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Technologie

2.2.02 Analysesystem AquaSENS – Schneller und mobiler Nachweis von Wasserverunreinigungen

Mikrobiologische Tests von Wasserproben sind bislang zeitraubend und aufwändig. Ein neues Analysesystem, dessen Entwicklung das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert hat, könnte Abhilfe schaffen: Es ist schnell, mobil und genau – preiswert zudem. Denkbar sind vielfältige Einsatzmöglichkeiten in Kommunen und der Industrie.

Mit dem Aufspüren von Wasserverunreinigungen durch Mikroorganismen sind bislang vornehmlich spezialisierte Labors beauftragt, als Methode dient die Vermehrung von Keimen auf einem Nährboden. Während coliforme (fäkale) Keime sich innerhalb eines Tages nachweisen lassen, da bewährte Verfahren existieren, sind Tests für die meisten anderen Bakterien auch heute noch sehr aufwändig — sie dauern schon mal länger als eine Woche. Ist das Wasser möglicherweise mikrobiell belastet, müssen die Verantwortlichen jedoch schnell verlässliche Informationen über das Ausmaß und potentielle Gefahren bekommen.

Kompetenzen gebündelt

Hier hat das Projekt „AquaSENS – Detektion von Mikroorganismen in Wasser mit CMOS-basierten Sensoren“ angesetzt, das Bundesministerium für Bildung und Forschung hat es gefördert. Unternehmen und wissenschaftliche Institute bündelten ihre Kompetenzen, um ein mobil einsetzbares Analysesystem zu entwickeln, das Mikroorganismen und Keime im Wasser schnell nachweisen kann – ohne zeitraubende und teure Kultivierungen im Labor. Beteiligt waren die Siemens AG, inge watertechnologies AG und Friz Biochem Gesellschaft für Bioanalytik mbH sowie das Institut für Wasserchemie und chemische Balneologie (IWC) der TU München, das IWW Rheinisch-Westfälische Institut für Wasserforschung und das Technologiezentrum Wasser Karlsruhe (TZW). Die Aufgaben des Projekts:

  • Aufbau einer kompakten, vollautomatisierten Membranfiltrationsanlage zur Aufkonzentration der Keime (aus 10 Litern Wasser in einem Eluatvolumen von 50 Milliliter).
  • Entwicklung von zwei Probenvorbereitungsverfahren auf Grundlage immunomagnetischer Separation und Affinitätschromatographie zur weiteren Aufkonzentration und Überführung der Keime in 1 Milliliter Messpuffer.
  • Entwicklung digital auslesbarer Biochips mit integrierter Detektions- und Auswerteelektronik.
  • Entwicklung und Herstellung des kompakten und benutzerfreundlichen Auslesegeräts für die Biochips.
  • Identifikation biochemischer Erkennungsmoleküle (Antikörper) und DNA-Abschnitte, die für die gesuchten Mikroorganismen spezifisch sind, sowie die Entwicklung von Nachweisverfahren (Assays) zur Übertragung auf die Biochips.

Kleiner Biochip, große Leistung: Ein Sensor weist schnell Mikroorganismen im Trinkwasser nach.

Kleiner Biochip, große Leistung: Ein Sensor weist schnell Mikroorganismen im Trinkwasser nach.
Kleiner Biochip, große Leistung: Ein Sensor weist schnell Mikroorganismen im Trinkwasser nach.
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Das Projekt AquaSENS konnte die gestellten Aufgaben erfolgreich erfüllen: Das entworfene, halbautomatische Gerät weist sowohl kleine Moleküle wie Hormone, Antibiotika oder Pestizide, ebenso viel größere Bakterien nach: anhand eines immunologischen Tests in einer winzigen Wasserprobe. In Anlehnung an das Immunsystem beruht der Nachweis auf der Fähigkeit von Antikörpern, fremde Stoffe an charakteristischen Bestandteilen, den Antigenen, zu erkennen.

Biochips entwickelt

Zum Einsatz kommt ein Biochip mit einer vollintegrierten Halbleiterschaltung (CMOS — Complementary Metal Oxide Semiconductor). Der kleine biochemische Sensor und die mit ihm verbundene Ausleseelektronik eignen sich ideal in transportablen, kompakten und preiswerten Analysesystemen. Ihre Vorteile spielen sie insbesondere aus, wenn viele unterschiedliche Keime in einem Messvorgang gleichzeitig über Antikörper-Antigen-Bindungen oder die Detektion spezifischer DNA-Abschnitte gewünscht sind. Für beide Nachweisprinzipien hat das Projekt Biochips und biochemische Nachweisverfahren entwickelt.

Der mobile Reader ermöglicht das Auslesen der Ergebnisse zu Wasserverunreinigungen

Der mobile Reader ermöglicht das Auslesen der Ergebnisse zu Wasserverunreinigungen
Der mobile Reader ermöglicht das Auslesen der Ergebnisse zu Wasserverunreinigungen
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Weil gefährliche Keime — Legionellen, Salmonellen oder Kolibakterien — im Wasser meist nur in geringen Konzentrationen vorhanden sind, andererseits Biochips mit kleinsten Probenmengen um 100 Mikroliter arbeiten, ist eine Voranreicherung der gesuchten Keime erforderlich. Das hierfür notwendige System erreichten die Projektpartner, indem sie eine Membranfiltrationsanlage mit einer sogenannten immunomagnetischen Separationssäule koppelten.

Ergebnis: Der Nachweis von Kolibakterien war innerhalb von nur 90 Minuten erbracht. Die Nachweisgrenze des Biochips für E.coli-Bakterien wurde mit 2.000 Keimen pro Milliliter Probenkonzentrat bestimmt, wobei die Messzeit 30 Minuten betrug. Das Analysesystem kann Bakterien also binnen zwei Stunden nachweisen.

Vielfältiger Einsatz möglich

Neben dem Einsatz in der Qualitätssicherung der Trinkwasserversorgung könnte das Analysesystem auch bei Proben von Prozess-, Reinst-, Grund- und Oberflächenwasser wichtige Dienste leisten; ob und wie das möglich ist, wird noch untersucht.

AQUASens könnte in öffentlichen Gebäuden und Krankenhäusern das Prozesswasser der Klimaanlage oder das Warmwassersystem auf gefährliche Inhaltsstoffe untersuchen. Auch für die Lebensmittel- oder Pharmaindustrie, die Reinstwasser für ihre Produktion benötigen, wäre das neue Analysesystem eine wertvolle Hilfe.

Selbst der Einsatz bei Messungen von Klärschlämmen oder der Prozessüberwachung in biotechnologischen Fermentern ist denkbar. Hierzu wären zunächst die jeweils relevanten Mikroorganismen zu bestimmen, anschließend die entsprechenden Assays zu entwickeln. Entscheidend ist hier, zunächst geeignete Antikörper zu identifizieren und herzustellen, denn sie sind heute noch nicht für alle Anwendungsfälle verfügbar.

Siemens AG
Corporate Technology

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