DE10018433C2 - Sensorsystem zur Ermittlung der Schadstoffbelastung in Wasser, dieses umfassende Vorrichtung, Verfahren zu seiner Herstellung und seiner Verwendung - Google Patents
Sensorsystem zur Ermittlung der Schadstoffbelastung in Wasser, dieses umfassende Vorrichtung, Verfahren zu seiner Herstellung und seiner VerwendungInfo
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Description
Es gibt in der Limnologie und Meeresbiologie eine Reihe von
Methoden, um die Qualität von Wasser, insbesondere seine Be
lastung mit Schadstoffen, zu ermitteln. Neben physikalisch-che
mischen Methoden finden solche Anwendung, die sich den Einfluß
von Schadstoffen auf Indikatororganismen, wie einzellige Mikro
organismen (z. B. Pilze, Bakterien, Ciliaten, Algen) und/oder
mehrzellige Pflanzen (z. B. mehrzellige Algen oder Makrophyten),
Metazoen (z. B. Coelenteraten, Weichtiere, Insektenlarven, -
Krebse, Würmer oder Fische) und/oder Pilze, zunutze machen.
Die moderne Gewässergütebeurteilung hat vor allem die Aufgabe,
die biologische Indikation sinnvoll in eine umfassende chemisch-
biologische Bewertung des Wassers bzw. Gewässers einzubinden. Es
gibt hierfür eine Reihe von Ansätzen (vergl. z. B. Tremp et al.,
Acta Botanica Gallica 142, 541-50 (1995); Grasmück et al.,
Hydrobiologia 300/301, 115-22 (1995); oder Robach et al.,
Hydrobiologia 340, 67-76 (1996)).
Die Saprobie kennzeichnet die Biomasse und den Umsatz
heterotropher Organismen eines Gewässers, die Trophie Biomasse
und Umsatz autotropher Organismen. Dem Saprobiensystem (DIN
38410) als System von Indikatororganismen liegt das ökologische
Gesetz zugrunde, daß jeder Organismus nur dort (im Sinne einer
ökologischen Nische) dauerhaft leben kann, wo seine ökologische
Erwartung durch das ökologische Angebot in wesentlichen
Bereichen gedeckt wird. Eigentlich ist das Saprobiensystem
weniger ein Indikator- als vielmehr ein Toleranz-System. Ein
niedriger Saprobiewert (z. B. 1) bedeutet geringe Toleranz, ein
hoher Saprobiewert (z. B. 4) hohe Toleranz.
Das Cell-Monitoring-System (CMS®) ist ein Aufbau zur optischen
Beobachtung und physikochemischen Untersuchung tierischer bzw.
menschlicher Zell- und Gewebskulturen (siehe Fig. 1).
Cocconeis placentula (Ehrenberg) (zu den Diatomeen, Pennales,
Monoraphnidae, Achnanthaceae gehörig) ist eine Bewuchs (auch
"Aufwuchs", sog. "Pflanzenläuse") bildende, weit verbreitete und
häufige Kieselalge europäischer Gewässer, die vom Gebirge bis in
die Tiefebenen gefunden wird. Stark strömungsexponierte Orte in
fließenden und stehenden Gewässern werden von der Art gemieden,
leichte Strömungen dagegen bevorzugt. Die Art wird im
Saprobiensystem als Indikatorart für oligo- bis β-mesosaprobe
Gewässer (jedoch nur mit einem geringen Indikatorwert von 1)
verwendet. Sie bevorzugt alkalische Gewässer (pH < 7) und ist
auch in salzhaltigem Wasser zu finden.
Bekannt sind biomedizinische Meßeinrichtungen, in denen Zellen,
beispielsweise tierische Zellen oder Tumorzellen, in Kammern auf
Halbleitern, insbesondere Siliziumdioxid, direkt oder über
Modifikationen der Oberfläche des Siliziumdioxids (beispiels
weise mit Aluminiumoxid-Clustern, siehe z. B. EP 0 785 424 A1) durch
Adhäsion gebunden sind. Weitere entsprechende Kammern sind. z. B.
aus. DE 197 53 598 C1 bekannt. DE 42 18 937 A1 nennt Messeinrichtungen
zur Bestimmung der Formaldehydkonzentration in wässrigen Medien.
Die vorliegende Erfindung hat insbesondere die Aufgabe, ein
neues Indikatorsystem für die Wasserqualität, beispielsweise von
Gewässern, zur Verfügung zu stellen, welches in einfacher Weise
erlaubt, Veränderungen der Wasserqualität festzustellen.
Bei der Entwicklung und Erprobung derartiger Biosensoren
(Kombination eines biologischen Mikrosystems mit einem
physikalischen Transducer) hat sich gezeigt, daß nicht alle
Zelltypen bzw. Biokomponenten einen gleich guten Kontakt mit für
die Sensoren geeigneten Oberflächen herstellen können.
Es wurde nun überraschend gefunden, daß bei einem analogen
Aufbau wie dem CMS bei Beimpfung eines mit einem Kammeraufsatz
verwendeten Halbleiter-, ferner Kunststoff- oder Glaschips mit
Aufwuchsproben aus natürlichen Gewässern (marin, brackig oder
limnisch) nach beispielsweise 10 Tagen bei regelmäßigem
Medienwechsel oder leichtem Durchfluß (z. B. 1,2 µl/sec) und
rhytmischer oder permanenter Beleuchtung verschiedener Qualität
und Quantität eine Ansiedlung von Algen, insbesondere ein
Primärbewuchs von Cocconeis placentula (Ehrenberg), gefunden
wird, der sich den vorgegebenen Bedingungen angepasst hat und
somit für das jeweilige Wasser, insbesondere Gewässer, "opti
miert", d. h., an die darin vorherrschenden Bedingungen ange
passt, ist, und für längere Zeit stabil gehalten werden kann.
Wird z. B. ein derartig beschichtetes Substrat einem definierten
Pumprhytmus (beispielsweise von 5 min Durchfluß und 5 min By-
Pass-Fluß) ausgesetzt und der pH-Wert und der Sauerstoffgehalt
über und/ oder hinter dem Cocconeis-Primärbewuchs gemessen, so
gelingt es,
- a) bei Beleuchtung der Zellkammern die Photosyntheseleistung
der angesiedelten Algen (gemessen als O2-Gehalt des
Durchflußmediums) und die Atmungsaktivität (gemessen als pH-
Wert, basierend auf der chemischen Reaktion gemäss der
Summenformel
CO2 + H2O → H2CO3
und der Dissoziation von Kohlensäure in wässriger Lösung nach
H2O + H2CO3 H3O+ + HCO3 -
bzw. als O2-Konzentration [mg/ml] und/oder - b) bei Dauerdunkel in den Zellkammern die Atmungsaktivität (gemessen als O2-Gehalt und pH-Wert) zu ermitteln.
Bei Zugabe von Schadstoffen in das Durchflußmedium steigt bei
spielsweise die Atmungsaktivität von Cocconeis placentula
(Ehrenberg) an, d. h. der pH-Wert und Sauerstoffgehalt sinken,
sowohl in beleuchteten als auch in nichtbeleuchteten
Zellkammern. Allgemein wird bei Umweltveränderungen, die zu
Änderungen der Wasserqualität führen, die Atmungsaktivität des
Algenbewuchses stimuliert oder inhibiert, so daß durch mit
Wasser reagierendes CO2 eine Ansäuerung oder Abnahme der Acidität
beobachtet werden kann, und/oder eine Abnahme oder Zunahme des
Sauerstoffgehaltes.
Derartige Veränderungen des pH-Wertes und/oder Sauerstoff
gehaltes sind als Indikator für eine Belastung der Algen (Streß)
durch Stoffe oder Stoffgemische, wie Schadstoffe, im Wasser zu
verstehen. Somit stellt die Kombination von Algen, insbesondere
Cocconeis placentula, und einem Substrat (vorzugsweise einen
Halbleiterchip umfassend) einen geeigneten, zur Integration auch
mehrerer gleichzeitig vorliegender, schädigender Einflüsse befä
higenden Biosensor für Wasser-, insbesondere Gewässerveränderun
gen, beispielsweise -verschmutzungen, insbesondere für Abwei
chungen von der Durchschnittsbelastung des Wassers bzw. Gewäs
sers, dar.
Die Erfindung betrifft daher ein (biologisches) Sensorsystem für
die Ermittlung der Schadstoffbelastung in Wasser, welches eine
Kammer (9) umfasst, die mindestens eine Zu- und mindestens eine
Ableitung hat, wobei ein oder mehrere Sauerstoffsensoren (4
und/oder 11) und/oder ein oder mehrere pH-Sensoren (3 und/oder
13) vorliegen, und gewünschtenfalls weitere Sensoren (14
und/oder 15) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kammer ein Substrat (6), insbesondere einen Chip, umfasst,
welches mit Kieselalgen, vor allem Cocconeis placentula
(Ehrenberg) bewachsen ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines
Substrates für dieses Sensorsystems und dessen Verwendung, sowie
Vorrichtungen, die dieses Sensorsystem umfassen.
Zu den Vorteilen des erfindungsgemässen Sensorsystems zählt
insbesondere auch die Anpassbarkeit an bestimmte Gewässer (dort
vorkommende Algenarten werden als integrierendes Messsystem für
die Gewässerbelastung über Sauerstoffbildung/Verbrauch und. pH-
Wert verwendet). Der Einsatz eines flächendeckenden
Gewässergütemonitoring-Netzes auf Basis der erfindungsgemässen
Sensorsysteme ermöglicht, den Ist-Zustand der Qualität der
jeweiligen Gewässer zu dokumentieren und Verbesserungen und
Verschlechterungen kontinuierlich zu ermitteln und darzustellen.
Ein räumlich und zeitlich dichtes Netz an Messungen ermöglicht
nicht nur die Einhaltung gesetzlicher Grenzwerte, sondern
sichert zugleich beispielsweise die Ermittlung illegaler
Einleitungen und ermöglicht die Haftbarmachung ihrer
Verursacher. Weitere Vorteile des erfindungsgemässen
Sensorsystems bestehen im einfachen und kompakten Aufbau,
einfacher Handhabung und guter Automatisierbarkeit.
Die im Rahmen der Beschreibung der vorliegenden Erfindung
verwendeten allgemeinen Begriffe haben vorzugsweise die
nachfolgend genannten Bedeutungen:
Eine Kammer (9), die mindestens eine Zu- und eine Ableitung hat, ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Zellkultureinheit aufgebaut. Insbesondere handelt es sich um eine miniaturisierte Kammer. Sie umfasst das Substrat (6) für den Bewuchs mit Kieselalgen, vor allem Cocconeis placentula (Ehrenberg); in einer bevorzugten Ausführungsform umfasst sie mindestens eine transparente Apertur, die beispielsweise zur Beobachtung mit einem Mittel zur optischen Beobachtung (12), wie einem Mikroskop, oder zur Einleitung von Licht mittels einer Lichtquelle (z. B. zur gezielten Stimulation der Photosynthese) verwendet werden kann.
Eine Kammer (9), die mindestens eine Zu- und eine Ableitung hat, ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Zellkultureinheit aufgebaut. Insbesondere handelt es sich um eine miniaturisierte Kammer. Sie umfasst das Substrat (6) für den Bewuchs mit Kieselalgen, vor allem Cocconeis placentula (Ehrenberg); in einer bevorzugten Ausführungsform umfasst sie mindestens eine transparente Apertur, die beispielsweise zur Beobachtung mit einem Mittel zur optischen Beobachtung (12), wie einem Mikroskop, oder zur Einleitung von Licht mittels einer Lichtquelle (z. B. zur gezielten Stimulation der Photosynthese) verwendet werden kann.
Das Substrat (6) ist vorzugsweise ein Chip auf Halbleiter-, wie
Siliciumbasis, oder umfasst einen derartigen Chip; der Chip
beinhaltet in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
als pH-Sensor (13) direkt einen oder mehrere pH-messende ISFETs,
die direkt an der von den Kieselalgen bewachsenen Seite
vorliegen, und/oder eine oder mehrere Dünnschicht-
Sauerstoffelektroden als Sauerstoffsensoren (11), die direkt an
der von den Algen bewachsenen Seiten vorliegen - diese Sensoren
ermöglichen am Ort der Zellen die Messung des pH und/oder der
Sauerstoffkonzentration ("Mikroklima"). Alternativ können die
pH-Sensoren (3) und/oder die Sauerstoffsensoren (4) auch an
einer oder mehreren Ableitungen der Kammer (9) vorliegen, so daß
die Parameter des abfliessenden Materials gemessen werden, oder
es können sowohl am Ort des Kieselalgenbewuchses als auch an
einer oder mehreren Ableitungen der Kammer (9) pH- (3, 13) und
Sauerstoffsensoren (4, 11) vorliegen. Sämtliche Kombinationen
sind möglich, bei denen mindestens ein pH- oder ein
Sauerstoffsensor vorliegt. Das Substrat kann beliebige Formen
haben, vorzugsweise ist es planar.
Sauerstoffsensoren (4) können "klassisch", z. B. nach dem Prinzip
der Clarkschen Sauerstoffelektrode, aufgebaut sein, oder als
Mikroelektrode (O2-Mikroelektrode), beispielsweise als planare
Clark-Elektrode, oder vorzugsweise als Dünnschicht(= "Thin
Film")-Sauerstoffsensor (insbesondere im Fall eines
Sauerstoffsensors (11)) vorliegen.
pH-Sensoren (3) können ebenfalls klassisch aufgebaut sein,
beispielsweise in Form einer Glaselektrode vorliegen, oder
vorzugsweise als Halbleitermikrosensoren, insbesondere als pH-
sensitive ISFETs (Ion Sensitive Field Effect Transistors)
(insbesondere im Falle eines pH-Sensors (13)).
Bei ISFETs wird Selektivität durch Beschichtung des Gate-Iso
lators mit entsprechenden Materialien oder Membranen erreicht.
Weitere Sensoren (5, 14 und/oder 15) sind möglich,
beispielsweise für die Messung anderer Ionen (im Falle von 14),
die Temperaturmessung (im Falle von 15), die Messung von
organischen Substanzen (im Falle von 14), optische Messungen
(Fluoreszenz und/oder Extinktion) etc. Hierfür eignen sich
beispielsweise ISFETs, Zellpotential-FETs (FET =
feldelektrischer Transistor), Enzym-FETs (insbesondere zur
Messung organischer Komponenten), Temperatursensoren, IDES (In
terdigitated Electrode Structures, geeignet zur Messung der
Impedanz adhärent wachsender Zellen, z. B. zur Messung von
Änderungen der Form der Zellen oder deren Bewuchsdichte), etc.,
die alle für die Verwendung als Halbleitermikrosensoren geeignet
sind, sowie Photozellen und/oder Leuchtdioden.
Vorzugsweise liegen diese, wie auch die pH- und
Sauerstoffsensoren, in durch CMOS-Technologie erhaltener
Ausführung vor (CMOS = Complementary Metal Oxyde Semiconductor).
Mindestens eine Zu- und Ableitung bedeutet, daß die Kammer (9)
nicht dauerhaft geschlossen ist, sondern jeweils einen oder
mehrere Zu- und Abflüsse, beispielsweise in Form von Löchern,
die mit Röhrchen oder Schläuchen verbunden sind, haben, wobei
vorzugsweise insbesondere die Zuleitungen, gewünschtenfalls auch
die Ableitungen, über Ventile öffen- und schliessbar sind.
Kieselalgen sind insbesondere in natürlichen Gewässern
vorkommende Kieselalgen (entweder mehrere Arten oder
vorzugsweise Einzelarten), die in der Lage sind, einen Aufwuchs
(Periphyton) zu bilden. Besonders bevorzugt ist ein
ausschließlicher Bewuchs mit Cocconeis placentula (Ehrenberg).
Gewässer sind insbesondere natürliche oder künstliche Gewässer
mit beispielsweise limnischem, brackigem oder marinem Wasser,
beispielsweise aus fliessenden oder stehenden Gewässern, wie
Flüssen, Bächen, Seen, Teichen oder Brunnen; auch Leitungswasser
kann ferner gemeint sein.
Eine Vorrichtung, die das erfindungsgemässe Sensorsystem
umfasst, ist insbesondere eine komplette Messeinrichtung, welche
(i) ein oder mehrere erfindungsgemässes Sensorsysteme wie oben
oder unten beschrieben, die (ii) mit einer Versorgungs- und
Kontrolleinheit (7) (die als echte "Einheit" oder in Form einer
oder mehrerer über die Messeinrichtung verteilter Komponenten
vorliegen kann), welche insbesondere (a) eine Vorrichtung zur
(permanenten oder in Intervallen stattfindenden) Zuführung von
Gewässerproben, und (b) eine oder mehrere Pumpen und Ventile
umfasst - gewünschtenfalls auch (c) Testsubstanzen (beispiels
weise zur Eichung oder Kontrolle der Funktion des
Sensorsystems), (d) zur Verbesserung der Kulturbedingungen
geeignete Medien, (e) Kontrolleinheiten (optional) für ein den
Fluss über einen Bypass oder durch die Kammer (9) regulierendes
Ventil, falls ein Bypass vorhanden ist, (f) Kontrolleinheiten
(optional) für Mittel zur optischen Beobachtung, (g)
Kontrolleinheiten (optional) für Lichtquellen und/oder (h)
Mittel zur Kontrolle und Einstellung der Temperatur (optional,
aber wünschenswert); sowie (iii) mit einer Einheit zur
Stromversorgung (über ein Stromnetz, eine Batterie: oder
insbesondere über Solarzellen, Windkraft oder Wasserkraft) und
Signalprozessierung (1) verbunden sind; umfasst; und (iv) in
einer bevorzugten Ausführungsform auch eine (über Leitungen
und/oder beispielsweise Funk) angeschlossene Vorrichtung zur
Datenaufnahme und Auswertung (2) (beispielsweise einen Computer)
umfasst. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst
die entsprechende Vorrichtung zwei oder mehr Messsysteme mit den
vorstehend genannten Merkmalen (i), (ii) und (iii), die
gemeinsam (über Leitungen und/oder Funk) an eine (gemeinsame)
Vorrichtung zur Datenaufnahme und Auswertung (2) angeschlossen
sind und beispielsweise an verschiedenen Stellen eines Gewässers
in Abständen zueinander angeordnet sind.
Die Herstellung eines erfindungsgemässen Sensorsystems oder
einer erfindungsgemässen Vorrichtung gelingt insbesonders durch
ein Verfahren zur Herstellung des mit Kieselalgen bewachsenen
Substrats (6), worin man ein Substrat (6) mit aus einem Gewässer
(z. B. marin, limnisch oder brackig) gewonnenem Wasser, welches
im entsprechenden Wasser vorliegende Kieselalgen enthält, inku
biert, erfoderlichenfalls unter ausreichend häufigem
Medienwechsel, um eine schädliche Veränderung der Wasserqualität
zu verhindern, bis ein Kieselalgenbewuchs vorliegt, wobei das
Substrat vorzugsweise im ansonsten weitgehend oder ganz
fertiggestellten Sensorsystem oder der ansonsten
fertiggestellten Vorrichtung angeordnet ist, und
erforderlichenfalls das Sensorsystem oder die Vorrichtung
fertigstellt. Die Herstellung findet vorzugsweise direkt in der
für die Herstellung des erfindungsgemässen Sensorsystems
verwendeten Kammer (9) statt, wobei das zu verwendende Wasser
für ausreichende Zeit, z. B. mehrere Tage, wie 8 bis 12, z. B. 10
Tage, in Zeitintervallen oder permanent durch die Kammer gepumpt
wird, vorzugsweise unter leichtem Durchfluß, z. B. im Bereich von
1 bis 10 µl/sec, erforderlichenfalls unter rhythmischer oder
permantenter Beleuchtung, bis ein entsprechender, gleichmässig
bleibender Bewuchs stattgefunden hat. Die Herstellung kann
beispielsweise durch Ansiedlung der Kieselalgen direkt am Ort
des geplanten Einsatzes des Sensorsystems oder der Vorrichtung
unter Verwendung von Wasser aus dem dortigen Gewässer erfolgen.
Gewünschtenfalls kann eine im letzten Absatz beschriebene
Vorrichtung, aber auch ein erfindungsgemässes Sensorsystem, auch
(v) eine Lichtquelle (erforderlichenfalls ebenfalls durch die
Versorgungseinheit (7) zum Ein- und Ausschalten oder zur
Regulation der Helligkeit ansteuerbar); (vi) Mittel zur
optischen Beobachtung, beispielsweise eine Videokamera oder ein
Mikroskop oder Kombinationen hiervon, oder (vii) einen Bypass
(8), welcher eine temporäre oder andauernde Umleitung des
Versorgungsmediums um die Kammer (9) (die z. B. auch durch eine
andere Zellkultureinheit führen kann) ermöglicht; oder zwei oder
mehr dieser Merkmale (v), (vi) und (vii); umfassen.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Sensorsystems
oder einer Vorrichtung, wie vor- und nachstehend beschrieben,
zur Ermittlung der Wasserqualität, insbesondere von
Leitungswasser oder Wasser aus einem Gewässer, inbesondere zur
Ermittlung von Veränderungen der Wasserqualität, dadurch
gekennzeichnet, daß man mittels einer oder mehrerer pH- und/oder
Sauerstoffsensoren den pH-Wert und/oder die Sauer
stoffkonzentration des Mediums am Ort der Kieselalgen und/oder
nach Kontakt mit den Kieselalgen direkt an einer
Kieselalgenzelle (Sensoren in das Substrat integriert) und/oder
an einer Ableitung ausserhalb der Kammer (9) ermittelt und mit
vor- oder nachher gemessenen Werten vergleicht, wobei eine
Änderung der Messwerte Änderungen der Wasserqualität anzeigt.
Die vor- und nachstehend genannten allgemeinen Ausdrücke können,
soweit sinnvoll und zweckmässig, in bevorzugten Ausführungen
durch die nachfolgend genannten spezifischeren Definitionen
ersetzt werden; resultierende Ausführungsformen der Erfindung
sind dann bevorzugter Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Bevorzugt ist ein erfindungsgemässes Sensorsystem oder eine
erfindungsgemässe Vorrichtung, welche(s) als Sensoren nur ein
oder mehrere pH-Sensoren (3) ausserhalb der Kammer (9) oder
insbesondere pH-Sensoren (13) innerhalb der Kammer (9) und ein
oder mehrere Sauerstoffsensoren (4) ausserhalb der Kammer (9)
oder Sauerstoffsensoren (11) innerhalb der Kammer (9) umfasst,
sowie vorzugsweise zusätzlich einen Temperatursensor (15).
Stärker bevorzugt ist ein erfindungsgemässes Sensorsystem oder
eine erfindungsgemässe Vorrichtung, welche(s) als Sensoren nur
ein oder mehrere Sauerstoffsensoren (4) ausserhalb der Kammer
(9) oder insbesondere ein oder mehrere Sauerstoffsensoren (11)
innerhalb der Kammer (9) umfasst, sowie vorzugsweise zusätzlich
einen Temperatursensor (15).
Noch stärker bevorzugt ist ein erfindungsgemässes Sensorsystem
oder eine erfindungsgemässe Vorrichtung, welche(s) als Sensoren
nur ein oder mehrere pH-Sensoren ausserhalb der Kammer (9) oder
insbesondere ein oder mehrere pH-Sensoren innerhalb der Kammer
(9) umfasst, sowie vorzugsweise zusätzlich einen
Temperatursensor (15).
Bevorzugt ist auch ein erfindungsgemässes Sensorsystem oder eine
erfindungsgemässe Vorrichtung wie oben beschrieben, welche(s)
einen Bypass (8) umfasst (dieser ermöglicht es, Inkubationen in
der Messkammer vorzunehmen, die über eine längere Zeit laufen
können, ohne dass ein Mediumswechsel stattfindet, oder bei
Vorliegen von Sensoren außerhalb der Kammer (9) an deren
Ableitung den Vergleich der Messung mit oder ohne Kontakt mit
den Algen in der Kammer (9)).
Bevorzugt ist auch ein Sensorsystem oder eine Vorrichtung gemäss
der Erfindung wie oben beschrieben, welche(s) eine Lichtquelle
umfasst (diese ermöglicht insbesondere die Messung
photosynthetischer Prozesse).
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Sensorsystems
oder einer Vorrichtung (insbesondere der jeweils bevorzugten
Ausführungsvarianten) zur Ermittlung der Wasserqualität, ins
besondere von Leitungswasser oder Wasser aus einem Gewässer,
insbesondere zur Ermittlung von Veränderungen der Wasser
qualität, wobei man den pH-Wert und/oder der die Sauerstoff
konzentration am Ort der Kieselalgen und/oder nach Kontakt mit
den Kieselalgen (insbesondere an einer Ableitung der Kammer (9)
ermittelt, und gewünschtenfalls mittels weiterer Sensoren wei
tere Parameter misst, insbesondere um gegebenenfalls Änderungen
feststellen zu können, die eine Veränderung der Wasserqualität
anzeigen (oder die Konstanz der Wasserqualität zu untermauern).
Die Erfindung betrifft insbesondere die in den Beispielen
beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemässes Sensorsystem in einer erfin
dungsgemässen Vorrichtung. (1) Einheit zur Stromversorgung und
Signalprozessierung; (2) Vorrichtung zur Datenaufnahme und
Auswertung (hier als Computer gezeigt) (3) (hier als pH-
Mikroelektrode ausgebildeter) pH-Sensor; (4) Sauerstoffsensor;
(5) ein oder mehrere optionale weitere Sensoren (Immuno-, Enzym-,
Fluoreszenz- oder Extinktionssensoren, oder dergleichen); (6)
Substrat (hier gezeigt mit Bewuchs von Kieselalgen, insbesonder
von Cocconeis placentula (Ehrenberg)); (7) Versorgungs- und
Kontrolleinheit (enthält insbesondere Vorrichtung zur Zuführung
von Gewässerproben und ein oder mehrere Pumpen und Ventile, und
gewünschtenfalls Testsubstanzen, zur Verbesserung der
Kulturbedingungen geeignete Medien, Kontrolleinheiten für ein
Ventil zur Umleitung über einen Bypass (8), Kontrolleinheiten
für Mittel zur optischen Beobachtung und/oder Kontrolleinheiten
für Lichtquellen, Mittel zur optischen Beobachtung und/oder
Mittel zur Kontrolle und Einstellung der Temperatur); (8) Bypass
(oder andere Zellkultureinheit); (9) (hier als Zellkultureinheit
ausgebildete) Kammer; (10) Auffangbehälter; (11) hier als
Dünnschicht-Sauerstoffelektrode ausgebildeter) Sauerstoffsensor;
(12) (hier als Mikroskop ausgebildetes) Mittel zur optischen
Beobachtung (optional); (13) (hier als ISFET ausgebildeter) pH-
Sensor; (14) (hier als IDES (optional) und/oder als ISFET, z. B.
ionenselektiv ausser für H+ ausgebildete(r)) weitere(r)
Sensor(en); (15) Temperatursensor (optional).
Fig. 2 zeigt eine pH-Messung, die den Effekt von Tributylzinn
(TBT) demonstriert: (16) Zugabe von TBT; (17) Seewasserzugabe.
x-Achse: Zeit t (in sec), y-Achse: Spannung U (mV).
Die nachfolgend genannten Beispiele dienen der Illustration der
Erfindung, ohne ihren Umfang einschränken zu sollen:
Fig. 1 zeigt ein Beispiel für ein Sensorsystem als Bestandteil
einer Vorrichtung gemäss der Erfindung. Eine Einheit zur
Stromversorgung und Signalprozessierung (1), eine Vorrichtung
zur Datenaufnahme und Auswertung (2), im vorliegenden Fall ein
Computer, sowie eine Versorgungs- und Kontrolleinheit (7), die
eine Vorrichtung zur Zuführung von Gewässerproben, eine Pumpe
und gewünschtenfalls Testsubstanzen (wie TBT aus Beispiel 2)
sowie eine Kontrolleinheit für ein Ventil für einen Bypass (8),
und Mittel zur Kontrolle und Einstellung der Temperatur,
ermöglichen die Messung und Kontrolle des eigentlichen
Sensorsystems, welches hier folgende Komponenten umfasst: ein
oder mehrere pH-Sensoren (3) (hier als Mikroelektrode
ausgebildet) und ein oder mehrere Sauerstoffsensoren (4),
beispielsweise als Clarke-Elektrode, ermöglichen die Messung von
pH und Sauerstoffgehalt des Gesamtmediums entweder nach
Passieren der Kammer (9) mit Algenbewuchs oder (als Vergleich
und Basislinie) nach Passieren des Bypass (8). Zusätzliche
Sensoren (5) können weitere Parameter messen, z. B. mittels
Immun- oder Enzymsensoren. Das Mikroklima direkt an Zellen wird
über pH-Sensoren (13), welche als ISFET ausgebildet sind, und
über Sauerstoffelektroden (11), hier als Dünnschichtsauers
toffelektrode ausgebildet, gemessen, sowie gewünschtenfalls über
weitere Sensoren für Temperatur (n), andere Ionen und
organische Substanzen sowie die Impedanz der Zellen (14). Eine
transparente Apertur der Kammer (9) ermöglicht die optische
Beobachtung des Algenbewuchses mittels eines Mikroskopes (12).
Die Kammer (9) enthält das Substrat (6), welches als
Halbleitermikrochip ausgebildet ist, der die Sensoren (11),
(13), (14) und (15) sowie die transparente Apertur enthält, und
mit Cocconeis placentula (Ehrenberg) bewachsen ist.
Fig. 2 zeigt die Änderung des pH-Wertes innerhalb eines
erfindungsgemässen Sensorsystems. Gemessen wird das Mikroklima
mittels eines ISFET-pH-Sensors (in Fig. 1 unter (13) fallend).
Zugabe von Tributylzinn (TBT), einem z. T. noch zum Schutz von
Schiffrümpfen verwendeten Schutzmittel, das insbesondere Fäulnis
verhindert, in einer Konzentration von 1 µg/l des zu
untersuchenden Wassers ergibt eine Steigerung der gemessenen
Spannung U in mV, welche reversibel ist nach Entfernen des TBT.
Die Steigerung der Spannung entspricht einer Ansäuerung durch
vermehrtes mit Wasser reagierendes CO2 als Folge vermehrter
Atmung des Probeorganismus, Cocconeis placentula (Ehrenberg).
Claims (8)
1. Sensorsystem zur Ermittlung der Schadstoffbelastung in
Wasser, welches eine Kammer (9) umfasst, die mindestens eine Zu-
und mindestens eine Ableitung hat, wobei ein oder mehrere
Sauerstoffsensoren (4 und/oder 11) und/oder ein oder mehrere pH-
Sensoren (3 und/oder 13) vorliegen, und gewünschtenfalls weitere
Sensoren (14 und/oder 15) vorhanden sind, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kammer ein Substrat (6) umfasst, welches
mit Kieselalgen bewachsen ist, wobei dieses Substrat dadurch
erhältlich ist, dass man es mit aus einem Gewässer gewonnenem
Wasser, welches im entsprechenden Wasser vorliegende Algen
enthält, inkubiert, bis ein Kieselalgenbewuchs vorliegt.
2. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
ein oder mehrere weitere Temperatursensoren (15) und
gewünschtenfalls weitere Sensoren vorhanden sind.
3. Sensorsystem gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass als Kieselalge Cocconeis placentula
(Ehrenberg) vorliegt.
4. Sensorsystem gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass das Substrat (6) einen Halbleiterchip
umfasst oder als Halbleiterchip ausgebildet ist.
5. Sensorsystem gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass das Substrat einen Halbleiterchip umfasst
oder als Halbleiterchip ausgebildet ist, wobei der
Halbleiterchip als pH-Sensor (13) einen oder mehrere pH-messende
ISFETs und/oder eine oder mehrere Dünnschicht-
Sauerstoffelektroden als Sauerstoffsensoren (11) beinhaltet, die
direkt an der von den Kieselalgen bewachsenen Seite vorliegen.
6. Vorrichtung, umfassend ein oder mehrere Sensorsysteme gemäss
einem der Ansprüche 1 bis 5, welche jeweils mit einer
Versorgungs- und Kontrolleinheit (7), mit einer Einheit zur
Stromversorgung und Signalprozessierung (1) verbunden sind.
7. Verfahren zur Herstellung des mit Kieselalgen bewachsenen
Substrats (6) für ein Sensorsystem gemäss einem der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Substrat (6) mit aus
einem Gewässer gewonnenem Wasser, welches im entsprechenden
Wasser vorliegende Algen enthält, inkubiert, erforderlichenfalls
unter ausreichend häufigem Medienwechsel, um eine schädliche
Veränderung der Wasserqualität zu verhindern, bis ein
Kieselalgenbewuchs vorliegt.
8. Verwendung eines Sensorsystems gemäss einem der Ansprüche 1
bis 5 oder einer Vorrichtung gemäss Anspruch 6 zur Ermittlung
der Wasserqualität von Leitungswasser oder Wasser aus einem
Gewässer, wobei man den pH-Wert und/oder der die
Sauerstoffkonzentration am Ort der Algen und/oder nach Kontakt
mit den Algen ermittelt, um gegebenenfalls Änderungen
feststellen zu können, die eine Veränderung der Wasserqualität
anzeigen.
Priority Applications (1)
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|---|---|
| DE (1) | DE10018433C2 (de) |
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| CN104197983A (zh) * | 2014-03-18 | 2014-12-10 | 王雅娜 | 水体蓝藻爆发预警的生态修复监测系统 |
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|---|---|
| DE10018433A1 (de) | 2001-10-25 |
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