DE102007059819A1 - Method for determining the toxicity of a liquid comprises passing the liquid over a biofilm which permanently adheres to a device as a result of a micro- and/or nano-structured surface - Google Patents

Method for determining the toxicity of a liquid comprises passing the liquid over a biofilm which permanently adheres to a device as a result of a micro- and/or nano-structured surface Download PDF

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    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
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Abstract

Method for determining the toxicity of a liquid comprises passing the liquid over a biofilm which permanently adheres to a device as a result of a micro- and/or nano-structured surface. Preferred Features: The liquid to be measured is water and a nutrient medium is mixed with the water to use the biofilm for the luminescence. The liquid to be measured and the nutrient medium are mixed in a micro-mixer. The luminescence is measured in different spectral regions so that the integrity of the biofilm and the influence of the toxicity are measured.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung der Toxizität von wasserhaltigen Flüssigkeiten und wässerigen Lösungen. Das erfindungsgemäße Ziel ist die Bereitstellung einer Vorrichtung mit der Möglichkeit der permanenten messtechnischen Überwachung von Wasserströmen mit minimalem aparativen und zeitlichem Aufwand.The The present invention relates to a method and an apparatus for monitoring the toxicity of hydrous Liquids and aqueous solutions. The object of the invention is the provision a device with the possibility of permanent metrological monitoring of water flows with minimal aparativen and time expenditure.

Bisheriger Stand der TechnikPrevious state of the art

Die Ermittlung der toxischen Wirkung von Substanzgemischen mit Hilfe von Leuchtbakterien (Vibrio Fischerie) zählt zum Stand der Technik. Für bestimmte Abwasser ist ein solcher Test nach DIN 38412-L 34 in der „Verordnung über Anforderungen an das Einleiten von Abwasser in Gewässer" (AbwV) gesetzlich vorgeschrieben. Dies ist beispielsweise für Abwässer aus den Bereichen chemische Industrie, Trink-, Kühl- und Schwimmbadwasser und Dampferzeugung der Fall. Der Vorteil des Leuchtbakterientests gegenüber chemischen Messverfahren besteht in der Detektion der Wirkung ohne Kenntnis über die Art der toxischen Substanz. Gegenüber anderen biologischen Messverfahren mit Fischeiern oder Daphnien besteht der Vorteil der schnelleren und leichteren Auswertung. Dennoch dauert der Test mit Vorbereitungen über eine Stunde [Anleitung LUMISTox-Test, Fa. Hach-Lange]. Dieses und die Kosten, die aus dem Arbeitslohn des Experimentators resultieren, stehen einer Ausweitung dieses Verfahrens auf andere Bereiche wie Qualitätssicherung und Kreislaufschließung entgegen.The determination of the toxic effect of substance mixtures with the help of luminescent bacteria (Vibrio Fischerie) is state of the art. For certain wastewater, such a test is after DIN 38412-L 34 This is the case, for example, for waste water from the chemical industry, drinking, cooling and swimming pool water and steam generation industries consists in the detection of the effect without knowing the kind of the toxic substance Compared with other biological measuring procedures with fish eggs or daphnias has the advantage of the faster and easier evaluation.However, the test lasts with preparations over one hour [LUMISTox-Test, Hach This and the costs resulting from the experimenter's wages stand in the way of an extension of this procedure to other areas such as quality assurance and closed cycles.

Hier setzt die beschriebene Erfindung an.Here employs the described invention.

Durch das Etablieren eines bedienerfreundlichen und wartungsextensiven Online-Sensors erhält man die Möglichkeit, den Parameter Toxizität in die automatisierte Wasseranalytik einfließen zu lassen. Die Innovation gegenüber dem in Patent DE 195 21 181 A1 besteht darin, dass die dort beschriebene Apparatur einen Bioreaktor für die Bereitstellung von Mikroorganismen benötigt, während das hier beschriebene Verfahren eine Immobilisierung der Mikroorganismen auf einer nano-strukturierten Oberfläche beinhaltet. Die Vermischung von Probe und Substrat für die Leuchtbakterien so wie die Messzelle werden aufbauend auf Erkenntnissen aus der Mikroreaktionstechnik konstruiert.Establishing a user-friendly and maintenance-intensive online sensor gives you the option of incorporating the toxicity parameter into automated water analysis. The innovation over that in patent DE 195 21 181 A1 is that the apparatus described therein requires a bioreactor for the provision of microorganisms, while the method described here involves immobilization of the microorganisms on a nano-structured surface. The mixing of sample and substrate for the luminescent bacteria as well as the measuring cell are constructed on the basis of findings from microreaction technology.

Die Mikroreaktionstechnik befasst sich mit chemischen und physikalischen Vorgängen in Reaktoren die einen Querschnitt von wenigen bis einigen hundert Mikrometern umfassen. Durch diese Dimensionierung erhält man eine laminare Strömung, deren Fluidelemente durch Einbauten (Mischer) in einer Art und Weise gefaltet werden können, sodass die Mischgüte, die bei Makroreaktoren durch die Erzeugung einer turbolenten Strömung mit Wirbelbildung erreicht wird, übertroffen wird. [ N. Kockmann (Editor), Micro Process Engineerung, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2004 ].Microreaction technology deals with chemical and physical processes in reactors ranging from a few to a few hundred microns in cross-section. By this dimensioning one obtains a laminar flow whose fluid elements can be folded by means of internals (mixers) in a manner such that the mixing quality which is achieved in macro reactors by generating a turbulent flow with vortex formation is exceeded. [ N. Kockmann (Editor), Micro Process Engineering, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2004 ].

Biofilmbildung ist ein verbreitetes und lange bekanntes Phänomen. Hierbei wächst auf einer geeigneten Oberfläche eine Bakterienkolonie auf und bildet eine Matrix aus verschiedenen Biopolymeren aus, die zu einer festen Verbindung der Kolonie mit dem Untergrund führt. Sowohl Anwachsen und Erhalt des Biofilms als auch die Biolumineszenz bei V. fischeri beruhen auf einer Kommunikation der Bakterien untereinander, dem „Quorum sensing". [ M. T. Madigan, J. M. Martinko, Mikrobiologie, Pearson Education, 11. Aufl. 2006 ]. Während in der Technik die Biofilmbildung häufig mit Problemen verknüpft ist (Biofouling an Membranen, Biokorrosion an Werkstücken) soll dieser Vorgang hier zur Immobilisierung der Bakterien gezielt ausgenutzt werden.Biofilm formation is a common and long-known phenomenon. Here, a bacterial colony grows on a suitable surface and forms a matrix of different biopolymers, which leads to a firm connection of the colony to the substrate. Both growth and retention of the biofilm as well as bioluminescence in V. fischeri are based on communication of the bacteria with each other, the "quorum sensing". MT Madigan, JM Martinko, Microbiology, Pearson Education, 11th ed. 2006 ]. While in biofilm formation biofilm formation is often associated with problems (biofouling on membranes, biocorrosion on workpieces), this process should be specifically exploited to immobilize the bacteria.

Beschreibungdescription

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch den permanenten Zufluss von zu untersuchender Flüssigkeit und Nährlösung in geringen Mengen aus. Ferner zeichnet sich das Verfahren durch die permanente Überwachung der Lumineszenz eines Biofilms in der Vorrichtung aus. Durch Analyse der Lumineszenz wird die Toxizität der zu untersuchenden Flüssigkeit überwacht.The inventive method is characterized the permanent inflow of fluid to be examined and nutrient solution in small quantities. Further the process is characterized by permanent monitoring the luminescence of a biofilm in the device. By analysis the luminescence becomes the toxicity of the to be examined Liquid monitored.

An der erfindungsgemäßen Vorrichtung befinden sich zwei Einlässe und ein Auslass. Durch den einen Einlass wird die zu untersuchende Flüssigkeit zugeführt. Durch den zweiten Einlass wird eine Nährflüssigkeit für den in der Vorrichtung befindlichen Biofilm eingeleitet. Beide zugeführten Flüssigkeiten werden in einer ersten Zone der Vorrichtung durchmischt. Typischerweise erfolgt diese Durchmischung in einem miniaturisierten Mischer bzw. Mikromischer. Der so aufbereitete Zufluss wird über eine zweite Zone mit Biofilm aus Leuchtbakterien geleitet. Hierdurch wird die zugeführte Flüssigkeit mit Botenstoffen für das Quorum sensing angereichert. In der darauf folgenden dritten Zone, die ebenfalls mit Biofilm aus Leuchtbakterien besetzt ist, wird der Biofilm mit Licht zur Fluoreszenz angeregt. Typischerweise kommt hierfür Licht im ultravioletten Spektralbereich zum Einsatz, um die Integrität des Biofilms anhand der Proteinfluoreszenz zu erfassen. Dies dient zur Kalibration der eigentlichen Messgröße. Als eigentliche Messgröße wird die Bioluminiszenz erfasst. Nach Durchgang der Messflüssigkeit durch die dritte Zone verlässt diese die Vorrichtung durch den Auslass.At the device according to the invention are located two inlets and one outlet. Through the one inlet the liquid to be examined is supplied. The second inlet becomes a nutrient fluid initiated for the biofilm in the device. Both supplied liquids are in one first zone of the device. Typically done this mixing in a miniaturized mixer or micromixer. Of the so treated inflow is over a second zone with Biofilm passed from luminescent bacteria. As a result, the supplied Fluid with messengers for quorum sensing enriched. In the following third zone, the same With biofilm of luminescent bacteria, the biofilm is filled with light excited to fluorescence. Typically this comes Ultraviolet spectral light is used to maintain integrity of the biofilm using protein fluorescence. This serves for calibration of the actual measured variable. When the actual measure is the bioluminescence detected. After passing the measuring liquid through the third zone this leaves the device through the outlet.

Die erste Zone der Vorrichtung besteht typischerweise aus Kanälen mit mikrostrukturierten Oberflächen um eine sehr gute Durchmissung auf kleinstem Raum zu erreichen. Die zweite und dritte Zone der Vorrichtung besteht erfindungsgemäß aus Wänden und/oder Kanälen mit mikro- und/oder nanostrukturierter Oberfläche, damit der Biofilm entsprechend permanent gut haftet und nicht aus der Vorrichtung ausgeschwemmt werden kann.The first zone of the device is typi typically channels with microstructured surfaces to achieve a very good gap in the smallest space. According to the invention, the second and third zones of the device consist of walls and / or channels with a microstructured and / or nanostructured surface, so that the biofilm permanently adheres well and can not be flushed out of the device.

11
Einlass für zu untersuchende Flüssigkeit und Nährmediuminlet for the liquid to be examined and the nutrient medium
22
Zone 1 zur Mischung der FlüssigkeitenZone 1 for mixing the liquids
33
Zone 2 zur Anreicherung mit BotenstoffenZone 2 for enrichment with messenger substances
44
Zone 3 zur Untersuchung der BiolumineszenzZone 3 for the investigation of bioluminescence
55
Lichtquelle zur Anregung des Biofilmslight source to stimulate the biofilm
66
Detektoren zur Erfassung der Lumineszenzdetectors for detecting the luminescence
77
Auslassoutlet

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 19521181 A1 [0004] DE 19521181 A1 [0004]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - DIN 38412-L 34 [0002] - DIN 38412-L 34 [0002]
  • - N. Kockmann (Editor), Micro Process Engineerung, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2004 [0005] Kockmann (Editor), Micro Process Engineering, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2004 [0005]
  • - M. T. Madigan, J. M. Martinko, Mikrobiologie, Pearson Education, 11. Aufl. 2006 [0006] - MT Madigan, JM Martinko, microbiology, Pearson Education, 11th ed 2006 [0006].

Claims (10)

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Toxizität von Flüssigkeiten durch Auswertung der Lumineszenz eines Biofilms, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende Flüssigkeit über einen Biofilm strömt, der aufgrund einer mikro- und/oder nanostrukturierten Oberfläche dauerhaft an der Vorrichtung haftet.Method and device for determining the toxicity of liquids by evaluating the luminescence of a biofilm, characterized in that the liquid to be measured flows through a biofilm which permanently adheres to the device due to a micro- and / or nanostructured surface. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende Flüssigkeit Wasser ist und der zu messenden Flüssigkeit Nährmedium beigegeben wird, um den Biofilm dauerhaft für die Lumineszenz nutzbar zu halten.Method according to claim 1, characterized in that that the liquid to be measured is water and that too is added to measuring liquid nutrient medium, to permanently use the biofilm for luminescence hold. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende Flüssigkeit und das Nährmedium in einem Mikromischer durchmischt werden.Method according to Claims 1 and 2, characterized that the liquid to be measured and the nutrient medium be mixed in a micromixer. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende Flüssigkeit mit Botenstoffen angereichert wird.Method according to Claims 1 and 2, characterized that the liquid to be measured enriched with messenger substances becomes. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lumineszenz in unterschiedlichen spektralen Regionen gemessen wird, um sowohl die Integrität des Biofilms als auch den Einfluss der Toxizität zu messen.Method according to Claims 1 and 2, characterized that measured the luminescence in different spectral regions In order to improve both the integrity of the biofilm and the To measure the influence of toxicity. Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Toxizität von Flüssigkeiten durch Auswertung der Biolumineszenz eines Biofilms, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende Flüssigkeit permanent über einen Biofilm strömt, der aufgrund einer mikro- und/oder nanostrukturierten Oberfläche in einer miniaturisierten Vorrichtung zur Online-Messung der Toxizität dauerhaft haftet.Method and device for determining toxicity of liquids by evaluation of the bioluminescence of a Biofilms, characterized in that the liquid to be measured permanently over a biofilm that flows due to a micro- and / or nanostructured surface in a miniaturized device for online measurement of toxicity permanently liable. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende Flüssigkeit Wasser ist und der zu messenden Flüssigkeit Nährmedium beigegeben wird, um den Biofilm dauerhaft für die Biolumineszenz nutzbar zu halten.Method according to Claim 6, characterized that the liquid to be measured is water and that too is added to measuring liquid nutrient medium, to permanently use the biofilm for bioluminescence to keep. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende Flüssigkeit und das Nährmedium in einem Mikromischer durchmischt werden.Method according to claims 6 and 7, characterized that the liquid to be measured and the nutrient medium be mixed in a micromixer. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende Flüssigkeit mit Botenstoffen angereichert wird.Method according to claims 6 and 7, characterized that the liquid to be measured enriched with messenger substances becomes. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Biolumineszenz in unterschiedlichen spektralen Regionen gemessen wird, um sowohl die Integrität des Biofilms als auch den Einfluss der Toxizität zu messen.Method according to claims 6 and 7, characterized that bioluminescence in different spectral regions is measured to both the integrity of the biofilm as also to measure the influence of toxicity.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021205051A1 (en) * 2020-04-07 2021-10-14 Universitat Rovira I Virgili Device for monitoring toxic substances in water and system comprising same

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19521181A1 (en) 1995-06-10 1996-12-12 Reimann Hans Achim Dr Appts. which determines toxicity of water

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