verbrauchsverhalten von Lieferanten und Verbrauchern. In diesem Sinne hilft der Informationsaustausch in Echtzeit zwischen Erzeugern und Verbrauchern, den Energiebedarf besser zu steuern und den Bedarf an Energieüberschüssen in Spitzenzeiten zu reduzieren. Tools im Netzwerk verfügen über Sensoren zum Sammeln von Daten (Leistungsmesser, Spannungssensoren, Fehlerdetektoren usw.). Sie lesen den Energieverbrauch (Strom, Gas etc.) in definierten Zeiträumen aus und senden täglich Daten zB zur Überwachung und Kostenschätzung an die Stadtwerke zurück. Es kann auch verwendet werden, um Informationen über den Energieverbrauch bereitzustellen und den Verbrauchern Energiepreise in Echtzeit festzulegen. Ein wesentliches Merkmal ist die Automatisierungstechnik, die es dem Stadtwerk ermöglicht, jedes Gerät von einer zentralen Stelle aus einzustellen und zu steuern. Zu den Vorteilen gehören der Umgang mit alternativen Stromquellen (z. B. Solar- und Windkraft), intelligente Steuerung für umweltfreundliche Gebäude

Innerhalb der ICT-Branche gibt es zwei Hauptsegmente:

• Telekommunikationsinfrastruktur, dh Telekommunikationsnetze bestehend aus Basisstationen und Zugangspunkten, die Konnektivität zu Geräten bereitstellen (menschenzentriert oder maschinenzentriert);
• Mobilgeräte/Endgeräte, die durch die Verbindung mit der Infrastruktur (z. B. Mobiltelefone, Tablets, Sensoren, Aktoren, Fahrzeuge, Drohnen usw.) kommuniziert werden.

In Zukunft werden Milliarden von Geräten/Endgeräten mit Millionen von Basisstationen verbunden sein. Obwohl beide Segmente (Netzinfrastruktur sowie Geräte/Endgeräte) von erneuerbaren Energien profitieren würden, ist die Rolle der erneuerbaren Energien im Netzsegment aus folgenden Gründen wesentlich größer:

• Der Energieverbrauch von Basisstationen (Telekom-Infrastruktur) ist viel höher als der Energieverbrauch von Geräten/Endgeräten;
• Eine globale Netzabdeckung ist wichtig, um die angestrebte vernetzte Gesellschaft und das Internet der Dinge zu verwirklichen;
• Basisstationen haben eine größere Größe und sind teuer. Es ist erschwinglich, in jede Basisstation ein erneuerbares Energiesystem zu integrieren.
• Basisstationen benötigen eine zuverlässige und kontinuierliche Stromversorgung im Gegensatz zu Geräten (z. B. Mobiltelefonen), die geladen werden können, wenn Strom verfügbar ist.

Um die zukünftigen grünen IKT-Trends zu verstehen, ist es wichtig, nicht nur die Geschichte von Grün, sondern auch die Geschichte der IKT zu verstehen. In den letzten 20-30 Jahren wurde die ICT-Infrastruktur aufgebaut, die Leistung und Dichte wird sich weiter verbessern und erhöhen. Nun ist jedoch ein Wendepunkt erreicht. Die aktuelle Schwelle entspricht dem Wendepunkt, den alle Industrieepochen erlebt haben. Während der Installationsphase werden neue Lösungen eingesetzt, um die Effizienz im alten System zu steigern, während der Bereitstellungsphase erreicht das neue System die Reife und ermöglicht es, völlig neue Lösungen zu liefern. Anfangs fand die Transformation in den „Informationssektoren“ statt, z. B. im Musik-, Video- oder Buchsektor usw., und jetzt sehen wir die ersten Anzeichen einer gravierenden Veränderung in den „schweren Sektoren“, wie Auto und Mobilität ,

Der Wechsel von der Verbesserung bestehender Systeme hin zur Bereitstellung neuer Lösungen wird durch zwei Trends der IKT-Entwicklung und „grüner“ IKT unterstützt, die es zu verstehen gilt.

• (1) Die IKT-Unternehmen sind heute einflussreiche Wirtschaftsakteure. Zum ersten Mal in der Geschichte war ein ICT-Unternehmen – Apple – das größte Unternehmen in den USA. Apple hat Exxon Mobile überholt und damit demonstriert, dass IKT-Unternehmen von der Politik nicht länger ignoriert werden können.
• (2) Die ICT-Unternehmen sind jetzt Teil eines allgegenwärtigen Netzwerks, das fast jeden und fast alles auf dem Planeten verbindet. Heutzutage sind mehr Menschen miteinander verbunden als zu jeder anderen Zeit der Menschheitsgeschichte. Bis 2020 gibt es etwa 50 Milliarden vernetzte Geräte, und die Gesellschaft erhält Zugang zu Daten und erlebt Transparenz, die sich grundlegend von dem unterscheidet, was jede Gesellschaft je zuvor erlebt hat.

Eine der größten Herausforderungen besteht darin, dass die neuen „grünen“ IKT-Lösungen in einem regulatorischen Umfeld konkurrieren müssen, das Vorschriften umfasst, die für die Industriestruktur des 19. Jahrhunderts geschaffen wurden. Sie muss sich auch mit den Veranlagungen von Menschen auseinandersetzen, die mit der schnellen Entwicklung von IKT-Lösungen nicht vertraut sind. Tatsächlich ist die aktuelle technologische Entwicklung so schnell, dass Gesellschaftsmitglieder jeder Art – von Politikern über Wirtschaftsführer bis hin zu Wirtschaftsexperten – miterleben, wie der gesamte Prozess – von der Idee bis zur vollständigen Umsetzung – nur wenige Jahrzehnte abläuft. Zur Klärung der Situation müssen die Phasen einer langfristig disruptiven Lösung untersucht werden. Am Anfang löst etwas eine Idee aus, die sich verbreitet, zB die ersten Personal Computer. Daraus entstanden weitere Ideen, wie papierlose Büros, virtuelle Meetings etc. All diese Aktivitäten begeisterten die Menschen. Nach einiger Zeit wurden funktionierende Prototypen eingeführt und viele Unternehmen investierten in sehr teure Prototypen von Videokonferenzgeräten. Die Technologie war zu neu und es wurde kein tragfähiges Geschäftsmodell verwendet, stattdessen wurden diese Prototypen von den Unternehmen selbst gekauft und verwaltet. Nach und nach waren viele Entscheidungsträger von der Idee der IKT als disruptive Kraft in verschiedenen Bereichen so begeistert, dass sie schließlich dachten, es würde nie passieren.

Ein Trend besteht heute darin, dass politische Entscheidungsträger keine signifikanten Veränderungen berücksichtigen, die durch „grüne“ IKT vorgenommen werden. Viele planen nach wie vor Investitionen in neue Kohlekraftwerke, weil sie das gleiche Wirtschaftsmodell wie bisher verwenden. Siemens Deutschland hat beispielsweise angekündigt, ein 25-Prozent-Ziel für erneuerbare Energien zu unterstützen und sein Kernenergiegeschäft einzustellen.

Die Entwicklungsgeschichte der IKT zeigt, dass die Gesellschaft heute an einem Wendepunkt steht, an dem sich IKT-Lösungen in Richtung Schaffung neuer Lösungen bewegen, anstatt alte Systeme besser zu machen. Bei der IKT-Entwicklung lassen sich zwei wichtige Trends aufzeigen:

• (1) Die Tatsache, dass IKT-Unternehmen heute wirtschaftlich stark sind und als Quelle für wirtschaftliches und politisches Kapital dienen.
• (2) IKT-Lösungen und Unternehmen sind mittlerweile so zahlreich vorhanden, dass neue Cluster von Lösungsanbietern entstehen können. Es ist wichtig zu verstehen, was ICT-Lösungen tatsächlich leisten können.

‚Grün‘ICT umfasst den Einsatz von ICT-Lösungen zur Unterstützung intelligenten Wachstums. Um „grüne“ IKT zu beobachten, sollte daher der Kontext der aktuellen „grünen“ IKT-Trends erfasst werden. Während „Grün“ bis ins 21. Jahrhundert als Naturschutz oder Umweltschutz verstanden wurde, vollzog sich Anfang der 2000er Jahre ein deutlicher Wandel. Der Fokus verlagerte sich von einer Problemperspektive (Umweltschutz) hin zu einer Lösungsperspektive und eine neue Generation von Unternehmensführern sah die Chance, die Notwendigkeit von Ressourceneffizienz und dem Verkauf neuer Produkte und Dienstleistungen zu verknüpfen.

In der IKT-Entwicklung ist eine Parallelverschiebung zu beobachten. Es geht von der Verbesserung bestehender Systeme hin zu neuen Lösungen. Neue ICT-Lösungen wurden geschaffen, um Energieeffizienz und „grünes“ Wachstum zu unterstützen. Eines der beliebtesten Beispiele für IKT-getriebene Lösungen sind E-Books, Smart Grids, Elektroautos, Online-Meetings usw.

Es ist positiv, dass viele Bürger das Konzept des menschengemachten Klimawandels und der Ressourcenerschöpfung erkannt haben. Sie erwägen auch die zwingende Notwendigkeit, in dieser Angelegenheit tätig zu werden. Dieses Verständnis hat viele Menschen dazu veranlasst, ihren persönlichen Lebensstil zu ändern. Der Trend „grünes Leben“ umfasst viele Aspekte wie grünes Bauen, erneuerbare Energien, Energiesparen zu Hause, den erweiterten Einsatz umweltfreundlicher Produkte, einen Recyclingansatz. Hinzu kommen die sogenannten Nachhaltigkeitschecklisten, die Haushalten helfen sollen, ihre Nachhaltigkeit zu beurteilen und Vorschläge zur Steigerung der Nachhaltigkeit des Wohnens zu machen. Darüber hinaus kann der clevere Einsatz von E-Services ein Werkzeug für weniger Energieverbrauch im Alltag und bei der Arbeit sein. Zum Beispiel ist dies der Fall bei der Verwendung von Papier – die heutige Korrespondenz wird durch digitale Formate über das Internet und Smart Devices ersetzt. Die Produktion und der Vertrieb neuer Produkte und Dienstleistungen zeigen die Tendenz zur Minimierung des Energiebedarfs, geschätzt anhand des CO2-Fußabdrucks. Ein weiteres Beispiel ist die Substitution traditioneller Konferenzen durch Online-Konferenzen, die sich durch reduzierte Transportleistungen direkt positiv auf den Umweltschutz und die Reduzierung der Treibhausgasemissionen auswirken. Es wird berichtet, dass durch Telefonkonferenzen die Produktion von ca. 540.000 t CO2 pro Jahr vermieden werden kann; Dies sind die Kosten für den Lufttransport von Personen. nach CO2-Fußabdruck geschätzt.

Die Nutzung „grüner“ IKT-Tools und -Dienste über Breitband/5G-Internet trägt zum Umweltschutz und zum gesellschaftlichen Wohlergehen bei, da Kosten und Zeit für den Zugang zu Regierungsstellen (24/7-Dienste), Energieeinsparungen (kein Transport) und Beschränkungen von Schadstoffemission (CO2-Fußabdruck). Auch im Bereich E-Commerce und E-Business kommen neue innovative Geschäftslösungen entweder für den Unternehmer oder den Endkunden an.

Dieser Teil befasst sich mit dem fortgeschrittenen Design einer Datenbank. Es erklärt die Struktur einer Datenbank und wie man Beziehungen zwischen Datenbanktabellen herstellt.

Figur 1: Nicht erschöpfende Liste der verfügbaren Datenbanken

Dieser Teil befasst sich mit den gängigen Datenbanken, die auf dem Markt zu finden sind, unabhängig davon, ob sie frei oder proprietär sind. Es stehen jedoch so viele Datenbanken zur Verfügung (Abbildung 1), dass wir nicht alle nennen können. Es musste eine Auswahl getroffen werden und die unten aufgeführten sind die „beliebtesten“ oder die „am häufigsten verwendeten“.

Kommerzielle Datenbanken

Aus der Vielzahl der auf dem Markt verfügbaren Datenbanken haben wir drei kommerzielle Datenbanken ausgewählt, die häufig von den großen Unternehmen und Organisationen verwendet werden.

SAP HANA

Diese Datenbank wird von dem in Deutschland gegründeten europäischen Unternehmen SAP SE entwickelt. SAP HANA ist eine spaltenorientierte Datenbank-Engine, die SAP- und Nicht-SAP-Daten verarbeiten kann. Die Engine wurde entwickelt, um Daten aus Anwendungen und anderen Quellen über mehrere Speicherebenen hinweg zu speichern und abzurufen. SAP HANA kann lokal oder in der Cloud von einer Reihe von Cloud-Service-Providern bereitgestellt werden. Diese Datenbank wird normalerweise von Organisationen gewählt, die Daten aus Anwendungen abrufen und nicht über ein stark eingeschränktes Budget verfügen.

Seine Hauptmerkmale sind:

• Es unterstützt SQL, OLTP und OLAP.
• Die Engine reduziert den Ressourcenbedarf durch Komprimierung.
• Die Daten werden im Speicher abgelegt, wodurch die Zugriffszeiten in einigen Fällen erheblich verkürzt werden.
• Echtzeit-Reporting und Bestandsverwaltung sind verfügbar.
• Es kann mit einer Reihe anderer Anwendungen verbunden werden.

Α ab Januar 2021 die aktuell unterstützten Hardware-Plattformen³ für SAP HANA sind:

• Intel-basierte Hardwareplattformen
• IBM Power Systems

Α ab Januar 2021 die aktuell unterstützten Betriebssysteme⁴ für SAP HANA sind:

• Linux SUSE

Linux Red Hat

IBM Db2-Datenbank

Die Wurzeln der IBM Db2-Datenbank reichen bis in die frühen 1970er Jahre zurück, als Edgar F. Codd, ein Forscher des Unternehmens, die Theorie der relationalen Datenbanken beschrieb und im Juni 1970 das Modell zur Datenmanipulation veröffentlichte. Heute ist es eine Datenbank-Engine, die über NoSQL-Funktionen verfügt und JSON lesen kann⁵ und XML-Dateien⁶.

Die aktuelle Version von DB2 ist LUW 11.1, die eine Vielzahl von Verbesserungen bietet. Eine davon war insbesondere eine Verbesserung der BLU-Beschleunigung (BLink Ultra oder Big Data, Lightning fast und Ultra-easy), die diese Datenbank-Engine durch Data-Skipping-Technologie schneller arbeiten lassen soll. Das Überspringen von Daten wurde entwickelt, um die Geschwindigkeit von Systemen mit mehr Daten zu verbessern, als in den Speicher passen. Die neueste Version von Db2 bietet außerdem verbesserte Disaster-Recovery-Funktionen, Kompatibilität und Analysen.

Seine Hauptmerkmale sind:

• BLU Acceleration kann die verfügbaren Ressourcen für riesige Datenbanken optimal nutzen.
• Es kann aus der Cloud, einem physischen Server oder beidem gleichzeitig gehostet werden.
• Mit dem Taskplaner können mehrere Jobs gleichzeitig ausgeführt werden.
• Fehlercodes und Exitcodes können bestimmen, welche Jobs über den Taskplaner ausgeführt werden.

Die derzeit unterstützten Hardwareplattformen⁷ ab Januar 2021 für IBM Db2 sind:

• IBM z/Architecture-Mainframe
• Intel-basierte Hardwareplattformen

Die derzeit unterstützten Betriebssysteme ab Januar 2021 für IBM Db2 sind:

• z/OS
• Unix
• Linux
• Fenster

Oracle-Datenbank

Oracle Database wird häufig für die Ausführung von Online-Transaktionsverarbeitung (OLTP) oder Data Warehousing (DW) verwendet. Es kann auch OLTP- und DW-Datenbank-Workloads mischen. Oracle Database ist lokal, in der Cloud oder als Hybrid-Cloud-Installation verfügbar. Es kann auf Servern von Drittanbietern sowie auf Oracle Exadata-Hardware vor Ort, in der Oracle Cloud oder in einer privaten Cloud beim Kunden ausgeführt werden.

Die erste Version wurde 1979 veröffentlicht und ihre Entwicklung wurde durch die Forschungen von Edgar F. Codd zum relationalen Datenbankdesign beeinflusst.

Seine Hauptmerkmale sind:

• Es ist eine plattformübergreifende Datenbank. Es kann auf verschiedenen Hardware-Betriebssystemen ausgeführt werden, einschließlich Windows Server, Unix und verschiedenen Distributionen von GNU/Linux.
• Es hat seinen Netzwerk-Stack, der es Anwendungen von einer anderen Plattform ermöglicht, reibungslos mit der Oracle-Datenbank zu kommunizieren, zB Anwendungen, die unter Windows laufen, können sich mit der Oracle-Datenbank verbinden, die unter Unix läuft.
• Es handelt sich um eine ACID-konforme Datenbank, die zur Aufrechterhaltung der Datenintegrität und -zuverlässigkeit beiträgt.

Die derzeit unterstützten Hardwareplattformen sind:

• Proprietäre Oracle Database Appliance
• Sparc
• IBM Power Systems
• X64-basierte Hardwareplattformen

Die aktuell unterstützten Betriebssysteme⁸ sind:

• Unix
• Linux
• Fenster

Kostenlose Datenbanken⁹

Wenn eine Datenbank kostenlos ist, bedeutet dies nicht unbedingt, dass dem Benutzer keine Gebühren in Rechnung gestellt werden. Dies gilt für einige der folgenden Datenbanken, jedoch entscheiden sich einige Entwickler dafür, bestimmte Funktionen einzuschränken und eine Gebühr zu erheben, um diese Funktionen freischalten zu können (siehe die erste Einheit der Grundstufe).

MySQL

MySQL ist eine relationale Open-Source-Datenbank, die auf verschiedenen Plattformen läuft, darunter Windows, Linux, macOS usw. Eine Cloud-Version. MySQL kann für Softwarepakete, geschäftskritische Systeme und Websites mit hohem Volumen verwendet werden.

Seine Hauptmerkmale sind:

• Es bietet Skalierbarkeit und Flexibilität
• Das Tool hat Web- und Data Warehouse-Stärken
• Es bietet eine hohe Leistung
• Es verfügt über eine robuste Transaktionsunterstützung

PostgreSQL

PostgreSQL ist ein Open-Source-Datenbankverwaltungssystem der Enterprise-Klasse. Es unterstützt sowohl SQL für relationale als auch JSON für nicht-relationale Abfragen. Es wird von einer erfahrenen Community von Entwicklern unterstützt, die einen enormen Beitrag geleistet haben, um es zu einer äußerst zuverlässigen Datenbankverwaltungssoftware zu machen. Es läuft auf drei verschiedenen Plattformen, nämlich Windows, Linux und macOS. Eine Cloud-Version ist nicht verfügbar. PostgreSQL ermöglicht die Erstellung benutzerdefinierter Datentypen und einer Reihe von Abfragemethoden. Eine gespeicherte Prozedur kann in verschiedenen Programmiersprachen ausgeführt werden.

Seine Hauptmerkmale sind:

• Es ist mit verschiedenen Plattformen kompatibel, die alle gängigen Sprachen und Middleware verwenden
• Standby-Server und Hochverfügbarkeit
• Das Tool verfügt über ausgereifte serverseitige Programmierfunktionen
• Logbasierte und triggerbasierte Replikation SSL
• Es bietet einen hochentwickelten Verriegelungsmechanismus
• Unterstützung für die Kontrolle der Parallelität mehrerer Versionen
• Es bietet Unterstützung für die Client-Server-Netzwerkarchitektur
• Das Tool ist objektorientiert und ANSI-SQL2008 kompatibel

PostgreSQL ermöglicht die Verknüpfung mit anderen Datenspeichern wie NoSQL, die als föderierter Hub für mehrsprachige Datenbanken fungieren.

Microsoft SQL

SQL Server ist ein von Microsoft entwickeltes RDBMS. Es unterstützt ANSI SQL, die Standardsprache von SQL (Structured Query Language). SQL Server wird jedoch mit seiner Implementierung der SQL-Sprache T-SQL (Transact-SQL) geliefert. Es läuft auf Docker Engine, Ubuntu, SUSE Linux Enterprise Server und Red Hat Enterprise Linux. Eine Cloud-Version ist verfügbar.

Seine Hauptmerkmale sind:

• Es bietet die Integration strukturierter und unstrukturierter Daten mit der Leistungsfähigkeit von SQL Server und Spark.
• Das Tool bietet Skalierbarkeit, Leistung und Verfügbarkeit für geschäftskritische, intelligente Anwendungen, Data Warehouses und Data Lakes.
• Es bietet erweiterte Sicherheitsfunktionen zum Schutz Ihrer Daten.

Zugriff auf umfangreiche, interaktive Power BI-Berichte, um schnellere und bessere Entscheidungen zu treffen.

MariaDB

MariaDB ist ein Fork des MySQL-Datenbankverwaltungssystems. Es wurde von seinen ursprünglichen Entwicklern erstellt. Dieses DBMS-Tool bietet Datenverarbeitungsfunktionen für kleine und große Unternehmen. Es läuft auf drei Plattformen, nämlich Windows, Linux und macOS. Eine Cloud-Version ist verfügbar. MariaDB ist eine alternative Software zu MySQL. Es bietet eine hohe Skalierbarkeit durch einfache Integration.

Seine Hauptmerkmale sind:

• Es arbeitet unter GPL-, BSD- oder LGPL-Lizenzen.
• Es wird mit vielen Speicher-Engines geliefert, einschließlich der Hochleistungs-Engines, die in andere relationale Datenbankverwaltungssysteme integriert werden können.
• Es bietet die Galera-Cluster-Technologie.
• MariaDB kann auf verschiedenen Betriebssystemen laufen und unterstützt zahlreiche Programmiersprachen.

Oracle

Oracle ist eine sich selbst reparierende, selbstsichernde und selbstfahrende Datenbank, die entwickelt wurde, um die manuelle Datenverwaltung zu eliminieren. Es ist eine intelligente, sichere und hochverfügbare Datenbank in der Cloud, die Unternehmen beim Wachstum unterstützt. Es läuft auf zwei Plattformen, nämlich Windows und Linux. Eine Cloud-Version ist ebenfalls verfügbar.

Seine Hauptmerkmale sind:

• Oracle Cloud ist für leistungsstarke Datenbank-Workloads, Streaming-Workloads und Hyperscale-Big Data optimiert.
• Sie können problemlos in die Cloud migrieren.
• Es stellt die Dienste basierend auf Ihrer Betriebsweise bereit, um Oracle Cloud in Ihrem Rechenzentrum auszuführen.

Firebirdsql

Firebird ist ein Open-Source-SQL-RDBMS, das auf Microsoft Windows, macOS, Linux und mehreren Unix-Plattformen, einschließlich HP-UX, Solaris und AIX, läuft. Eine Cloud-Version ist verfügbar. Firebird bietet entwicklungsfreundliche Sprachunterstützung, gespeicherte Prozeduren und Trigger.

Seine Hauptmerkmale sind:

• Firebird ermöglicht es Ihnen, eine benutzerdefinierte Version zu erstellen.
• Es ist kostenlos herunterzuladen, zu registrieren und bereitzustellen.
• Das Tool verfügt über ein verbessertes Multi-Plattform-RDBMS.
• Bietet eine Reihe von Finanzierungsmöglichkeiten von firebird-Mitgliedschaften bis hin zu Sponsoring-Verpflichtungen.

Dieser Abschnitt widmet sich der weiteren Erforschung der in der Wissenschaft verwendeten Open-Access-Datenbanken und der Nutzung und Nutzung des vorhandenen Wissens.

Übersicht über Datenbanken in der wissenschaftlichen Welt

Bestehende Datenbanken, die der Wissenschaft gewidmet sind und wie man sie verwendet

Wie bereits erwähnt, ist das Teilen, Integrieren und Kommentieren von Daten ein wesentlicher Bestandteil der biologischen Forschung, da es den Forschern ermöglicht, die Untersuchung und Interpretation experimenteller Ergebnisse zu reproduzieren. Obwohl angenommen wird, dass Bioinformatiker und Informatiker für diese Aktionen verantwortlich sind, spielen die Biowissenschaftler eine gleichberechtigte Rolle bei der Förderung der Datenintegration, da sie diejenigen sind, die diese Art von Daten generieren und in der Regel die Endnutzer sind.

Datenintegration ist definiert als der Prozess der Kombination von Daten aus verschiedenen Quellen, um Benutzern eine einheitliche Sicht auf diese Daten zu bieten. In den Computerwissenschaften wurden die theoretischen Rahmenbedingungen für die Datenintegration basierend auf der Methode zur Datenintegration in „eager“ und „faul“ kategorisiert. Nach der Eager-Methode, auch Warehousing genannt, werden die Daten in ein globales Schema kopiert und in einem zentralen Data Warehouse gespeichert. Der Begriff „Schema“ bezieht sich auf einen organisierten und „abfragbaren“ Ansatz zum Speichern von Daten. Bei der Lazy-Methode befinden sich die Daten in verteilten Quellen und werden bei Bedarf gemäß einem globalen Schema integriert, das zum Mapping der Daten zwischen den Quellen verwendet wird. Das Datenvolumen, der Eigentümer der Daten und die vorhandene Infrastruktur sind die Hauptfaktoren, die letztendlich bestimmen, welche der beiden Methoden für die Datenintegration verwendet wird. Darüber hinaus können diese Methoden in den biologischen Wissenschaften auf verschiedene Weise und auf verschiedenen Ebenen angewendet werden. Als Ergebnis wurden sechs verschiedene und weit verbreitete Schemata für die Integration von Daten formuliert:

• Datenzentralisierung: Die Daten befinden sich in zentralisierten Ressourcen. UniProt und GenBank sind zwei Beispiele für Datenbanken, die dieser Methode folgen.
• Data Warehousing: Daten aus verschiedenen Quellen befinden sich in einem zentralen Repository. Pathway Commons ist eine Datenbank, die diesem Ansatz folgt, um Daten zu integrieren.
• Dataset-Integration: Interne Workflows greifen auf verteilte Datenbanken zu und laden Daten in ein lokales Repository herunter.
• Hyperlinks: Dieser Ansatz ermöglicht Benutzern den Zugriff auf Datenbanken und Tools in verschiedenen Bereichen der Biowissenschaften und fördert so die Interoperabilität. ExPASy ist ein indikatives Beispiel für ein Portal, das auf dieser Datenintegrationsmethodik basiert.
• Föderierte Datenbanken: Für die Integration von Daten in heterogene Datenbanken ist eine Translationsschicht erforderlich. Das bedeutet, dass Daten aus der Datenbank so in ein allgemein akzeptiertes Format umgewandelt werden, dass sie von einem Mapping-Dienst in gleicher Weise interpretiert werden können. Das Distributed Annotation System (DAS), ein Client-Server-System, ist ein indikatives Beispiel.
• Linked Data: Ein Netzwerk miteinander verbundener Daten, auf die online zugegriffen werden kann. Grafische Benutzeroberflächen (GUI), die aus Hyperlinks bestehen, die verknüpfte Daten von zahlreichen Datenanbietern verbinden und somit ein großes System von Linked Data bilden. BIO2RDF ist ein indikatives Beispiel für eine Datenbank, die diesen Ansatz als Grundlage für die Datenintegration verwendet.

Datenzentralisierung, Data Warehousing und Datensatzintegration basieren auf dem „eager“ theoretischen Rahmen, während Hyperlinks, föderierte Datenbanken und verknüpfte Daten auf dem „faulen“ theoretischen Rahmen bezüglich der Art und Weise, die für die Datenintegration ausgewählt wird, basieren.

Datenformate werden als organisierte Möglichkeit zur Demonstration von Daten und Metadaten in einer Datei beschrieben. Wissenschaftler begannen, biologische Daten in formatierten Dateien zu speichern, da das exponentielle Wachstum der Daten die Notwendigkeit schuf, sie mithilfe von Computersystemen und Datenbanken zu analysieren. Ein Problem, das bei der Dateiformatierung aufgetreten ist, ist das Aufkommen verschiedener Formate, selbst für die Darstellung der gleichen Art von Daten. In einigen Fällen wurde beobachtet, dass mehr als eine Formatklasse verwendet werden kann, um die Daten und Metadaten in einer einzigen Datei darzustellen. Darüber hinaus hat die Forschung gezeigt, dass die am häufigsten verwendeten Formatklassen sind: i) Tabellen, ii) FASTA-ähnlich, iii) Tag-strukturiert und iv) GenBank-ähnlich. Die ideale Lösung für dieses Problem wäre, dass sich Wissenschaftler auf die Verwendung einer begrenzten Anzahl spezifischer Formate einigen, um den Prozess der Datenintegration zu vereinfachen. Auch das Design von Konvertern, die alle unterschiedlichen Formatklassen übersetzen können, wäre eine hilfreiche Lösung.

Derzeit werden über 1.700 Datenbanken mit Daten von biologischem Interesse verwendet, so die nicht erschöpfende Liste, die von der Zeitschrift Nucleic Acids Research kuratiert wurde. Um für einen bestimmten Zweck als wertvoll erachtet zu werden, müssen alle Datensätze, die in einer Datenbank vorhanden sind, integriert und strukturiert werden. Die bestehenden biologischen Datenbanken umfassen Informationen zu einer Vielzahl von biologischen Forschungsthemen.

Wie bereits im Basic Level erwähnt, hängt die Klassifizierung biologischer Datenbanken von mehreren Faktoren ab, darunter der Umfang der Datenabdeckung und der Grad der Biokuration. Dennoch ist ihre Klassifikation nach Art der Daten eine der einfachsten und umfassendsten Möglichkeiten, biologische Datenbanken zu kategorisieren. Daher werden diese im folgenden Abschnitt als DNA-, RNA-, Protein-, Krankheits-, Expressions- und Pathway-Datenbanken beschrieben.

DNA-Datenbanken

DNA-Datenbanken konzentrieren sich auf den Umgang mit DNA-Daten von zahlreichen oder wenigen bestimmten Arten. Der Hauptzweck menschlicher DNA-Datenbanken besteht darin, das Referenzgenom zu erstellen, ein Profil der menschlichen genetischen Variation durchzuführen, den Genotyp mit dem Phänotyp zu verbinden und menschliche Mikrobiom-Metagenome zu identifizieren. Ein Beispiel für eine DNA-Datenbank ist GenBank, eine öffentlich zugängliche Sammlung aller untersuchten DNA-Sequenzen. Ab Februar 2021 sind in der GenBank  (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/statistics) über 776 Milliarden Nukleotidbasen in über 226 Millionen Sequenzen verfügbar.

RNA-Datenbanken

Diese Datenbanken enthalten Informationen über nicht-kodierende RNAs (ncRNAs), wie microRNAs und lange nicht-kodierende RNAs (lncRNAs), die keine Proteine ​​kodieren. Der Zweck von RNA-Datenbanken besteht darin, ncRNAs, von denen lncRNAs am häufigsten untersucht werden, zu entschlüsseln und ihre Funktionen und Wechselwirkungen zu beschreiben. Ein Beispiel für eine RNA-Datenbank ist RNAcentral, die aus einer einheitlichen Ansicht von ncRNA-Sequenzdaten besteht, die aus einer Reihe von Datenbanken stammen, von denen einige Rfam, miRBase und lncRNAdb sind.

Proteindatenbanken

Proteindatenbanken wurden entwickelt, um eine umfangreiche Zusammenstellung universeller Proteine ​​zu erstellen, Proteinfamilien und -domänen zu identifizieren, phylogenetische Bäume zu rekonstruieren und Proteinstrukturen zu profilieren. PDB, das aus Tausenden von Strukturen biologischer Makromoleküle besteht, ist ein indikatives Beispiel für Proteindatenbanken.

Krankheitsdatenbanken

Krankheitsdatenbanken enthalten definitionsgemäß Informationen über verschiedene Arten von Krankheiten, konzentrieren sich jedoch hauptsächlich auf die Bereitstellung von Daten zu verschiedenen Krebsarten. Eines der wichtigsten Krebsprojekte, das entwickelt wurde, ist der Cancer Genome Atlas (TCGA), dessen Ziel es ist, ein breites Spektrum an Omics-Daten wie mRNA, SNP und Methylierung für über zwanzig verschiedene Krebsformen beim Menschen zu sammeln .

Ausdrucksdatenbanken

Expressionsdatenbanken können für eine Reihe von Aufgaben verwendet werden, wie zum Beispiel das Studium der gewebespezifischen Genexpression und -regulation, das Speichern von Expressionsdaten, das Detektieren der differentiellen und Grundlinienexpression und das Untersuchen und Überprüfen von Expressionsinformationen, die aus RNA- und Proteindaten erhalten wurden. Als Expressionsdatenbank enthält der Human Protein Atlas Expressionsprofile für einen signifikanten Prozentsatz der humanen proteinkodierenden Gene, die aus RNA- und Proteindaten abgeleitet wurden.

Pfaddatenbanken

Pathway-Datenbanken enthalten Daten über biologische Wege, die von Forschern zur Analyse von Stoffwechsel-, Regulations- und Signalwegen genutzt werden können. Ein charakteristisches Beispiel für Pathway-Datenbanken ist KEGG PATHWAY, das Informationen über molekulare Interaktionen und Reaktionsnetzwerke enthält.

Das National Center for Biotechnology Information (NCBI), Teil der US-amerikanischen National Library of Medicine am National Institute of Health, hat ein integriertes Datenbankabrufsystem entwickelt, das Zugriff auf 34 verschiedene Datenbanken mit insgesamt 3,0 Milliarden Datensätzen namens Entrez bietet. Die globale Suchseite von Entrez

(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/search/)

bietet für jede der 34 Datenbanken Links zum Webportal. Das Entrez-System ist einfach zu bedienen, da es Benutzern ermöglicht, Daten in einer Vielzahl von Formaten herunterzuladen und mithilfe einfacher boolescher Abfragen eine Textsuche durchzuführen. Datensätze werden zwischen Datenbanken auf der Grundlage von behaupteten Beziehungen verknüpft; diese Datensätze können in verschiedenen Formaten dargestellt werden. Darüber hinaus haben Benutzer von Entrez die Möglichkeit, einzelne Datensätze oder Datensatzstapel herunterzuladen. Einige der 34 Datenbanken, die Teil von Entrez sind, sind die folgenden: PubMed (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov), das wissenschaftliche und medizinische Zusammenfassungen/Zitate enthält; BioSample (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/biosample), das Beschreibungen von biologischen Ausgangsmaterialien umfasst; GEO Profiles (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geoprofiles), die Genexpressions- und molekulare Häufigkeitsprofile umfassen; und,

Die an das NCBI übermittelten Daten stammen aus drei Quellen: i) direkt von Forschern, ii) nationalen und internationalen Partnerschaften oder Vereinbarungen mit Datenlieferanten und Forschungskonsortien und iii) internen Kurationsbemühungen. Bemerkenswert ist, dass das NCBI für die Verwaltung der GenBank-Datenbank verantwortlich ist und an der International Nucleotide Sequence Database Collaboration (INSDC) in Zusammenarbeit mit dem EMBL-EBI European Nucleotide Archive (ENA) und der DNA Data Bank of Japan (DDBJ) beteiligt ist.

Da sich Datenbanken in vielen wissenschaftlichen Bereichen als nützliches Werkzeug erwiesen haben, gewinnt ihr Einsatz im Gesundheitswesen stetig an Bedeutung. Heutzutage haben technologische Fortschritte im Bereich der Datenwissenschaft es medizinischen Fachkräften ermöglicht, gesundheitsbezogene Daten zu sammeln, zu verarbeiten und zu analysieren, was nicht nur zu einer Verbesserung der Versorgung, sondern auch der Sicherheit von Patienten und Verbrauchern führt. Damit diese Verbesserungen stattfinden können, müssen relevante Daten effizient und sicher erfasst, gespeichert, analysiert und über die verschiedenen Leistungsstufen eines Gesundheitssystems hinweg ausgetauscht werden. Dies hat zur Entwicklung von elektronischen Gesundheitsakten (EHRs) geführt, Datenbanken, die Patientendaten speichern, auf die medizinisches Fachpersonal zugreifen und sie nutzen kann.

EHRs können als medizinische Datenbanken definiert werden, die Benutzern, in diesem Fall medizinisches Fachpersonal und Verwaltungspersonal, Zugang zu Gesundheitsakten bieten. Die unterschiedlichsten Arten von EHRs sind die elektronische Krankenakte (EMR) und die persönliche Gesundheitsakte (PHR). EMRs bestehen aus Informationen, die von einer einzelnen Krankenhausabteilung, einem ganzen Krankenhaus oder Teilen des Krankenhauses eingereicht werden. Sie können auch Informationen aus einer Reihe von Krankenhäusern enthalten. Informationen zu dieser Art von EHR werden normalerweise nur vom Krankenhauspersonal hinzugefügt. Im Gegenteil, PHRs werden von den Patienten verwaltet, die Informationen eingeben können. PHRs werden als elektronische Anwendungen beschrieben, die Patienten eine sichere Plattform bieten, um ihre Gesundheitsdaten zu kontrollieren und zu teilen. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Arten von EHR-Systemen besteht darin, dass in PHRs

Das erste EHR-System wurde in den 1960er Jahren hauptsächlich aufgrund des Aufbaus von unstrukturierten und ungenutzten Patienteninformationen über einen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten verfügbar. Große Organisationen begannen, Datenbanksysteme einzurichten, um Daten in zentralen Repositories zu speichern und zu strukturieren. Diese Datenbanken ermöglichten die Organisation und Sammlung von Daten aus vielen verschiedenen Quellen, darunter Apotheken, Labors, klinische Studien und Bestandteile der klinischen Versorgung, wie z. B. Aufzeichnungen über die Verabreichung von Medikamenten. Derzeit wird die Implementierung von EHR-Systemen hauptsächlich in Ländern mit hohem Einkommen beobachtet. Beispielsweise führte der Health Information Technology for Economic and Clinical Health Act (HITECH Act von 2009) zur Digitalisierung des Gesundheitsversorgungssystems in den USA und zur anschließenden Entwicklung der Medicare- und Medicaid-EHR-Incentive-Programme.

Der Hauptzweck für die Erstellung von EHRs war die Notwendigkeit, Patientenakten zu archivieren und zu strukturieren. Sie wurden später aus Abrechnungs- und Qualitätsverbesserungsgründen benannt. Mit dem technologischen Fortschritt wurden EHRs im Laufe der Jahre integrativer, dynamischer und vernetzter. Dennoch wird Big Data im Vergleich zu anderen Branchen in der Medizinbranche nicht optimal genutzt. Dies geschah hauptsächlich aufgrund der schlechten Qualität der gesammelten Daten und schlecht strukturierter Datensätze. Vor der Entwicklung von EHRs basierte die medizinische Forschung auf Krankheitsregistern oder chronischen Krankheitsmanagementsystemen (CDMS). Diese Repositorien weisen erhebliche Einschränkungen auf, da sie aus Datensammlungen bestehen, die sich oft nur auf eine bestimmte Krankheit beziehen. Weiter, sie können die Daten oder Schlussfolgerungen nicht auf andere Krankheiten übertragen und können Informationen von einer Patientengruppe in einem bestimmten geografischen Gebiet enthalten. Andererseits sind EHR-Daten sehr vielfältig und erleichtern so die Analyse komplexer klinischer Interaktionen und Entscheidungen.

Die Bestandteile von EHRs sind verschiedene Arten medizinischer Daten, die von Gesundheitsakten bis hin zu sensorischen Rohdaten reichen. Medizinische Daten können in sensible Daten oder nicht sensible Daten kategorisiert werden. Sensible Daten umfassen Patienteninformationen oder können einem Patienten zugeordnet werden. Zu den nicht sensiblen Daten zählen sensorische Daten, die auch Messdaten genannt werden, da sie nur aus Proben von Sensoren bestehen, wie beispielsweise Proben einer EEG-Messung. Daten, die in einer medizinischen Datenbank gespeichert sind, werden als Metadaten bezeichnet. Der am häufigsten verwendete Datenbanktyp zum Speichern medizinischer Daten ist die relationale Datenbank, die Daten in Form von Tabellen präsentiert, die aus Zeilen und einer festgelegten Anzahl von Spalten bestehen. Einige Datenbanken können Patienteninformationen wie die Krankengeschichte eines Patienten oder anonymisierte Daten enthalten, die in Studien verwendet werden können.

Medizinische Daten können wie nachfolgend beschrieben in mehrere Kategorien unterteilt werden:

• Medizin- und Labordaten: Medizinisches Personal kann in einem ärztlichen Verordnungserfassungssystem Verordnungen für Medikamente oder Laboruntersuchungen einreichen, die anschließend vom Labor- oder Pflegepersonal durchgeführt werden. Beispiele für diese Datenkategorie sind Arzneimittelverordnungen und mikrobiologische Ergebnisse.
• Abrechnungsdaten: Diese Kategorie medizinischer Daten umfasst Codes, die von Krankenhäusern verwendet werden, um Ansprüche bei ihren Versicherungsanbietern geltend zu machen. Die von der WHO erstellte Internationale Klassifikation der Krankheiten und die von der American Medical Association unterstützte Current Procedural Terminology sind die beliebtesten Kodierungssysteme.
• Bilder: Dies können Röntgenbilder sein, die aus Röntgenaufnahmen, Echokardiogrammen und Computertomographie (CT)-Scans resultieren.
• Hinweise und Berichte: Diese können mit dem Fortschritt der Patienten in Verbindung gebracht werden. Entlassungszusammenfassungen gehören ebenfalls in diese Kategorie. Befunde aus bildgebenden Untersuchungen werden in der Regel in Operationsberichten beschrieben. Notizen müssen teilweise mit einem Vorlagensystem strukturiert werden.
• Physiologische Daten: Diese Kategorie medizinischer Daten enthält Vitalparameter wie Herzfrequenz und Blutdruck sowie EKG- und EEG-Kurven.

Relationale Datenbanken werden am häufigsten für die Verwaltung und Speicherung medizinischer Daten verwendet. Sie können als eine Sammlung von Tabellen bezeichnet werden, die durch gemeinsame Schlüssel verbunden sind. Ein Datenbankschema bestimmt die Struktur der Tabellen und ihre Beziehungen. Eine einfache medizinische Datenbank kann vier Tabellen enthalten:

• Tabelle 1: eine Patientenliste
• Tabelle 2: ein Krankenhausaufnahmeprotokoll
• Tabelle 3: eine Liste mit Vitalparametermessungen
• Tabelle 4: ein Wörterbuch mit Vitalzeichencodes und zugehörigen Labels

Zur Verknüpfung der vier Tabellen können Primär- und Fremdschlüssel verwendet werden.

Das Überwiegen von Gesundheitsdatenbanken bietet aus verschiedenen Gründen einen eingeschränkten Zugang zu Daten, einschließlich Datenschutzbedenken und Pläne zur Monetarisierung der Daten. Nichtsdestotrotz stehen eine Reihe von Open-Access-Gesundheitsdatenbanken für die öffentliche Nutzung zur Verfügung, von denen einige im Folgenden beschrieben werden.

Die Datenbank des Medical Information Mart for Intensive Care (MIMIC)

Die MIMIC-Datenbank (http://mimic.physionet.org) entstand 2003 als Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen dem MIT, Philips Medical Systems und dem Beth Israel Deaconess Medical Center (BIDMC). Die in diese Datenbank eingegebenen Daten stammen von medizinischen und chirurgischen Patienten, die auf allen Intensivstationen des BIDMC aufgenommen wurden. Es besteht aus Informationen von über vierzigtausend Patienten, detaillierten physiologischen und klinischen Daten und ist anonymisiert und für Forscher offen zugänglich. In dieser Datenbank sind zwei Arten von Daten vorhanden: klinische Daten, die von EHRs abgeleitet werden, die in einer relationalen Datenbank mit ungefähr 50 Tabellen gespeichert sind, und Wellenformen des Bettmonitors, die in flachen Binärdateien gespeichert sind.

PCORnet

PCORnet, das National Patient-Centered Clinical Research Network, ist eine Initiative, die 2013 mit dem Ziel begann, Daten aus mehreren Clinical Data Research Networks und Patient-Powered Research Networks zu integrieren. Es enthält 29 Netzwerke, die den Zugang zu umfangreichen Forschungsergebnissen erleichtern. Es sammelt Daten von routinemäßigen Patientenbesuchen und Daten, die von einzelnen Patienten über persönliche Gesundheitsakten oder Community-Netzwerke mit anderen Patienten geteilt werden.

NHS öffnen

Der National Health Services (NHS England) unterhält eines der größten Datenarchive der Welt mit Daten zur Gesundheit der Bevölkerung. NHS öffnenist¹⁰ eine Open-Source-Datenbank, die Zugang zu Informationen bietet, die der Öffentlichkeit von der Regierung oder anderen öffentlichen Stellen zur Verfügung gestellt werden. Dieses Projekt wurde ins Leben gerufen, um die Transparenz zu erhöhen und die Effizienz des britischen Gesundheitssektors zu überwachen. Patienten, Beschäftigte im Gesundheitswesen und Beauftragte erhalten die Möglichkeit, die Versorgungsqualität an verschiedenen Orten des Landes zu vergleichen, indem sie einfach auf die verfügbaren Daten in der speziell dafür eingerichteten Datenbank zugreifen.

De-Identifikation der Datenbank

Einer der wichtigsten Schritte zum Aufbau einer EHR-Datenbank ist die Anonymisierung. Bevor eine Datenbank für Forscher und Anwendungen zur Verfügung steht, müssen unbedingt Maßnahmen ergriffen werden, um sicherzustellen, dass Datenschutzrichtlinien und -vorschriften eingehalten werden. Bei strukturierten Daten wie Spalten einer Tabelle basiert die De-Identifikation auf der Kategorisierung von Daten und der anschließenden Löschung oder Kryptographie der als geschützt gekennzeichneten Daten. Für unstrukturierte Daten, wie zum Beispiel Entlassungszusammenfassungen, werden verschiedene Techniken der natürlichen Sprachverarbeitung verwendet, von einfachen regulären Ausdrücken bis hin zu komplexen neuronalen Netzen, die versuchen, alle durch Freitext geschützten Informationen zu finden, um eine Löschung oder Kryptographie durchzuführen.

Die Anwendung von Blockchain in der digitalen Gesundheit

Die Blockchain-Technologie basiert auf dem Konzept eines dezentralen Systems zur Datenspeicherung, bei dem jedem Teilnehmer/Knoten eine Kopie des Ledgers der durchgeführten Transaktionen zur Verfügung gestellt wird. Dies macht es für jemanden unmöglich, die Daten zu ändern, ohne dass die anderen Teilnehmer informiert werden. Starke zentralisierte Einheiten würden von der Anwendung der Blockchain profitieren. Die Anwendungen von Digital Health hängen stark von zentralisierten Systemen ab. Daher hat die Blockchain das Potenzial, die digitale Gesundheit zu verändern, indem sie die Art und Weise ändert, wie Daten gespeichert und gesichert werden. Für seine Anwendung wurden verschiedene Bereiche vorgeschlagen, darunter Lieferketten, Arzneimittelverifizierung, Erstattung von Ansprüchen, Zugangskontrolle und klinische Studien.

Medizinische Daten haben sich als die am höchsten bewerteten Daten von Hackern erwiesen, da neuere Studien geschätzt haben, dass eine einzelne Gesundheitsakte bis zu 400 USD kosten kann. Daher ist die sichere Aufbewahrung der Daten in medizinischen Datenbanken von größter Bedeutung. Blockchain kann eine Lösung für dieses Problem bieten, indem Datenschutz, Integrität, Authentifizierung und Autorisierung sichergestellt werden. Blockchain-Daten werden verschlüsselt, und wenn jemand seine Daten löschen oder unbrauchbar machen muss, erhält er diese Möglichkeit, indem er einen Schlüsselzerstörungsmechanismus anwendet, bei dem der Schlüssel, der ursprünglich für die Verschlüsselung der Nachricht verwendet wurde, zerstört oder unbrauchbar gemacht wird. Danach sind die in der Blockchain gespeicherten Daten nicht lesbar.

Blockchain ist in der Lage, zwei wesentliche Bedürfnisse in Bezug auf den Datenaustausch zu erfüllen: Integrität und Nichtabstreitbarkeit. Integrität bedeutet, dass die Abfrage und die abgerufenen Daten nicht mehr geändert werden können, nachdem der Abrufvorgang ausgeführt wurde. Nichtabstreitbarkeit bedeutet, dass der Wissensabrufdienst nicht die Fähigkeit besitzt, zu leugnen, dass die spezifischen Daten von dem Dienst als Antwort auf eine bestimmte Anfrage zu einem bestimmten Zeitpunkt geliefert wurden. Blockchain kann als ein verteiltes Transaktionsmanagementsystem definiert werden, das nicht beschädigt werden kann. Es kann für die EHR-Integration, gemeinsame Nutzung und Zugriffskontrolle, Aufbewahrung und Verwaltung verwendet werden.

Ein theoretischer blockchainbasierter Notardienst kann aus drei Rechenschichten bestehen:

• ein Datenkonsumenten-Front-End
• eine Schnittstelle zur Kommunikation mit biomedizinischen Datenbankschnittstellen, und
• die Vertrags-Engine, die die Abfrage organisiert und die abgerufenen Ergebnisse an den Verbraucher zurückgibt, Transaktionen durchführt und vorbereitet und Verträge und deren Metadaten verwaltet

Für die Anwendung des Notardienstes können zwei verschiedene Schemata verwendet werden: das Basisschema und das Versionierungsschema. Das grundlegende Schema wendet ein Abfrage-Antwort-Ledger an, durch das der Benutzer einen versiegelten Nachweis erhält, der bestätigt, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt eine bestimmte Abfrage in einer biomedizinischen Datenbank platziert wurde, die bestimmte Ergebnisse liefert. Dieses Schema kann verwendet werden, um die Integrität und Nichtabstreitbarkeit einer Anfrage sicherzustellen, wenn eine lebenswichtige biomedizinische Aufgabe auf der spezifischen Anfrage beruht. Das Versionierungsschema ermöglicht die nicht seriöse Versionierung von Daten, die zu zahlreichen Gelegenheiten aus einer sich dynamisch entwickelnden biomedizinischen Datenbank abgerufen wurden, wobei immer dieselbe Abfrage verwendet wird. Dieses Schema kann angewendet werden, um verschiedene Versionen von sich ändernden medizinischen Nachweisen zu bestätigen, wie sie aus einer biomedizinischen Datenbank mit häufig aktualisiertem Inhalt abgerufen werden.

Die Integration der Blockchain-Technologie in pharmazeutische oder biowissenschaftliche Anwendungen hat die Fähigkeit, die Schnittstelle und den Datenaustausch zu dezentralisieren, was zu mehr Effizienz, höheren Geschwindigkeiten und unbegrenzter Skalierbarkeit führt. Blockchain macht Daten unveränderlich, was in klinischen Studien nützlich wäre, um sicherzustellen, dass klinische Daten zu einem späteren Zeitpunkt nicht von Forschern manipuliert werden können. Es kann auch bei der Identifizierung, Rückverfolgung und Verifizierung von Arzneimitteln verwendet werden. Mit der Implementierung der Blockchain sind bestimmte Risiken verbunden, wie Datenschutzbedenken, Transaktionen außerhalb der Kette und Zweifel an dieser Technologie aufgrund mangelnder Akzeptanz. Nichtsdestotrotz überwiegen die Vorteile der Blockchain-Technologie die möglichen Nachteile bei weitem und könnten eine bedeutende Rolle bei der Begrenzung der Methoden spielen, die für illegale Aktivitäten verwendet werden.

¹ Quelle https://intellipaat.com/blog/tutorial/sql-tutorial/sql-commands-cheat-sheet/

² Quelle https://intellipaat.com/blog/tutorial/sql-tutorial/sql-commands-cheat-sheet/

³ Quelle SAP SE https://help.sap.com/viewer/eb3777d5495d46c5b2fa773206bbfb46/2.0.01/en-US/d3d1cf20bb5710149b57fd794c827a4e.html

⁴ Weitere Informationen zu unterstützten Betriebssystemen für SAP HANA finden Sie im SAP-Hinweis 2235581 – SAP HANA: https://service.sap.com/sap/support/notes/2235581

⁵ JavaScript Object Notation ist ein offenes Standarddateiformat als XML und wird als unstrukturierte Daten betrachtet.

⁶ XML ist ein offenes Standarddateiformat als JSON und gilt als unstrukturierte Daten.

⁷ Quelle IBM Support https://www.ibm.com/support/pages/system-requirements-ibm-db2-linux-unix-and-windows#1155S

⁸ Quelle https://support.oracle.com/knowledge/Oracle%20Database%20Products/1369107_1.html

⁹ Quelle https://www.guru99.com/free-database-software.html aktualisiert am 2021

¹⁰ Offene Daten beim NHS. Verfügbar unter: http://www.england.nhs.uk/ourwork/tsd/data-info/open-data/

Der Prozess der Biogaserzeugung wurde bereits im Abschnitt Grundstufe beschrieben. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in Entwicklungsländern das Interesse an der Entwicklung von Technologien zur Erzeugung erneuerbarer Energiequellen gestiegen ist.

Wichtigste Schritte zu modernen BIOPLASTICS

• Biokunststoffe sind keine wirkliche Innovation: Naturharze wurden seit der Antike verwendet (z.B. Bernstein, Schellack etc.)
• Ab 1860 wurden die ersten auf Zellulose basierenden Kunststoffe freigegeben (z. B. Zelluloid, Zellophan)
• In den 1940er Jahren fertigte Henry Ford Autoteile mit Kunststoffen aus Soja
• In den 50er Jahren aus Öl gewonnene Kunststoffe
• Ölkrise in den 70er Jahren: Das Interesse an Biokunststoffen wurde wiederentdeckt. Derzeit steigt die Nachfrage nach Biokunststoffen, vor allem aufgrund der drängenden Umweltprobleme (Ressourcenverknappung, Treibhauseffekt, Müllentsorgung etc.). Abb. 5, 6 und 7 geben einige grundlegende Informationen zu Biokunststoffen.

Abb. 5. Biokunststoffe und europäische

Kunststoff und Gummi sind polymere Materialien, die aus Monomeren bestehen. Diese werden hauptsächlich aus Erdöl hergestellt und das gewonnene Material ist daher nicht erneuerbar. Rund 4 % des weltweiten Ölverbrauchs werden als Rohstoff in der Kunststoffproduktion verwendet, eine ähnliche Menge wird im Produktionsprozess als Energie verwendet. Neben Erdöl erfordert die Kunststoffherstellung den Einsatz chemischer Zusatzstoffe wie Weichmacher, Flammschutzmittel, Hitze- und UV-Stabilisatoren, Biozide, Pigmente und Füllstoffe. Mehrere Zusatzstoffe sind nach den EU-Verordnungen als gefährlich eingestuft (krebserzeugend, erbgutverändernd, schädlich für die Fortpflanzungsgesundheit oder für Wasserorganismen oder mit anhaltenden negativen Auswirkungen auf die Umwelt).

In den 60er Jahren wurde Plastik zum ersten Mal als ein Problem der Meeres- und Ozeanverschmutzung betrachtet und es wurden negative gesundheitliche Auswirkungen auf Mensch und Umwelt beschrieben. Tatsächlich setzen Kunststoffe während des gesamten Lebenszyklus des Produkts giftige Chemikalien frei.

Als mögliche Lösung stellte sich das Kunststoffrecycling heraus. Recycling ist jedoch nicht die einzige Lösung, um die Plastikmüllkrise zu lösen, die die Umwelt verschmutzen. Kunststoff kann nicht recycelbar sein, nur ein- oder zweimal recycelbar sein oder eine definierte Anzahl von Malen, aber nicht für immer. Nach dieser Grenze landet der Kunststoff auf einer Deponie. Darüber hinaus erlauben viele Plastikkonsumenten ihrem Plastik nicht einmal eine so lange Lebensdauer. Erneuerbare Kunststoffe, d. h. Kunststoffe, die aus erneuerbaren Quellen stammen und in der Umwelt leicht biologisch abbaubar sind, können eine Lösung für das Problem der Biokunststoffvergiftung bieten.

Abb. 6. Biobasierte und biologisch abbaubare Kunststoffe

Abb. 7. Wichtigste weltweit produzierte

Biobasiert wird in der europäischen Norm EN 16575 als „aus Biomasse gewonnen“ definiert. Biologisch abbaubare Materialien sind Materialien, die von Mikroorganismen wie Bakterien oder Pilzen zu Wasser, Kohlendioxid oder Methan und Biomasse abgebaut werden können. Die biologische Abbaubarkeit hängt jedoch von den Umgebungsbedingungen ab: Anwesenheit von Mikroorganismen, Temperatur und Verfügbarkeit von Sauerstoff und Wasser. Kompostierbare Materialien sind Materialien, die unter Kompostierungsbedingungen zerfallen. Die Bedingungen für die industrielle Kompostierung erfordern eine erhöhte Temperatur (55˚C – 60˚C) in Kombination mit einer hohen relativen Luftfeuchtigkeit und der Anwesenheit von Sauerstoff, und sie sind im Vergleich zu anderen Abbaubedingungen wie Boden, Oberflächenwasser und Meerwasser tatsächlich optimal. Die Einhaltung der EN 13432 gilt als gutes Maß für die Kompostierbarkeit von Verpackungsmaterialien. Nach dieser Norm ist Kunststoffverpackungen können als kompostierbar bezeichnet werden. Im Folgenden werden einige Details zu den 3 Hauptkategorien von Biokunststoffen gegeben.

Kunststoffe auf Stärkebasis

75% des gesamten organischen Materials auf der Erde liegt in Form von Polysacchariden vor. Ein wichtiges Polysaccharid ist Stärke. Pflanzen synthetisieren und speichern Stärke in ihrer Struktur als Energiereserve. Stärke kommt in Samen, Knollen oder Wurzeln der Pflanzen vor. Stärkequellen sind Mais, Weizen, Reis, Kartoffeln, Tapioka, Erbsen und viele andere pflanzliche Ressourcen. Der größte Teil der weltweit produzierten Stärke wird aus Mais gewonnen. Stärke wird im Allgemeinen durch Nassmahlverfahren aus Pflanzenressourcen gewonnen. Stärke besteht aus zwei Arten von Glucosepolymeren: Amylose und Amylopektin. Amylose ist im Wesentlichen ein lineares Polymer, in dem Glucoseeinheiten überwiegend durch α-D-(1,4)-glucosidische Bindungen verbunden sind. Amylopektin ist ein verzweigtes Polymer, das periodische Verzweigungen enthält, die durch α-D-(l, 6)-glucosidische Bindungen mit dem Rückgrat verbunden sind.

Abb. 8. Stärkebasierte Technologie von Novamont

Eine wichtige Kunststoffklasse stellen stärkebasierte Kunststoffe dar. Seit Anfang der 1990er Jahre ist es durch Forschung und Technologieentwicklung möglich, natürliche Polymere wie Stärke (aus Mais, Kartoffel etc.) mit biologisch abbaubaren Makromolekülen (polymere Komplexbildner) zu komplexieren, um thermoplastische und biologisch abbaubare innovative Materialien im industriellen Maßstab zu erhalten. Insbesondere die stärkebasierte Technologie von Novamont (Abb. 8) verwendet Verarbeitungsbedingungen, die die Kristallinität von Amylose und Amylopektin in Gegenwart von Makromolekülen, die mit Amylose einen Komplex bilden können, fast vollständig zerstören können. Sie können natürlichen oder synthetischen Ursprungs sein und sind biologisch abbaubar. Der von Amylose mit dem Komplexbildner gebildete Komplex ist im Allgemeinen kristallin und ist durch eine einzelne Helix von Amylose gekennzeichnet, die um den Komplexbildner herum gebildet wird. Im Gegensatz zu Amylose interagiert Amylopektin nicht mit dem Komplexbildner und verbleibt in seinem amorphen Zustand. Die Quelle der Stärke, dh ihr Verhältnis zwischen Amylose und Amylopektin, die Verarbeitungsbedingungen und die Art der Komplexbildner erlauben das Engineering verschiedener supramolekularer Strukturen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften. In den letzten Jahren wurden viele erfolgreiche Anstrengungen unternommen, um den Anteil nachwachsender Rohstoffe zur Herstellung biologisch abbaubarer Polyester zu erhöhen. Novamont ist damit einer der wichtigsten Player bei stärkebasierten Biokunststoffen.

Polymilchsäure-Kunststoffe

Synthetische biologisch abbaubare Polylactone wie Polymilchsäure (PLA), Polyglycolsäure (PGA) und Polycaprolacton (PCL) sind Polymere, die durch einfache Hydrolyse der Esterbindungen abgebaut werden. Die hydrolytischen Produkte eines solchen Abbauprozesses werden dann in ungiftige Nebenprodukte umgewandelt (Abb. 9).

Abb. 9. PLA-Lebenszyklus

PLA-Kunststoffe werden aus der Fermentation von landwirtschaftlichen Nebenprodukten wie stärkereichen Substanzen wie Mais, Weizen oder Zucker und Maisstärke gewonnen. Der Prozess umfasst die Umwandlung von Mais oder anderen Kohlenhydratquellen in Glukose, gefolgt von einer Fermentation in Milchsäure (Abb. 9 und 10).

Fig. 10. PLA production from starch

Von Milchsäure abgeleitetes PLA ist ein thermoplastischer, biologisch abbaubarer aliphatischer Polyester mit großem Potenzial für Verpackungsanwendungen. Die Milchsäuremonomere werden entweder direkt polykondensiert oder unterliegen einer Ringöffnungspolymerisation von Lactid, was zur Bildung von PLA-Pellets führt. Die Eigenschaften von PLA als Verpackungsmaterial hängen vom Verhältnis der beiden optischen Isomere des Milchsäuremonomers ab. Bei Verwendung von 100 % L-PLA-Monomeren führt dies zu einer sehr hohen Kristallinität und einem sehr hohen Schmelzpunkt, wohingegen 90/10% D/L-Copolymere die Anforderungen von Bulk-Verpackungen erfüllen. PLA ist das erste biobasierte Polymer, das in großem Maßstab kommerzialisiert und zu Spritzgussobjekten, Folien und Beschichtungen geformt werden kann. PLA hat als Verpackungsmaterial High-Density-Polyethylen, Low-Density-Polyethylen (LDPE), Polyethylenterephthalat und PS ersetzt.

Die Haupteigenschaften von PLA sind: i) die mechanische Beständigkeit und Wärmeempfindlichkeit sind denen von herkömmlichen Kunststoffen ähnlich; ii) Härte, Steifigkeit und Elastizitätsgrad sind PET ähnlich, iii) es kann Fette, Öle, Alkohol und aliphatische Moleküle enthalten, iv) geringe Beständigkeit gegen Säuren und Basen ist aber gute Beständigkeit gegen UV-Strahlung, v) es kann bedruckt werden und gefärbt, vi) es kann durch Standardmaschinen, die für traditionelle Kunststoffe verwendet werden, in Waren umgewandelt werden, vii) die Nachnutzungsphase kann die Kompostierung in Industrieanlagen beinhalten.

Polyhydroxyalkanoate

Polyhydroxyalkanote (PHAs) sind biologisch abbaubare Polymere, die von manchen Bakterien als Speichersubstanz in Form von intrazellulären Granulaten angereichert werden. PHA gehört zu den Biopolymeren, die die herkömmlichen petrochemischen Kunststoffe mit ihren parallelen Materialeigenschaften effektiv ersetzen können. Ihre Produktion im großen Maßstab ist jedoch noch immer durch die hohen Herstellungskosten im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen auf Basis fossiler Brennstoffe begrenzt, da der PHA-Preis je nach Polymerzusammensetzung mit 2,2 bis 5,0 €/kg mindestens dreimal so hoch ist wie die wichtigsten Polymere auf petrochemischer Basis, die weniger als 1,0 €/kg kosten (Berechnungen im Jahr 2016).

In den meisten Unternehmen, die PHAs herstellen, werden meist Reinkulturen verwendet. Das Problem bei der Verwendung von Reinkulturen sind die Voraussetzungen für Sterilität, veredelte Substrate, wenn keine pflanzlichen Rohstoffe verwendet werden, was den Kommerzialisierungsprozess einschränkt. All diese Probleme sollen mit Mixed Microbial Cultures (MMCs) überwunden werden: Diese kombinieren die Umwandlung von Abfällen in eine wertschöpfende Produktproduktion. Die biologische Behandlung von Abwasser und Schlammmanagement zur Rückgewinnung von Kohlenstoff aus Abwasser als PHAs ist ein Weg, um die Umweltschutzinfrastruktur am Ende der Rohrleitung in Bioraffinerien umzuwandeln. Integrationsstrategien für die Produktion von MMC-PHA in Abwasserbehandlungsprozessen wurden für industrielle Prozessabwässer und kommunale Abwasserbehandlung vorgeschlagen.

Eines der am besten charakterisierten Mitglieder der PHA-Familie ist Polyhydroxybutirat (PHB), das von Mikroorganismen produziert wird, die es im Zellzytoplasma speichern. 1926 wurde erstmals eine mikrobielle Produktion von linearem Polyester aus D(-)-3-Hydroxybuttersäure als intrazelluläres Granulat entdeckt, die sowohl bei grampositiven als auch bei gramnegativen Bakterien unter Hungerbedingungen auftrat (Abb. 11).

Abb. 11. Polyhydroxybutirat

Die Kosten sind der Hauptnachteil der PHB-Produktion während der Industrialisierung. Die industrielle Herstellung von PHB ist teurer als die von Petroplastik. Die Produktion von PHB in großen Mengen wird auf etwa 4,4 USD/kg geschätzt, dh weitaus teurer als die Produktionskosten für Polypropylen, die nahe 1 USD/kg liegen. Die finanziellen Schwierigkeiten stehen zweifellos im Zusammenhang mit den Produktionskosten, sowohl vor- als auch nachgelagerten Prozessen. CA, 40 % bzw. 50 % der Gesamtproduktionskosten von PHB wurden den Rohmaterial- bzw. Trenn-/Reinigungssystemen zugewiesen. Bei Bioextraktionstechniken wird Gentechnik am häufigsten verwendet, um Mikroorganismen einzuführen, und sie sind in der Lage, PHB effektiv aus PHB-akkumulierenden Zellen zu extrahieren. Es gibt mehrere Ansätze, die untersucht wurden, darunter ein Bakteriophagen-vermitteltes Lysesystem und räuberische Bakterien, die besser sind als die herkömmlichen Extraktionsansätze, die umweltschädliche Lösungsmittel produzieren, mit höheren Abbaukosten. Aufgrund der nicht umwelt- und wirtschaftsunfreundlichen Eigenschaften herkömmlicher Extraktionsverfahren wird daher Bioextraktionssystemen mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Gentechnik wird am häufigsten verwendet, um Mikroorganismen einzuführen, und sie sind in der Lage, PHB effektiv aus PHB-akkumulierenden Zellen zu extrahieren

Diese Einheit konzentriert sich im Wesentlichen auf die Technologien, die die Untersuchung der Mikrobiota in Böden oder komplexen Matrizen ermöglichen. Die wichtigsten Technologien sind unten dargestellt (Abb. 12).

Abb. 12: Techniken zur Untersuchung der Mikrobiomkomplexität

Der kulturelle Ansatz ist in dem von Digit-Biotech produzierten Video gut beschrieben. Diese „klassische Methode“ sieht die Identifizierung von Mikroorganismen durch die Isolierung von Reinkulturen vor, gefolgt von Tests, die einige morphophysiologische und biochemische Eigenschaften analysieren. Diese Analysen reichen oft nicht aus, um die meisten Arten von Mikroorganismen zu identifizieren und beschränken sich zudem auf kultivierbare Arten, die einen sehr geringen Prozentsatz aller in der Natur vorkommenden Arten ausmachen. Diese Tests haben auch die ernsthafte Einschränkung, dass sie einen beträchtlichen Zeitaufwand erfordern. Sie haben jedoch den großen Vorteil der Gewinnung durch den Isolierungsansatz von Zielmikroorganismen, die im Bioremediationsansatz verwendet werden können.

In den letzten Jahrzehnten hat die Forschung auf dem Gebiet der Umweltmikrobiologie gezeigt, dass mikrobielle Gemeinschaften eine funktionelle Rolle bei der Kontrolle von Ökosystemen spielen, die nicht einzelnen Arten, sondern den Gemeinschaften selbst als „funktionale Einheiten“ zugeschrieben wird. Diese funktionelle Aktivität mikrobieller Gemeinschaften ist in vielen Fällen für wichtige Prozesse für den Menschen verantwortlich, darunter der biologische Abbau von Altabfällen in Kläranlagen und Deponien, die Kompostierung und allgemein alle Prozesse, bei denen chemische Umwandlungen der von die Aktivitäten stattfinden. Denaturierende Gradienten-Gelelektrophorese (DGGE), Real-Time-PCR (oder quantitative PCR), und der Gesamtgenom-Ansatz (Hochdurchsatz-Sequenzierung und Shotgun-Sequenzierung) sind die wichtigsten Technologien, die für die Untersuchung mikrobieller Populationen in der Umwelt verwendet werden.

DGGE: Es handelt sich um eine elektrophoretische Trenntechnik zur Trennung und Analyse von DNA-Fragmenten, die sich auch in der Nukleotidsequenz eines einzelnen Basenpaars unterscheiden. Bei der klassischen Elektrophorese, die auf Agarose- oder Acrylamidgel durchgeführt wird, werden DNA-Fragmente auf der Basis des Molekulargewichts getrennt; die Laufgeschwindigkeit nimmt parallel zur Längenzunahme des Fragments ab. Im Gegensatz dazu werden in der DGGE DNA-Fragmente mit gleichem Molekulargewicht nach dem Denaturierungsmuster getrennt. Das Vorhandensein von Hitze oder chemischen Denaturierungsmitteln ermöglicht die Denaturierung der beiden Filamentbestandteile eines doppelsträngigen DNA-Moleküls (dsDNA). Temperatur und Konzentration des Denaturierungsmittels, bei dem die Trennung der beiden Filamente erfolgt, hängen stark von der Sequenz des Fragments selbst ab. Ausschlaggebend sind insbesondere: Menge der Wasserstoffbindungen, die zwischen komplementären Basen aufgebaut werden und Art der Wechselwirkungen, die zwischen Basen aufgebaut werden, die auf demselben Strang benachbart sind (Stapelwechselwirkung). Ein DNA-Molekül hat daher Domänen mit charakteristischen Schmelztemperaturen oder Tm, bestimmt durch die Nukleotidsequenz. DNA-Fragmente, die im Molekulargewicht fast identisch sind, sich aber auch in einem einzigen Nukleotid unterscheiden, können durch voneinander verschiedene Tm- und Schmelzdomänen charakterisiert werden. Die DGGE-Analyse wird auf einem Polyacrylamidgel durchgeführt, das einen denaturierenden Gradienten enthält, so dass die dsDNA während des Laufs einer Erhöhung der Denaturierungsbedingungen mit nachfolgender Trennung an den Schmelzdomänen unterliegt. Im oberen Teil des Gels, wo milde Denaturierungsbedingungen vorliegen, die Schmelzdomänen bei niedrigeren Tm beginnen teilweise zu denaturieren, wodurch verzweigte Moleküle mit geringerer Mobilität entstehen. Die Zunahme der Denaturierungsbedingungen entlang des Polyacrylamidgels kann die vollständige Dissoziation von teilweise denaturierten Fragmenten in einzelsträngiger DNA (ssDNA) bestimmen. Experimentell wird die vollständige Dissoziation der beiden dsDNA-Stränge durch die Einführung von Domänen am Ende jedes Filaments verhindert, die durch einen hohen Gehalt an G + C und eine hohe Tm gekennzeichnet sind. An einem Ende der dsDNA werden durch Einbau einer GC-Klemme während der Amplifikationsreaktionen G + C-reiche Regionen künstlich erzeugt. Der Einbau der GC-Klemme wird durch die Verwendung von Primern ermöglicht, die durch eine Sequenz von ca. 30-40 GC am 5′-Ende gekennzeichnet sind. Das Vorhandensein der GC-Klemme der gleichen Sequenz am Ende jedes Moleküls bewirkt, dass die Unterschiede zwischen den Hubprofilen der analysierten Fragmente hauptsächlich durch Variationen in der Sequenz der niedrigschmelzenden Domänen bestimmt werden. Da Tm durch die Nukleotidsequenz bestimmt wird, kann das Vorliegen einer einzelnen Mutation ein anderes Denaturierungsprofil und folglich einen anderen Elektrophoreselauf erzeugen. Daher kann das Wiederauftreten von Polymorphismen in hochkonservierten Genen von der DGGE analysiert werden und nützliche Informationen zur Charakterisierung der Struktur mikrobieller Gemeinschaften liefern. Tatsächlich erhält man bei der denaturierenden Gradienten-Gelelektrophorese ein elektrophoretisches Profil, das durch eine Reihe von Banden gebildet wird, in dem in erster Näherung die Anzahl der Banden ist proportional zur Anzahl der vorhandenen Arten und die Position jeder Bande ist für jede Art unterschiedlich. Die DGGE-Technik bietet daher einen einfachen Ansatz, um mikrobielle Gemeinschaftsprofile zu erhalten, mit denen räumliche und zeitliche Unterschiede in der Gemeinschaftsstruktur identifiziert oder Strukturänderungen als Reaktion auf Umweltstörungen überwacht werden können.

Echtzeit-PCR: Es ist eine Technik, die es ermöglicht, eine Ziel-DNA-Sequenz zu amplifizieren und gleichzeitig zu quantifizieren. Dabei werden fluoreszierende Farbstoffe wie Sybr Green verwendet, die in den kleinen Sulcus des DNA-Doppelstrangs interkalieren, oder Sonden mit spezifischen Sequenzen, die aus mit fluoreszierenden Mitteln markierten Oligonukleotiden bestehen. Die emittierte Fluoreszenz wird ständig gemessen und liefert „Echtzeit“-Informationen über die Menge des produzierten Amplikons. Aus einer Amplifikationsreaktion wird ein Graph mit einer sigmoidalen Kurve erhalten; diese setzt so schnell wie möglich ein, je größer die Menge an Ausgangs-DNA ist und wächst mit exponentiellem Trend weiter, bis sie einen Maximalwert (Plateau) erreicht, bei dem sich die Reaktion aufgrund der Erschöpfung der Substrate verlangsamt.

Bei der Untersuchung eines Real-Time-PCR-Graphen werden drei Parameter festgelegt:

– die Fluoreszenz-Basislinie oder Basislinienregion;

– die Schwellenlinie, parallel zur Grundlinie;

– Der für jede Probe spezifische Schwellenwertzyklus oder CT identifiziert den Wert des PCR-Zyklus, in dem die exponentielle Phasenkurve die Schwellenwertlinie schneidet.

Die meisten Real-Time-PCR-Instrumente sind so programmiert, dass sie die Wellenlängen des SYBR Green-Emissions- und Anregungsspektrums (jeweils 495 nm und 537 nm) ablesen. Dieser Farbstoff ist sehr lichtempfindlich, er bindet nur an doppelsträngige DNA und damit nur an das neu synthetisierte Amplikon. Die Proben werden auf der Grundlage von Eichkurven quantifiziert, die unter Verwendung bekannter Mengen von 16 S rDNA-Genkopien erhalten wurden. Der Vergleich des von der unbekannten Probe emittierten Signals mit den zur Erstellung der Kalibrierkurve verwendeten Fluoreszenzwerten ermöglicht die Quantifizierung einer bestimmten mikrobiellen Spezies. Neben der quantitativen Messung von Zielbakterien ermöglichen Interkalatoren wie SYBR Green die Unterscheidung von Amplikons unterschiedlicher Länge und den Nachweis eventuell vorhandener unspezifischer Amplifikationen.

Sequenzierung der nächsten Generation: Die Besonderheit dieser 2006 eingeführten Technologie besteht nicht nur in der Möglichkeit, ein einzelnes DNA-Fragment auf einmal zu sequenzieren und diesen Prozess auf Millionen von Fragmenten gleichzeitig auszudehnen, sondern auch in der Fähigkeit, DNA-Fragmente in beide Richtungen zu sequenzieren.

Der erste Schritt umfasst einzelsträngige DNA-Fragmente, an deren Enden eindeutige Sequenzen, genannt „Index“, auf einen Zellstrom geladen werden, wo sie auf einer Oberfläche eingefangen werden, die „Oligonukleotide noch“ enthält, die zu den Indizes komplementär sind, auf denen sie werden für die Herstellung der Bibliotheken immobilisiert. Die Hybridisierung zwischen letzteren und den DNA-Fragmenten erfolgt durch Erhitzen und Kühlen, gefolgt von Inkubation mit spezifischen Reagenzien und einer isothermen Polymerase. Durch eine „überbrückte“ Amplifikation wird jedes Fragment eindeutig von den anderen amplifiziert, wodurch ein Cluster von Klonen entsteht. Wenn die Cluster-Generierung abgeschlossen ist, sind die generierten Modelle nach entsprechender Denaturierung bereit für die eigentliche Sequenzierung.

Illumina verwendet eine Technologie, die auf kettenterminierenden fluoreszierenden Nukleotiden mit einem OH bei 3 ‚ basiert; dies stellt sicher, dass eine einzige Base pro Zyklus eingearbeitet wird. Es folgt ein Bildgebungsschritt, um das in jedem Cluster eingebaute Nukleotid zu identifizieren, und ein chemischer Schritt, um die fluoreszierende Gruppe und das terminale OH zu entfernen, um den Einbau einer anderen Base im nächsten Zyklus zu ermöglichen.

Am Ende der Sequenzierung, die ca. 4 Tage dauert, wird die Sequenz jedes Clusters Selektionsprozessen (Trimming) unterzogen, um die minderwertigen Produkte zu eliminieren. Bei der Datenanalyse werden die Fragmente unterschiedlicher Länge ausgerichtet und überlagert, so ist es möglich, die Abfolge des Ausgangsfilaments zu erkennen. In einem Standardverfahren werden mindestens 40-50 Millionen Sequenzen analysiert.

Die Shotgun-Sequenzierung ist die Sequenz aller Genome, die in einer komplexen Matrix, wie einer Bodenprobe, vorhanden sind. Die Shotgun-Sequenzierung ist daher der effizienteste Weg, um ein großes Stück DNA zu sequenzieren. Dazu wird die Ausgangs-DNA nach dem Zufallsprinzip in viele kleinere Stücke zerlegt, eine Art Schrotflinte, wobei jedes dieser Stücke dann einzeln sequenziert wird. Die aus den verschiedenen Stücken erzeugten resultierenden Sequenzlesevorgänge werden dann von einem Computerprogramm analysiert, wobei nach Sequenzabschnitten von unterschiedlichen Lesevorgängen gesucht wird, die miteinander identisch sind. Wenn identische Regionen identifiziert werden, werden sie miteinander überlappt, wodurch die beiden Sequenzlesevorgänge zusammengefügt werden können. Dieser Computerprozess wird immer wieder wiederholt und liefert schließlich die vollständige Sequenz des Ausgangsstücks der DNA.

Zahlreiche biotische und abiotische Belastungen, wie der massive Einsatz von Pestiziden in der Landwirtschaft und der Klimawandel, gefährden das Überleben bestäubender Insekten mit potenziell schädlichen Folgen sowohl für Agrarökosysteme als auch für natürliche Systeme. Tatsächlich sind Bienen für die Bestäubung von 84 % der Kulturpflanzenarten verantwortlich, von denen 35 % von globaler Bedeutung sind und 78 % der Wildpflanzen. Es genügt zu sagen, dass allein 70 % der Saatkulturen (wie Karotten, Zwiebeln, Knoblauch usw.) strikt auf Insektenbestäubung angewiesen sind, ebenso wie 80 % der 264 interessierenden Kulturpflanzenarten in Europa. Daraus folgt, dass die Aktivität bestäubender Insekten, einschließlich Bienen, auf wirtschaftlicher Ebene eine wesentliche Rolle spielt, deren monetäre Schätzung allein in Europa etwa 15 Mrd. € / Jahr beträgt, während sie weltweit auf 153 Mrd. € / Jahr anwächst.

Neben einem unkalkulierbaren Wert für die Erhaltung der Biodiversität und des Gleichgewichts in den verschiedenen Ökosystemen liefern Bienen also Honig, Bienenwachs, Propolis, Pollen und Gelée Royale: In Europa ergaben die 2010 erhobenen Daten eine Produktion von rund 220 000 Tonnen 000 Honig mit Preisen zwischen 1,50 und 40 €/kg je nach Herkunftsgebiet. Oder in Australien bewegt sich die Produktion von Honig und Bienenwachs jährlich um einen Handelswert von 90 Millionen US-Dollar, was einmal mehr die Bedeutung der Imkerei im Panorama unterstreicht. Weltwirtschaft. Honigbienenvölker sind von 6 Millionen in den 1940er Jahren auf heute etwa 2,6 Millionen rapide zurückgegangen. Der hohe jährliche Verlust an Bienenvölkern wird immer noch beobachtet und ist für Imker zur Norm geworden.

Bruten, die von „Colony Collapse Disorder“ (CCD) oder „Hive Depopulation Syndrome“ betroffen waren, zeigten ebenfalls signifikante Anzeichen eines Ungleichgewichts. Die Ursachen dieses Syndroms sind noch unklar, es wird jedoch vermutet, dass sie auf veränderte Umweltfaktoren, Mangelernährung, das Vorhandensein von Krankheitserregern und den massiven Einsatz von Insektiziden zurückzuführen sind. Die Symptomatologie sieht das Vorhandensein von Bruten, die ihre Larven trotz Anwesenheit der Königin verlassen, und Appetitlosigkeit auf Pollen- und Nektarvorräte, die nicht sofort verzehrt werden (Abb. 13).

Abb. 13. Einblicke in die Koloniekollaps-Störung

Eine der möglichen Ursachen für dieses Absterben kann mit der Darmmikrobiota-Dysbiose als mikrobielle Veränderung in Bezug auf Menge und Zusammensetzung zusammenhängen. Mit diesem Begriff bezeichnen wir das Phänomen, das die positiven Funktionen der Mikrobiota negativ beeinflusst und mit spezifischen Stoffwechselstörungen verbunden ist. Tatsächlich könnten diese Mängel ernsthafte Probleme für die Entwicklung junger Erwachsener verursachen, indem sie ihre Fähigkeit beeinträchtigen, Resistenzgene zu entwickeln, einschließlich derer für die Synthese von Vitellogenin, und die Funktionen des Immunsystems hemmen, da nachgewiesen wird, dass dieselbe Mikrobiota die seine Wirksamkeit (Abb. 14).

Abb. 14. Folgen einer veränderten mikrobiellen Zusammensetzung des Darms bei Bienen

Vor einigen Jahren haben wir versucht zu verstehen, welche Faktoren die Mikrobiota destabilisieren können und kamen zu dem Schluss, dass Dysbiose sowohl durch biotische als auch durch abiotische Faktoren verursacht wird. Betrachtet man biotischen Stress, so hat sich gezeigt, dass die Ernährung, das Vorhandensein bestimmter Krankheitserreger und Erkrankungen (zB CCD) sowie widrige Umweltbedingungen eine grundlegende Rolle spielen. Der Nährstoffmangel wirkt sich destruktiv auf die normale Entwicklung der mikrobiellen Darmflora aus, was die Sterblichkeit der Honigbienen sowie die Anfälligkeit für Krankheiten und Krankheitserreger erhöht. Darüber hinaus induzieren die anormalen Temperaturen bei den Wirten einen Stresszustand, der dramatische Auswirkungen auf die Symbionten hat. die Folge davon ist, die Sterblichkeit der Honigbienen zu erhöhen sowie die Anfälligkeit für Krankheiten und Krankheitserreger zu erhöhen. Darüber hinaus induzieren die anormalen Temperaturen bei den Wirten einen Stresszustand, der dramatische Auswirkungen auf die Symbionten hat. Die Folge davon ist, die Sterblichkeit der Honigbienen zu erhöhen sowie die Anfälligkeit für Krankheiten und Krankheitserreger zu erhöhen. Darüber hinaus induzieren die anormalen Temperaturen bei den Wirten einen Stresszustand, der dramatische Auswirkungen auf die Symbionten hat.

Bei abiotischen Stressoren sind die Schäden fast ausschließlich auf den Einsatz von Insektiziden, Fungiziden, Akariziden und Antibiotika zurückzuführen. Tatsächlich besteht die Gefahr, dass die Bienen während der Nahrungssuche indirekt aufgenommen werden und die Wirkstoffe sowohl auf den behandelten Hauptkulturen als auch auf den benachbarten, der Drift ausgesetzten Pflanzen treffen. Dies könnte zu ernsthaften Problemen und Ungleichgewichten im Stoffwechsel und der Immunabwehr führen: Tatsächlich besteht die Möglichkeit, dass die Exposition gegenüber bestimmten Substanzen die Fähigkeit der Bienen beeinträchtigt, ihre mikrobielle Darmpopulation zu regulieren.

Aus diesen Gründen zielt eine der innovativsten Zukunftsperspektiven darauf ab, die tiefgreifende Beziehung zwischen Mikroorganismen und Honigbienen zu verstehen, um ihre dramatische Lebensdauer und Bedingungen zu verbessern.

Darmdisbiose: ein Beispiel

Angesichts des wachsenden Interesses der Öffentlichkeit an diesem Produkt fällt die erste objektive Analyse auf die Wirkung von Glyphosat (N-Phosphonomethyl-Glycin). Es ist ein nicht-selektives systemisches Nachauflaufherbizid, also ein Totalherbizid. Sein Wirkmechanismus unterbricht den Stoffwechselweg, der für die Synthese von Phenylalanin, Tyrosin und Tryptophan verantwortlich ist, und hemmt die Synthese von 3-Phosphoshikimat-1-Carboxyvinyltransferase (EPSP-Synthase). Dieses Herbizid gilt seit jeher als eines der am wenigsten giftigen Produkte für Tiere, da ihnen dieser Stoffwechselweg fehlt. Trotzdem wurde gezeigt, dass es Nicht-Zielorganismen mit hochtoxischen Wirkungen gegenüber Regenwürmern, Mikroalgen, Wasserbakterien, Rhizosphäre und Endophyten beeinflussen kann.

Insbesondere Motta et al. (2018) führten eine Studie zur Charakterisierung der Mikrobiota von Bienen durch, die Glyphosat ausgesetzt waren, und kamen zu dem Schluss, dass die absolute Häufigkeit von S. alvi, G. apicola, Lactobacillus sp. und Bifidobacterium sp. (Abb. 15) deutlich zurückgegangen ist.

Abb. 15. Analysenzur Bienendarmmikrobiota

Mikrobiota von Bienen durch, die Glyphosat ausgesetzt waren, und kamen zu dem Schluss, dass die absolute Häufigkeit von S. alvi, G. apicola, Lactobacillus sp. und Bifidobacterium sp. (Abb. 15) deutlich zurückgegangen ist. Das Produkt beeinträchtigte die Bakterienflora, indem es ihr Wachstum stoppte, ohne sie jedoch direkt abzutöten. Daher wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Wirkung auf die Zellteilung in den frühen Tagen der Kolonisation abnahm. Die Bienen, die auf dem Feld auf das Herbizid gestoßen sind, hätten den Wirkstoff nämlich im Inneren des Bienenstocks getragen, der, da er sehr stabil und wasserunlöslich ist, lange Zeit auf der Oberfläche hätte verbleiben können. Auch im Feld bedeutet Persistenz, dass die Kontamination lange anhalten kann.

Wie wird die Mikrobiota erworben?

Abb. 16. Der Wachstumszyklus einer

Natürliche Bakterien, die von Honigbienen aus Blüten aufgenommen werden, während sie Nektar und Pollen sammeln, befinden sich hauptsächlich im Mitteldarm und Hinterdarm der Honigbiene. Die bei Honigbienen natürlich vorkommenden Darmbakterien sind dynamisch. Während der Entwicklung der Larven (Abb. 16) schwankt die Bakterienpopulation. Larven erhalten einige Bakterien von den Ammenbienen, die sie füttern. Während der Verpuppung wird die Darmschleimhaut abgestoßen und der Darm einer neu aufkommenden erwachsenen Honigbiene ist steril. Der Darm wird schnell wieder mit charakteristischen Mikrobiota besiedelt. Wie kommt es dazu? Hauptwege sind oral Trohallaxis, Interaktion mit Bienenstockmaterial und fäkal-orale Übertragung. Insbesondere beginnt sich die charakteristische Mikrobiota erwachsener Bienen etwa vier Tage nach dem Flimmern zu entwickeln.

Obwohl die Faktoren, die die Entwicklung der Mikrobiota für jedes Lebewesen ermöglichten, noch unbekannt sind, ist es bewiesen, dass soziale Bienen je nach Familie, zu der sie gehören, eine charakteristische Mikroflora besitzen. Es hat sich zum Beispiel gezeigt, dass die Analyse der Mikrobiota verschiedener Gattungen von eusozialen corbiculaten Apoidea wie Bombus spp., Megachile spp. und Apis spp., die wichtigsten Bakteriengattungen  rezidivierend waren (Snodgrassella spp., Gilliamella spp., Bifidobacterium spp. und Lactobacillus spp.), aber die Arten variierten in Bezug auf die Insektenarten. Daher die Hypothese, dass die Mikrobiota das Ergebnis einer dynamischen Koevolution zwischen Mikroorganismen und Wirten ist, abhängig von der Umwelt und den genotypischen Variationen, denen die Arten im Laufe der Jahrhunderte ausgesetzt waren, deren Reichtum auch mit der Größe einzelner Bienen und ganzer Völker korreliert. Tatsächlich ist die Etablierung einer artspezifischen mikrobiellen Flora das Ergebnis einer langen Selektion, bei der die optimalen Nutzverhältnisse sowohl für die Mikroorganismen als auch für die Wirte festgestellt wurden.

Wer und wo sind sie?

Es wurde geschätzt, dass sich im Darm von erwachsenen Arbeiterinnen etwa 1 Milliarde Bakterienzellen befinden, von denen 95 % speziell im Hinterdarm lokalisiert sind (Abb. 17). Dabei wurde eine spezifische Unterscheidung zwischen Ileus und Rektum festgestellt; in den ersten drei Arten von Proteobakterien wie G. apicola, F. perrara und S. alvi, die einen dichten Biofilm entsprechend den Malpighischen Röhren bilden und sich entlang der Ileumwand fortsetzen. Im Rektum herrscht jedoch eine dichte Bakteriengemeinschaft vor, die aus drei Klassen von Gram-positiven, wie Firmicutes (Firm-4, Firm-5) und Bifidobakterien besteht. Was den Mitteldarm betrifft, so wurde festgestellt, dass hauptsächlich Lactobacillus spp. und Acetobacteraceae, d. h. jene Taxa, die auch in Pollen, Nektar und allgemeiner im Bienenstock vorkommen. Es kann daher gesagt werden, dass im Mitteldarm keine vorangepasste Mikrobiota existiert und dass diese in Abhängigkeit von der Umgebung und den Essgewohnheiten des Einzelnen variiert. Quantitativ gesehen gibt es hier also eine viel weniger reichhaltige Flora als im Rektum. Der Mitteldarm enthält auch wenige Bakterien, und diese sind im proventrikulären Bereich neben dem Hinterdarm konzentriert.

Abb. 17. Die Kernbienenmikrobiota

Was sind die Funktionen der Darmmikrobiota?

In den letzten Jahren hat sich die wissenschaftliche Gemeinschaft zunehmend für die Rolle der Mikrobiota für das Wohlergehen von Honigbienen interessiert (Abb. 18). Zahlreiche Studien und Forschungen haben gezeigt, dass Interaktionen mit dem Wirt sowohl auf metabolischer und ernährungsphysiologischer Ebene als auch in Bezug auf die Immunantwort auf Krankheitserreger unterstützende Wirkungen haben. Was die Nahrungsergänzung angeht, ist eine ausgewogene Bakterienflora für eine korrekte Aufnahme von Nährstoffen notwendig, da sie dank ihrer enzymatischen Aktivität am Abbau komplexer Zucker beteiligt ist. Der Artenreichtum ist nicht nur für das Vorhandensein von Cellulasen, Hemicellulasen und ligninolytischen Enzymen im Darm verantwortlich, die für den Verdauungsprozess von Pollenkörnern nützlich sind, sondern ermöglicht auch die Koexistenz verschiedener Zuckerkatalysewege (insbesondere für Gammaproteobakterien, Firmicutes und Bifidobacteriaceae). Tatsächlich wurde geschätzt, dass 91% der Proteintranskripte, die mit der Verdauung von Pflanzenmakromolekülen und den Fermentationsphänomenen von monomeren Untereinheiten verbunden sind, von Bakterien produziert werden. Ein weiteres konkretes Beispiel betrifft Pektin-Lyasen, die in der Lage sind, die in den Zellen der Pollenkörnerwand vorhandenen Pektine abzubauen. Letzteres ist auch ein ausgezeichneter Indikator für die hohe genetische Variabilität und Anpassungsfähigkeit innerhalb derselben Spezies von Mikroorganismen. Tatsächlich hat sich gezeigt, dass nur einige Stämme von G. apicola sie besitzen, während andere davon völlig frei sind. Die Bedeutung einer größeren Verdauungskapazität und damit der Fähigkeit, nicht abbaubare Nährstoffe zu verstoffwechseln, wurde in verschiedenen Studien nachgewiesen. (Zhenget al. (2017) zum Beispiel). Durch den Vergleich von Bienen mit normaler Mikrobiota und anderen ohne jegliche Art von Darmflora zeigten sie deutliche physiologische Unterschiede. Bei ersteren beeinflussten die Symbionten die Darmgröße, das Gewicht der Individuen, die Werte von Vitellogenin und Insulin sowie die Zuckerempfindlichkeit positiv. Diese Ergebnisse legten dann nahe, dass die Mikrobiota den Appetit und das Wachstum des Bienenkörpers durch die Zunahme von Signalen im Zusammenhang mit der Anwesenheit von Insulin beeinflussen könnte.

Neben der Hydrolyse komplexer Kohlenhydrate produzieren Darmmikroorganismen nützliche Stoffwechselsubstrate wie Vitamin B und andere und kurze Fettsäureketten. Beispielsweise wurde festgestellt, dass die Gattungen Lactobacillus sp. und Bifidobacterium sp. sind an den Fermentationsprozessen von Pollen und Nektar beteiligt, so dass sie für den Vitaminwert von Honig verantwortlich sind. Das Phänomen der Symbiose mit dem Wirt geht über die Ernährung und den Stoffwechsel hinaus: Die Mikrobiota spielt eine wichtige Rolle bei der Unterstützung des Immunsystems. Tatsächlich könnten die Bakterien in erster Linie die Produktion der bieneneigenen Abwehrmoleküle direkt anregen. Nach dem Kontakt zwischen der Epitheloberfläche und dem Peptidoglycan (Hauptbestandteil der Zellwand grampositiver Bakterien) das Immunsystem könnte die Gene aktivieren, um 6 antimikrobielle Peptide zu produzieren, wie zum Beispiel: Abaecin, Hymenoptaecin, Apidicin, Defensin-1 und Defensin-2. Die Produktion dieser Verbindungen wird dann durch die Veränderungen der mikrobiellen Membranen selbst verstärkt und kann auch durch Exposition gegenüber einigen pathogenen und nicht-pathogenen Mikroorganismen induziert werden. Frischella perrara zum Beispiel, ein Symbiont, der die Ileumregion im Enddarm besiedelt, stimuliert vor allem die Produktion von Apidicin. Zweitens kann die Mikrobiota direkt für die Produktion antimikrobieller Verbindungen verantwortlich sein, was unter anderem durch zahlreiche Studien bestätigt wird. Saraivaet al. (2015), zum Beispiel hat dies aufgenommen.

Abb. 18. Funktionen der

Was können wir tun?

Nach unseren und allgemeinen Erfahrungen bei Mensch und Tier können biotische und abiotische Belastungen die Zusammensetzung der Darmmikrobiota negativ beeinflussen und somit spezifische Veränderungen der Mikroorganismenaktivitäten auf Darmebene bewirken.

Wir müssen uns fragen, ob irgendeine Art von Mikrobiota-Modulation durch die Verabreichung ausgewählter Stämme diese Störung wiederherstellen, das Bienensterben reduzieren und/oder die Gesundheit der Honigbienen verbessern könnte.

Probiotika sind „lebende Mikroorganismen, die bei Verabreichung in ausreichender Menge einen Nutzen für die Gesundheit des Wirts bringen, ausgenommen Hinweise auf Biotherapeutika und nützliche Mikroorganismen, die nicht in Lebensmitteln verwendet werden“ (FAO/WHO, 2001). Ihre Verabreichung darf daher nicht mit negativen Auswirkungen auf Organismen und Umwelt verbunden sein. Die Wirkungsweise dieser Mikroorganismen lässt sich in folgende Funktionen zusammenfassen:

• SCHUTZFUNKTION: Dislokation von Krankheitserregern, Konkurrenz um Nährstoffe, Konkurrenz mit Rezeptoren und Produktion antimikrobieller Moleküle (zB Bakteriocine, organische Säuren …);
• STRUKTURFUNKTION: Barrierewirkung, Biofilm an der Darmhaarwand, Entwicklung des Immunsystems;
• STOFFWECHSELFUNKTION: Differenzierung und Vermehrung von Darmepithelzellen, Katalyse von krebserregenden Substanzen in der Nahrung, Synthese von Vitaminen, Fermentation von unverdaulichem Zucker, Ionenabsorption und Energieeinsparung.

Der Hauptwirkungsmechanismus von Probiotika scheint jedoch die Stimulierung des Immunsystems zu sein: Nach der Kohäsion mit der Darmwand können sie eine Reihe von Kaskadensignalen stimulieren, die die Synthese antimikrobieller Peptide aktivieren. In der Praxis sind sie in der Lage, die zuvor beschriebenen Aufgaben, die die Mikrobiota der Biene von Natur aus erfüllt, zu erfüllen und sich als hypothetisch optimales Hilfsmittel zu deren Sicherung und Optimierung sowie zur Verbesserung der Lebensaussichten der Biene zu erweisen.

Wie bei der menschlichen und tierischen Ernährung sind die wichtigsten Bakterien, die zu diesen Vorteilen in der Lage sind, Lactobacillus spp., Bifidobacterium spp., Bacillus spp.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Einsatz von Probiotika vor kurzem auch im Bienenstock selbst evaluiert wurde. Obwohl Bienen lieber frischen Pollen verzehren, müssen sie sich unter bestimmten Bedingungen, wie Saisonalität, mit den gespeicherten Reserven selbst versorgen. Die feuchte Umgebung (50-60% RH), die nach der Pollensammlung entsteht, erhöht das Risiko eines unkontrollierten Bakterien- und vor allem Pilzwachstums. Es besteht eine klare Notwendigkeit, die Bestände im Bienenstock zu erhalten, um Infektionen zu vermeiden, die tödliche Folgen haben könnten, wie zum Beispiel verkalkte Larven durch Ascosphaera apis oder Darminfektionen durch Nosema spp.