Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Entwicklung eines Sensorsystems zur Bestimmung des biologischen Anteils von Bel\u00e4gen in w\u00e4\u00dfrigen und feuchten technischen und \u00f6kologischen Systemen. Das Sensorsystem basiert auf der wellenl\u00e4ngen-spezifischen Fluoreszenz biologischer Molek\u00fcle mit und ohne Fluoreszenzsonden. Die Identifizierung und ggf. Quantifizierung der biologischen Anteile kann sowohl nach Probenahme als auch direkt im beobachteten System on-line und zerst\u00f6rungsfrei erfolgen. Dieses Sensorsystem erlaubt die Art der Deposition zu differenzieren und die Gegenma\u00dfnahmen zu optimieren. Damit l\u00e4\u00dft sich der Zeitpunkt und der Ort f\u00fcr ein Eingreifen gegen unerw\u00fcnschte Bel\u00e4ge und Biofilme ermitteln sowie den Einsatz umweltbelastender Reiniger und Biozide verringern.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Arbeit beginnt mit der Entwicklung eines f\u00fcr Fluoreszenzmessungen tauglichen Sensorkopfes, der die Anforderungen einer konventionellen Fluoreszenzk\u00fcvette und eines on-line Me\u00dff\u00fchlers gleichzeitig erf\u00fcllt. Anschlie\u00dfend wird das gesamte Me\u00dfsystem, bestehend aus Me\u00dfkopf, Einkoppeloptiken und dem spektrometrischen Teil, zusammengestellt. Als letztes wird die Steuer- und Auswertesoftware entwickelt und erprobt. Die obengenannten Arbeitsschritte werden in enger Zusammenarbeit mit dem In-dustriepartner und vorwiegend in seinen optischen und elektronischen Laboratorien durchgef\u00fchrt.
\nDie Biofilmanz\u00fcchtung erfolgt in einem \u00fcberwachten Bioreaktor und in geeigneten Biofilmdurchflu\u00dfzellen beim Antragsteller. Die Untersuchungen erfolgen an drei Probenarten: Biofilmsuspensionen, intakter Biofilm auf Glascoupons und intakter Biofilm in der Durchflu\u00dfzelle. In der ersten Phase der Untersuchungen werden die Biofilme mit bekannten Marker-Molek\u00fclen, in der Biologie verwendeten Fluoreszenzfarbstoffen, gef\u00e4rbt und die Fluoreszenzintensit\u00e4t wird in Abh\u00e4ngigkeit vom Biofilmalter bzw. Biofilmdicke ausgewertet. Die ausgew\u00e4hlten Marker-Molek\u00fcle haben eine bekannte Wechselwirkung mit bestimmten biologischen Molek\u00fclen in den Zellen des Biofilms. In der zweiten Phase der Untersuchungen werden nicht markierte Biofilme mit dem Me\u00dfsystem untersucht und die angeregte Fluoreszenz relevanter biologischer Molek\u00fcle untersucht. Nach Identifizierung der erfa\u00dften Fluoreszenzsignale wird ihre Intensit\u00e4t in Korrelation mit Biofilmparametern (Alter, Dicke, Gesamtzellzahl\/Oberfl\u00e4che) gebracht.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Im vorliegenden Projekt wurde ein Sensor zur Erfassung des biologischen Anteils bei der Entstehung von unerw\u00fcnschten Bel\u00e4gen in Wassersystemen erarbeitet.<\/p>\n
Zun\u00e4chst wurden die Fluoreszenz- und Absorptionseigenschaften k\u00fcnstlich hergestellter Bel\u00e4ge im Transmissions- und Reflexionsmodus in einer eigens daf\u00fcr konstruierten Me\u00dfzelle ermittelt. In diese k\u00f6nnen Oberfl\u00e4chen-Proben eingesetzt und gemessen werden; sie eignet sich f\u00fcr die Messung an Proben, die zuvor an interessierenden Stellen exponiert waren. In einer Durchflu\u00dfzelle wurden die entsprechenden Eigenschaften nat\u00fcrlich entstandener Bel\u00e4ge untersucht. F\u00fcr diese Zelle wurde ein spezieller Sensorkopf entwickelt und angefertigt, der f\u00fcr zerst\u00f6rungsfreie On-line-Messungen in technischen Systemen geeignet ist und mit der entsprechenden Signalauswertung eingesetzt werden kann.<\/p>\n
Zum Nachweis des biologischen Anteils in einem Biofilm wurden zwei Methoden verwendet:<\/p>\n
a) Die Nutzung der Fluoreszenz biologischer Molek\u00fcle nach F\u00e4rbung mit bekannten Fluoreszenzfarbstoffen (DAPI, Acridin-Orange, Propidium-Iodid u. a.). Mit Ausnahme von Acridin-Orange wurde ein linearer Zusammenhang zwischen der me\u00dftechnisch erfa\u00dften Fluoreszenzintensit\u00e4t und den Biofilm-Parametern nachgewiesen. Die Methode kann unter Labor- und Feldbedingungen zur Untersuchung von Umweltproben angewandt werden. <\/p>\n
b) Die Nutzung der nat\u00fcrlichen Fluoreszenz ohne weitere Markierung erfolgt \u00fcber die Auswertung von Fluorophoren, die im Biofilm vorkommen. Als geeignet hat sich hier die Tryptophan-Bande erwiesen. Hier ist allerdings die Quantenausbeute im Vergleich zu Markersubstanzen wesentlich geringer, deswegen ist auch die Signalerfassung komplizierter. Die Aquisitionszeiten f\u00fcr ein Spektrum betr\u00e4gt mehrere Minuten. <\/p>\n
Die Untersuchungen wurden an Biofilm-Suspensionen, an dehydratisierten und voll hydratisierten Biofilmen vorgenommen. Die aufgenommenen Spektren wurden mit Hilfe mehrerer mathematischer Funktionen bearbeitet und zum Schlu\u00df einer Dekonvolution unterzogen. <\/p>\n
Es wurde nachgewiesen, da\u00df beide Systeme, d.h. die Me\u00dfzelle f\u00fcr einzusetzende Proben und die Durchflu\u00dfzelle, funktionieren und in der Lage sind, biologisches Material zu erkennen; sie zeigen einen linearen Zusammenhang zwischen Biofilm-Dicke und Wachstumsdauer. Sie stellen die Grundlagen f\u00fcr eine automatisierbare Me\u00dfmethode dar, mit der biotisches von nichtbiotischem Material unterschieden werden kann.<\/p>\n
Die weitere Perspektive f\u00fcr die Systeme besteht darin, sie auf den Einsatz in der praktischen Applikation hin zu optimieren.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Ergebnisse der Arbeiten werden 1999 und 2000 in einer Reihen von wissenschaftlichen Publikationen ver\u00f6ffentlicht.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde ein Me\u00dfsystem entwickelt, mit dem es m\u00f6glich, wird zwischen biotischem und abiotischem Anteil in einem Biofilm zu unterscheiden. Die Methode ist an nativen Biofilmen in w\u00e4\u00dfrigen Systemen mit Hilfe eines eingebauten Me\u00dfkopfes und an Proben auf Coupons mit Hilfe einer Me\u00dfzelle anwendbar. Ausgewertet wird die extrinsische Fluoreszenz von markierten Biomole-k\u00fclen und die intrinsische Fluoreszenz relevanter biologischer Molek\u00fcle. Die Methode kann automatisiert werden und zur on-line, zerst\u00f6rungsfreie und in Echtzeit \u00dcberwachung der Belagsbildung in technischen Wassersystemen angewendet werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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