DE19848230A1 - Verfahren zur kontinuierlichen Gewässeranalyse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Gewässeranalyse mit Hilfe ausgewählter Organismen als Bioindikatoren.

Ölunfälle, Zwischenfälle und Fehlfunktionen in der chemischen Industrie und den Kläranlagen führen zu unvorhersehbaren Verschmutzungswellen in Gewässern.

Eine kontinuierliche Überwachung der Einleitung von Abwässern in Gewässer ist daher dringend notwendig.

Im Rahmen der Erfindung dienen ausgewählte Organismen als Bioindikatoren und als biologische Frühwarnmethode, um Verschlechterungen der Wasserqualität durch Veränderung im Verhalten oder in physiologischen Reaktionen anzuzeigen.

Im Gegensatz zu eindimensionalen chemischen/physikalischen Analyseverfahren kann über die Betrachtung der Veränderung im Verhalten oder in physiologischen Reaktionen solcher Organismen eine direkte Aussage über die Qualität des gesamten Ökosystems durchgeführt werden.

Die zum Einsatz kommenden Tierarten zeichnen sich dabei durch periodisches Auftreten typischer Bewegungsabläufe aus. Dies ist z. B. die periodische Kiementätigkeit (Ventilation) und/oder das zyklische Auftreten typischer Bewegungsabläufe (Lokomotion), wie z. B. Schwimmbewegungen.

Bei Verschmutzung oder anderweitiger Belastung des Gewässers ändern sich nun diese Ventilations- und Bewegungsabläufe ebenfalls charakteristisch.

So nimmt z. B. bei Gammariden (kleine Flußkrebse) die Ventilation bei Verschmutzung erheblich zu. Dies äußert sich in einer Erhöhung der Aktivität der Bewegung im Frequenzspektrum im Bereich 4-8 Hertz. Gleichzeitig nimmt die Schwimmaktivität ab.

Zu beobachten ist neben der Verschiebung der Bewegungsanteile in Richtung Ventilation auch eine Verschiebung der Ventilationsfrequenz mit maximaler Amplitude.

Im Rahmen des zum Patent angemeldeten Verfahrens wird ein der Bewegung der Tiere proportionales kontinuierliches Zeitsignal erfaßt.

Jedes periodische Signal läßt sich nun als Summe einzelner Signale mit unterschiedlichen Grundfrequenzen zerlegen.

Zerlegt man das Bewegungssignal in seine Frequenzanteile, erhält man ein charakteristisches Muster, insbesondere für die relevanten Frequenzen 0-10 Hertz.

Dieses Frequenzspektrum wird ermittelt und dient als Basis für eine darauf folgende Auswertung.

Denkbar für die Auswertung ist jedes mathematische Verfahren, welches Muster aus einer gegebenen Zeitreihe analoger Daten extrahiert und so als Basis für den Vergleich mehrerer aufeinander folgender Zeitreihen dienen kann, wie z. B. der Einsatz Neuronaler Netze.

Eventuelle Abweichungen von einem "normalen" Muster können so zunächst als Verhaltensauffälligkeit eines Tieres gedeutet werden. Beobachtet man nun diese Verhaltensauffälligkeit bei mehreren Tieren gleicher Art, kann man von extern sich verändernden Umwelteinflüssen ausgehen, und somit entsprechend der Empfindlichkeit der ausgewählten Tiere auf Veränderungen des Gewässers ein mehr oder weniger empfindliches Meßsystem aufbauen.

Als Tierarten kommen prinzipiell alle Organismen in Betracht, welche die o. g. Kriterien erfüllen: periodische Ventilation und/oder eine zyklische Lokomotion.

Dies kann sowohl für im Wasser lebende Kleinstorganismen, als auch für kleine Flußkrebse als auch für ausgewachsene Fische gelten. Dabei sind auch planktonische Organismen mit einem o. g. Verhalten als Meßobjekte denkbar.

Das Meßverfahren ist somit zunächst unabhängig vom ausgewählten Organismus, aber auch auf jedes beliebige Gewässer anzuwenden (Salzwasser, Brackwasser, Flüsse).

Vorteilhaft für das Meßverfahren und die Qualität der Gewässeranalyse wirkt sich somit aus, daß die in dem zu überwachenden Ökosystem vorkommenden Organismen und höhere Lebewesen als Bioindikatoren genutzt werden können. Dies erhöht die Empfindlichkeit der Gewässeranalyse gegenüber z. B. dem Einsatz von robusteren, im Labor gezüchteten Tieren, welche nicht aus dem Ökosystem stammen und so unempfindlicher auf Änderungen reagieren.

Pro Lebewesen wird die Bewegung mit Hilfe jeweils einer elektrischen Meßkammer ermittelt. Eine Analyse des Gewässers und eine Diagnose einer Verschmutzungswelle wird nun über die zeitgleiche Messung einer Vielzahl von Lebewesen gleicher Tierart in jeweils gleichen Meßkammern durchgeführt. Die Meßkammern sind dabei an die Größe und das Verhalten der Tiere angepaßt (siehe Abb. 1-3).

Ein System zur Aufnahme der analogen Daten speichert nun die Signale aller Meßkammern synchron ab. Diese zeitgleich erfaßten Daten werden dann Ende der Datenaufnahme von einer Recheneinheit miteinander auf ähnliches Verhalten verglichen.

Die Signale mehrerer gleicher Tiere aus verschiedenen Kammern werden statistisch gemittelt, um so ein hohes Maß an statistischer Aussagefähigkeit für eine Diagnose und einen möglichen Alarm zu erhalten.

Das gesamte Meßsystem besteht so aus folgenden Komponenten.

• - Meßkammern für die Lebewesen
• - Recheneinheit zur synchronen Datenaufnahme der Bewegungsdaten aller Lebewesen in allen Kammern.
• - Recheneinheit zur zyklischen Auswertung der Daten.

Die Recheneinheiten zur Datenaufnahme und zur Datenauswertung können dabei auch in einem System zusammengefaßt werden.

Die synchrone Meßaufnahme aller Meßkammern wird vorteilhafterweise über Mikrocontrollerkarten realisiert, die Speicherung und Auswertung und Visualisierung der Daten erfolgt über einen PC.

Die Meßkammer besitzt eine oder mehrere Sendeelektroden und eine oder mehrere Empfangselektroden.

Die Sendeelektroden senden dabei ein periodisches Signal. Dieses Signal wird auf die Empfangselektroden eingeprägt. Bewegungen des Organismus verändern nun die Amplitude des empfangenen Signals, hochempfindlicher Meßverstärker für jeden Meßkanal sorgen für die Erfassung auch kleinster Bewegungen.

Dieses Bewegungssignal wird mit einer Abtastrate von mindestens 20 Hz und über eine festgelegte Zeit simultan über alle Kanäle erzeugt. Die Abtastrate ist dabei so zu wählen, daß die Bewegung mit maximaler Frequenz noch erfaßt wird.

Eine Mikrocontroller-Karte als Datenaufnahmeeinheit speichert diese Daten auf den Meßkarten zwischen.

Ein PC als Datenauswerteeinheit fordert diese Daten zyklisch von allen Meßkanälen an und speichert diese auf der Festplatte.

Eine FFT (Fast-Fourier-Transformation) bildet die Grundlage für die Auswertung der periodischen Zeitsignale. Der PC ermittelt mit der Bildung der FFT das Frequenzspektrum des einzelnen Meßsignals und korreliert dies mit den Frequenzspektren der anderen Meßkammern mit gleichen Tieren. Dabei werden insbesondere die Amplituden der Frequenzen bis 10 Hertz ermittelt und genutzt.

Man erhält eine Menge an Amplituden für die entsprechenden Frequenzen (n-Tupel), welches als Eingangsvektor für einen Algorithmus zur Mustererkennung genutzt wird.

Dieser Algorithmus zur Mustererkennung detektiert nun Unterschiede zu einem Normal- oder Idealzustand; dieses Ergebnis wird nun zur Gewässeranalyse und ggf. zur Generierung eines Alarms genutzt.

Claims (11)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Gewässeranalyse, dadurch gekennzeichnet, daß die Diagnose und Gewässeranalyse auf Basis der Analyse charakteristischer und periodischer Bewegungsabläufe von Lebewesen und deren Änderungen durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Empfindlichkeit der Analyse in dem zu überwachenden Ökosystem vorkommenden Organismen und höhere Lebewesen als Bioindikatoren genutzt werden können.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Veränderungen im Verhaltensmuster eines Bioindikators durch den Vergleich mit einem Normalzustand oder mit einer vorherigen Messung ermittelt werden und diese Veränderungen für einen Alarm bei der Gewässeranalyse genutzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewässeranalyse mit einem elektrischen Meßsystem, bestehend aus Meßkammern, Datenaufnahmemodul und Datenauswertemodul, realisiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vorteilhafterweise das Datenaufnahmemodul als dezentrales Mikrocontrollersystem mit eigenem Datenspeicher und das Datenauswertemodul als PC ausgeführt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung als analoges Signal der Meßkammern von dem Datenaufnahmemodul über einen Zeitraum erfaßt und abgespeichert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Datenaufnahmemodul synchron die Signale mehrerer Meßkammern erfaßt und abspeichert.

8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Datenauswertemodul das Frequenzspektrum der Bewegungdaten der einzelnen Messungen ermittelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Datenauswertemodul die Frequenzspektren mehrerer Meßkammern mit gleichen Lebewesen mathematisch miteinander korreliert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf Basis der korrelierten Daten ein System zur Musterkennung unzulässige Abweichungen zu einem Muster, welches einen Sollzustand beschreibt, erkennt und diese Information zur Diagnose und Gewässeranalyse genutzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Meßkammern in Anpassung an die Lebensweise und Ökologie der Tiere konstruiert werden, wie z. B. spezielle Kammern mit Sand und Wasser für Sedimentbewohner, Planktonkammern, Fischkammern.