UFZ-Newsletter Oktober 2016

4 UFZ-Newsletter | Oktober 2016 Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ Die Wasserhygiene online überwachen Stößt das EDIT-System auf problematische Erreger, erstellt es eine automatische Warnung, die beispielsweise via SMS an den zuständigen Wassermeister verschickt werden kann. Auch eine App für Smartpho- ne und Tablet wurde im Projekt entwickelt. Alle Parameter, die während der Untersu- chung erhoben werden, lassen sich direkt in ein Online-Portal einspeisen, mit dem Wasserversorger einen Überblick über die Qualität ihres Trinkwassers erhalten. Dazu haben EDIT-Teamkollegen des Fraunhofer- Instituts für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung in Ilmenau ein Ampelsystem entwickelt, mit dem die Betreiber schnell sehen können, ob alles in Ordnung ist: Ein grünes Signal bedeutet, dass keine Erreger nachgewiesen werden konnten. Rot bedeutet, es gibt einen positiven mikrobiolo- gischen Befund. Ein gelbes Signal zeigt eine Pathogene im Wasser um einen Faktor von bis zu einer Millionen erhöhen“, so Karthe. Schritt 3: Bevor die mittlerweile nur noch wenige Mikroliter umfassende Flüssigkeit auf verschiedene Bakterien und Viren über- prüft werden kann, ist ein weiterer Schritt notwendig: „Wir müssen unterscheiden, ob die möglichen Erreger im Wasser tot oder lebendig sind“, erklärt Daniel Karthe. „Wenn die Erreger bereits tot sind – etwa durch Erhitzen, Chloren oder UV-Sterilisierung bei der regulären Trinkwasseraufbereitung –, ist ein Nachweis überflüssig.“ Um die lebendi- gen von den toten Erregern zu unterschei- den, wird der konzentrierten Flüssigkeit der Farbstoff Propidium Monoazid (PMA) zuge- geben. Da sich der rote Farbstoff nur an den Nukleinsäuren beschädigter Zellen anlagert, können tote Zellen so sichtbar gemacht und für die nächsten Untersuchungsschritte aussortiert werden. Schritt 4: Jetzt beginnt der eigentliche Nachweis einer eventuellen mikrobiologi- schen Verunreinigung. Zunächst werden die DNA- oder RNA-Stränge der lebenden Zellen in der Probe durch eine Polymerase- Kettenreaktion oder isotherme DNA-Amp- lifikation vervielfältigt. Danach werden die verschiedenen Bakterien und Viren auf einer Mikroarray-Analyseplattform simultan und schnell identifiziert. Die Schritte 2, 3 und 4 – von der finalen Aufbereitung der Proben, über die Lebend- Tot-Unterscheidung bis hin zum Nachweis der Erreger – finden im „Lab-on-Chip“-Sys tem sowie der Analyseplattform „MCR 3“ statt. Diese beiden kompakten Geräte kön - nen auf kleinem Raum die wesentlichen Aufgaben eines wasserhygienischen Labors übernehmen. Störung oder unplausible Ergebnisse im System an. „Wenn etwa eine Pumpe nicht richtig funktioniert, zu viel oder zu wenig Wasser an der Anlage ankommt, kann es zu falschen positiven oder negativen Befunden kommen“, so Karthe. Das EDIT-System prüft dabei nicht nur auf die drei in der Trinkwasserverordnung vor- geschriebenen Erreger, sondern zusätzlich auf drei weitere Bakterien, drei Virengattun- gen und zwei Bakteriophagen. Letztere wer- den dem Wasser absichtlich hinzugefügt. „Die Phagen sind nicht krankheitserregend für den Menschen, sie dienen lediglich als Kontrollorganismus für unser System“, erklärt Karthe. Der gesamte Vorgang – von der ersten Ankonzentration bis zu den Ergebnissen – dauert knapp fünf Stunden. Zur Erinnerung: Die klassischen Kultivierungs-Verfahren be- nötigen mindestens 18 Stunden; in einigen END- NUTZER WASSER- WERK Prozess- leitsystem Wasser- probe SIMS mit OPC 120 min 1ml 1ml 20 l CUF Kontinuierliche Probenahme 45 min Rohwasser- BigMAF + Zentri- fugation Trinkwasser CUF + MAF 1m³ 60 min Detektion auf MCR3 Multiplex- Amplifikation: PCR bzw. isoAmp „Free flow“ Elektrophorese Anreicherung am Gel Lebend/Tot-Modul Thermo-Elektrische Lyse Aufreinigung Gel-Elektrophorese Mikrokonzentrierung Lab on chip System Ablaufschema des Hygiene- Online-Monitoring CUF: Cross-Flow-Ultrafiltration MAF: Monolithische Affinitätsfiltration PCR: Polymerase-Kettenreaktion isoAmp: isotherme Amplifikation MCR3: Munich Chip Reader 3 SIMS: systemtechnisch integrierbares System OPC: OLE for Process Control (standardisierte Software-Schnittstelle) Schritt 1: Makrokonzentrierung Schritte 2 und 3: Mikrokonzentrierung und Extraktion Schritt 4: Detektions- und Warnsystem 5 µl 15 min 5 min 30 min 20 min CUF Cross Flow Ultrafiltration MAF Monolithische Affinitätsfiltration PCR Polymerase-Kettenreaktion isoAmp isotherme Amplifikation MCR3 Munich Chip Reader 3 SIMS systemtechnisch integrierbares System OPC standardisierte Software-Schnittstelle zur Prozesskontrolle Workflow des Hygiene-Online-Monitorings. Es bietet die Möglichkeit, Trink- und Rohwasser kontinuierlich zu überwachen und Krankheits- erreger in nur fünf Stunden zu erkennen. „Lab-on-Chip“-Gesamtsystem zur Mikrokonzentrierung und Extraktion der Erreger aus dem Probenkonzentrat (Schritte 2 und 3 im Workflow). Der Chip (siehe Pfeil), etwa so groß wie eine Euromünze, bildet das Herzstück der Einheit. (Foto: Daniel Karthe, UFZ)

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