DE102009036562A1

DE102009036562A1 - Verfahren zur Bestimmung der Wasserqualität eines Gewässers

Info

Publication number: DE102009036562A1
Application number: DE200910036562
Authority: DE
Inventors: Christian Moldaenke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-08-10
Filing date: 2009-08-10
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2029-08-11
Also published as: DE102009036562B4

Abstract

Fluorometrisches Verfahren zur Bestimmung der Wasserqualität eines Gewässers mit den Schritten: Entnehmen einer Wasserprobe, Erstellen eines Spektrums der bei einer Detektionswellenlänge gemessenen Fluoreszenzintensität der Wasserprobe in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich von in die Wasserprobe eingestrahltem, die Fluoreszenz anregendem Licht und Bestimmen der Zusammensetzung der Wasserprobe durch Anpassen einer Anzahl vorbestimmter Norm-Fluoreszenzspektren bestimmter Substanzen und/oder Organismen an das erstellte Spektrum mittels multivariater Analyse, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von vorbestimmten Norm-Fluoreszenzspektren je ein bei wenigstens zwei verschiedenen Detektionswellenlängen gemessenes Norm-Fluoreszenzspektrum für an Cyanobakterien gebundenes Phycocyanin und für freies Phycocyanin aufweist, wobei die bei der einen Wellenlänge gemessene Fluoreszenzintensität von gebundenem bzw. freiem Phycocyanin bei wenigstens einer bestimmten Wellenlänge des die Fluoreszenz anregenden Lichts von der bei der anderen Wellenlänge gemessenen Fluoreszenzintensität von gebundenem bzw. freien Phycocyanin bei der wenigstens einen bestimmten Wellenlänge des die Fluoreszenz anregenden Lichts unterscheidbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein fluorometrisches Verfahren zur Bestimmung eines Wasserqualitätsparameters eines Gewässers.
Die Wasserqualität von stehenden oder fließenden Gewässern wird aufgrund verschiedener chemischer und biologischer Parameter beurteilt, wobei beispielsweise neben der Bestimmung von Tier-, Pflanzen- oder Bakterienarten auch auf chemoanalytische Verfahren zurückgegriffen wird. Diese Verfahren sind im Gegensatz zu photo- oder fluorometrischen Verfahren sehr arbeits- und zeitaufwändig, sodass eine Bestimmung mit letztgenannten optischen Verfahren bevorzugt ist.
Dabei werden diese optischen Verfahren z. B. zum Erfassen des Chlorophyllgehalts eingesetzt. Daneben stellt aber auch der Phycocyaningehalt des Gewässers einen wertvollen Indikator der Wasserqualität des Gewässers dar, da Phycocyanin ein ausschließlich bei Cyanobakterien (auch Blaualgen genannt) vorkommendes Photosynthesepigment ist, die aufgrund ihrer potentiellen Toxizität für den Menschen schädlich sein können.
Die fluorometrische Chlorophyllgehaltsbestimmungen erfolgt bei einer oder bei mehreren Anregungswellenlängen zwischen etwa 400 nm und 670 nm (also bei einer Bestrahlung einer Probe mit Licht im sichtbaren Bereich), wobei die Fluoreszenz des Chlorophylls bei einer Detektionswellenlänge von etwa 700 nm gemessen wird.
Die Intensität dieses Fluoreszenz-Signals bei etwa 700 nm wird – unter Berücksichtigung der Überlagerung durch Huminstoffe – meist direkt proportional zum Chlorophyllgehalt in der gemessenen Probe gesetzt. Verfeinerte Methoden verwenden statt der Auswertung der Fluoreszenz unter dem Einfluss einer einzelnen Anregungswellenlänge mehrere Anregungswellenlängen, oder sogar den Einsatz eines ganzen Anregungsspektralbereiches, um unterschiedliche Algenklassen durch ihr spezifisches Verhalten gegenüber dem Anregungsspektrum identifizieren zu können.
Dazu werden zunächst die Reaktionsspektren der reinen Algenkulturen gegenüber den Anregungswellenlängen aufgenommen, dann mit Kenntnis dieser Spektren die Spektren von Gewässerproben verglichen. Das Probenspektrum wird dabei bei der rechnerischen Auswertung auf seine Zusammensetzbarkeit durch die (durch den vorherigen Schritt bekannten) spezifischen Algenklassenspektren untersucht (hierzu existieren spezifische Anpassungsmethoden/”Fitverfahren”).
Phycocyanin hingegen kann durch eine Anregungswellenlänge von etwa 610 nm und Messung der Fluoreszenz bei etwa 650 nm detektiert werden. Dieses Fluoreszenz-Signal setzt sich zusammen aus der Fluoreszenz des im Photosyntheseapparates energetisch über das Apo-Phycocyanin gebundenen Phycocyanins und ungebundenen, eventuell sogar von der Zelle freigesetzten Phycocyanins.
Dabei ist problematisch, dass sich die Fluoreszenzspektren von Phycocyanin und Chlorophyll überlappen und die Phycocyaninfluoreszenz somit auch das Ergebnis der Chlorophyllfluoreszenz beeinflusst. Darüber hinaus wird gebundenes Phycocyanin bei Einstrahlung mit der für die Bestimmung von Phycocyanin bestimmten Anregungswellenlänge das mit dem Phycocyanin gekoppelte Chlorophyll zur Fluoreszenz anregen. Daher wird eine von Phycocyanin ausgehende Fluoreszenz sowohl bei 650 nm Detektionswellenlänge als auch bei 700 nm erfasst werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein fluorometrisches Verfahren zur Bestimmung des Chlorophyll- und/oder Phycocyaningehalts zu schaffen, das den Einfluss von Phycocyanin auf die Bestimmung des Chlorophyllgehalts verringert und eine differenzierte Aussage über die Wasserqualität aufgrund des Vorkommens von Cyanobakterien ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens wieder.
Grundgedanke der Erfindung ist es, von den wichtigen Algenklassen und Huminstoffen optische Normspektren aufzunehmen, diese mittels anderer Methoden (HPLC, nasschemisch etc.) zu kalibrieren, wobei das ebenfalls kalibrierte Normspektrum des freien Phycocyanins berücksichtigt wird. Dies geschieht mit einer Apparatur, die das benötigte Anregungsspektrum in eine Algen- und Phycocyanin- Suspension strahlt und die Fluoreszenz dieser Suspension mittels zweier optischer Detektoren, vorzugsweise zwischen 680 nm und 730 nm beziehungsweise 630 und 660 nm detektiert. Ein geeigneter, dem Fachmann bekannter Algorithmus errechnet nach einer Messung, in welchem Maße die Normspektren im Messergebnis enthalten sind. Dadurch wird eine Algenklassenverteilung und gleichzeitig die Verteilung von gebundenem und ungebundenem Phycocyanin bestimmt.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Darstellung der wichtigsten Normkurven der spektralen Verteilung der angeregten Fluoreszenz der wichtigsten Algengruppen einschließlich einer Gelbstoff-/huminstoffähnlichen Normkurve,
2 eine Darstellung der Normkurve von freiem Phycocyanin und Normkurven energetisch an Chlorophyll gebundenem Phycocyanins bei 650 nm Detektionswellenlänge und
3 eine Darstellung der Normkurve von freiem Phycocyanin und Normkurven energetisch an Chlorophyll gebundenem Phycocyanins bei 700 nm Detektionswellenlänge.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, auf die verschiedenen Quellen der Phycocyaninfluoreszenz aus einer Probe zu schließen, diese in die beteiligten Fluoreszenzkomponenten zu trennen und die einzelnen Beiträge an der Gesamtfluoreszenz auf beiden Detektorenwellenlängen 650 nm und 700 nm zu ermitteln. Dadurch wird sowohl die Chlorophyllgehaltsbestimmung präzisiert, als auch – in einem Auswertungsgang – der Anteil ungebundenen bzw. gebundenen Phycocyanin bestimmt.
Dazu war es notwendig, das bisher verwendete Verfahren zur Bestimmung der Anteile von Klassen (Blaualgen, Grünalgen, Kieselalgen, Cryptophyceen, Huminstoffe etc.) bzw. Bakterienchlorophyllfluoreszenzklassen in einer Wasserprobe zu modifizieren:
Bisher war es bei entsprechender Wahl der Anregungswellenlängen möglich, eine in einer Probe vorkommende Algenart bei einer Detektionswellenlänge von etwa 700 nm aufgrund ihres spezifischen Fluoreszenzspektrums einer bestimmten Algenklasse zuzuordnen, auch wenn die Messung nicht den ganzen anregenden Spektralbereich erfasst. So konnten mit dem anregenden Licht von mindestens 6 unterschiedlichen Wellenlängen (hier bevorzugt die Wellenlängen bei etwa 370 nm, 420–470 nm, 525 nm, 570 nm, 590 nm und 610 nm, im allgemeinen durch entsprechend ausgewählte Leuchtdioden erzeugt) markante Unterschiede zwischen den Spektren unterschiedlicher Algenklassen für eine Zuordnung verschiedener Algen in einem Gemisch genutzt werden.
1 zeigt beispielsweise eine Darstellung der wichtigsten Normkurven der spektralen Verteilung der Fluoreszenz der wichtigsten Algengruppen einschließlich einer Gelbstoff-/huminstoffähnlichen Normkurve, die bei einer Messung des Algengehalts eines Gewässers den Offset der Messung bedingt. Die an den Messkurven angegebenen Zahlen bezeichnen die Algenklassen (1) Cyanobacteriae (Blaualgen), (2) Chlorophyceae (Grünalgen), (3) Gruppe der Heterokontophyta/Haptophyta/Dinophyta (4) Huminstoffe (Gelbstoffe) und (5) Cryptophyceae.
Aus 1 ist deutlich ersichtlich, dass jede Algenklasse zu jeder anderen Algenklasse markante Unterschiede bei zumindest einer Wellenlänge innerhalb des dargestellten Bereiches aufweist. Normiert man die gemessenen Spektren auf eine gleiche Mengeneinheit, so spricht man von Normkurven oder Fingerprints. Die Gesamtheit der Normkurven wird auch als Bibliothek (library) bezeichnet.
Eine beliebige Summe von Vielfachen dieser Normkurven der verschiedenen Algen- und Huminstoffklassen kann durch ein adäquates Anpassungsverfahren an Fluoreszenz-Messwerte so angepasst werden, dass die Summe der mit einem bei der Anpassung zu bestimmenden Faktor gewichteten Normkurven optimal die jeweils vorliegenden Messwerte beschreibt. Ist diese Anpassung erfolgt, dann sind die Gewichtsfaktoren ein Maß für die Anteile einer Algenklasse in der jeweiligen Probe.
Die Berechnung einer solchen Anpassung kann z. B. durch die Methode des kleinsten Fehlerquadrate oder Maximum Likelyhood Berechnungen geschehen. Bei der Methode der kleinsten Fehlerquadrate werden die Quadrate der Abweichungen der Messwerte vom Modell (das Modell ist hierbei die Summe der gewichteten Normkurvenkoeffizienten) bei jeder Anregungswellenlänge eingehen.
Nun wurde die Phycocyaninkonzentration bisher in seiner Gesamtheit (gebundenes und freies Phycocyanin) durch Fluoreszenzmessungen bei 650 nm bzw. 700 nm Detektionswellenlänge mit einer oder mehreren Anregungswellenlängen zwischen 570 und 620 nm geschätzt. Dabei spielten Fitverfahren bislang regelmäßig keine Rolle, es sei denn wie hier beschrieben, wenn das komplette Spektrum zur Bewertung des Chlorophyllgehaltes und damit des Phycocyaningehaltes beiträgt.
Bei den so durchgeführten Messungen und den Darstellungen der Ergebnisse aus den Anpassungsrechnungen werden aber auch hier alle Ergebnisse von freiem Phycocyanin im Sinne eines systematischen Fehlers überlagert. Die Fluoreszenzbeiträge des freien Phycocyanins wirken sich dabei verfälschend auf die Wichtungskoeffizienten der anderen Algenarten aus. Da – solange nur im sichtbaren Bereich angeregt wird – das Spektrum des freien Phycocyanins stark dem Spektrum von Blaualgen (mit seinem gebundenen Phycocyanin) ähnelt, wurde in erster Linie der Anteil der Fluoreszenz dieser Algenart verfälscht.
Nach der vorliegenden Erfindung jedoch werden, zusätzlich zu den Spektren von Algen, die Spektren von freiem Phycocyanin sowohl bei 650 nm als auch bei 700 nm ermittelt. Dabei kann der Fingerprint von freiem Phycocyanin beispielsweise mit käuflich erworbenem Phycocyanin oder mit aus Blaualgenkulturen gewonnenem Phycocyanin bestimmt werden. Phycocyanin kann in Cyanobakterien am Photosystem I (PS1) und II (PS2) gebunden sein, daher gibt es mindestens zwei Fingerprints gebundenen Phycocyanins. Die Bestimmung der Fingerprints von Blaualgen mit gebundenem Phycocyanin ist komplizierter und kann auf verschiedene Weise ermittelt werden:
Zum Beispiel wird mit Hilfe einer großen Anzahl von verschiedenen Blaualgenlösungen, die sich in Art, Anzucht und Zustand unterscheiden, ein Fit durchgeführt werden, der nicht nur die Chlorophyllgehalte, sondern auch die optimalen Fingerprints für Blaualgen mit gebundenem Phycocyanin berechnet. Dazu wird allerdings auch der Fingerprint freien Phycocyanins in den Satz von Fingerprints mit aufgenommen, und die Gehalte freien Phycocyanins mitberechnet.
Eine weitere Methode, eine Lösung ohne freies Phycocyanin herzustellen, stellt die Zugabe geeigneter Chemikalien zu einer Blaualgenlösung dar, wobei die Chemikalie den Anteil ,freies Phycocyanin' zerstört. Aber auch dann muss eine große Anzahl von Blaualgenlösungen genutzt werden, um optimale Fingerprints für die Bestimmung gebundenen Phycocyanins zu finden.
Ebenso zeigt die Ermittelung der Fluoreszenz von freiem Phycocyanin und Blaualgen mit gebundenem Phycocyanin bei einer Wellenlänge von 650 nm (2) bzw. 700 nm (3) deutliche Unterschiede in der durch die oben genannten Anregungswellenlängen hervorgerufenen Fluoreszenzintensität.
Man sieht beispielsweise deutlich, dass 1 μg/l freies Phycocyanin bei einer Anregungswellenlänge von 610 nm und einer Detektionswellenlänge von 650 nm eine höhere Fluoreszenzantwort produziert als bei 700 nm. Hingegen ist die Fluoreszenzantwort von Blaualgen mit gebundenem Phycocyanin bei den Anregungswellenlängen von 370 nm oder 425 nm und bei einer Detektionswellenlänge von 700 nm ungleich höher im Verhältnis zur Antwort bei 650 nm. Man kann die Formen des Phycocyanin daher klar voneinander unterscheiden.
Zur vollständigen Berechnung der Konzentrationen aller Algen-, Huminstoff- und Bakterienklassen und Phycocyaninanteile muss zunächst einmal der Normkurvensatz aller verwendeten Klassen um den Normkurvensatz der Fluoreszenzantworten bei 650 nm erweitert werden. Ermittelt man nun typische Normkurven für freies Phycocyanins und Blaualgen mit gebundenem Phycocyanins bei 650 nm und 700 nm und fügt diese den Sätzen (der für die Anpassungrechnung benötigten) algenspezifischen Normkurven hinzu, so kann der Gehalt freien Phycocyanins bzw. der Gehalt gebundenen Phycocyanins aus dem Gesamtanregungsspektrum bestimmt werden. Gleichzeitig ergibt sich ein genaueres Maß für Gesamtchlorophyll und Chlorophyll in Blaualgen. Der bisherige Blaualgenfingerprint wird durch den Fingerprint von Blaualgen mit gebundenem Phycocyanin ersetzt.
Damit ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erstmals möglich, den Einfluss von freiem Phycocyanins auf die Chlorophyllfluoreszenzmessung zu erfassen und gleichzeitig den Gehalt dieses Phycocyaninanteils selbst quantitativ zu bestimmen.
Die mit dem Verfahren nach der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, „real time” und „online”, d. h. auch bei Profilmessungen in Seen und Meeren und bei Wasserwerken jederzeit den Gehalt freien Phycocyanins und gleichzeitig den genauen Anteil des freien Phycocyanins zur Chlorophyllbestimmung ermitteln zu können und dadurch die Präzision der Chlorophyllmessung und der Phycocyaninmessung erheblich zu verbessern.
Zugleich werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wichtige Informationen über das Verhältnis von gebundenem zu freiem Phycocyanin gewonnen. Freies Phycocyanin entsteht, wenn die Blaualgenzellen alter oder angegriffen werden, ihre Membranen durchlässig werden und dadurch gebundenes Phycocyanin vom Chlorophyll gelöst wird und u. U. in die Wassersäule entlassen, also zu freiem Phycocyanin wird. Parallel zu diesem Prozess werden auch eventuell in der Zelle gehaltene Toxine freigesetzt. Dadurch kann freies Phycocyanin also ein Indikator für in Wasser gelöste Toxine verwendet werden, wobei vermutet wird, dass erst die von der Zelle freigesetzten Toxine ihre für Menschen giftige Wirkung voll entfalten können.
Besonders vorteilhaft ist, dass erfindungsgemäß die Bestimmung des freien Phycocyanins auch als Frühwarnsystem für die Freisetzung von Blaualgentoxinen genutzt werden kann. Dies ist bei der Steuerung von Wasserwerken wichtig, da in Algen gebundene Toxine gut abzufiltern sind, bei grober Behandlung aber die Algen aufplatzen und dadurch Toxine und Phycocyanin freigesetzt werden.
Eine vorteilhafte Wahl der Anregungswellenlängen und Detektionswellenlängen ergibt sich, wenn Lichtquellen und Detektoren zur Anwendung kommen, die nur an den Spektralstellen arbeiten, an denen photosynthetisch relevante Prozesse ablaufen. Das sind Wellenlängen, in denen auf die Chlorophyllfluoreszenzmessungen bzw. die Phycocyaninmessungen einflussnehmende Prozesse stattfinden.
Bei einem technisch realisierten Aufbau mit Anregungswellenlängen kürzer 590 nm und einem neben dem ersten Detektor mit einer Detektionswellenlänge von 700 nm zweiten Detektor, beispielsweise mit einer Detektionswellenlänge bei etwa 610 nm, lässt sich zudem die Wirkung freien Phycoerythrins beobachten und quantifizieren. Die Normkurven werden in gleicher Weise, nur bei Nutzung der entsprechenden Wellenlängen ermittelt.
Bevorzugt wird eine Anregung bei etwa 370 nm, 420–470 nm, 525 nm 570 nm und 590 nm und 610 nm und eine Detektion bei etwa 650 nm, zusätzlich zu den Anregungen bei 370 nm, 470 nm, 525 nm, 570 nm und 590 nm, 610 nm und ggf. etwa 630 nm bei einer Detektionswellenlänge um 700 nm.
Nimmt man mit einer solchen Messapparatur also das Spektrum einer unbekannten Suspension auf, so ist im folgenden mittels eines Mikrocontrollers o. ä. ein Algorithmus zu starten, der solange die Normkurven, d. h. die Fluoreszenzmesswerte bei jeder Anregungswellenlänge und Detektionswellenlänge mit so genannten Vielfachen (Wichtungsfaktoren) multipliziert und die mit diesen Vielfachen multiplizierten Normkurven addiert, bis sich diese Summenspektren und die Probenspektren weitestgehend gleichen, die Summe der Abstandsquadrate zwischen den Fluoreszenzspektren der Probe und den aufaddierten Spektren aus den Vielfachen der Normkurve bei jeder Wellenlänge minimal wird.
Hieraus lassen sich Chlorophyllgehalte, Gelbstoffgehalte, gebundenes und freies Phycocyanin gleichzeitig quantifizieren, da über die Vielfachen der kalibrierten Normkurven ein Maß für den Gehalt an den jeweiligen Algen-, Bakterienklassen und Gelbstoffen vorliegt.
Bei der technischen Ausführung des hier beschriebenen Verfahrens können LEDs bzw. Lichtquellen anderer Art, aber etwa selber Wellenlängen- und Detektoren in einem oder in mehreren Gehäusen untergebracht werden. Es ist nicht unbedingt notwendig, mit jeder LED genau dieselben Algen/dasselbe Phycocyanin anzuregen, solange das insgesamt betrachtete Gemisch homogen verteilt ist.

Claims

Fluorometrisches Verfahren zur Bestimmung der Wasserqualität einer Wasserprobe mit den Schritten: – Entnehmen einer Wasserprobe, – Erstellen eines Spektrums der bei einer Detektionswellenlänge gemessenen Fluoreszenzintensität der Wasserprobe in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich von in die Wasserprobe eingestrahltem, die Fluoreszenz anregendem Licht und – Bestimmen der Zusammensetzung der Wasserprobe durch Anpassen einer Anzahl vorbestimmter Norm-Fluoreszenzspektren bestimmter Substanzen und/oder Organismen an das erstellte Spektrum mittels multivariater Analyse, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von vorbestimmten Norm-Fluoreszenzspektren je ein bei wenigstens zwei verschiedenen Detektionswellenlängen gemessenes Norm-Fluoreszenzspektrum für an Cyanobakterien gebundenes Phycocyanin und für freies Phycocyanin aufweist, wobei die bei der einen Wellenlänge gemessene Fluoreszenzintensität von gebundenem bzw. freiem Phycocyanin bei wenigstens einer bestimmten Wellenlänge des die Fluoreszenz anregenden Lichts von der bei der anderen Wellenlänge gemessenen Fluoreszenzintensität von gebundenem bzw. freiem Phycocyanin bei der wenigstens einen bestimmten Wellenlänge des die Fluoreszenz anregenden Lichts unterscheidbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Norm-Fluoreszenzspektren für an Cyanobakterien gebundenes Phycocyanin und für freies Phycocyanin mit einer ersten Detektionswellenlänge in einem Bereich zwischen 630 und 670 nm und mit einer zweiten Detektionswellenlänge in einem Bereich zwischen 680 und 730 nm gemessen sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Norm-Fluoreszenzspektren für an Cyanobakterien gebundenes Phycocyanin und für freies Phycocyanin mit einer ersten Detektionswellenlänge von 650 nm und mit einer zweiten Detektionswellenlänge von 700 nm gemessen sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Fluoreszenz anregende Licht in einem Wellenlängenbereich von 370 nm bis 630 nm eingestrahlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messen der Fluoreszenz der Wasserprobe bei einer Detektionswellenlänge zwischen 630 und 670 nm durch Einstrahlen Fluoreszenz anregenden Lichts mit einer Wellenlänge von 370 nm, 420–470 nm, 525 nm, 570 nm, 590 nm und 610 nm erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messen der Fluoreszenz der Wasserprobe bei einer Detektionswellenlänge zwischen 680 und 730 nm durch Einstrahlen Fluoreszenz anregenden Lichts mit einer Wellenlänge von 370 nm, 470 nm, 525 nm, 570 nm, 590 nm und 610 nm erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von vorbestimmten Norm-Fluoreszenzspektren je ein bei wenigstens zwei verschiedenen Detektionswellenlängen gemessenes Norm-Fluoreszenzspektrum für an Cyanobakterien gebundenes Phycoerythrin und für freies Phycoerythrin aufweist.