Projekt 17225/01

Entwicklung eines Mikrodialyse-Freilandgerätes für die Untersuchungen von schnell verlaufenden stofflichen Änderungen in Grenz- und Übergangszonen

Projektträger

Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei im Forschungsverbund Berlin e. V.
Müggelseedamm 310
12587 Berlin
Telefon: +49 (0) 30 64181-605

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Für viele ökologische und umwelttechnische Fragestellungen ist die zeitliche Veränderung chemischer Messgrößen in Grenz- und Übergangszonen von Interesse. Einige Konzentrationen können mit Mikroelektroden gemessen werden, z. B. Nitrat und Sauerstoff. Für andere Parameter wie Phosphat standen bislang keine geeigneten in-situ Mess- bzw. Probenahmeverfahren mit einer den Grenzphasen entsprechenden räumlichen und zeitlichen Auflösung zur Verfügung. Ziel des Projektes war es auf der Basis von Hohlfasern (Außendurchmesser 100 µm bis 2 mm) Probenahmesonden für verschiedene Grenzzonen zu entwickeln und Analyseverfahren entsprechend der Probenahmetechnik zu miniaturisieren.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenMit einer Marktrecherche wurde vom IGB ermittelt, welche Hersteller es weltweit für Hohlfasern gibt. Unterschiedliche Sondenbauformen wurden entworfen und Prototypen der Mikrodialysesonden durch IGB und HUB gebaut. Bei der Mikrodialyse wird destilliertes Wasser langsam, kontinuierlich durch die Hohlfasern gepumpt wobei sich die Konzentrationen in den Hohlfasern auf dem Fließweg des Wassers dem umgebenden Porenwasser angleichen. Parallel zum Sondenbau wurden die verschiedenen Hohlfasern in einer eigens dafür konstruierten Testbox durch das IGB in Lösungen mit bekannter, konstanter Konzentration getestet. Dabei stellte sich heraus, dass die Mikrodialyse für das Anwendungsfeld ungeeignet ist. Deshalb wurden statt dessen Ultrafiltrationssonden gebaut. Ultrafiltration bedeutet, dass durch Anlegen eines leichten Unterdrucks Porenwasser durch die Hohlfaserwandungen ins Faserinnere und von dort ins Probensammelgefäß gesaugt wird. Das IGB testete die Zuverlässigkeit der Sonden in verschiedenen realen Systemen und konnte eine gute Eignung der Methode zeigen. Parallel zur Entwicklung der Sonden wurden durch IGB und UFZ verschiedene analytische Verfahren miniaturisiert, um sie an die kleinen Probenvolumina der neuen Probenahmetechnik anzupassen. Zeitgleich wurde außerdem durch LUM und HUB an der Entwicklung eines automatischen Probensammler für den Feldeinsatz der Sonden gearbeitet. IGB und HUB konnten in verschiedenen Anwendungsbeispielen zeigen, dass die Ultrafiltrationssonden gut geeignet sind, neue Erkenntnisse über bislang nicht messbare Parameter in Grenzzonen zu gewinnen.


Ergebnisse und Diskussion

(1) Im Projektverlauf haben wir erfahren, dass außer uns bereits andere Wissenschaftler auf die Idee gekommen sind, die Mikrodialyse-Technik für die Beprobung von Grenzzonen einzusetzen, aber bislang nicht die Kapazitäten hatten, eine solche Technik zu entwickeln. Im Projekt konnte zweifelsfrei gezeigt werden, dass die Mikrodialyse-Technik für die erwogenen Anwendungsfelder ungeeignet ist. Eine Publikation zu diesem Ergebnis wird in Kürze eingereicht, um anderen die aussichtslose Entwicklungsarbeit zu ersparen.
(2) Im Projekt wurden Ultrafiltrationssonden entwickelt und getestet. Laborversuche und Vergleichsmessungen in verschiedenen realen Systemen zeigten die Zuverlässigkeit der Sonden. In verschiedenen Anwendungsbeispielen konnte die Eignung und Leistungsfähigkeit der Ultrafiltrationstechnik belegt werden. Die Methode wurde auf einer Tagung einem breiten Fachpublikum vorgestellt. Eine Publikation ist in Vorbereitung.
(3) Die mit den Ultrafiltrationssonden ohne Störung des chemischen Milieus entnehmbaren Probenvolumina sind klein. Deshalb ist eine Miniaturisierung der Analytik für verschiedene Parameter (z. B. Phosphat, Eisen(II), Ammonium, Sulfat) erforderlich. Darüber hinaus wurden für weitere anorganische Parameter (z. B. verschiedene Metalle) geeignete Konservierungsmethoden überprüft und bestehende Analyseverfahren an die Probenmatrix angepasst. Die entwickelten analytischen Verfahren sind auch für andere Anwendungen von Interesse, weil bei vielen Fragestellungen nur kleine Probenvolumina verfügbar sind und weil bei den neuen Analysemethoden der Chemikalienaufwand und damit die Umweltbelastung reduziert sind. Ein Teil der Ergebnisse wird im Sommer 2005 auf einer Tagung vorgestellt. Außerdem ist eine Publikation in Vorbereitung.
(4) In Vorversuchen konnte die prinzipielle Funktionsfähigkeit des rein mechanischen Probensammlers gezeigt werden. Der automatische Probensammler konnte aus verschiedenen technischen Gründen jedoch nicht realisiert werden. So kommt es in den Schläuchen des Probensammlers bei gasübersättigten Proben zu einer Gasblasenbildung und einer anschließenden Verstopfung der Schläche. Außerdem gibt es keinen geeigneten Drucksensor, der die geringe Druckschwankung beim Durchbruch der Benet-zungsbarriere sicher vom Grundrauschen unterscheiden kann.
(5) Neben diesen technischen, methodischen und analytischen Entwicklungen lieferte das Projekt im Rahmen der Anwendungsbeispiele der Ultrafiltrationssonden eine Reihe biogeochemischer Erkenntnisse. Es konnte gezeigt werden, dass Eisen- und Phosphatkonzentrationen entlang der Wurzeln submerser Makrophyten einem deutlichen Tagesgang unterliegen. Außerdem gibt es an der Sediment-Wasser-Grenze von Litoralstandorten mit benthischem Algenbewuchs einen deutlich ausgeprägten Tagesgang von Eisen und Phosphat. Als Ergebnis eines anderen Versuches wurde festgestellt, dass es nach einem Redoxwechsel im überstehenden Wasserkörper zu reduzierenden Bedingungen länger dauert, bis die Eisen- und Phosphatkonzentrationen deutlich ansteigen als bei einem umgekehrten Redoxwechsel ein deutliches Absinken der Konzentrationen dauert.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Auf den Jahrestagungen der Deutschen Gesellschaft für Limnologie 2003 in Köln und 2004 in Potsdam sowie der Jahrestagung der Wasserchemischen Gesellschaft 2005 sind bzw. werden Teilergebnisse des DBU-Projekts in Vorträgen und Postern vorgestellt. Darüber hinaus wurde das Projekt nach der Hälfte der Laufzeit mit Statusseminaren am IGB und am UFZ vorgestellt. Zwei Publikationen zu ausgewählten Projektergebnissen wurden bereits eingereicht, drei weitere Publikationen sind in Vorbereitung. Außer-dem sind im Rahmen des DBU Projektes vier studentische Examens-, Projekt- und Praktikumarbeiten durchgeführt und erfolgreich abgeschlossen worden. Einen Überblick über die Projektergebnisse der einzelnen Phasen bieten die beiden Zwischenberichte und der Abschlussbericht des Projektes. Die einzelnen Arbeiten sind mit vollständigen bibliografischen Angaben im Abschlussbericht angegeben.


Fazit

Die neu entwickelten Ultrafiltrationssonden aus Hohlfasern ermöglichen eine zuverlässige, zeitlich aufgelöste Beprobung von räumlich eng begrenzten Grenz- und Übergangszonen. Für die Messung verschiedener Parameter in den Proben konnten verschiedene analytische Verfahren erfolgreich miniaturisiert werden. Erste neue biogeochemische Ergebnisse konnten mit der neuen Probenahmetechnik in verschiedenen Anwendungsfeldern gewonnen werden. Es ist zu erwarten, dass sich mit dieser Technik in den nächsten Jahren auch in weiteren Anwendungsfeldern wesentliche neue Erkenntnisse sammeln lassen.