DE2626915C2

DE2626915C2 - Verfahren zur Feststellung von Schadstoffen und Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE2626915C2
Application number: DE19762626915
Authority: DE
Inventors: Gisela Dipl.-Biologe 5840 Schwerte Benecke
Original assignee: Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung mbH, 8000 München
Priority date: 1976-06-16
Filing date: 1976-06-16
Publication date: 1977-10-06
Also published as: DE2626915B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung von Schadstoffen, die auf oirganische Hilfsmittel einwirken, wobei die Hilfsmittel während der Beeinflussung mit gefiltertem Licht bestrahlt und die erzeugte Fluoreszenzstrahlung nachgewiesen wird, sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Bisher konnten lediglich einige Einzelsubstanzen durch chemische Analysenmethoden, z. B. in der Gewässerüberwachung nachgewiesen werden. Die · vorhandenen Algenhemmtests erlauben jedoch nur eine diskontinuierliche Anzeige mit zeitlich sehr verzögerter Aussage von 42 bis 72 Stunden (WRIGHT, S. R.: A simple ager plate method using micro-algae for herbicide bio-assay or detection. Bull, of Environ. Contamination and Toxicology, Vol. 14, No 1 [1975] - 70) bzw. 144 Stunden (A D DIS O N, D. A. und C. E. BARDSLEY: Chlorella vulgaris assay of the activity of soil herbicides. Weed Science 16 [1968] 427-429) oder 3 bis 24 Stunden (NOLL, M. und U. BAUER: Empfindliche Schnellmethode zum Gruppennachweis von Herbiziden durch Hemmung der Trichomwanderung von Blaualgen. ZbI. Bakt. Hyg. 157 [1973] 178-183). Die hier angegebenen Zeitspannen beziehen sich auf die Zeit, die nach dem Tesiansatz π ι r.

erforderlich ist, um eine Toxizitätsangabe machen zu können. Die jeweiligen Vorbereitungszeiten bis zum Testansatz sind nicht berücksichtigt. Für den Bereich z. B. der Trinkwassergüteüberwachung sind Langzeitbiotests daher völlig ungeeignet, da mit ihnen eine Kontaniinierung u. U. erst dann festgestellt wird, wenn das Trinkwasser den Verbraucher schon erreicht hat.

Nur eine kontinuierliche Biotestmethode mit Fischen fand bisher Eingang in den Gewässerüberwachungslaboratorien (J U H N K V., J. und W. K. BESCH: Eine neue Testmethode zur Früherkennung akut toxischer Inhaltsstoffe im Wasser. Gewässer und Abwasser, H.50/51 [1971] 107-114). Es handelt sich aber hierbei um grundlegend andere Testorganismen, und sie haben deshalb auch eine andere Aussagekraft.

Die bekannten diskontinuierlichen Algenbiotestmethoden sind meist sehr arbeitsaufwendig und ermöglichen erst nach längerer Zeit eine Auskunft über das Vorliegen einer toxischen Substanz. Bei längerer Einwirkzeit in Verbindung mit den zur Charakterisierung der Schädigung herangezogenen Parametern (wie z. B. Zelizahl, Trockengewicht, Gaswechselmessungen) sind mehrere Einwirkmechanismen gegeben. Daher sin«.' diese Tests recht unspezifisch, wenn es um die genaue Lokalisierung des Schädigungsortes im Testorganismus geht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Biotest zur Ermittlung von Schadstoffen, wie z. B. Herbiziden oder Schwermetalien, die auch in Gewässern, Trinkwasser oder anderen wäßrigen Extrakten vorkommen können, abzugeben und dafür zu sorgen, daß er kontinuierlich durchführbar ist und schnell zu der gewünschten Aussage über die Schadstoffanwesenheit führt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels des eingangs genannten Verfahrens dadurch gelöst, daß als Hilfsmittel chlorophyllhaltige Zellen oder Zellbestandteile verwendet werden, deren photosynthetischer Ablauf von den Schadstoffen gestört wird. Hierbei können in vorteilhafter Weise die Zellen oder Zellbestandteile kontinuierliche einer Probe, welche die Schadstoffe enthält, zuführbar sein.

Eine Weiterführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Probe vor der Zugabe der Zellen oder Zellbestandteile zur Gewinnung eines Referenzmeßwertes ebenfalls durchstrahlt und die durchgehende Strahlung gemessen wird.

Eine besonders vorteilhafte Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen Turbidostaten (oder Chemostaten) zur Erzielung kontinuierlicher Kulturen aus Zellen oder Zellbestandteilen, durch einen Probenvorbereiter und eine Durchflußmeßzelle für die Probe, in die die Kulturen zur Probe dosiert hinzugefügt werden, durch eine Bestrahlungsquelle und einen Strahlendetektor, und durch Filter zur Erzeugung von Spektrallicht sowie Ausblendung von Störlicht.

Eine Ausführungsform der Erfindung kann dadurch gekennzeichnet sein, daß die Probe in der Durchflußmeßzelle mittels 02-Zufuhr sättigbar ist. Es ist ebenfalls ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anlage, daß durch die Sauerstoffzufuhr gleichzeitig die Probe durchmischbar ist.

Eine Ausbildungsart der erfindungsgemäßen Anlage ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kulturen vor Eintritt in die Durchflußmeßzelle einen vorverdunkelten Bereich durchfließen.

Die Kontinuität der erfindungsgemäßen Tests wird

durch das Durcnfluüsyslem der Anlage gewährleistet Der Arbeitsaufwand ist sehr gering und beschrankt sich auf die allgemeine Wartung der Anlage.

Die Zeit, die zwischen Probenahme und Feststellung einer Störwirkung verstreicht, wird auf ein Minimum von ca. 10 Minuten reduziert. Da die Fluoreszenzstrahlung direkt an ein Photosystem eines Photosyntheseapparates gekoppelt ist, sind Veränderungen dieser Strahlung direkte Anzeiger einer Störung der Primärprozesse der Photosynthese und somit auch recht spezifisch. Eine Veränderung im Normalverlauf der prompten variablen Fluoreszenz im Intensitäis/Zeit-Diagramm kann nach einer kurzen Einwirkzeit von ca. 5 bis 10 Minuten der photosynthesesiörenden Substanzen praktisch unmittelbar nach der l.ichteinstrahlung an z. B. einem Oszillographen registriert und fotografiert werden. Die direkte Weitergabe dieser Werte in eine EDV-Anlage ist außerdem möglich. Dann können Abweichungen vom Grundverlauf zu einer automatischen Auslösung eines Alarmsignals dienen. Somit ist die Einleitung von Sofortmaßnahmen (z. B. chemischphysikalische Analyse, Unterbrechung der Wasserentnahme oder Abwassereinleitung) möglich.

Es handelt sich um ein sehr empfindliches Meßverfahren und Meßsystem, welches schon auf sehr geringe Schadstoffkonzentrationen anspricht z. B.: Diuron ca. 10-⁷M; CuCl₂ ca. IO-⁵ M; (CIIjCOO)₂Zn ca. 10-* (ARNDT, U.: The Kautsky-Effect: a method for the investigation of the actions of air pollutants in chloroplasts. Envirn. Pollut. 6 [1974] 1»' -194 und FRANCK, U. F. et al: Chlorophyllfluoreszenz als ' Indikator der photochemischen Primärprozesse der Photosynthese. Berichte der Bunsengesellschaft für physikalische Chemie 73, H. 8/9 [1969] 871 -879). Zum Vergleich hierzu dienen Nachweiskonzentrationen für Diuron mit anderen sehr empfindlichen, aber auch langer dauernden Algenbiotestmethoden von 1,1 μβ/1 = ca. 0,5xl0-⁸M (B R I N G M A N N , G. und R. KÜHN: Wirkung herbizider Ph^nylharnstoffderivate gegen Blaualgen (Modellorganismen: Microsystis aeruginosa bzw. Nostoc spec.) GWF-Wasser/Abwasser, 116, H. 8 [1975] 366-369) und 0,03 ppm = Ca. 1,5 χ 10-⁷M (BLASS, W. und G.VOSS: Ein Chlorella-Biotest zur Bestimmung photosynthesehemmender Herbizide in Böden und Gewässern. Sehr. Reihe Ver. Wasser-, Boden- und Lufthygiene, Berlin-Dahlem, 37 [1972] 21-30).

Es gelingt also mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens, einen kontinuierlich arbeitssparenden, spezifischen und empfindlichen Biotest durchzuführen, der vor allem in der Gewässerüberwachung einsetzbar ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Figur näher erläutert:

Die Figur zeigt schematisch einen Teil der Anlage, der mit A, und einen Teil, der mit B beschrieben ist und jeweils als Einheit umrandet wurde. Der in der Einheit A eingezeichnete Teil der Anlage stellt einen Turbidostaten (oder auch Chemostaten) dar, welcher in der Mikrobiologie allgemein angewendet und zur Erzielung kontinuierlicher Kulturen benutzt wird. Er besteht aus einem Vorratsgefäß 1 für Zellen oder Zellbestandteile, einem Regler 2 für die Lösung, wobei der Regler 2 über die Photozelle 3 und die Lichtquelle 4 gesteuert wird, sowie einem Kulturgefäß 5. Das Licht der Lichtquelle 4 durchdringt das Kulturgefäß 5 und trifft au/ die Photozelle 3. Über die Zuleitung 6 wird das Kulturgefäß 5 belüftet und über die Ableitung 7 werden die Zellen bzw. Zellbestandteile oder Algen zur Durchflußküvctte 8 geführt. Bevor diese Probe in die Durchflußküvci'.e 8 eintritt, durchläuft sie einen Spiralbereich 9, der mittels der Kappe 10 verdunkelt ist.

In der Durchflußküvette 8 mit Ablauf 11 befindet sich bereits das Wasser, welches auf Schadstoffe untersucht werden soll. Dieses Wasser gelangt über die Zuleitung 12 zur Durchflußküvette. Die zu untersuchende Wasserprobe befindet sich in dem Vorratsgefäß 13 oder wird unmittelbar mittels einer Dosierpumpe aus dem zu untersuchenden Objekt (Fluß, See etc.) entnommen, und wird vor Zugabe zur Durchflußkiivelte 8 über ein Schwebstoffilter 14 geleitet. Mit der filtrierten Probe wird zuerst eine Vermessung durchgeführt, die dazu dient, eventuell Absorptions- bzw. Fluoreszenzeigenschaften zu bestimmen, die die Hauptmessung verfälschen könnten. Diese Vormessung dient als Referenzmessung für die später erfolgende Fiuoreszenzmcssung, wobei der Wasserprobe die Kulturprobe hinzugefügt wird.

Die Zuführung der chlorophyllhaltigen Zellen oder Zellbestandteile zur Wasserprobe erfolgt nach der Vorbzw. Referenzmessung. Damit z. B. die Algen sich in einem »ausgeruhten Zustand« befinden, durchlaufen sie den verdunkelten Spiralbereich 9. Die Durchmischling der Wasser- mit z. B. der Algenprobe erfolgt innerhalb der Durchflußzelle 8. Hierzu dient eine Belüftungszuführung 15 zur Durchflußküvette 8, durch die Sauerstoff hinzugeführt wird. Diese Belüftung mit Sauerstoff dient der Verteilung des Materials und dazu, das aufgrund von 02-Mangel keine Fluoreszenzänderung hervorgerufen werden kann. Erst unmittelbar vor der eigentlichen Fluoi eszenzmessung, die der Hauptmessung entspricht, wird diese Belüftung abgestellt.

Die Hauptmessung erfolgt innerhalb des Gehäuses 16, in dem auch die Durchflußküvette 8 untergebracht ist. Die Probe in der Durchflußküvette 8 wird kurzzeitig mittels der Lichtquelle 17, welche sich außerhalb des Gehäuses 16 befindet, belichtet, wobei die Belichtungszeit über den Fotoverschluß 18 geregelt wird. Das weiße Licht, welches von dieser Quelle 17 ausgeht, wird durch ein Blaufilter 19 geschickt, bevor es die Probe in der Küvette 8 passiert. Da Chlorophyll im roten Spektralbereich fluoresziert, wird nach der Probe (Durchflußküvette 8) ein Rotfilter 20 gesetzt. Dieses läßt nur die Fluoreszenzstrahlung durch. Die Fluoreszenzstrahlung wird dann durch den Photomultiplier 25 verstärkt und auf dem Oscillographen 22 sichtbar gemacht. Der Kurvenverlauf 23 kann fotografisch durch eine am Oscillographenschirm angebrachte Kamera (nicht näher dargestellt) festgehalten werden. Vom Oscillographen 22 aus können aber auch die Fluoreszenzwerte in eine EDV-Anlage 24 gegeben, erfaßt, gespeichert und gegebenenfalls korrigiert werden, wenn aufgrund der Vormessung (Referenzmessung ohne Zugabe des Kulturmaterials aus dem Tubidostaten A) eine Korrektur erforderlich sein sollte. Der Verlauf der Fluoreszenzkurve 23 weist bestimmte Charakteristika auf und wird als Normalkurve bezeichnet. Abweichungen von diesem Normalverlauf (siehe z. B. im Sonderdruck aus der Zeitschrift: Berichte der Bunsengesellschaft für physikalische Chemie, Band 73, Heft 8/9,1969, Seiten 871 -879), bedeuten eine Störung im Photosyntheseablauf der Testalgen bzw. Zellen oder Zellbestandteile. Ist der EDV-Anlage 24 dieser Normalablauf eingegeben worden, so kann jede Messung mit der Normalkurvenform 23 verglichen und bei Abweichungen Alarm ausgelöst werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

26 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Feststellung von .Schadstoffen, die auf organische Hilfsmittel einwirken, wobei die Hilfsmittel während der Beeinflussung mit gefiltertem Licht bestrahlt und die erzeugte Fluoreszenzstrahlung nachgewiesen wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfsmittel chlorophylihaltige Zellen oder Zellbestandteile verwendet werden, deren fotosynthetischer Ablauf von den Schadstoffen gestört wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen oder Zellbestandteile kontinuierlich einer Probe, welche die Schadstoffe enthält, zuführbar sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe vor der Zugabe der Zellen oder Zellbestandteile zur Gewinnung eines Refrenzmeßwertes ebenfalls durchstrahlt und die durchgehende Strahlung gemessen wird.

4. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Turbidostaten (A) zur Erzielung kontinuierlicher Kulturen aus Zellen oder Zellbestandteilen, durch einen Probenvorbereiter (13, 14) und eine Durchflußmeßzelle (8) für die Probe, in die die Kulturen zur Probe hinzugeführt werden, durch eine Bestrahlungsquelle (17) und einen Strahldetektor (21), und durch Filter (19,20) zur Erzeugung von Spektrallicht sowie Ausblendung von Störlicht.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe in der Durchflußmeßzelle (8) mittels 02-Zufuhr (15) sättigbar ist.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Sauerstoffzufuhr (15) gleichzeitig die Probe durchmischbar ist.

7. Anlage nach Anspruch 4 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kulturen vor Eintritt in die Durchflußmeßzelle (8) einen 4c vorverdunkelten Bereich (9, K)) durchfließen.