AquaBioTox: Biologische Sensoren für die Online-Überwachung von Trinkwasser

Trinkwasser ist das für den Menschen wichtigste Lebensmittel. Wasserleitungen sind dabei durch mögliche Verunreinigungen einer ständigen Gefährdung ausgesetzt. Zudem stellt die Trinkwasserversorgung ein potenzielles Terror-Angriffsziel dar, so dass Gefahren für die öffentliche Gesundheit rechtzeitig erkannt werden müssen.

Die Trinkwasserverordnung sieht daher routinemäßige Untersuchungen auf bestimmte Krankheitserreger und chemische Stoffe vor. Hierzu werden Stichproben genommen und im Labor untersucht. Die hierbei eingesetzten Standard-Analyseverfahren sind jedoch langwierig und auf ausgewählte Parameter beschränkt: Unbekannte oder nicht erwartete toxische Stoffe werden nicht zeitnah detektiert. Diese Verfahren eignen sich somit nicht als Warnsysteme, die einen Eintrag chemischer oder biologischer Stoffe zeitnah anzeigen können.

Ziel: Online-Überwachung mit Biosensor

In dem vorliegenden Vorhaben »AquaBioTox« erarbeiten wir am Fraunhofer IGB daher gemeinsam mit den Projektpartnern Berliner Wasserbetriebe, bbe Moldaenke und dem Fraunhofer IOSB Lösungen für die kontinuierliche Online-Überwachung von Trinkwasserleitungen. Ziel ist es, einen biologischen Breitbandsensor zu etablieren, der auf Gefahrstoffe im Wasser unmittelbar und zuverlässig reagiert, und dies mittels einer automatischen Bildauswertung sichtbar macht.

Ergebnisse

Bild 1: Messzelle mit mikrobiellen Testorganismen und Messsonde für die Messung der Fluoreszenzintensität.

Bild 2: Festbettreaktor bewachsen mit E. coli RFP vor (links) und nach Zugabe von Glutardialdehyd (rechts).

Der Beitrag des Fraunhofer IGB im Projekt AquaBioTox ist die Bereitstellung mikrobiologischer und mammalischer Zellsysteme, die auf den Eintrag toxischer Verbindungen rasch durch Abnahme der Fluoreszenz reagieren und damit als biologischer Sensor eingesetzt werden können. Die Fluoreszenz wird derzeit mittels einer Messsonde der Firma bbe Moldaenke aufgenommen.

Ausgewählt wurden nach einem umfangreichen Screening zwei Bakterienstämme (Caulobacter crescentus, Escherichia coli) sowie zwei mammalische Zelllinien (HEK 293, CHO). Die Testorganismen werden in der Messzelle auf Trägermaterial immobilisiert in kleinen Bioreaktoren gehalten und mit Testfluid umströmt (Bild 1). Zusätzlich werden diese biologischen Sensoren in Kombination mit einem Daphnien-Toximeter der Firma bbe Moldaenke eingesetzt, um die Breitbandigkeit des Nachweissystems zu erhöhen. Tabelle 1 fasst die zum derzeitigen Projektstand nachgewiesenen Reaktionen der in AquaBioTox eingesetzten biologischen Systeme zusammen. Nebenstehende Grafik zeigt die Stabilität des Biosensors bei im Trinkwasser üblichen, beziehungsweise zulässigen Bedingungen und veranschaulicht den Einfluss einer toxischen Verbindung auf die Testorganismen. Bild 2 zeigt eine deutliche Farbänderung des mikrobiellen Systems bei Zugabe einer toxischen Substanz.

Ausblick

Nach Abschluss des laufenden Forschungsprojekts ist vorgesehen, das Messprinzip auf andere Anwendungsbereiche zu übertragen und anzupassen. Im Umweltbereich ist das Fraunhofer IGB mit der Forschung an semidezentralen Infrastruktursystemen für die Wasserver- und -entsorgung befasst. Für die zu erwartende zunehmende Verbreitung derartiger Lösungen, beispielsweise der Nutzung von aufbereitetem Regenwasser, sind Techniken der Online-Überwachung mit ähnlichen Funktionsprinzipien, wie sie in AquaBioTox erarbeitet wurden, geeignet. Bei entsprechender Anpassung an den Einsatzbereich könnten sie die derzeit übliche aufwendige und sehr teure chemische Analytik ersetzen, die weitgehend nur summarische Kenngrößen liefert.