Elektrochemisch-aktiviertes Wasser: saures Oxidwasser, seine antibiotische Funktion und Wirkungsweise

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1 Elektrochemisch-aktiviertes Wasser: saures Oxidwasser, seine antibiotische Funktion und Wirkungsweise 1 Einleitung Elektrochemisch-aktiviertes Wasser wird in einer Elektrolysekammer, meist mit zwei Platin beschichteten Titanelektrode, die in der Regel mit einer halb-durchlässigen Membran (meist Zellulose-basierter Kunststoff) voneinander separiert sind, hergestellt. In der Regel liegt gepulste Gleichspannung in dem Bereich von 12 bis 36 V an. An der negativen Kathode sammeln sich die positiven, basischen Kationen und bei der positiven Anode sammeln sich die negativen, sauren Anionen. Eine geringe Menge von Ionen muss im Wasser enthalten sein, um die Leitfähigkeit zu gewährleisten. 50 µs/cm entsprechend 2-3 dh reichen in der Regel aus. Über die Zugabe von Natriumchlorid kann sowohl der ph-wert erniedrigt als auch das Redoxpotential zusätzlich erhöht werden. Katholyt zeigt getrunken, stärkende Wirkungen auf den menschlichen Organismus. Anolyt hat antibiotische Eigenschaften gegen zahlreiche, auch multiresistente Keime. Mit den Eigenschaften und dem Potential von Anolyt, dem sauren Aktivwasser, wird sich im Folgenden beschäftigt. 2 Physikalisch-chemische Reaktionen in der Elektrolysekammer und Eigenschaften von basischen und saurem Aktivwasser 2.1 Reaktion an der Kathode An der Kathode wird basisches Aktivwasser mit einen hohen ph-wert (bis 13, Überschuss an OH -Ionen), einem niedrigem Redoxpotential (unter -800 mv, Überschuss an Elektronen) und kleinen Wasserclustern erzeugt. Das über die Zugabe von bestimmten Salzen gewonnene, stärker basische Wasser wird in der Regel Katholyt genannt. Das ohne Salzzugabe hergestellte, zeigt eine prinzipiell vergleichbare, jedoch schwächere Wirkung und wird in der Regel als basisches Aktivwasser bezeichnet (Ferger, 2011). 2.2 Reaktion an der Anodenkammer In der Anodenkammer wird saures Aktivwasser mit einem niedrigen ph-wert (unter 2) und damit einen Überschuss an H + -Ionen, einem hohen Redoxpotential (über mv) und damit einem Mangel an e (Elektronen) und ebenfalls kleinen Wassercluster erzeugt. In der Anodenkammer herrscht Elektronenmangel. Das Wasser wird aufgespalten und den entstehenden OH -Ionen werden die e entzogen. Es entsteht H + (Wasserstoffionen) und reaktiver Sauerstoff, wobei letzterer sich zu O2 verbindet und ausgast. Die H + säuern das Milieu in der Kammer an. 2 H2O 4 e 4 H + + O2 Bei unvollständiger Sauerstoffausgasung werden 2 bzw. 6 e entfernt; es entstehen atomarer (freier) Sauerstoff und Ozon (O und O3), beides starke Oxydationsmittel. Wird nur ein e aus dem Wasser entfernt, so entsteht neben H + auch das Hydroxyl-Radikal OH, das sich allmählich mit einem zweiten OH zu Wasserstoffperoxid (H2O2) verbindet, einer leichten, sehr stark oxydierenden Säure. Außerdem werden die je nach Ausgangswasser enthaltenen negativ geladenen sauren Mineralien (Cl, NO3, S, etc.) oxidiert. Dem Chlorid werden bspw. die e entzogen und es reagiert zu elementarem Chlor, das sofort mit Wasser zu hypochloriger Säure (HOCl), einem sehr starkem Oxydationsmittel, weiter reagiert. Über die Zugabe von Natriumchlorid kann sowohl der ph-wert erniedrigt als auch das Redoxpotential zusätzlich erhöht werden. Das so erzeugte saure Aktivwasser wird in der Regel 1 von 6

2 als Anolyt bezeichnet. Anolyt behält seine oxydierende Wirkung dauerhaft und kann länger als saures Aktivwasser gelagert werden ohne seine Wirkung zu verlieren (Ferger, 2011). Großtechnische Anlagen optimieren die Produktion von Anolyt über verschiedenen Elektrodenanordnungen, Wasser- und Salzeinspeisungen. Es werden grundsätzlich zwei Typen unterschieden: a) anodische Oxidation und b) elektrochemische Aktivierung (Kaehn, 2005). a) Elektroden nicht durch ein Diaphragma getrennt; es werden die Reaktionsprodukte miteinander vermischt. Es entsteht Cl2 durch Oxidation von Cl an der Anode und weiter hypochlorige Säure und Salzsäure. Das Produkt zeigt korrosive Eigenschaften am Leitungssystem, welche reduziert werden können durch Zugabe von geringeren Mengen NaCl (vgl. Kiura et al., 2002). b) Elektroden durch ein Diaphragma getrennt; Die Reaktionsprodukte werden nicht vermischt. An der Anode wird direkt hypochlorige Säure über die Reaktion von Chlor und Hydroxylradikalen erzeugt. Voraussetzung dafür ist ein neutraler ph-wert im Anodenraum. Der Vergleich der Redoxpotentiale von Aktivwässern und konventionellen Trinkwässern zeigt deutliche Unterschiede (Tabelle 1, Ferger, 2011). Stoff basisches Aktivwasser 400 Quellwasser +150 Mineralwasser +250 Leitungswasser +300 Anolyt Redoxpotential (mv) Tabelle 1: Redoxpotential verschiedener Wässer (aus: Ferger, 2011) 3 Biologische Eigenschaften der aktivierten Wässer 3.1 Physikalisch und chemisch hergestellte Basen und Säuren unterscheiden sich Biologisch oder chemikalisch hergestellte Säuren und Basen unterscheiden sich grundlegend von den elektrolytisch hergestellten Säuren und Basen. Sie enthalten stets eine entsprechende korrespondierende Base oder Säure. Elektrolytisch hergestellte Säuren und Basen dagegen enthalten freie H + - bzw. OH - -Ionen und damit keine korrespondierende Chemikalie. Beispielsweise wird die Salzsäure (HCl) im Magen durch das Natriumhydroxid (NaOH) aus der Bauchspeicheldrüse neutralisiert indem ein Salz (NaCl) gebildet wird. Bei Zufuhr eines freien OH -Ions dagegen wird die Magensäure nicht umgewandelt, da das sich beim Zerfall der HCl bildende Cl - mit einem OH -Ion kein Salz bilden kann. Es fehlt das Na + -Ion (Ferger, 2011). Elektrolytisch hergestellte Säuren und Basen werden schnell wieder zu normalem Wasser, insbesondere bei Kontakt mit organischen Stoffen, der Verdünnung mit normalem Wasser oder längerem Kontakt mit Licht und Luft. Ein basisches Aktivwasser mit ph 12 oder ein Anolyt mit ph 2 reizt die menschliche Haut nicht, im Gegensatz dazu ruft eine Natronlauge mit ph 12 oder eine Salzsäure mit ph 2 schwere Verätzungen hervor (Ferger, 2011). Elektrolytisch hergestellte Basen und Säuren haben bei gleichem ph-wert ein wesentlich höheres oder niedrigeres Redoxpotential als chemisch gewonnene (Tabelle 2, Ferger, 2011). 2 von 6

3 Stoff stark basisches Aktivwasser 11,67 ph-wert Redoxpotential (mv) 889 0,8%iger Natronlauge 11, stark saures Anolyt 2, %iger Essigsäure 2, Tabelle 2: Vergleich des ph-wertes und des Redoxpotentials von unterschiedlich hergestellten Säuren und Basen 3.2 Wirkung von saurem Oxidwasser Anolyt hat folgende Wirkungen (Ferger, 2011; Kim, Cho, & Jeong, 2004; Thorn, Lee, Robinson, Greenman, & Reynolds, 2012): 1. Mit einem Oxydationspotential von über mv oxidiert es mikrobielle Struktur- und Funktionskomponenten. 2. Das hohe Oxidationspotential kann zur Verschiebung der osmotischen Balance zwischen der Lösung und dem Zellinnerem führen. Es erfolgen Schäden an der Membran. 3. Ein ph-wert unter 3 unterstützt die Zerstörung der durch Oxidation angegriffenen Zellwand. 4. Mit aktivem Chlor werden Proteine denaturiert. 5. Die als Nebenprodukt anfallenden Hydroxyl-Radikale (HO) und Wasserstoffperoxid (H2O2) oxydieren ebenfalls die Zellwände. Anolyt greift die Mikroben nicht nach einem spezifischen Mechanismus an, sondern nimmt ihnen unspezifisch Elektronen. Deshalb können kaum Resistenzen entwickelt werden. Es wird als Antibiotikum, Desinfektions- und Oxydationsmittel eingesetzt, ohne dass Rückstände beim Abbau verbleiben. (Thorn et al., 2012) geben in ihrem Review einen Überblick über die antimikrobielle Wirkung von Anolyt in der Medizin (Tabelle 3 und Tabelle 4). 3 von 6

4 Tabelle 3. Überlebensraten von pathogenen Mikroben nach Behandlung mit elektrochemisch-aktiviertem Wasser (ECAS: elektrochemisch-aktivierte Lösungen, aus: Thorn et al., 2012) 4 von 6

5 Tabelle 4. Überlebensraten von pathogenen Mikroben elektrochemisch-aktiviertem (ECAS: elektrochemisch-aktivierte Lösungen, Fortsetzung, aus: Thorn et al., 2012) Anolyt wirkt auch gegen verschieden Bakteriensporen und Biofilme, wie in Tabelle 3 und Tabelle 4 ersichtlich. Ein hoher Gehalt an organischen Stoffen behindert die biozide Wirkung. Die Mechanismen der Inaktivierung der Mikroorganismen untersuchen Kiura et al. (2002). Es kommt zur Inaktivierung von cytoplasmatischen Enzymen (Nitratreduktase), Bildung von Blasen und Brüchen in der Zellmembran (entsprechende elektronenmikroskopische Aufnahmen) und DNA-Strangbrüchen. Die Inaktivierung von Enzymen und die Zerstörung der Membran werden als die wichtigsten Mechanismen der bakteriziden Wirkung herausgestellt. In vielen Studien wird auf die nontoxischen Eigenschaften (Thorn et al., 2012) von Anolyt bei Einnahme hingewiesen. Für Zellkulturen existieren einige Studien, die zytotoxische Effekte zeigen, wenngleich in der Regel in geringerem Maße als bei anderen herkömmlichen Bioziden. Ein Autor kommt zum Schluss, dass Zellkerne nicht angegriffen werden, nur geringfügige Schäden an Zellmembranen auftreten und keine DNA-Oxidation oder beschleunigte Alterung auftritt (Thorn et al., 2012). Es ergeben sich zahlreiche Anwendung in der Medizin (Thorn et al., 2012): 1. Behandlung und Verhinderung von Wundinfektionen. 2. Behandlung und Verhinderung von paradontalen Erkrankungen. 3. Sterilisierung von medizinischen Instrumenten. 4. Dekontaminationen. Anolyt ist geeignet Toxine zu inaktivieren. Xiong, Liu, & Li (2012) bspw. prüfen die Inaktivierung von Aflatoxin B1. Das entstehende Abbauprodukt zeigte keine mutagene und cytotoxische Wirkung. Die Vor- und Nachteile fassen Thorn et al., 2012 folgendermaßen zusammen (Tabelle 5): 5 von 6

6 Tabelle 5. Vor- und Nachteile von elektrochemisch-aktiviertem Wasser (ECAS: elektrochemischaktivierte Lösungen) in der Medizin (aus: Thorn et al., 2012) 4 Literatur Ferger, D. (2011). Jungbrunnenwasser vom Normalen zum Gesunden mit ionisiertem Wasser ; basisches Aktivwasser und saures Oxidwasser verstehen und anwenden. Weil am Rhein: Librion. Retrieved from Kaehn, K. (2005). Elektrolytische Verfahren zur sekundären Trinkwasserdesinfektion. Unterschiede und Gemeinsamkeiten. Krankenhaus. Technik + Management, 5, 2. Retrieved from Kim, M. H., Cho, Y. J., & Jeong, J. W. (2004). Comparison of characteristics on electrolyzed water manufactured by various electrolytic factors. Korean Journal of Food Science and, 36(3), Retrieved from Kiura, H., Sano, K., Morimatsu, S., Nakano, T., Morita, C., Yamaguchi, M., Katsuoka, Y. (2002). Bactericidal activity of electrolyzed acid water from solution containing sodium chloride at low concentration, in comparison with that at high concentration. Journal of Microbiological Methods, 49(3), Retrieved from Thorn, R. M. S., Lee, S. W. H., Robinson, G. M., Greenman, J., & Reynolds, D. M. (2012). Electrochemically activated solutions: evidence for antimicrobial efficacy and applications in healthcare environments. European Journal of Clinical Microbiology & Infectious Diseases : Official Publication of the European Society of Clinical Microbiology, 31(5), doi: /s Xiong, K., Liu, H. J., & Li, L. Te. (2012). Product identification and safety evaluation of aflatoxin b(1) decontaminated by electrolyzed oxidizing water. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 60(38), doi: /jf303478y 6 von 6