Wasserkontrolle wird mobil

toxsense_kl10.07.2009

Stichworte: Umweltanalytik, Wasserqualität, mobiles Messsystem, Nanosensor, Toxsens

Wasser ist die grundlegende Ressource allen Lebens. Eine stetige Anreicherung von Rückständen im Abwasser - zum Beispiel von Industriechemikalien, Arzneimitteln oder Pestiziden - gefährdet die Qualität von Küstengewässern, Flüssen, Seen und Grundwasser. Das Gesundheitsrisiko für den Menschen erhöht sich, und aquatische Lebewesen sind massiv gefährdet. Da Wasseranalytik momentan hauptsächlich durch Laborverfahren  geleistet wird, sind die Einsatzmöglichkeiten stark limitiert. Ein automatisiertes Untersuchungsverfahren, das vor Ort Inhaltsstoffe und kritische Grenzwerte ermittelt, kann langfristig deutlich zur Steigerung der Wasserqualität beitragen. In dem Forschungsprojekt „Toxsens“, das vom Bremer Senator für Umwelt, Bau, Verkehr und Europa gefördert wird, entwickeln Wissenschaftler vom ttz Bremerhaven und dem Institut IMARE ein mobiles Messsystem und leisten damit einen wichtigen Beitrag für den Umwelt-, Gesundheits- und Verbraucherschutz.

Bremerhaven, Juli 2009. Wenn die Folgen einer hohen toxikologischen Stoffkonzentration im Wasser sichtbar werden - etwa durch das Verschwinden bestimmter Tier- und Pflanzenarten oder Reizreaktion bei Hautkontakt - ist bereits ein großer Schaden entstanden und das Ökosystem möglicherweise irreversibel geschädigt. Um weitreichende ökologische Folgen und immensen wirtschaftlichen Schaden einzugrenzen, müssen zunächst die Stoffe, welche die Reaktion ausgelöst haben, identifiziert und in ihrer Konzentration erfasst werden. Gezielte Gegenmaßnahmen setzen einen zuverlässigen Befund aus chemischen Analysen voraus - um die Reaktionszeit zu verkürzen am besten direkt vor Ort. Momentan sind diese Untersuchungen jedoch nur im Labor möglich und erfordern langwierige Probenvorbereitung durch Fachpersonal.

Besser als jedes Krisenmanagement ist jedoch die vorbeugende Qualitätskontrolle und -sicherung. Tragbare Systeme können Überwachungsbehörden, Industrieunternehmen, politischen Entscheidungsträgern und Forschungseinrichtungen die Arbeit erheblich erleichtern. Auch in der Meeres-Umweltüberwachung stößt die konventionelle chemische Analytik mit Chromatographie (GC) oder Hochdruckflüssig-Chromatographie (HPLC) an ihre Grenzen. Messungen von Gesundheitsschäden bei Meeresorganismen zeigen an, dass die Geschwindigkeit bei der Ermittlung von Schadstoffen und Schadstoffkonzentrationen nicht ausreicht. Ein mobiles Messsystem kann hier den Handlungsspielraum erheblich erweitern. Es setzt darüber hinaus deutlich geringere Investitionen voraus als die Anschaffung von Laborgeräten und kann überdies auch große Probenvolumina erfassen.

Um die Wasseranalytik flexibler zu machen, entwickeln Experten am IMARE (Institut für marine Ressourcen) und dem ttz Bremerhaven in den nächsten zwei Jahren gemeinsam einen so genannten „Toxsensor“. Damit ist ein Nanosensor (Immunosensor) gemeint, dessen Oberfläche mit schadstoffspezifischen Antikörpern besetzt ist. „Diese Beschichtung reichert die Verunreinigungen aus der Flüssigkeit an, indem die zu detektierenden Moleküle von den Antikörpern gebunden werden. So wird beim Durchfluss eine hohe Kontaktrate der Antikörper erzielt und eine exakte Quantifizierung selbst im Mikrometerbereich ermöglicht,“ veranschaulicht Prof. Carsten Harms, Leiter der Molekulargenetik am ttz Bremerhaven, das funktionelle Design. Der Sensor arbeitet auf Basis biochemischer Nachweisverfahren (ELISA: Enzyme Linked Immunosorbent Assay). Die Vernetzung des Nanosensors mit der Datenverarbeitung soll die Ergebnisse der Schnellanalyse in Echtzeit online verfügbar machen.

Die Europäische Kommission hat verbindliche Richtlinien über zulässige Höchstwerte zahlreicher gesundheitsgefährdender Substanzen im Wasser festgelegt. Ein zentrales Problem stellen jedoch neue und bisher wenig charakterisierte Schadstoffe dar, so genannte „New Emerging Chemicals of Concern“ (ECCs). Hierzu zählen zum Beispiel Bisphenol-A (Bestandteil von Polycarbonat-Kunststoffen), Nonylphenol (Abbauprodukt von Wasch- und Reinigungsmitteln), Endosulfan (Insektizid aus dem Pflanzenschutz) sowie synthetische Moschusverbindungen aus Pflegeprodukten. Das Projekt „Toxsens“ widmet dem Nachweis dieser Stoffe mit hohem Gefährdungspotenzial besondere Aufmerksamkeit. Es gibt bisher noch kein chemisch-analytisches Routineverfahren, um sie zu identifizieren. Das IMARE wird dafür eine Nachweisreaktion entwickeln. Im zweiten Schritt wird dann der ttz-Geschäftsbereich Molekulargenetik eine Aktivierung des mikrofluidischen Systems des Nanosensors für ECCs vornehmen.

Auch über Europe hinaus besteht großer Bedarf an einer einfach anwendbaren Wasseranalytik. Besonders in Entwicklungsländern und Ländern der „Dritten Welt“ gefährden Industrie, Landwirtschaft und Kommunen die Trinkwasserversorgung durch unkontrollierte Einleitungen. Da eine konventionelle Umweltanalytik nicht vorhanden ist, fehlen Kontroll- und Sanktionsmöglichkeiten. Krankheit, Armut, Umweltzerstörung und wirtschaftliche Stagnation sind die Konsequenzen. Ein einfaches und kostengünstiges Instrument für die Wasseranalytik kann hier entscheidende Impulse für einen besseren Gesundheits- und Umweltschutz geben. Inwieweit sich die Methode außerhalb des Gewässerschutzes auch zur Trinkwasseraufbereitung und Prüfung der Wasserqualität in Aquakulturen einsetzen lässt, werden die Wissenschaftler im Rahmen der Projektlaufzeit prüfen.

 

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Pressebilder zur redaktionellen Nutzung (foto: ttz/pr)

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Bildunterschrift 1:

Die Konzentration von Schadstoffe mit hohem Gefährdungspotenzial in Küstengewässern, Flüssen, Seen und Grundwasser nimmt zu. Eine zuverlässige Qualifizierung und Quantifizierung direkt vor Ort verkürzt die Reaktionszeiten für gezielte Gegenmaßnahmen.

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Bildunterschrift 2:

Detektor im Taschenformat: Der zu entwickelnde Toxsensor macht die Wasseranalytik flexibler und schneller. Kontaminationen können aus mehreren Litern Flüssigkeit in winzigen Mikrokanälen spezifisch angereichter werden.

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Das ttz Bremerhaven versteht sich als innovativer Forschungsdienstleister und betreibt anwendungsbezogene Forschung und Entwicklung. Unter dem Dach des ttz Bremerhaven arbeitet ein internationales Experten-Team in den Bereichen Lebensmittel, Umwelt, Gesundheit und Beratung.