Online Detektion von Bakterien (Online Detektion von Bakterien in Trinkwasser)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 477.07.14

Schlüsselwörter (Deutsch)

Wasserversorgungen, Hochwasser und Starkregenereignisse, Quellwasserschüttungen, hygienische Sicherheit, Trinkwassers, Bakterien, Ozonierung, Chlorierung, Durchflusszytometrie, Methodennummer 333, Messung, on-site Messgerät

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die Wasserversorgungen stellen fest, dass Hochwasser- und Starkregenereignisse tendenziell zunehmen. Eine der Folgen ist, dass plötzliche Unregelmässigkeiten bei Quellwasserschüttungen häufiger werden und die hygienische Sicherheit des Trinkwassers gefährden. Während chemische und physikalische Parameter rasch und kontinuierlich gemessen werden können und so für eine schnelle Beurteilung zugänglich sind, müssen hygienische Kenngrössen mit länger dauernden Labormethoden gemessen werden. So deuten Bakterien als natürlicher Bestandteil des Trinkwassers mit deren Konzentrationsveränderungen auf mikrobielle Prozesse im Trinkwasser hin, die dessen Qualität verändern können.

Für die Überprüfung von Desinfektionsmassnahmen, etwa durch eine Ozonierung oder Chlorierung, braucht es Methoden, mit denen sich die Anzahl lebensfähiger Zellen nachweisen lassen. Die Messmethode der Durchflusszytometrie ist seit 2012 im schweizerischen Lebensmittelbuch aufgeführt (Methodennummer 333) und kann die gestellten Anforderungen prinzipiell erfüllen.

Um den Anforderungen wie hoch aufgelöste Datensätze, exakte Probenentnahme, Einfärbung der Bakterien, Inkubation, Messung über 24 Stunden und rund 14 Tage ohne direkte Intervention entsprechen zu können, bedarf es einer Weiterentwicklung und Industrialisierung einer durchflusszytometrischer Detektionseinheit, da solche Messgeräte bis heute noch nicht zur Verfügung stehen..

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1     Die mechanischen und elektrischen Elemente des Messgerät mittels Durchflusszytometrie wie die Lichtquelle, die Durchflusszelle, die optische Bank, das Verstärkerboard zu Photomultiplier, die digitale Datenerfassung und das Gehäuse sind konstruiert und die Pläne liegen vor.

2     Die Software für eine erste einfache Bedienung und Auswertung der Detektionseinheit zur Unterscheidung von toten und lebenden Bakterien ist geschrieben und einsatzbereit.

3     Das Messgerät mittels durchflusszytometrischer Online-Detektionseinheit ist in Betrieb genommen und erste Messungen liegen vor. Meilenstein 1.

4     Messdaten aus einem zweiwöchigen Einsatz des Messgerätes mittels durchflusszytometrischer Online-Detektionseinheit im Feld über 24 Stunden an 7 Tagen ohne direkte Intervention oder Service.

5     Redaktion eines Schlussberichtes mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 4.

6     Bereitstellung von Textbausteinen und Illustrationen für die Erstellung eines Publikums-Factsheets.

7     Präsentation der Ergebnisse an einem wissenschaftlichen Kolloquium beim BAFU mit entsprechender Power-Point Darstellung.

Projektziele (Deutsch)

Es soll ein robustes on-site Messgerät mittels online Durchflusszytometrie zur Beurteilung der Trinkwasserqualität mit Hilfe der Detektion von Bakterien im Trinkwasser entwickelt werden. Kennzeichnend ist, dass die Detektion zur Unterscheidung von lebenden und toten Zellen mit einer Samplingrate von mindestens 4M/s und einer Auflösung von 20bit ausgestattet ist und im selben Gehäuse wie die Probenaufbereitung untergebracht ist.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Die heute vorliegende Detektionseinheit erfüllt nun sämtliche Anforderungen für einen echten Dauerbetrieb (24 Stunden, 7 Tage) vor Ort und abseits des Laborumfeldes. Unser Online Bacteria Analyzer (OBA) ist zurzeit das einzige Online Messgerät, welches über eine integrierte, durchflusszytometrische Detektion verfügt, die bezüglich Präzision, Stabilität und Auflösung auf mindestens gleichem Level ist wie die für das Labor konzipierten, viel teureren Geräte.

Im Laufe der gemeinsamen Validierung mit der Wasserversorgung Zürich (WVZ) stellte sich heraus, dass eine der wichtigsten Voraussetzungen ist, dass sich die Messresultate des OBAs mit denen der Duchflusszytometer im Labor der Wasserversorgung vergleichen lassen. Dies setzt eine grundsätzlich identische Messanordnung voraus. Nur so kann der Nachweis einer korrekten, nicht fehlerbehafteten Messung erbracht werden.

Die grosse Herausforderung lag darin, den Kunden glaubhafte Daten vorzulegen, die beweisen, dass unser OBA korrekte, jederzeit mit Laborergebnissen vergleichbare Resultate liefert.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Der hygienische Zustand des Trinkwassers wird seit über 100 Jahren mit der sogenannten AMK-Methode (AMK = aerobe, mesophile Keime) ermittelt. Dabei werden typischerweise Wasserproben auf einen Nährboden aufgebracht und über beispielsweise 72 Stunden bebrütet (inkubiert).

Danach werden die möglicherweise entstandenen Kolonien gezählt, was einen Rückschluss auf die Anzahl der im Trinkwasser vorhandenen kolonienbildenden Einheiten (KBE) zulässt. Diese herkömmliche Methode setzt Fachpersonal voraus, ist zeitintensiv und sehr ungenau, da lediglich die aeroben, mesophilen Keime erfasst werden,.

Was bis heute fehlte, war ein zuverlässiges Messsystem für den Vor-Ort-Einsatz, das den allgemeinen und den hygienischen mikrobiologischen Zustand des Wassers, sowie die Bakterienaktivität in kurzzeitlichen Abständen (15 Minuten) erfasst. Es gelang uns, alle erforderlichen Arbeitsschritte in ein prozesstaugliches Gerät zu integrieren, das mit Durchflusszytometrie misst und die Resultate online übermittelt.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Das Bedürfnis, Informationen über den mikrobiologischen Zustand innert wenigen Minuten zur Verfügung zu haben, nahm von der Kundenseite her in den vergangenen 12 Montan spürbar zu. Die Bereitschaft, mehrere Tage auf den gesetzlich immer noch exklusiv etablierten AMK-Wert zu warten, schwindet.

Die enormen Zeitspannen, die für die Bebrütung der kultivierbaren Zellen benötigt werden (48…72 Stunden), verursachen wie bei Leitungsinbetriebnahmen, wiederkehrenden Revisionen, Inbetriebsetzungen und optimieren von Wasserreinigungsprozessen hohe Kosten.

Die Palette von Einsatzorten für unseren Online Bacteria Analyzer, sei dies in Trinkwasser-versorgungen, Industrieanlagen, industriellen Reinigungsprozessen, Nahrungs- und Getränkeindustrie, Pharmazie oder Chemie, wächst stetig und wurde von uns unterschätzt.

Die Messtechnologie „Durchflusszytometrie“ und die damit neu geschaffenen Messparameter Gesamtzellzahl, HNA, LNA, lebend/tot gewinnen bei Entscheidungsträgern und Anwendern stetig an Akzeptanz.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Titel:                Online Bacteria Analyzer (OBA)

                        Präzise Online-Detektion von Bakterien

Verfasser:      Martin Kuhn, Metanor AG

Publikation:   Metanor

Datum:          Juni 2016

 

Titel:                Bakterielle Wasserüberwachung – online und vor Ort

Verfasser:      Martin Kuhn, Metanor AG

Publikation:   Fachzeitschrift Automation Blue, 2 2016

Datum:          September 2016