DD142823A3

DD142823A3 - Verfahren und vorrichtung zur automatischen analyse der umweltbelastung von luft,trink-,brauch-und abwasser

Info

Publication number: DD142823A3
Application number: DD77198088A
Authority: DD
Inventors: Heinz Boehm; Werner Kochmann
Original assignee: Heinz Boehm; Werner Kochmann
Priority date: 1977-03-28
Filing date: 1977-03-28
Publication date: 1980-07-16
Also published as: BG33244A1; IT1095952B; JPS53131897A; IT7821668A0; GB1543904A; CS194060B1; HU176935B; FR2386037A1; DE2751467A1; PL205556A1

Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Analyse der Umweltbelastung von Luft, Trink-, Brauch- und Abwasser. Erfindungsgemäß werden dazu synchrone Flüssigkeitskulturen coccaler Algen (Grün- und Blaualgen) verwendet, die in Testfermentern mit umweltbelasteter Luft oder Wasser konfrontiert werden. Die sich im Vergleich zu Kontrollkulturen ergebenden Unterschiede hninsichtlich Zellwachstum, Zellentwicklung und Zellvermehrung werden automatisch gemessen und registriert.

Description

1980

VEB CHEMIEKOMBINAT BITT3RE3LD Bitterfeld, 5. Juli 1977'

185-1

Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Analyse der Umweltbelastung von Luft, Trink-, Brauch- und Abwasser

Anwendungsgebiet der Erfindung;

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Analyse der vorzugsweise gegen pflanzliche Organismen wirkenden Umweltbelastung von luft, Trink-, Brauch- und Abwasser.

Charakteristik der bekannten.technischen lösungen

Es ist bekannt, daß die für die Existenz von Mensch,. Tier und Pflanze lebensnotwendigen Medien Luft und Wasser im Prozeß der wachsenden Industrialisierung und des raschen Anstiegs der Besiede lungsdicnte in zunehmendem Maße mit fremdstoffen vielfältiger Art belastet werden. Die Konzentration der - soweit bekannt - schädlichsten Fremdstoffe wird kontinuierlich oder diskontinuierlich mit geeigneten Meßgeräten oder Komplexen solcher Geräte automatisch oder manuell überwacht. Daö gilt für Luft, Trink-, Brauch- und Abwasser gleichermaßen.

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Bs ist bekannt, die toxische Wirkung von Flüssigkeiten auf höhere Tiere und auf den Menschen an der giftbedingten Schädigung von Mikroorganismen zu messen. Dabei wird der Einfluß auf die Atmungsaktivität der Mikroorganismen untersucht (DS-OS 2 155 060). Die phytοaktive Umweltbelastung kann hierbei aber nicht erfaßt werden.

Es ist auch bekannt, einzelne chemische Substanzen mit einzelligen Grünalgen in Kontakt zu bringen und aus deren Wachstum und/oder Vermehrung auf deren biochemische Wirksamkeit zu- schließen (DD-PS 94 234). Die komplexe phytoaktive Umweltbelastung etwa von Abwässern ist'so jedoch nicht meßbar.

Die komplexen Auswirkungen aller an der Umweltbelastung beteiligten stofflichen Komponenten als Funktionseinheit auf Lebensprozesse können nur mit Hilfe von Lebewesen analysiert werden.

Pflanzliche Lebewesen, die ja als autotrophe Organismengruppe entscheidenden Anteil an der Erhaltung des biologischen Gleichgewichts haben, sind im allgemeinen wegen ihrer relativ langsamen Reproduktion, der in gemäßigten Breiten sehr ausgedehnten physiologischen Stagnationsperioden und ihres nur mit großem Aufwand stabilisierbaren Bedingungsgefüges als Testorganismen mit aktueller Aussagefähigkeit nur bedingt geeignet. Deshalb gibt es bis zum gegenwärtigen . Zeitpunkt noch kein automatisch arbeitendes Verfahren zur schnellen Erfassung solcher Umweltbelastungen von Luft, Trink-, Brauch- und Abwasser, die die Lebensprozesse pflanzlicher Organismen, der entscheidenden Garanten für die Umwelt-.Stabilität, mehr oder minder tiefgreifend beeinflussen.

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Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung, um einen komplexen Test der gesamten, die pflanzlichen Lebensprozesse beeinflussenden Umweltbelastung zu ermöglichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung ' '

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man als Indikator an sich bekannte entwicklungssynchrone Zellsuspension autotroph kultivierter coccaler Algen in Testfermentern mit umweltbelasteter Luft oder Wasser konfrontiert, mit entwicklungssynchroner Zellsuspension vergleicht, die in Norm-Testfermentern mit Normluft beziehungsweise Normwasser versorgt wird und die sich ergebenden Unterschiede hinsichtlich Zeil- ' wachstum, Zellentwicklung und Zellvermehrung automatisch in an sich bekannter Weise mißt und registriert.

Als Testmaterial können alle synchronisierbaren Gattungen, Arten, und Stämme coccaler Grün- und/oder Blaualgen verwendet werden. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Lichtfermenter mit stationärer Belichtungseinrichtung und aus bis zu 16 Testfermentern, die von einem Lichtkarussell umgeben sind.

Ein automatisch arbeitender thermostatisierter Lichtfermenter unter reproduzierbaren Kulturbedingungen produziert mit Hilfe anorganischer Nährlösung, die von CCU-haltiger Luft durchströmt wird, in einem stammspezifischen Licht/Dunkelregime nach einmaliger Inokulation während eines Monats täglich eine definierte Menge Zellsuspension einheitlicher optischer Dichte, und diese Suspension wird zur Inokulation der Testfermenter und zur Reproduktion der Stammkultur bei gleichzeitiger Verdünnung mit frischem Nährmedium verwendet. Dieser Verdünnungsprozeß wird mit Hilfe einer elektronischen Steuerung so organisiert, daß vor jeder Neubeschickung des Lichtfermenters und der Testfermenter eine gründliche Selbstreinigung der Gefäß-, Schlauch- und Ventilsysteme erfolgt. Während der Lichtfermenter eine stationäre Belichtungseinrichtung besitzt, werden die

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Testfermenter von einem Lichtkarussell umgeben, das durch seine Drehbewegung 'jedem Fermenter den gleichen Lichtanteil sichert. Zusammen mit den übrigen Bedingungen - gleiche Nährlösung, gleiches Inokulum, gleiche Temperatur, gleiche Gefäßmaterialien und -diine ns ionen, gleiche Zeitabläufe '- entsteht so ein für alle Testfermenter einheitliches Bedingungsgefüge als Voraussetzung für einheitliche Wachstums- und Vermehrungsleistungen der Testorganismen. Wachstums- beziehungsweise Vermehrungsdifferenzen sind ausschließlich auf Qualitätsdifferenzen in der den einzelnen Testfermentern zugeführten Testluft beziehungsweise bei Belüftung mit einheitlichem Gasgemisch auf die Unterschiede in den zu testenden Wasserproben zurückzuführen.

Diese Unterschiede lass.en sich im Vergleich zu Norm-Testfermentern - versorgt mit Normluft beziehungsweise Nbrmwasser -quantifizieren und in automatisch abgerufenen und automatisch aufgezeichneten Meßdaten speichern beziehungsweise bei Überschreitung wählbarer Schwellenwerte in Signale umwandeln. Dabei . ist es von Bedeutung, daß eine echte, auf Kernteilungsprozesse bezogene Entwicklungssynchronisation unter diesen Testbedingungen nur bei einigen Species autotroph kultivierter einzelliger coccaler Algen durch artspezifischen Wechsel von Licht- und Dunkelperioden möglich ist. Bei heterotrophen Testorganismen ist dies - auch wenn es sich um heterotroph kultivierte einzellige Grünalgen handelt - nicht realisierbar. . ·

Auf diese Weise können Pflanzenwachstum und -entwicklung gefährdende Emissionen in den Luftraum beziehungsweise phytoeffektive Bestandteile beliebiger Yfässerarten innerhalb von Stunden sicher erfaßt werden, so daß entsprechende Gegenmaßnahmen noch rechtzeitig vor jedweden Auswirkungen auf Kulturpflanzen und Wildpflanzen unserer Urnwelt möglich sind.

Ausführunp:sbeispiele .

Das erfindungsgemäße Verfahren und die dazu erforderliche Vorrichtung sollen anhand der Zeichnung in den nachstehenden Beispielen näher erläutert werden.

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Beispiel 1:

Die Erfindung basiert auf einer Vorrichtung, die aus einem Lichtfermenter 6 und bis zu 16 Testfermentern 22, 59 besteht, Während diese Testfermenter 22, 59 von einem Lichtkarussell .68 umgeben sind, dessen innerer und äußerer Lichtring 23, 61 für eine gleichmäßige Belichtung aller Testfermenter 22, 59 sorgt, verfügt der Lichtfermenter 6 über eine stationäre Belichtungseinrichtung aus Leuchtstofflampen 43. Lichtfermenter 6 und alle Testfermenter 22, 59 werden mit Hilfe eines Thermostaten-Verbundsystems, in das alle Temperiermäntel 45 und 60 einbezogen sind, einheitlich temperiert. Ebenfalls einheitlich ist · die Versorgung aller Fermenter mit Nährlösung, die aus dem gekühlten Nährlösungsdepot 7 durch die Nährlösungspumpe 3 und die Leitungssysteme 2, 9, 54 zugeführt wird. Alle Entleerungs-, Spül- und Füllvorgänge werden durch eine elektronische Steuerung 44 der Magnetventile 4, 11, 26, 37, 41, 46, 47, 50 automatisch realisiert. Das Analysiersystem der Testfermenter 22, 59 besteht aus einer elektronischen Steuerung 19, die über eine Steuerleitung 18 mit einem Vielfachumschalter 16 verbunden ist, der programmgerecht Testsuspension aus allen Fermentern 22, 59 über die jeweiligen Saugleitungen 17 und die Zweiwege-Magnetventile 53 dem Analysator 15 zuführt. Von dort werden die Ergebnisse mittels Steuerleitung zum Vielfarbenschreiber 12 übertragen und dort graphisch fixiert.

Beispiel 2:

Zu Beginn einer Arbeitsperiode wird dem Lichtfermenter 6 und den Testfermentern 22, 59 aus dem gekühlten Nährlösungsdepot 7 entsprechend dem Programm der elektronischen Steuerung 44 über die Saugleitung"3, das Zweiwege-Magnetventil 4, -die Nährlösungspumpe 3 und die Druckleitungen 2, 9, 40 und 54 eine einheitliche Nährlösung zugeführt, in den Fermentern durch Niveauregler 8 und die entsprechenden Magnetventile 11 dosiert und mit Hilfe der Temperiermäntel 45, 60 des Thermostaten-

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Verbundsystems optimal temperiert. Erst dann injiziert der Dosierer 38 über das Magnetventil 41 und den Einlauf 42 das Inokulum für den Lichtfermenter 6, wahrend die Testfermenter 22, 59 den ersten Zyklus mit reiner Nährlösung durchlaufen. Über das Zweiwege-Magnetventil 37 und die Saug-!Druckleitung 39 des Dosierers 38 strömt eine definierte Menge Hormluft, die mit 2 °h CCL angereichert ist, in den gefüllten Lichtferment er 6 und sichert dort hinreichende Turbulenz, Versorgung der suspendierten Algenzellen mit Kohlendioxyd und Abtransport des von der Zellsuspension produzierten Sauerstoffs. Gleichzeitig wird über die Leuchtstofflampen 43 intensiv belichtet, so daß die Autosporen des Inokulunrs in einer stamm- und bedingungsspezifischen Zeitspanne zu Mutterzellen heranwachsen,' Ist dieses Stadium erreicht, wird die Beleuchtung des Lichtfermenters 6 automatisch abgeschaltet und nur · noch mit Normluft ohne zusätzliches CO₂ begast, bis die Mutterzellen ihre Autosporen quantitativ freigegeben haben. Die Zeitspanne bis zur quantitativen Autosporenfreisetzung ist wiederum stamm- und bedingungsspezifisch und in das Programm der elektronischen Steuerung eingearbeitet. Nach Abschluß der Dunkelzeit setzt programmgerecht ein komplexer Entleerungs-, Eeinigungs- und Verdünnungsprozeß ein, der den Inhalt des Lichtfermenters 6 und der Testfermenter 22, 59 so erneuert, daß zum nächsten Verdünnungszeitpunkt eine Suspensionskultur gleichbleibender Qualität zur Verfügung steht beziehungsweise die Te staufgaben stets unter reproduzierbaren Bedingungen absolviert v/erden können, . .

Zunächst werden alle !Fermenter der Vorrichtung quantitativ über die Magnetventile 46 und 26 entleert, vrobei über die Saug-Druckleitung 39 mit Hilfe eines über das Magnetventil .und die Saugleitung 1 angelegten Unterdrucks der Dosierer 38 bei geschlossenem Magnetventil 41 mit Autosporensuspension aus dem Lichtfermenter 6 bis zu seiner Eichmarke gefüllt wird.

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Das Inokulum der Testfermenter 22, 59 wird über den Auslaufstutzen 10, das Magnetventil 46 und den Verteiler 13 den Dosierern 48 zugeführt, die durch die Magnetventile 50 zu dieser Zeit unten geschlossen sind, überschüssige Suspension fließt an der Eichmarke dieser Dosierer durch öffnungen zur Kanalisation ab. Das in den Dosierern 38 und 48 deponierte Inokulum für Lichtfermenter 6 und Testfermenter 59 gestattet eine automatische Reinigung aller Fermenter und eine anschließende Maßfüllung mit eiskalter Nährlösung. Als Reinigungsflüssigkeit dient in jedem Falle Nährlösung, die auf dem schon vorgestellten Y/ege in die Ferment er gepumpt wird und ' über die Magnetventile 47 und 26 quantitativ abfließt. Nach kurzer Zeit werden diese Ventile geschlossen. Dann füllen sich die Fermenter mit eiskalter Nährlösung bis in Höhe des Niveaureglers 8. überschüssiges Medium wird über das Magnetventil 11 abgeführt. Hat sich das Nährmedium mit Hilfe der Temperiermäntel 45 und 60 des Thermostaten-Verbundsystems hinreichend erwärmt, werden die Dosierer 38 und 48 über die Magnetventile 41 und 50 und die Einkäufe 42 und 51 in die Fermenter entleert. Der Dosierer 38 wird danach durch einen Saug-Druck-Mechanismus mit frisch verdünnter Suspension des Lichtfermenters gespült. Die Dosierer 50 werden über das Magnetventil 46 durch kurze Suspensionsschübe aus dem Lichtferment er oder durch Spülung mit Nährlösung gereinigt.

Die mit frischem Nährmedium versehenen, temperierten und inokulierten Fermenter werden dann belichtet und belüftet, so · daß alle notwendigen Bedingungen für das Wachstum der Kulturen und damit für die periodische Reproduktion des gesamten Systems beziehungsweise für die Erfüllung beliebiger Testaufgaben gegeben sind. ·

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Beispiel 3:

Ist der automatische Test von Luft verschiedener Umweltbereiche vorgesehen, so wird folgendermaßen verfahren:

- Der Lichtfermenter 6 wird - wie -immer. - mit Normluft begast, die 2 % Kohlendioxyd enthält. Der Fermenter absolviert den programmierten Licht-Dunkel-Wechsel,

- Die Testfermenter - automatisch entsprechend Beispiel 2 vorbereitet - werden einzeln oder in Gruppen an entsprechende Testluftkanäle angeschlossen, durch die Te stluft aus dem jeweiligen Umweltbereich über Pumpen mit konstantem Druck herangeführt wird. Die Testluft wird über die Magnetventile 53 und die Gaseinleitungsrohre 58 in konstanter Menge in die TestSuspension geblasen und vermischt sich innig mit ihr.

- Je nach phytoeffektivem Schadstoffgehalt wirkt sich die Test luft, der in der Regel kein zusätzliches COp beigemischt wird, hemmend, fördernd oder tolerierend auf das Zellwachstum aus beziehungsweise beeinflußt mehr oder weniger die Zellentwicklung.

- Über das Zweiwege system der Magnetventile 53 kann nach Pro-" gramm der elektronischen Steuerung durch die Saugleitungen und den Vielfachumschalter 16 Suspension aus jedem Testfermenter in beliebiger Reihenfolge und in wählbaren Abständen dem Analysator 15 zugeführt werden,

- Der Analysator führt Absorptions- beziehungsweise Trübungsmessungen in beliebigen Wellenlängenbereichen des sichtbaren Lichts durch und übermittelt die Ergebnisse an einen Vielfarbenschreiber 12, der sie graphisch für jeden Testfermenter gesondert fixiert.

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- Als Vergleichsbasis für alle mit Testluft beschickten Testfermenter 22, 59 dienen ein oder mehrere Testfermenter, die - ebenso wie der Lichtfermenter - mit Eormluft versorgt werden, die jedoch kein zusätzliches CÜ_? enthält.

- Die ersten Testergebnisse stehen bereits nach wenigen Stunden zur Verfügung. Jeder Test ist innerhalb von 24 Stunden abgeschlossen und kann automatisch bis zu einer Gesamtzeit von 30 Tagen v/artungsfrei repitiert werden.

- Nach 30 Tagen sind alle Fermenter 6, 22 und 59 gegen ge- reinigte auszutauschen. Das Nährlösungsdepot ist zu füllen, das Funktionieren der Magnetventile und des Entleerungs-, Reinigungs- und Verdünnungsprozesses ist zu prüfen. Treten keine Funktionsstörungen auf, so ist die Regeneration der gesamten Vorrichtung in zwei Stunden abgeschlossen. Die Tests können dann für weitere 30 Tage automatisch und wartungsfrei absolviert werden.

Beispiel 4:

Sollen Proben von Trink-, Brauch- oder Abwasser analysiert werden, nimmt die automatische Analyse folgenden Verlauf:

- Der Lichtfermenter 6 wird - ebenso wie alle Testfermenter 22, 59 mit Luft des Gerätestandortes begast. Während der Luftstrom für aen Lichtfermenter - wie immer - mit 2 ^cfo CO₂ gemischt wird, können die Testfermenter mit oder ohne zu- · sätzlichen CO₂-Anteil gefahren werden.

- Die Mhrlösungsversorgung des Lichtfermenters erfolgt wie im Beispiel 2. Die Testfermenter dagegen werden mit Hilfe der Dosierer 48 mit einem Nährlösungskonzentrat versorgt, dessen Zuführung über eine zweite Pumpe 3 aus einem zweiten gekühlten Depot 7 erfolgt. Vorher v/erden die Testfermenter nach Spülung bis zu einem wählbaren Niveau mit dem zu testen-

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den Wasser gefüllt, dem dann das Tiährlösungskonzentrat zugemiseht wird. Für die Wasserzuführung kann ein automatisches Wasserprobenentnahmegerät des VEB Kombinat Technisches Glas Ilmenau genutzt werden. ' ·

In gleicher Weise wie im Seispiel 2 v/erden nach Temperierung die Testfermenter 22, 59 mit dem Produkt des Lichtfermenters 6 inokuliert, der sich in diesem Prozeß wiederum selbst regeneriert.

Die Analyse der Einflüsse der zu testenden Wasserproben auf das Zellwachstum und' die Zellentwicklung erfolgt - wie bereits im Beispiel 3 beschrieben - automatisch über den Analysator 15. Die Ergebnisse werden für jede Kulturröhre gesondert vom Vielfarbenschreiber erfaßt und graphisch dargestellt,

Claims

-ΙΊ- Erfindungsanspruch I85I.

1. Verfahren zur automatischen Analyse der phytoaktiven Umweltbelastung von Luft, Trink-, Brauch- und Abwasser, gekennzeichnet dadurch, daß man als Indikator an sich bekannte entwicklungssynchrone Zellsuspension autotroph kultivierter coccaler Algen in Testfermentern mit umweltbelasteter Luft oder Wasser konfrontiert, mit entwicklungs-' synchroner Zellsuspension vergleicht, die in Norm-Testfe'rmenteru mit Normluft beziehungsweise Hormwasser versorgt wird und die sich ergebenden Unterschiede hinsichtlich Zellwachstum, Zellentwicklung und Zellvermehrung automatisch in an sich bekannter Weise mißt und -registriert.

2« Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Testmaterial alle synchronisierbaren Gattungen, Arten und Stämme suspendierbarer coccaler Grün- oder Blaualgen verwendet werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß sie aus einem Lichtfermenter mit stationärer Belichtungseinrichtung und bis zu 16 Testfermentern besteht, die von einem Lichtkarussell umgeben sind.

Hierzu 1 Seite Zeichnung