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„Wasseranalytik: Neue Trends durch den Einsatz ultrasensitiver Biosensoren ?“Arbeitsgruppe des Autors

Jens Tschmelak und Günter Gauglitz

I. Einleitung:

Medikamenten-Cocktail im Trinkwasser (Spiegel-Online, C. Löwer, 26.08.2004) - so schallte es im Sommer 2004 aus der Medienlandschaft und das Interesse der Allgemeinheit war euphorisch. Spiegel-Online berichtete darüber, dass Millionen Deutsche täglich Medikamente schlucken und was davon nicht verbraucht wird, landet tonnenweise in der Kanalisation. Die Folge: Im Trinkwasser wabert laut Spiegel-Online eine bunte Arzneimischung, deren Wirkung kaum absehbar ist. Nichtsdestotrotz sollte von solch übertriebenen Äußerungen Abstand genommen werden. Nicht gänzlich zu verachten ist die teilweise vorhandene Gewässerbelastung durch Pestizide, die in der Landwirtschaft im großen Maßstab zum Einsatz kommen, Antibiotika, die durch die verbreitete Massentierhaltung in unsere Gewässer gelangt und Hormone, die oft durch den Menschen selbst in die Kläranlagen und später eventuell in die Umwelt eingebracht werden.

Die Umweltüberwachung von Toxinen in Wasser stellt besondere Anforderungen an die Analytik. Biosensoren mit ihrem Potenzial einer schnellen, sensitiven und kostengünstigen Detektion bieten passende Eigenschaften. Stoffe mit ökotoxikologischem Potenzial wie zum Beispiel endokrin wirksame Substanzen, insbesondere Chemikalien mit estrogener Wirkung, gewinnen an Bedeutung. Aufgrund ihrer hormonähnlichen Wirkung genügen schon geringste Mengen, um in einem Organismus eine gravierende Wirkung zu erzeugen. Die Weltöffentlichkeit wurde besonders durch die Studien über die rückläufige Population der Alligatoren in Florida auf Grund von Gonadendeformationen aufmerksam und dadurch wurden weltweit Forschungen bezüglich der Wirkungsweise, Auftreten, Screening, Analyse und Eindämmung von endokrin wirksamen Substanzen gefördert. Bestehende europäische Richtlinien und nationale Gesetzgebungen zu organischen Schadstoffen sollen erweitert werden. In Zukunft wird die Überwachung solcher vorgegebener Grenzwerte in Flüssen, Seen, Grund- und Trinkwasser erforderlich sein. Im Allgemeinen unterscheidet man in der Literatur vier Klassen von endokrin wirksamen Substanzen: natürliche Estrogene (z.B. Estron, Estradiol, Estriol), synthetische Estrogene (z.B. Ethinylestradiol, Tamoxifen, Phytoestrogene (z.B. Genistein, Coumestrol) und Xenoestrogene (z.B. Bisphenol A, Nonylphenol, DDT). Pestizide sind schon seit längerem für ihr ökotoxikologisches Potenzial bekannt. Für diese Substanzen bestehen deshalb seit einiger Zeit Richtlinien der Europäischen Union für die maximale Konzentration im Trinkwasser (0.1 µg L-1 für Einzelsubstanzen und 0.5 µg L-1 in der Summe).


II. EU-Biosensoren für die Wasseranalytik:

Abbildung 1: River Analyser - RIANA
Das erste vollkommen automatisierte Biosensor-Analysatorsystem (siehe Abbildung 1), welches speziell für die Wasseranalytik konzipiert ist, wurde innerhalb des von der Europäischen Union geförderten Projekts River Analyser - RIANA (Förderkennzeichen: ENV4-CT95-0066) gebaut. Mit diesem Gerät lassen sich bis zu sechs Analyte in einer Wasserprobe gleichzeitig und innerhalb von nur 10 bis 12 Minuten mit einer vollautomatisierten Fluidik bestimmen. Der verwendete Detektionsaufbau ist extrem kostengünstig, da das Gerät mit Fotodioden, Standardfiltern, Polymerfasern, Laserdiode mit ungefähr 15 mW bei 635 nm und bulkoptischen Glastransducers ohne fokussierende Optik ausgestattet ist. Insgesamt wurde der Sensor sehr robust gestaltet, damit er auch im Rahmen von Feldeinsätzen verwendet werden kann. Der ursprüngliche Aufbau wurde im Rahmen von tief greifenden Optimierungsmaßnahmen mit einem HTS-PAL Autosampler (CTC-Analytics AG, Zwingen, Schweiz) kombiniert, um eine höhere Präzision und Effizienz zu erreichen. Zusätzlich wurde ein neues System aus Filtern und Polymerfasern ausgewählt, um die Ausbeute an Fluoreszenzlicht zu optimieren und damit eine sensitivere Analytdetektion zu ermöglichen.


Abbildung 2: Automated Water Analyser Computer Supported System - AWACSS
Ein Immunoassay der simultan bis zu 32 verschiedene Substanzen nachweisen soll, stellt besonders hohe Anforderungen an die Auswahl geeigneter hoch affiner Antikörper sowie an die Prozessierung und Auswertung der gewonnenen Daten. Um diese Aufgaben zu bewältigen, setzen wir moderne Methoden der Chemometrie zur Kalibrierung und Datenauswertung ein. Die automatische Kalibrierung mit Auswertung sowie die Datenerfassung der Messwerte erforderten die Entwicklung eines neuen Softwarepakets, welches zu einem Programm zur automatisierten Prozesskontrolle zusammengefasst wurde.
Mit den Ergebnissen aus dem Projekt AWACSS könnte nun ein Netzwerk aus automatisierten Sensorsystemen aufgebaut werden, das eine intelligente Datenbewertung für eine angemessene Reaktion auf Probenmatrizes und Analyte beinhaltet. Hierfür wurde bereits während der Projektlaufzeit ein internetbasiertes Datenbanksystem etabliert, über das eine ferngesteuerte Distribution der Analysenaufträge an die einzelnen Messstationen möglich ist.
Im Projekt AWACSS der Europäischen Union (Projekt: Automated Water Analyser Computer Supported System, Förderkennzeichen: EVK1-CT-2000-00045) wurde dieses Biosensorprinzip für die parallele Detektion an bis zu 32 Spots unter Einsatz eines intergiertoptischen Transducers mit einem neuen Mikrofluidiksystem weiterentwickelt. Dieser automatisierte Sensor (siehe Abbildung 2) ist dazu in der Lage, als Überwachungs- und Frühwarnsystem über einen längeren Zeitraum selbstständig zu arbeiten. Das System ist somit in der Lage, bis zu 32 Analyte in einer parallelen Bestimmung hoch sensitiv und extrem kostengünstig ohne Probenvorbereitung und Aufkonzentrierungen zu detektieren. Bisher ist der limitierende Faktor lediglich der Mangel an hoch affinen Antikörpern mit passenden Antigenderivaten zur Immobilisierung, dennoch ist auch heute schon eine parallele Detektion eine zweistelligen Analytzahl möglich.

III. Ergebnisse und Ausblick:

Die Wasseranalytik setzt bei der Bestimmung von hormonell wirksamen Stoffen im Trink- und Grundwasser hauptsächlich auf die Gaschromatographie gekoppelt mit Massenspektrometrie. Für die meisten Analyte wird dabei eine zeit- und kostenintensive Probenvorbereitung benötigt. Diese beinhaltet eine Aufkonzentrierung um den Faktor 1000 bis 10000, um detektierbare Konzentrationen zu erhalten. Oftmals muss auch eine Derivatisierung vorgenommen werden, damit dann am Schluss Bestimmungsgrenzen von ein bis fünf Nanogramm pro Liter (z.B. Estradiol, Ethinylestradiol, Estriol, Testosteron, Estron, Progesteron) mit Fehlern von 20 bis 50 % in der Konzentrationsbestimmung erreicht werden.

Zur Überwachung des Eintrags an endokrin wirksamen Substanzen in die Umwelt sollte ein Sensor dazu in der Lage sein, solche Stoffe z.B. im Ablauf von Kläranlagen und im Oberflächen-, Grund- und Trinkwasser nachzuweisen. Unsere Studien zeigen, dass es mit dem River Analyser - RIANA und dem neuen AWACSS-System möglich ist, die Estrogene Estron, Estradiol, Estriol und Ethinylestradiol im Abwasser sehr sensitiv nachzuweisen, die oben genannten Estrogene sowie Testosteron und Progesteron mit Nachweis- und Bestimmungsgrenzen im Bereich weniger Nanogramm pro Liter (0.1 bis 5.0 ng L-1) und viele weitere Substanzen (aus verschiedenen Substanzklassen) wie Bisphenol A, Atrazin, Isoproturon, Propanil, und sieben verschiedene Sulfonamide sehr sensitiv zu bestimmen (Nachweisgrenzen von 0.1 bis 10.0 ng L-1). Für fast alle Messungen mit dotierten und undotierten Wasserproben (künstliches Abwasser, Oberflächenwasser, Grundwasser und Trinkwasser) konnten Wiederfindungsraten zwischen 70 und 120 % erreicht werden. Das heißt, dass mit unseren Biosensoren die Fehler in der Konzentrationsbestimmung größtenteils im Bereich von maximal ± 20 % der tatsächlichen Konzentration lagen, wobei gänzlich auf Probenvorbereitungs- und Aufkonzentrierungsmaßnahmen verzichtet wurde. Ein typisches Ergebnis für Multianalytkalibrierungen ist am Beispiel von Propanil, Atrazin, Isoproturon, Sulfamethizol, Bisphenol A und Estron auf dem AWACSS-System in Abbildung 3 zu sehen.

Abbildung 3: Typisches Ergebnis einer simultanen Multianalytkalibrierung mit Propanil, Atrazin, Isoproturon, Sulfamethizol, Bisphenol A und Estron

Diese optischen Biosensoren haben sich also für den Nachweis von organischen Verunreinigungen in verschiedensten Wasser- und Gewässerarten bewährt. So ist der simultane Nachweis von verschiedenen Substanzklassen wie Pestiziden, Hormonen, Antibiotika und weitern endokrin wirksamen Substanzen erfolgreich implementiert worden. Dabei sind die Nachweisgrenzen meist vergleichbar oder sogar besser als mit klassischen Analysenmethoden, jedoch können die Ergebnisse innerhalb einer erheblich kürzeren Zeit ohne Probenvorbereitung erhalten werden. Damit verbunden ist auch ein erheblicher Kostenvorteil im Bereich der notwendigen Gerätschaften und des Personalaufwands. Nichtsdestotrotz sollen diese Biosensoren die klassischen Analysenverfahren nicht ersetzen, sondern vielmehr als ergänzende Screeningmethode zum Einsatz kommen, da durch deren Verwendung eine kostengünstige und extrem schnelle Probenkontrolle und somit Probenvorauswahl möglich ist.

Angesichts der in der Einleitung beschriebenen Problematiken, mit zunehmendem Interesse der Allgemeinheit, sollten die bestehenden Biosensorprobleme optimiert und in ihrem Analysenspektrum erweitert werden. Damit sie mit den steigenden Anforderungen an ein ferngesteuertes Gewässerüberwachungssystem Schritt halten können. Die Zukunft für diese Biosensorsysteme hängt sehr stark von ihrem Markpotenzial ab. Diesbezüglich ist es sehr interessant, dass gegen Ende des Jahres 2007 alle Mitgliedsstaaten der Europäischen Union einsatzbereite Gewässerüberwachungsprogramme definiert haben müssen.


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