Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Etablierte Methoden zur Bestimmung der nitrifikationshemmenden Wirkung von Abw\u00e4ssern haben den Nachteil, dass sie zeitintensiv, apparativ sowie personell aufwendig und damit teuer in der Durchf\u00fchrung sind. Zielsetzung dieser Arbeit ist die Entwicklung eines markttauglichen Mehrkanalmessger\u00e4tes auf der Basis von miniaturisierten Biosensoren. Mit Hilfe dieses Messger\u00e4tes soll die Quantifizierung der Nitrifikationshemmung innerhalb von nur wenigen Stunden erm\u00f6glicht werden, was vor allem bei einem hohen Probenaufkommen besonders von Vorteil ist. Durch die verk\u00fcrzte Untersuchungsdauer kann der Kl\u00e4ranlagenbetreiber fr\u00fchzeitig regulierende Ma\u00dfnahmen auf der Anlage einleiten.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZu Projektbeginn erfolgte am ITB die Optimierung und Herstellung von Sauerstoffdickschichtelektroden. Die Entwicklung der Mehrkanal-Versuchsanlage, in die die miniaturisierten Elektroden eingebaut werden, erfolgte parallel bei der EON. Im anschlie\u00dfenden Projektteil wurden Untersuchungen zur Optimierung der Immobilisierung von Nitrifikanten auf den Elektroden durchgef\u00fchrt. Getestet wurden unterschiedliche Mengen an Biomasse sowie verschiedene Immobilisierungsmatrizes. Die Untersuchung der Eigenschaften der Biosensoren, wie die mechanische Stabilit\u00e4t der Elektroden, die Konzentrationsabh\u00e4ngigkeit und Reproduzierbarkeit der Biosensorsignale, Signaldynamik, Signalstabilit\u00e4t, Regenerationsf\u00e4higkeit und Lagerungsstabilit\u00e4t wurden mit der Versuchsanlage der EON durchgef\u00fchrt. Die Bestimmung dieser Sensorparameter erfolgte zun\u00e4chst anhand von Untersuchungen mit Nitrifikationssubstraten. Anschlie\u00dfend wurden Untersuchungen mit Nitrifikationshemmstoffen (z. B. Allylthioharnstoff) vorgenommen.
\nAls Projektschwerpunkt erfolgte schlie\u00dflich am ISWA die Etablierung dieses Mehrkanalmesssystems f\u00fcr Routineuntersuchungen an k\u00fcnstlich hergestellten sowie an realen, hemmstoffhaltigen Abwasserproben. Durch Vergleich mit etablierten Verfahren wie z. B. der Methode nach DIN EN ISO 9509 wurde die \u00dcbertragbarkeit der mit dem Mehrkanalmesssystem ermittelten Werte auf die Kl\u00e4ranlagenpraxis \u00fcberpr\u00fcft.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Es wurde ein Analysenmessger\u00e4t f\u00fcr die Untersuchung von Abwasser- und anderen Umweltproben entwickelt. Das Kernst\u00fcck dieses Laborprototyps bilden miniaturisierte mikrobielle Nitrifikanten-Biosensoren (Nitrifikanten-Mikrosensoren), die in ein Mehrkanalmessger\u00e4t integriert werden. Die Biosensoren bestehen aus Sauerstoffdickschichtelektroden, auf die direkt Nitrifikantenmischkulturen immobilisiert werden. Das Detektionsprinzip der Biosensoren beruht auf dem stoffwechselbedingten Sauerstoffverbrauch der nitrifizierenden Mikroorganismen. Damit lassen sich toxische oder nitrifikationshemmende sowie nitrifikationsf\u00f6rdernde Effekte erfassen. Durch den parallelen Einsatz von bis zu zehn Biosensoren k\u00f6nnen mit diesem Ger\u00e4t innerhalb von maximal einer Stunden zwei bis drei Proben gemessen werden oder eine Probe durch die simultane Bestimmung mehrerer Konzentrationsstufe quantifiziert werden. Im ersten Projektabschnitt erfolgte die Weiterentwicklung von bestehenden Clarkschen Sauerstoffdickschichtelekt-roden, die durch die Kombination von Siebdrucktechnik (Transduktorbasis), Drop-Coating- (Elektrolytaufbringung) und Spin-Coating-Verfahren (Herstellung der Sauerstoffmembran) hergestellt wurden. Die so gefertigten Sensoren weisen eine Lagerungsf\u00e4higkeit in Messmedium von drei bis vier Wochen sowie eine Betriebsstabilit\u00e4t von 40 Stunden auf; die Sauerstoffsensoren sind dadurch mehrfach verwendbar. Dies stellte einen wesentlichen Fortschritt in der Entwicklung der Sensoren dar, da die urspr\u00fcnglichen Transduktoren f\u00fcr maximal einen Tag verwendet werden konnten. Zur Fixierung von Nitrifikantenmischkulturen auf den Elektroden wurde unter Verwendung eines photovernetzbaren Polyvinylalkohols (PVA-SbQ) eine praktikable und einfache Immobilisierungsmethode entwickelt, wodurch die Herstellung gro\u00dfer St\u00fcckzahlen von Biosensoren realisiert wurde. Mit Ammoniuml\u00f6sungen wurde das Ansprechverhalten der Biosensoren gegen\u00fcber Nitrifikationssubstraten getestet. Der lineare Bereich erstreckte sich hierbei bis zu einer Konzentration von 2 mg\/l NH4+-N bei einem mittleren Variationskoeffizienten von 5,3 %. Neben Ammonium wurden mit den Biosensoren auch weitere Nitrifikationssubstrate wie Harnstoff, Nitrit, Aminos\u00e4uren sowie Stickstoffverbindungen im Abwasser quantifiziert. Versuche mit dem Nitrifikationshemmstoff ATH ergaben, dass die Reproduzierbarkeit der Messungen (Variationskoeffizient beim Einzelsensor: ca. 8 %, Sensor zu Sensor: 8-14 %), das Ansprechverhalten der Biosensoren mit einer Ansprechzeit t100 von 10-20 Minuten sowie die Lagerungsstabilit\u00e4t von bis zu zwei Wochen vergleichbar mit in der Literatur beschriebenen mikrobiellen Biosensoren ist. Die Validierung des Mehrkanalbiosensorsystems erfolgte durch Vergleichsuntersuchungen mit dem standardisierten Nitrifikationshemmtest nach DIN EN ISO 9509, einem Nitrifikanten-Einzelsensor (ARAS-Biosensor) sowie einem kommerziell erh\u00e4ltlichen Nitrifikationshemmtest (BioFix\u00d2 A-\/N-Tox). Dazu wurde die nitrifikationshemmende Wirkung von Umweltchemikalien und realen Abwasserproben quantifiziert und die Nachweisempfindlichkeit der Tests bewertet. Der Sensitivit\u00e4tsvergleich zeigte, dass eine hohe \u00dcbereinstimmung zwischen den beiden Biosensorsystemen besteht. Bei 67 % der Substanzen variierten beide Verfahren maximal um den Faktor drei. Bei 75 % der mit dem Mehrkanalbiosensorsystem und der DIN EN ISO 9509 untersuchten Testsubstanzen betrugen die Sensitivit\u00e4tsunterschiede maximal das Zehnfache, w\u00e4hrend diese sich bei 63 % der Substanzen lediglich um den Faktor drei unterschieden. Bei keiner der getesteten Substanzen betrugen die Abweichungen mehr als das Zehnfache. Des Weiteren wurden Biosensoruntersuchungen zur Wirkung von Arzneimittelwirkstoffen aus der Gruppe der antibiotisch wirksamen Substan-zen auf die Nitrifikation durchgef\u00fchrt. Keine nitrifikationshemmende Wirkung wiesen hierbei Chloramphenicol, Penicillin G, Oxytetracyclin und Sulfamethoxazol auf. Von den beiden Sulfonamid-Derivaten Sulfamethoxydiazin und Sulfamethoxypyridazin hemmte nur Sulfamethoxypyridazin den Stoffwechsel der Nitrifikanten.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Vortr\u00e4ge:
\nEin mehrkanaliges Biosensorme\u00dfsystem zur \u00dcberwachung der Nitrifikation in Abwasserreinigungsanlagen. F. Baumeister, A. K\u00f6nig, R.D. Schmid, F. Riechert, K. Kunzmann, A. Kretschmer, T.T. Bachmann, J.W. Metzger. [5. Dresdner Sensor-Symposium, 10. – 12. Dezember 2001, Dresden, Tagungshandbuch, Seiten 25 – 26].
\nBiosensoren zur \u00dcberwachung der Nitrifikation in Kl\u00e4ranlagen. F. Baumeister, A. K\u00f6nig, R.D. Schmid, A. Kretschmer, T.T. Bachmann, J.W. Metzger. [1. Hydrochemisches und Hydrobiologisches Kolloquium: Der Stickstoff im Wasser\/Abwasser, 29.-30. November 2001, Stuttgart, Tagungsband, ISBN 3-486-26528-8, Seiten 175 – 184].
\nMicrobial biosensors for nitrification inhibition assays. F. Baumeister [COST 624 Working Group 4 Meet-ing OPTIMAL MANAGEMENT OF WASTEWATER SYSTEM, 10 – 11 June 2002, Milano, Italy].
\nFachmessen:
\nProduktpr\u00e4sentation auf der BIOTECHNICA, Internationale Fachmesse f\u00fcr Biotechnologie, 9.-11. Oktober 2001, Hannover. Produktpr\u00e4sentation im Rahmen der Woche der Umwelt, Spitzenleistungen deutscher Umwelttechnik und Umweltforschung, 3. – 4. Juni 2002 im Park des Schlosses Bellevue, Berlin.
\nPoster
\nMultichannel biosensor system for nitrification inhibition assays. F. Baumeister, A. K\u00f6nig, A. Kretschmer, R.D. Schmid, T.T. Bachmann and J.W. Metzger [7th World Congress on Biosensors, 15 – 17 May 2002, Kyoto, Japan].
\nNitrification inhibition assay based on microbial sensors. F. Baumeister, A. K\u00f6nig, B. Kuch, A. Kretschmer, T.T. Bachmann, R.D. Schmid and J.W. Metzger [12th Annual Meeting of SETAC Europe, 12 -16 May 2002, Vienna, Austria].
\nMultichannel biosensor system for nitrification inhibition assays. F. Baumeister, A. K\u00f6nig, R.D. Schmid, T.T. Bachmann and J.W. Metzger [P1116, IWA 2nd World Water Congress, 15-19 October 2001, Berlin].
\nA multi-channel biosensor system for detecting nitrification inhibition in sewage plants. F. Baumeister, A. K\u00f6nig, T.T. Bachmann, R.D. Schmid and J.W. Metzger. [11th Annual Meeting of SETAC Europe, 6-10 May 2001, Madrid, Spain].
\nEin mehrkanaliges Biosensormessssystem zur \u00dcberwachung der Nitrifikation in Abwasserreinigungsanlagen. F. Baumeister, A. K\u00f6nig, K. Kunzmann, F. Riechert, A. Kretschmer, R.D. Schmid, T.T. Bachmann und J.W. Metzger. [2. BioSensor-Symposium, 1.-3. April 2001, T\u00fcbingen, Tagungsband, Seiten 94 – 95].
\nEin Mehrkanalbiosensormesssystem zur \u00dcberwachung der Nitrifikation in Kl\u00e4ranlagen. F. Baumeister, A. K\u00f6nig, T.T. Bachmann, K. Kunzmann, F. Riechert, A. Kretschmer, R.D. Schmid und J.W. Metzger. [J1.08, 19. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen, 13.-15. M\u00e4rz 2001, Leipzig, Tagungsband, Seiten 422 – 423].<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Das in diesem Projekt entwickelte Biosensorsystem ist in der derzeitigen Bauform als Prototyp f\u00fcr Forschungszwecke konzipiert und wird am ISWA f\u00fcr Routineuntersuchungen eingesetzt. W\u00fcnschenswert ist jedoch der m\u00f6gliche Einsatz in Umweltlaboratorien, auf Industriekl\u00e4ranlagen oder in der chemischen In-dustrie zur Toxizit\u00e4tspr\u00fcfung von Umweltchemikalien. F\u00fcr eine Vermarktung sind weitere Entwicklungsarbeiten erforderlich. Dies betrifft insbesondere die Automatisierung des Messverfahrens. Zudem muss die Lagerungsstabilit\u00e4t des Nitrifikantenimmobilisates noch verbessert werden. Das Messger\u00e4t bietet jedoch eine hohe Flexibilit\u00e4t und kann durch Modifikationen der Ger\u00e4teelektronik f\u00fcr den Einsatz anderer elektrochemischer Sensoren, wie z. B. Enzymsensoren, umger\u00fcstet werden. Wie eigene Untersuchun-gen bereits zeigten, besteht auch die M\u00f6glichkeit, andere Bakterienspezies auf den Sauerstoffdickschichtelektroden zu immobilisieren. Damit kann der Anwendungsbereich des Messsystems auf weitere Gebiete der Umweltanalytik erweitert werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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