DE3412023A1

DE3412023A1 - Verfahren und vorrichtung zur schnellbestimmung von schadstoffen in gewaessern

Info

Publication number: DE3412023A1
Application number: DE19843412023
Authority: DE
Inventors: Willi Dipl.-Ing.(FH) 7407 Rottenburg Fink; Karin Dr. Fischer
Original assignee: Buehler Edmund & Co GmbH
Current assignee: Buehler Edmund & Co GmbH
Priority date: 1984-03-31
Filing date: 1984-03-31
Publication date: 1985-10-10

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Schnellbestimmung
von Schadstoffen in Gewässern Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schnellbestimmung von Schadstoffen in Gewässern mittels eines Biomaterials mit Fähigkeit zu photosynthetischen Primärprozessen.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, zum Nachweis toxischer Substanzen in Gewässern lebende Organismen einzusetzen.
Beispielsweise werden kleine Fische oder Wasserflöhe in Wasser eines zu untersuchenden Gewässers eingesetzt und ihr Verhalten in diesem Wasser überprüft. Diese Tests sind zeitaufwendig und ungenau. Es ist auch bereits in der Literatur vorgeschlagen worden, zur Feststellung von Schadstoffen organische Hilfsmittel in Form von gefriergetrockneten Leucht-Mikroorganismen bzw. lebenden Algen einzusetzen, deren Leuchtfähigkeit bzw. photosynthetische Tätigkeit durch Schadstoffe, beispielsweise Herbizide oder Schwermetalle, gestört werden, und nach einer Bestrahlung dieser organischen Hilfsmittel die von ihnen ausgehende Fluoreszenzstrahlung zu messen und aus Veränderungen dieser Fluoreszenzstrahlung gegenüber vorermittelten Sollwerten den Schadstoffpegel eines Gewässers zu ermitteln. Dieses Verfahren erfordert relativ empfindliche Geräte zur Durchführung, so daß hier ausschließlich Laboruntersuchungen durchgeführt werden können und man sich nicht auf Untersuchungen vor Ort einlassen kann. Bei Bakterienkulturen und bei Algenkulturen ist es außerdem schwierig, in ihrer Verhaltensweise stabile und somit auch zu wiederholbaren und vergleichbaren Meßergebnissen führende Prüfsubstanzen zu erhalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art für eine echte Schnellbestimmung zu schaffen, bei welchem sichere und miteinander vergleichbare Meßergebnisse erzielt werden können.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Biomaterial Thylakoide von unter standardisierten Bedingungen gezogenen höheren Pflanzen verwendet werden, deren Zellhomogenate durch Zentrifugation aufgetrennt und gefriergetrocknet sind, und daß das Biomaterial in Chargen gleicher Grundaktivität zusammen mit anorganischen und/oder organischen Stabilisatoren als Suspension in standardisierten Proben eingesetzt wird. Als Stabilisatoren können vorteilhafterweise Rinderserumalbumin, Ethansulfonsäure, Saccharose, Natriumchlorid und/oder Magnesiumchlorid verwendet werden.
Das beim Verfahren gemäß der Erfindung eingesetzte Biomaterial gewährleistet gleichbleibende und daher auch sichere Vergleichswerte abgebende Basiswerte sowohl bei einer Schadstoffbestimmung in einem Meßmedium durch Messen des 02 Partialdruckes als auch durch Messen der Fluoreszenzinduktion.
Mit den beim Verfahren gemäß der Erfindung als Biomaterial verwendeten Thylakoiden von höheren Pflanzen wird ein Biomaterial eingesetzt, dessen Reaktionen auf Schadstoffe nicht durch physiologisch bedingte Umsteuerungen maskiert wird. Es ist relativ einfach, aus photosynthetisch aktiven Zellen höherer Pflanzen, die sich leicht kontrollierbar unter standardisierten Bedingungen ziehen lassen, Chloroplasten zu isolieren und diese Partikel so aufzuschließen, daß die Präparation nur noch Thylakoide enthält. Thylakoide sind aus Proteinen und Lipiden in spezifischer Weise zusammengesetzte Biomembranen. Sie enthalten die lichtabsorbierenden Pigmente, die Reaktionszentren, an denen Lichtenergie in elektrochemische Energie umgesetzt wird, und die Komponenten der Elektronentransportketten. Die hier ablaufenden Reaktionen sind nicht mehr an enzymatische Folgeprozesse gekoppelt. So lassen sich erfindungsgemäß bei der Verwendung vergleichbarer Pigmentmengen, also gleicher Chlorophyllkonzentration, reproduzierbare und standardisierbare Photosyntheseleistungen erzielen. Es hat sich auch erwiesen, daß Chloroplasten und Thylakoide gegenüber einer Vielzahl von Schadstoffen sehr empfindlich reagieren. Sie enthalten u. a. die Angriffsorte einiger Herbizide und haben sich gegenüber Schwermetallen als sensitiv erwiesen.
Zur Auswertung der Meßdaten kann zweckmäßig eine elektronische Meßauswerteeinrichtung mit Anschlüssen für die Meßsonden vorgesehen werden, die wahlweise, z. B. je nach zu untersuchender Substanz, eine Einzelwert-, Differential-oder Integrationsauswertung der gelieferten Meßdaten erlaubt.
Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich vorteilhafterweise in einer Vorrichtung durchführen, die eine temperierbare Aufnahmekammer für die Suspension aufweist, innerhalb welcher ein Mischkörper angeordnet ist und in welche eine Sauerstoffsonde oder eine Fluoreszenzmeßsonde ragt und die mit einem Lichtfenster ausgebildet ist, durch welches die Belichtung der Suspension erfolgen kann. Die Aufnahmekammer ist nach oben durch einen kolbenartig verschiebbaren Verschlußkörper abgeschlossen, der mit einer Kapillardurchgangsbohrung versehen ist. Als Mischkörper kann vorteilhafterweise ein von außen magnetisch bewegbarer Körper, insbesondere Permanentmagnetkörper, vorgesehen sein.
Eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung läßt sich ohne Schwierigkeiten so ausbilden, daß die Aufnahmekammer nach außen - mit Ausnahme des Lichtfensters für eine dahinter angeordnete Belichtungsquelle oder einen Lichtleiter - vollkommen lichtdicht abgeschlossen ist. Die Vorrichtung läßt sich auch als batteriebetriebenes Feldgerät zur Schadstoffbestimmung vor Ort ausbilden. Durch den kolbenartigen Verschlußkörper, der den ganzen Querschnitt der Aufnahmekammer besitzen kann, ist ein rascher Probenwechsel und eine saubere Reinigung der Vorrichtung möglich.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, mit welcher die Verfahren gemäß der Erfindung durchführbar sind.
Im einzelnen zeigen: Fig. 1 einen zentralen Längsschnitt durch die wichtigsten Teile der Vorrichtung; Fig. 2 einen Querschnitt durch die Vorrichtung entlang der Linie II - II in Fig. 1 mit angedeuteten Zusatzgeräten.
Die schematisierte Zeichnung zeigt ein aus einem lichtundurchlässigen Material gefertigtes Vorrichtungsgehäuse 10 mit kreiszylindrischem Querschnitt, in welchem eine zentrale Aufnahmekammer 11 mit ebenfalls kreiszylindrischem Querschnitt ausgebildet ist, die nach oben offen ist und dort die aus Fig. 1 ersichtliche Öffnung 12 bildet. Außerdem weist die Aufnahmekammer 11 eine seitliche Öffnung 13 auf, an welche sich ein nach außen offener Gehäusekanal 14 anschließt, durch welchen wahlweise eine Sauerstoff-Meßsonde 15 oder eine Fluoreszenzmeßsonde 16 bis zur Öffnung 13 einsetzbar ist. Der Querschnitt des Gehäusekanales 14 ist an den Querschnitt der Meßsonden 15 oder 16 angepaßt, die außerdem in nicht dargestellter Weise gegenüber dem Gehäuse abgedichtet eingesetzt sind.
Die Aufnahmekammer 11 läßt sich mit einem durch die obere Gehäuseöffnung 12 einschiebbaren kolbenartigen Verschlußkörper 17 verschließen, der eine zentrale Kapillardurchgangsbohrung 18 aufweist. Der Verschlußkörper 17 kann mittels einer nicht dargestellten Ringdichtung gegenüber der Wandung der AuSnahmekammer 11 abgedichtet sein. In die Aufnahmekammer 11 ist ein permanentmagnetischer Mischkörper 19 eingelegt, der in bekannter Weise mittels eines in Fig. 1 eingezeichneten, außerhalb des Vorrichtungsgehäuses 10 angeordneten rotierenden Magnetkörpers 20 in Mitdrehung versetzt werden kann. Eine Temperierung der Aufnahmekammer 11 wird beim dargestellten Ausführungsbeispiel mittels einer temperierten Flüssigkeit erreicht, die durch den im Vorrichtungsgehäuse 10 ausgebildeten Ringraum von einem unteren Einlaß 22 aus zu einem oberen Auslaß 23 hindurchgeleitet wird. Eine Temperierung im Sinne einer Erwärmung könnte auch durch eine in das Vorrichtungsgehäuse 10 eingebaute elektrische Heizwendel mit gesteuertem Stromdurchfluß bewirkt werden.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist im Vorrichtungsgehäuse 10 auch ein Aufnahmekanal 24 für das Ende eines Lichtleiters 25 oder für das stabförmige Gehäuse einer Lichtquelle ausgebildet. Am Ende dieses Aufnahmekanales 24 ist in der Wandung der Aufnahmekammer 11 ein lichtdurchlässiges Fenster 26 ausgebildet. Die beiden Aufnahmekanäle 14 und 24 des Gehäuses sind so angeordnet, daß ihre Längsachsen unter einem Winkel von 900 zueinander verlaufen.
In Fig. 2 ist noch die elektrische Meß- und Auswerteeinrichtung angedeutet, auf welche die von der Sauerstoff-Meßsonde 15 oder der Fluoreszenzmeßsonde 16 gelieferten elektrischen Signale geleitet werden. Diese Einrichtung umfaßt im wesentlichen einen Signalverstärker 27, einen Rechner 28, einen Grenzwertgeber 29 und ein beispielsweise als Schreiber ausgebildetes Anzeigegerät 30 und läßt sich wahlweise für eine Einzelwert-, Differential- oder Integrationsauswertung einsetzen.
Nach Entfernen des Verschlußkörpers 17 wird zunächst die standardisierte Probe des Biomaterials als Suspension in die Aufnahmekammer 11 eingebracht. Bei einer Messung der 02 Entwicklungsrate wird dann bei eingesetzter O2-Meßsonde 15 mit einer nicht dargestellten Inertgaszuleitung Sauerstoff aus der Aufnahmekammer bis auf einen an der Meßsonde 15 ermittelbaren definierten Restwert ausgetrieben, nachdem vorher der Verschlußkörper 17 eingesetzt worden ist. Bereits vor der Einstellung des O2-Ausgangswertes kann mittels des Mischkörpers 19 eine Homogenisierung der Suspension durchgeführt werden. Dann erfolgt die Eingabe der Schadflüssigkeit durch die Kapillardurchgangsbohrung 18 in genau dosierter Menge. Anschließend erfolgt die Belichtung des in der Aufnahmekammer 11 befindlichen Biomaterials über eine genau festgelegte Zeitspanne. Während dieser Belichtungszeit werden die Meßsignale, die an der 02-Meßsonde geliefert werden, in der geschlossenen Meß- und Auswerteeinrichtung 27 - 30 ausgewertet und am Schreiber 30 als Kurve "Sauerstoffmeßwert über Belichtungszeit" aufgetragen. Die Steigung dieser Kurve gibt ein Maß für die Schädigung und damit auch für den Schadstoffumfang im überwachten Gewässer.
Bei der Schadstoffbestimmung durch Messung der Fluoreszenzinduktion wird mit einer Fluoreszenzmeßsonde 16 gearbeitet.
Dabei werden die Fluoreszenzwerte nach dem Beginn der Belichtung zu zwei Zeitpunkten mit definiertem Abstand gemessen, verstärkt und im Rechner 28 mit Sollwerten verglichen.
Die Istwerte können entweder durch Absolutmessung oder durch Integration von bis zu den definierten Zeitpunkten anfallenden mehreren Einzelmeßwerten bestimmt werden. Die Anregung erfolgt mit Licht eines Wellenlängenbereiches der vom erfaßbaren Fluoreszenz-Wellenlängenbereich verschieden ist.
In einer erweiterten Form der Meßvorrichtung können Fluoreszenz und O2-Entwicklungsraten an ein und derselben Probe ermittelt und zueinander in Beziehung gesetzt werden. - Leerseite -

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Schnellbestimmung von Schadstoffen in Gewässern mittels eines Biomaterials mit Fähigkeit zu photosynthetischen Primärprozessen, dadurch gekennzeichnet, daß als Biomaterial Thylakoide von unter standardisierten Bedingungen gezogenen höheren Pflanzen verwendet werden, deren Zellhomogenate durch Zentrifugation aufgetrennt und gefriergetrocknet sind, und daß das Biomaterial in Chargen gleicher Grundaktivität zusammen mit anorganischen und/oder organischen Stabilisatoren als Suspension in standardisierten Proben eingesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schadstoffbestimmung in einem Meßmedium durch Messen des 02-Partialdruckes nach einer zeitlich genau festgelegten Belichtung der das Biomaterial enthaltenden standardisierten Probe und durch einen Istwert/Sollwert-Vergleich erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schadstoffbestimmung in einem Meßmedium durch Messen der °2-Partialdruckdifferenz zwischen zwei Zeitpunkten bei einer Belichtung der das Biomaterial enthaltenden standardisierten Probe und durch einen Istwert/Sollwert-Vergleich erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schadstoffbestimmung in einem Meßmedium durch Messen der Fluoreszenzinduktion zu zwei in ihrem Abstand festgelegten Zeitpunkten einer Zeitspanne der Belichtung der das Biomaterial enthaltenden standardisierten Probe und durch einen Vergleich der Meßwertdifferenz mit Solldifferenzwerten erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schadstoffbestimmung in einem Meßmedium durch Integration der Fluoreszenzinduktionswerte über eine genau festgelegte Zeitspanne der Belichtung der das Biomaterial enthaltenden standardisierten Probe und durch Vergleich mit Sollintegrationswerten erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Belichtung der standardisierten Probe in einem Wellenlängenbereich erfolgt, der einen Abstand vom erfaßbaren Fluoreszenz-Wellenlängenbereich aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als ein dem Biomaterial beigefügter organischer Stabilisator Rinderserumalbumin vorgesehen ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als dem Biomaterial beigefügte Stabilisatoren Ethansulfonsäure und/oder Saccharose und/oder Natriumchlorid und/oder Magnesiumchlorid vorgesehen sind.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine temperierbare Aufnahmekammer (11) für die Suspension aufweist, die ein Lichtfenster (26) mit einer dahinter befindlichen künstlichen Lichtquelle (Lichtleiter 25) hat, in welcher ein Mischkörper (19) angeordnet ist, in welche eine Sauerstoff-Meßsonde (15) oder Fluoreszenzmeßsonde (16) ragt und die oben durch einen kolbenartig verschiebbaren Verschlußkörper (17) abgeschlossen ist, der mit einer Kapillardurchgangsbohrung (18) versehen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischkörper (19) ein von außen magnetisch bewegbarer Körper ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmekammer (11) mit den Einsatz-und Ansatzorganen von Außenlicht abgeschirmt ausgebildet ist und der Kanal (14) für die MeRsonden (15, 16) um einen Winkel zum Lichtfenster (26) versetzt angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer einen Rechner (28) aufweisenden elektronischen Meßauswerteeinrichtung mit Anschlüssen für die Meßsonden (15, 16) gekoppelt ist, die wahlweise eine Einzelwert-, Differential- oder Integrationsauswertung der gelieferten Meßdaten erlaubt.